高炉熔渣高效热回收技术与应用

2023年度山东省科技进步奖公示工程名称：高炉熔渣高效热回收技术与应用推举单位：青岛理工大学工程简介：()排渣量大且不连续、温度高、成分简单、物性变化大，现有水淬工艺造成大量余热损失、水资源消耗和有害气体及烟尘排放造成的环境污染等。其它熔渣热回收技术存在能耗高、粒化品质低、热回收率低、粒扮装置稳定性及牢靠性低等瓶颈问题。本工程的熔渣高效热回收技术与装备突破了以上局限和技术瓶颈，对国家节能减排战略的实施和减排环保具有重要作用。本工程开展的技术根底争论、关键技术工艺装备开发和回收的熔渣余热产业化应用分别是：熔渣离心粒化机制及相变传热与物相演化协同调控方法； 控粒径等的熔渣高效紧凑高效离心粒扮装置及调控技术；熔渣颗粒高效、连续热回收系统集成工艺技术装备；熔渣余热发电应用和办公、社区供暖应用。在以上争论开发工作中，利用数值模拟和可视化技术，探析-/-渣粒余热回收过程的关联关系。承受优化壁面构造及调控措施防止渣粒粘结，研制高效紧凑熔渣离心粒化技术装置；承受中间缓存机构实现间歇出渣与连续粒化及余热回收匹配；承受渣粒移动换热装置结合受热面构造和布置优化， 实现渣粒余热高效回收并掌握渣粒流速和温度变化率、 兼顾物料品质和抑制渣粒移动磨损；承受试验室争论、炼铁生产现场试验和试点纠偏的方法，将工程成果推广应用到熔渣余热发电和供暖中。本工程取得的创性成果是：1、熔渣粒化技术。一是，建立了熔渣颗粒在相变冷却过程中物相演化模型，导出变物性熔渣的离心粒化渣粒粒径分布关联式，确定了临界冷却速度等对换热及粘结的影响机制、粒化仓内渣粒物相与换热的相互关系。二是，研制出控粒径等高效组合式离心粒化工艺技术装备。2、熔渣颗粒换热技术。一是，得到了换热效率和熔渣颗粒成分与冷却介质初始温度、速度、颗粒粒径的关联式及传热强化与渣粒品质协同的关系； 建立了渣粒品质等与受热面磨损交互作用关系和气相流场等的调控机制。二是，研制出兼顾渣粒品质和热回收率、抑制受热面磨损的高效热回收工艺技术装备。3--热回收装置无缝连接界面控制技术、熔渣缓存及流量掌握工艺技术装备。二是，开发出以离心粒化工艺技术装备为核心的熔渣高效连续热回收利用系统集成技术。研制了熔渣高、低品位余热应用于发电和供暖的技术工艺及装备。本工程到达的争论目标和取得的效益是：119项；出版山东省地方标准2SCIEI45篇。240075%90%92%。38571万元经济效益。主要技术内容及创点：熔渣离心粒化热回收技术主要由粒扮装置和余热回收装置组成。高温液态熔渣进入粒扮装置后，由高速旋转的粒化器粒化成细小熔渣液滴，并与粒化仓内的冷却空气进展换热，因其比外表积较大从而实现快速相变冷却；随后半熔融的颗粒从粒化仓排出进入热回收装置，并与热回收装置内的受热面及冷空气进展换热，实现热回收目的；同时获得高玻璃体含量的渣粒，可进展后续资源化利用。在试验室争论中，着力解决渣粒粒径偏大、渣棉量大、玻璃体含量难以保证、粒化效率低、粒化器外表结渣及高温熔蚀、粒化仓壁面及底部渣粒易粘结、渣粒热回收装置内受热面易磨损、回收余热品位与渣粒品质协同困难、运行稳定性和牢靠性差等瓶颈问题。在钢厂高炉出渣粒化的生产试验中，着力解决高炉间歇出渣与离心粒化连续热回收工艺运行的匹配、3所示的技术方案。开发研制了熔渣缓存装置、熔渣流量掌握装置、粒扮装置、余热回收装置、高品位余热利用发电与低品位余热供暖装置系统。技术路线XRDDSC表征相结合，获得熔渣在不同冷却条件下相变冷却及物相演化过程，为熔渣粒化供给了技术根底；利用图像处理结合红外温度测量同时捕获熔渣液滴外形和外表温度随时间的变化，为粒化参数确定和热回收装置等研制供给了设计依据。CLSVOF方法，给出颗粒运动轨迹、颗粒界面及颗粒内固液界面的状况。提出了基于界面功能参数的提取及有效串联传递方法，实现了熔渣离心粒--渣粒热回收的全过程参数检测。针对控粒径、抑渣棉、防粘结的熔渣高效紧凑离心粒化及调控开展从机理争论、技术开发、技术集成等方面开放递进式工作。探析关心冲击气流对熔渣离心粒化过程中的相变换热、物性变化和粒化器外表的结渣。利用可视化试验手段捕获熔渣离心粒化和颗粒撞击壁面的动态行为及温度响应、以获得颗粒的运动轨迹。开发颗粒防粘结及紧凑式粒化仓高效热回收技术、熔渣进料参数掌握技术，通过技术集成形成控粒径、抑渣棉、防粘结的高效紧凑离心粒扮装备。承受移动换热装置，并协同渣粒品质调控进展熔渣颗粒热回收。CFD-DEM模型-固相互作用及渣粒的相变换热特FEM-DEM方法与颗粒接触换热模型，反映高温渣粒绕流受热面流淌、传热及磨损过程，分析冲击磨损和绕流磨损特性。CFD方法进展装备构造优化，提高大型化粒化仓和移动换热装置的设计质量与效率，削减设计本钱。承受多种成熟的能效评价方法对由离心粒化器、粒化仓、移动换热和余热锅炉构成的熔渣热回收和利用系统进展系统化的物料、能量优化与匹配，形成系统集成技术。关键技术熔渣颗粒粒化技术①熔渣粒化与渣粒品质调控的技术根底。一是，把握了了熔渣颗粒相变冷却、物相构造演化和相变传热的规律，建立了熔渣颗粒在相变冷却过程中物相演化的推测模型，确定了风冷/颗粒运动、碰撞及局部熔合过程中的非稳态相变换热及物相演化的耦合作用机理及颗粒成型及分布沉降特性；导出急冷条件下变物性熔渣的离心粒化及液丝延迟断裂机制和渣粒粒径分布关联式。开发出粒化器渣壳厚度及形貌的调控技术。②研制出控粒径、控渣壳、抑渣棉和热防护的高效组合式离心粒扮装置。一/液丝裂开及相变换热的原理和强化离心粒化方法，确定了高效组合离心粒化器的设计原则与指标。二是，确定了粒化颗粒撞击壁面动态特性对换热及粘结的影响机制和粒化仓内渣粒物相与换热的相互关系，提出粒化仓内熔渣颗粒换热强化方法，开发出协同渣粒物相调控的高效余热回收粒化仓技术。通过四分法随机对制取的渣粒取样(GB/T13732-2023)，利用标准筛网对样品进展筛分(依据细集料筛分试验规程)，承受称重的方法得到各粒径颗粒的质量 (称量仪器仪表及其检验校核符合GB/T7724-2023 等国家标准)，计算小于4mm的颗粒质量与样品总质量之比，得到粒化合格率；利用质量加权平均的计算方法，计算得到颗粒的平均粒径；依据国标GB/T18046-2023 标准中规定的矿渣粉玻璃体含量的测定方法，承受 XRD方法测量得到粒化颗粒的玻璃体含量。测量结果说明，该项创技术取得：粒化合格率 ≥95%，平均2mm95%，超过国内外同类技术水平。因国内外尚无同类技术的实际应用，所以效应及市场竞争力无从比对。熔渣颗粒换热技术①熔渣颗粒高效热回收与渣粒品质调控的技术根底。一是，建立了半熔融-宽筛分颗粒同渣粒品质调控的移动换热装置内换热强化方法；建立了粒品质、热回收与受热面磨损交互作用关系和换热装置内气相流场、同渣粒品质调控的移动换热装置内换热强化方法；建立了粒品质、热回收与受热面磨损交互作用关系和换热装置内气相流场、率和品位低、渣粒品质调控难、受热面磨损严峻等技术瓶颈。承受称重法测量渣粒的质量流量(称量仪器仪表及其检验校核符合GB/T7724-2023 等国家)和热重测量渣粒在高温下的比热容，计算获得移动换热装置的热效率。测量800冷却下行至温度为800℃处所需的时间，计算出800℃以上，渣粒平均温降速率。测量结果表90%800℃时平均温降速率10/s(参见：1.112)。因国内外尚无同类技术的实际应用，所以效应及市场竞争力无从比对。熔渣高效热回收利用技术①变流量熔渣离心粒化与连续热回收相适应的技术创。开发出适应间歇出渣且出渣流量--热回收装置无缝连接界面掌握技术、高温熔渣缓存及流量掌握工艺技术装置。②兼顾热回收率、渣粒粒径和玻璃体含量的协同调控技术创。提出了大型化熔渣离心粒化及高效热回收核心装备的设计准则和方法； 开发出离心粒化工艺技术装为核心的熔渣高效连续热回收和利用系统集成技术。③熔渣高品位余热换热发电技术及装备系统的实际应用和熔渣低品位余热换热供暖技术及装备系统的实际应用。本工程在莱钢高炉车间搭建一套 5t/h熔渣离心粒化及渣粒热回收生产试验系统。系统稳定运行后，承受标准流量计在线测量空气的流量，承受标准热电偶测量空气进/出口温度、粒化仓进渣/排渣温度，计算得到熔渣的放热量以及空气的吸热量，计算空气的吸热量与熔渣的放热量之比，得到粒化仓热回收率。通过实时监测系统运行状况，获得系统连续运行数据。测量结果说明，该项创技术取得：工生产试验系统规模≥120吨/日，熔渣热回收率≥75%95%92%。推广应用状况、经济效益和社会效益工程成果获得授权国家制造专利19项、有用型专利6项；出版《高炉渣干法处理技术2项山东省地方标准。工程成果在济钢、莱钢、耀华和青钢推广应用。工程开发研制的熔渣低品位余热的供暖换热系统体积小、换热效率高、适应性强、牢靠稳定和寿命长。分别利用济钢1号、23112号高炉熔渣粒化的低品位余热，该系统用于济钢苑及周边100万平方米居民小区冬季供暖，累计节约标煤万吨、削减水损耗550万吨，减排二氧化碳、硫化氢、粉尘69万吨；该系统分别用于莱钢和青钢30万平方米和40万平方米生产、办公和局部生活区供暖，累计节约标煤6万吨、减7307120231月先后投入运行至今，运行稳定、牢靠，取得了8571万元的经济效益。完成人状况1、仪垂杰，教授，青岛大学工程负责人：工程抓总,技术方案与技术路线制定、技术创研发。主要科技获奖：山东省科技进步一等奖、二等奖，山东省重大节能成果奖，青岛市科技进步一等奖、二等奖，等。对工程成果的主要奉献是：高炉熔渣凝固动力学理论等熔渣粒化和高效热回收技术的技术根底争论，熔渣离心粒化和移动换热技术设备、熔渣高效热回收系统集成等技术装备研发。2、于庆波，教授，东北大学工程主要成员：技术工艺争论、关键技术装备研发。863863、国家自然科学基金及企业合作等工程十余项，授权制造专利十余项。对工程成果的主要奉献是：熔渣离心粒化和高效热回收工艺技术路线确实定，熔渣颗粒渣热回收流化换热技术工艺参数确定及装备研制。3、李朋，高级工程师，重庆赛迪热工环保工程技术工程主要成员：熔渣粒化粒化高效热回收利用关键工艺装备研制。863、国家自然科学基金等争论工程，授权多项制造专利。4、周扬民，讲师，青岛理工大学工程主要成员：高炉熔渣干法粒化理论与试验争论。5、罗思义，副教授，青岛理工大学工程主要成员：熔渣粒化及分质利用中试试验争论。6、杨启荣，教授，青岛大学工程主要成员：熔渣低品位余热供暖换热技术及装备开发。7、郭健翔，教授，青岛理工大学工程成员：高炉渣干法粒化理论及分析方法争论。8、吴荣华，教授，青岛大学工程成员：熔渣低品位余热供暖换热技术及装备开发。9、王东，博士争论生，青岛理工大学工程成员：熔渣离心粒化钢厂生产试验争论。10、刘军祥，副教授，东北大学工程成员：固定床熔渣颗粒余热回收及传热试验争论。11、张道明，高级工程师，重庆赛迪热工环保工程技术工程成员：熔渣干法粒化及余热回收工业化试验平台研发。12、秦勤，副教授，东北大学。工程成员：熔渣余热物理法和化学法回收的热力学分析及试验争论。完成人合作关系说明工程成果完成人为：仪垂杰，于庆波，李朋，周扬民、罗思义、杨启荣、郭健翔、吴荣华、王东、刘军祥、张道明、秦勤。仪垂杰作为工程负责人、周扬民、郭健翔作为主要完成人共同完成了国家自然科学基金重点工程：高温异质离散运动颗粒间的传热传质机理争论 (50934010) ；仪垂杰作为第一发明人、周杨民作为其次制造人，获得授权制造专利 “一种利用高炉渣冲渣水余热供暖的系统及方法(ZL202310428298.2) ”；仪垂杰作为第一制造人、罗思义作为第四制造人，获得授权制造专利“一种利用高炉粒化渣余热制取生物质油的方法 (ZL202310349224.9) ”。仪垂杰、周扬民分别作为第一、其次起草人，出版山东省地方标准《高炉渣干法处理技术标准》(DB37/T2265-2023) 、《高炉渣余热供暖技术标准》(B37/T2266-2023) 。仪垂杰作为通讯作者、王东、周杨民、罗思义分别为作为第一、其次和第三作者发表学术论文“铁棉联产的优质矿渣棉生产工艺”(材料与冶金学报.2023.6) 等。于庆波作为课题负责人，刘军祥、秦勤作为主要完成人共同完成了国家高技术争论进展打算工程“液态渣高温显热回收的关键技术争论”(2023AA05Z209) ；于庆波作第一制造人，秦勤、刘军祥分别作为其次和第三制造人，获得授权制造专利“高炉渣显热回收系统”(ZL202310229556.2) 。于庆波作为第一制造人，刘军祥作为其次制造人、秦勤作为第(ZL202310438859.7)。于庆波作第一制造人，刘军祥作为第三、秦勤作为第四制造人，获得授权制造专利“一种高温熔渣急冷干(ZL202310252945.8)。李朋作第一制造人，张道明作为第五制造人，获得授权制造专利“高温熔渣余热回收系统及方法”(ZL202310755689.9) 和“高炉熔渣粒扮装置”(ZL202310755687.X) 等。吴荣华作第一制造人，杨启荣作为第三制造人，获得授权制造专利“一种非清洁水换热器除垢装置及其系统”(ZL202310034000.8) 和“一种强化除垢型换热装置”(ZL202310504112.0) 等。完成单位状况1、青岛理工大学创推广奉献：对“高炉熔渣高效热回收技术与应用” 工程的争论开发和推广应用供给的主要支持：一是，学校人事部门为工程开展需要补充的涉及工程相关学科的人员，赐予了准时调配。二是，学校科研等部门为工程的顺当开展沟通、协调合作单位的关系。三是，学校供给相应经费加强与工程有关的试验室条件建设，配置了高炉熔渣粒子图像测速系统、多普勒检测仪等设备。2、重庆赛迪热工环保工程技术创推广奉献：重庆赛迪热工环保工程技术为工程开展需要的熔渣余热回收生产试验平台供给的支持：一是，公司成立了特地的工程组，配备了热力、工艺、设备、电气、仪表、土建、通风、构造、建筑、动力、给排水等相关专业技术人员，确保了工程的准时推进。二是，公司工程治理部、设计部、财务部等部门为工程组沟通、协调与合作单位的关系。三是，公司为熔渣生成试验平台的争论供给了良好的争论环境和支撑平台，包括争论所需的场地条件、检测设备、经费等。3、东北大学创推广奉献：东北大学为工程开展供给的支持：一是，学校人事部门为工程需要补充的涉及工程相关学科的人员，赐予了准时调配。二是，学校科研等部门为工程顺当开展，沟通、协调与合作单位的关系。三是，学校为熔渣工程的争论供给了良好的争论环境和支撑平台，包括争论所需的场地条件、检测设备等。4、青岛大学创推广奉献：青岛大学为工程开展供给的支持：一是，学校和机电学院对工程的开展乐观协作，有求必应。二是，为工程中熔渣低品位余热回收涉及到的换热和过滤方面的研发，赐予了试验室及相关条件的大力支持。序学问产权名称序学问产权名称学问产权学问产制造人学问产权号取得日期号类别权人国()别制造专利高炉渣显热回制造于庆波、秦勤、刘军祥、东北大1ZL202310229556.22023.06.09中国有效收系统 专利高温冶金渣粒制造陆钟武于庆波、刘军学东北大2 祥、胡贤忠; ZL202310438859.7 2023.05.01 中国有效余热回收装置 专利秦勤学一种利用高炉渣冲渣水余热制造仪垂杰、周扬青岛理3 ZL202310428298.2 2023.07.10 中国有效供暖的系统及方法专利民工大学及回收显热的装置和方法一种利用高炉粒化渣余热制取生物质油的方法

于庆波、胡贤制造忠、刘军祥、专利秦勤仪垂杰、岳制造 霞、周扬民、专利 罗思义、李宗刚、王亭亭制造

学

ZL202310252945.8 2023.06.17 有效ZL202310349224.9 2023.06.17 有效专利杨启荣、何凌学燕、师忠秀重庆赛李朋、陈君、专利杨启荣、何凌学燕、师忠秀重庆赛李朋、陈君、迪热工制造程淑明、陈环保工专利婉、张道明、陈德银、吴斌程技术有限公司吴荣华、王勇、杨启荣、制造李康、孙源青岛大专利渊、陈霄、郑学记莘、孙春锦、刘敏重庆赛李朋、陈君、迪热工制造程淑明、陈环保工专利婉、张道明、程技术陈德银、吴斌有限公司制造罗思义、王俊青岛理专利芝工大学型换热装置高温熔渣余热回收系统及方法一种非清洁水换热器除垢装置及其系统

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(按刊物发表挨次)LiuJX,YuQB,LiP,granulationCO2gasificationrateanalysisofcoalinmoltenblastfurnaceslag—Forheatrecoveryfrommoltenslagbyusingachemicalreaction

AppliedThermalEngineeringInternationalJournalofHydrogenEnergy

20232023

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