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高爐煉鐵、鐵水火紅，除了鋼鐵，在此過程中的副產(chǎn)物高爐渣也是寶，蘊含著大量高溫余熱資源。如何能夠在不消耗水和保證高品質(zhì)渣的基礎(chǔ)上回收余熱，曾經(jīng)是世界難題。
近日，記者從科技部高技術(shù)研究發(fā)展中心獲悉，在國家重點研發(fā)計劃專項成果中，由重慶大學牽頭承擔的“液態(tài)熔渣高效熱回收與資源化利用技術(shù)”項目，成功實現(xiàn)了用離心�；ǜ咝Щ厥杖廴诟郀t渣余熱的全工藝流程，該技術(shù)出渣品質(zhì)高，余熱回收率高且無需用水，可謂一舉三得，這在世界上屬于首次。該技術(shù)能夠為我國鋼鐵行業(yè)每年節(jié)能1400萬噸標煤，減排二氧化碳3640萬噸。
世界首創(chuàng) 讓技術(shù)設(shè)想變?yōu)楝F(xiàn)實
1月15日，在重慶大學能源與動力工程學院，項目負責人朱恂教授正帶領(lǐng)學生在實驗室里檢查最新�；龅母郀t渣。只見一顆顆高爐渣顆粒細小，黑中發(fā)亮，好似一顆顆小玻璃珠。
“這就是離心粒化后的高爐渣，玻璃體含量高的渣可以作為水泥摻混料用于生產(chǎn)硅酸鹽水泥、混凝土，很有經(jīng)濟價值�！敝焘榻B，高爐渣除了可以做水泥原料，還蘊含豐富的余熱資源。高爐渣作為副產(chǎn)品，每生產(chǎn)1噸生鐵將產(chǎn)生0.3噸高爐渣，且高爐渣出渣溫度高達1500℃，以我國2019年8.1億噸生鐵產(chǎn)量計算，高爐渣所蘊含的余熱資源相當于1400萬噸標準煤，約占鋼鐵廠所產(chǎn)生余熱量的30%。
不過，目前對高爐渣主要通過水淬急冷處理，這一技術(shù)雖然能得到高品質(zhì)的渣，但卻浪費了大量余熱和水資源，還會產(chǎn)生環(huán)境污染氣體。如何能夠兩全其美?各國的研究人員一直在探索高爐渣干式處理技術(shù)。
學界先后提出的高爐渣干式處理技術(shù)有風淬法、滾筒法、機械攪拌法、離心粒化法等。不過風淬法、滾筒法和機械攪拌法本身能耗高，而且后兩個方法出渣品質(zhì)、余熱回收率也低。
“離心粒化法是業(yè)界公認最有前景的處理方法。”朱恂介紹，離心粒化法的基本原理是利用高速旋轉(zhuǎn)的�；�，使得液態(tài)熔渣在離心力作用下被�；尚∫旱危⑴c空氣或水進行直接或間接的高效換熱。該技術(shù)理論上可獲得小粒徑渣粒且玻璃體含量高，熔渣的余熱回收率在90%以上。此外，相比水淬渣，離心粒化法還可以節(jié)約干燥水渣的能量消耗，節(jié)能更顯著。
不過該技術(shù)實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用確是最難的，目前世界上還沒有其他國家實現(xiàn)。
朱恂決定啃一啃這塊“硬骨頭”。2012年，在國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)的支持下，朱恂率團隊開始研究高溫熔渣余熱回收的能質(zhì)傳輸機理。隨后在國家重點研發(fā)計劃項目的支持下，聯(lián)合北京科技大學、東北大學、重慶賽迪熱工環(huán)保工程技術(shù)有限公司等開始將這項技術(shù)從理論向應(yīng)用實踐轉(zhuǎn)移。
“在一次次艱難探索和不斷試錯過程中，我們逐漸攻克了各種核心技術(shù)難題，成功實現(xiàn)了離心粒化法余熱回收技術(shù)�！眻F隊核心成員王宏教授表示，這是世界上首次實現(xiàn)，是在該領(lǐng)域零到一的突破。
攻克難點高爐渣冷卻不再用水
從團隊開始這項研究起，朱恂所帶的博士生都會成為“渣主席”。
“我是第四任‘渣主席’�！痹谧x博士生呂義文笑著說，學校實驗室里是他們特制的實驗爐，他們買遍了全國各地鋼鐵廠的高爐渣做實驗，每開一次實驗費用都以萬為單位，他負責每次實驗的
總體安排，也被團隊成員們稱呼為“渣主席”。
呂義文從碩士研究生時就進入團隊，他主要負責研究高爐渣�；旱蔚膿Q熱過程�！按騻€簡單的比喻，就是要研究高爐渣如何快速冷卻并凝固成顆粒均勻細小的顆粒，不結(jié)團不成塊�！眳瘟x文說，讓1500℃的液態(tài)高爐渣變?yōu)橐活w顆小“珠子”，還要能把其中的熱進行回收，這個操作聽起來就像是不可能完成的任務(wù)。
朱恂說，他們設(shè)計了一個轉(zhuǎn)杯離心粒化器，這個裝置就像一個梯形的杯子，當液態(tài)熔渣從高爐中排出并進入�；瘋}時，會被高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)杯接住，隨后熔渣會鋪展、拉伸、破裂成小液滴并飛出去，撞擊在四周的水冷壁上，在這個過程中液滴會和空氣及水冷壁進行換熱冷卻凝固，冷卻的顆粒再進入后續(xù)的移動床進行高效換熱并最終排出，排出的冷顆粒則具有較高的附加利用價值。
什么材質(zhì)的轉(zhuǎn)杯才能長時間接住溫度高達1500℃的熔渣?離心�；臋C理是什么?在什么運行工況下才能獲得最小的�；旱�?熔渣液滴飛出去后撞壁如何保證不粘在水冷壁上?如何保證顆粒快速凝固?能否順利的向下滑落排出?這一個個問題都是項目團隊要解決的難題。
“整個團隊有二三十人�！蓖鹾暾f，主要負責的老師帶領(lǐng)各自學生，各有分工，大家都圍繞自己的方向開展研究。
團隊研究發(fā)現(xiàn)隨著熔渣流量增大，熔渣在轉(zhuǎn)杯離心力作用下，存在三種分裂模式：滴狀、絲狀和膜狀�！耙话阏J為滴狀或絲狀更利于獲得小顆粒，但是我們研究卻發(fā)現(xiàn)，其實膜狀也能獲得理想的小顆粒，并最有利于實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用。”朱恂說，這就涉及對熔渣流量和轉(zhuǎn)杯轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)與控制，一點點不匹配就不能成功。當熔渣如何高效粒化的問題解決后，粒化液滴撞壁而不粘壁又是一項難題，呂義文反復(fù)研究后，提出一種水冷壁加傾斜布風板的復(fù)合式換熱結(jié)構(gòu)，強化了顆粒換熱的同時又很好地解決了顆粒黏結(jié)這一問題。
經(jīng)過無數(shù)次的實驗，團隊最終攻克了一個個難題，還分別提出了基于流化床和移動床的高溫熔渣離心�；酂峄厥障到y(tǒng)，實驗研究表明，粒化高爐渣平均顆粒直徑小于2毫米，系統(tǒng)余熱回收率均可達到70%以上，渣粒玻璃體含量高于92%，具有很好的工業(yè)化應(yīng)用和推廣前景。
節(jié)能減排帶動鋼鐵工業(yè)產(chǎn)能升級
在重慶江津，項目已在重慶賽迪熱工環(huán)保工程技術(shù)有限公司的工廠內(nèi)建起了液態(tài)熔渣離心粒化及余熱高效回收中試試驗平臺。該平臺驗證了離心粒化技術(shù)方案，驗證了粒化單元、余熱回收單元結(jié)構(gòu)設(shè)計及全工藝流程運行，實現(xiàn)了熔渣�；陀酂岣咝Щ厥眨_到了預(yù)期效果，平均粒化能力144噸/天，最大粒化能力288噸/天。
據(jù)測算，使用該技術(shù)1噸渣可回收蒸汽(1.3MPa, 350℃)300公斤左右，可節(jié)水1000公斤，可回收能源折合35公斤標煤，可減少硫排放5克，可解決目前高爐水淬法水蒸氣中硫含量約5000 毫克每立方米的問題，運行能耗小于8千瓦時。朱恂介紹，如果按照1000萬噸規(guī)模鋼鐵廠測算，采用該技術(shù)，年經(jīng)濟收益約1.3億元。節(jié)能15萬噸標準煤，節(jié)水240萬噸，減少硫化物排放15噸，減少二氧化碳排放112萬噸。如果按照全國現(xiàn)有生鐵產(chǎn)能，將實現(xiàn)每年節(jié)能1400萬噸煤，節(jié)水約2.4億噸，減排二氧化碳3640萬噸，減排二氧化硫37萬噸，減排氮氧化物23萬噸，減排粉塵2852萬噸，將有力促進我國鋼鐵產(chǎn)業(yè)升級和節(jié)能減排。
“除了鋼鐵行業(yè)，該技術(shù)也可在銅鎳鉛等有色金屬行業(yè)進行推廣�！敝焘f，目前，他們正在積極和相關(guān)企業(yè)對接，希望能早一點把該技術(shù)在相關(guān)行業(yè)中應(yīng)用。“這是一項顛覆性技術(shù)，前期投入較大，有難度，但我有信心!”
朱恂所在的動力工程及工程熱物理教師團隊，承擔了多項我國節(jié)能減排重點研發(fā)計劃項目，2018年，該團隊入選首批全國高校黃大年式優(yōu)秀教師團隊。朱恂從1993年畢業(yè)留校任教至今，27年來，她和團隊日復(fù)一日與各種工業(yè)廢氣、廢水、廢渣打交道。朱恂說：“我們都有一個碧水藍天夢，都有著共同的理念和興趣，所以我們能聚在一起，而且敢打敢拼、特別能攻關(guān)!”

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