综述《工业加热》第３８卷２００９年第３期
李顺
（东北大学国家环境保护生态工业重点实验室，辽宁沈阳１１０００４）
摘要：分析了熔融高炉渣显热回收的必要性。因为熔渣的物理性质和高炉出渣不连续性，导致熔渣显热回收存在困难。介绍了滚筒法、搅拌法、风淬法、连铸法、离心粒化和反应热法显热回收工艺，并指出甲烷一二氧化碳重整法有很好的发展前途。 关键词：高炉渣；热回收；搅拌法；甲烷一二氧化碳重整
中图分类号：ＴＦ０６６文献标志码：Ａ文章编号：１００２—１６３９（２００９）０３－０００１—０４
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ＬＩＳｈｕｎ
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Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｎｅｅｄｆｏｒｈｅａｔｒｅｃｏｖｅｒｙｆｒｏｍｍｏｌｔｅｎｂｌａｓｔｆｕｒｎａｃｅｓｌａｇｗａｓａｎａｌｙｓｅｄ．Ｂｅｃａｕｓｅｏｆｔｈｅｐｈｙｓｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｓｌａｇａｎｄｔｈｅｎｏｎ・ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｏｐｅｒａｔｉｏｎｏｆｂｌａｓｔｆｕｒｎａｃｅ，ｈｅａｔｒｅｃｏｖｅｒｙｆｒｏｍｍｏｌｔｅｎｓｌａｇｗａｓｄｉｆｆｉｃｕｌｔ．Ｒｏｔａｔｉｎｇｄｒｕｍｇｒａｎｕｌａｔｉｏｎ，ｓｔｉｒｒｉｎｇｇｒａｎｕｌａｔｉｏｎ，ａｉｒｂｌａｓｔｇｒａｎｕｌａｔｉｏｎ，ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｃａｓｔｉｎｇ，ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌｇｒａｎｕｌａｔｉｏｎａｎｄｃｈｅｍｉｃａｌｒｅａｃｔｉｏｎｓｃｏｍｂｉｎｅｄｈｅａｔｒｅｃｏｖｅｒｙｗｅｒｅｆｕｌｌｙｄｅｔａｉｌｅｄａｎｄｍｅｔｈａｎｅ－ｃｍ－ｂｏｎｄｉｏｘｉｄｅｒｅｆｏｒｍｉｎｇｒｅａｃｔｉｏｎｉｓｐｒｏｍｉｓｉｎｇ．
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ｌ熔融高炉渣显热回收的必要性
高炉渣是在高炉冶炼过程中，由矿石中的脉石、燃料中的灰分和熔剂中的非挥发组分形成的副产物。２００７年我国产铁４．７亿ｔ，即使按每生产１ｔ生铁产生Ｏ－３ｔ渣计算，高炉渣的产量也高达１．４亿ｔ。高炉渣的出炉温度＞ｌ５００℃，１ｔ高炉渣所含有的热量相当于６４ｋｇ标准煤。现行的处理方法采用水淬工艺，除了少部分北方企业在冬天利用冲渣水的余热进行采暖外，几乎没有什么其他的余热回收。水淬后的高炉渣可用作硅酸盐水泥的部分替代品，生产普通硅酸盐水泥。但是此法有许多缺点【１０１：不仅高炉渣的显热无法回收利用，而且造成水资源的大量浪费，对大气、水和土壤也造成了严重的污染，恶化了工作环境。 熔融高炉渣显热回收利用不仪降低钢铁生产的能源消耗，而且还减少污染物排放，缓解环境的压力，将极大地促进我国钢铁工业的节能和技术进步。
２熔渣显热回收的困难
熔渣显热回收技术必须要以处理后的炉渣具有优良的综合利用价值和性能为前提。熔融高炉渣的物理性质和高炉出渣的不连续性使得熔渣显热回收存在困难。
（１）导热系数较低【４】，在１４００～１５００℃液相阶段，Ａ＝（Ｏ．１～０．３）Ｗ／（ｍ・Ｋ）；玻璃相阶段，Ａ＝（１～２）
收稿日期：２００９．０３．１９；修回日期：２００９－０３—２４
基金项目：国家８６３资助（２００６ＡＡ０５２２０９）；国家自然科学基金一钢铁联合研究基金（５０５７４０２ｉ）；国家科技支撑计划资
助（２００６ＢＡＥ０３Ａ！１）
作者简介：李顺（１９７６一），男，博士研究生，研究方向为钢铁企业余热余能回收．Ｗ／（ｍ・Ｋ），所以换热速度慢。
（２）黏度随着温度的降低急剧升高，为了保证显热回收操作的顺利进行，炉渣的处理温度需要维持在很高水平，导致操作温度空间狭小。
（３）高炉出渣的不连续性，不利于连续能源回收利用的要求。
３熔渣显热回收技术的回顾
一般来说，熔渣显热回收技术可以分为物理热回收法和化学热回收法，其中前者根据熔渣前处理方法的不同，又分为滚筒法、风淬法、连铸式余热锅炉法和转杯法。３．１滚筒法
ＮＫＫ的研究人员【５Ｊ将高炉渣倒在两个反向旋转的滚筒之间，形成薄膜，滚筒内的低沸点有机工质快速冷却薄膜并形成玻璃质渣产品。液体炉渣的热量通过冷却剂的循环以蒸汽形式进行回收，用于发电，见图ｌ。该方法的主要缺点是必须用刮渣器去除粘在滚筒上的渣膜，否则将会导致传热效率的急剧下降；冷渣以片状形式排出，不利于后续利用。
图１ＮＫＫ滚筒熔渣热回收装置
日本住友金属和石川岛播磨重工业公司‘６１在１９８２年建立了能力为２４ｔ／ｌｌ的滚筒一沸腾床法熔渣显热回收系
ｌ
万方数据
统（见图２）。熔渣从中间包流出冲击到旋转滚筒表面上时，被破碎并抛至捕集罐进行一次热回收，渣粒经分离器进入冷却器二次热回收后排出。冷却用空气可以预热到５００℃，进行热交换产生蒸汽并发电，空气循环使用，热回收率可达６０％。
图２滚筒一沸腾法
３．２风淬法
日本六大钢铁公司［７］自１９８２年开始在新日本制铁名古屋制铁所进行熔融高炉渣风淬法实验，具体工艺如图３。高炉熔渣被倒入换热器（呈箱形，２５ｍＸ１３ｍ×４ｒｎ被称之为风洞），风洞的造粒部分由高速气流粉态化。粒子的大部分与风洞内配置的分散板及风洞内壁相碰撞，下落并被从下部吹人空气冷却，从风洞排出。渣粒由震动筛筛出大颗粒后，装入热粒储存仓，再经过二次热交换器的多段流动床被冷却。排出渣的质量由风洞内渣的冷却速度加以保证，回收风洞及二次热交换器冷却空气的显热用来生产蒸汽和发电。
该风淬法高炉渣热回收系统的热回收率＞７０％；作为水泥原料，渣制品的质量和高炉水淬渣相同。但这一系统的投资回收时间较长，约为５．５年，因而制约了其推广和应用。
２
图３高炉渣风淬法工艺流程图
另一种风淬工艺是ＮＫＫ和Ｍｉｔｓｕｂｉｓｈｉ设计的转炉钢渣热回收工艺【８Ｊ，如图４。钢渣倒人渣沟，渣沟下方喷嘴喷出强大的气流（１００ｍ／ｓ），把钢渣吹到集渣容器内，迅速成为０．５—３ｍｌｎ的渣滴。飞溅的渣滴（１５００～１０００℃）通过辐射和对流，把热量传递给容器上部的水管；炽热的固体渣粒（１０００～３００℃）经导热把热量传递给容器下面的水管；排出的高温废气（３００℃）用于干燥轧钢的氧化铁皮。该方法热回收效率为４０％～４５％，粒化每吨渣需
要ｌ０００ｍ３的空气。
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图４转炉钢渣风淬工艺
３．３连铸式余热锅炉熔渣热能回收法
国内专家【９１根据乌克兰研制的炉渣干式粒化方案，结合我国国情，开发连铸式余热锅炉熔渣热能回收工艺，见图５。由渣罐车运来的熔渣倒入渣池，熔渣从供渣嘴连续
图５连铸式熔渣热能回收法
崤矿万方数据
综述鬣工业加热》第３８卷２００９年第３期
流到水冷平辊和水冷网辊，然后进入链式输送机。在运输机下部通入冷空气，渣的热量传给冷空气和膜式水冷壁，冷却后的渣在碎渣机中破碎。软化水经轧辊流入水箱，经给水泵压入省煤器，然后进入汽包，饱和水经循环泵压人膜式水冷壁，加热气化后回到汽包。从汽包出来的饱和蒸汽进入过热器，成为过热蒸汽。对该系统进行热平衡计算表明，热回收率为６６．５％。３．４机械搅拌法
川崎制铁将液态渣倒入—个搅拌罐中破碎成＜１００ｍｍ的颗粒，通过辐射与围绕搅拌罐的冷却水管换热。渣从初始温度冷却到１２７３Ｋ，产生的蒸汽可以达到５×１０６Ｐａ，７２３Ｋ，然后用提升机将破碎的渣送人到气一固换热器中，用空气将其进一步冷却到５２３Ｋ，热空气进入余热锅炉利用，能每回收效率达到７６％（见图６）。
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图６川崎制铁渣余热回收系统Ｅｔ本住友金属工业开发的一种机械搅拌造粒装置，见
图７。熔渣流入造粒装置后，在转动叶片搅拌和挤压的作
用下被粒化，并且随着轴的转动被输送到粒化器的外部。
水套中的水进行热量的回收。
图７住友金属熔渣造粒装置
３．５转杯一流化床熔渣显热回收法
２０世纪８０年代，英国钢铁公司Ｔｅｅｓｓｉｄｅ实验室和
Ｎｏｔｔｉｎｇｈａｌｌｌ大学机械工程系［１０】研制了转杯一流化床法处理熔渣，图８是４０ｔ／１１的装置示意图。连续态熔渣由转杯破碎成为液滴，液滴在飞行过程中，与空气和床内水管发生导热、对流和辐射，经过４级冷却成为固态的颗粒。试验结果显示：渣粒直径２ｍｍ，玻璃体含量超过９５％，热效率６０％。
Ｍｉｚｕｏｅｈｉ等人…］研究了旋转杯用于熔渣粒化的可行性，考察了不同旋转杯形状和不同转速下的熔渣粒化情况。该研究成功地实现了熔渣的干式成粒并显示转杯转速是影响渣粒大小和形态的关键性参数；证明了液态熔渣的干式成粒技术是可行的。
图８转杯法离心粒化高炉渣
Ｐｕｒｗａｎｔｏ等人【１２］进一步研究了转杯粒化法（ＲＣＡ）所得渣粒的性能。实验结果显示：转杯粒化法得到渣粒的抗压强度是水淬渣的两倍。通过对实验数据的分析得到了转速和熔渣粒化尺寸的关系式：
Ｄｐ＝ｌ６８６／（ｒｃｏ）（１）式中：Ｄｐ为颗粒直径，ｍｍ；，．为杯的半径，ｍｍ；ＣＯ为
角速度。
Ｐｕｒｗａｎｔｏ等人【１３Ｊ建立了转杯熔渣粒化的数学模型，可以预测渣粒尺寸和玻璃化特性，进而优化熔渣粒化过程，模型与实验结果相符。该模型还可以预测熔渣的冷却速率以及渣粒内部的温度分布。
３
万方数据
４化学反应法熔渣显热回收技术
２００４年，刘宏雄【１４】提出利用高炉熔渣显热进行煤气化的工艺。熔渣破碎处理过程需要快速冷却，放出大量的热；而煤气化是一个需要吸收大量的热来维持反应进行的吸热过程。
１９９７年，Ｋａｓａｉ等人提出了一种全新概念的熔融渣热利用系统：将熔渣热通过吸热化学反应加以利用回收。他们采用甲烷水蒸气重整反应生产Ｈ２和ＣＯ，并利用反应余热发电和供热气、热水。
２００１年，Ｓｈｉｍａｄａ等人系统地研究了ｌ４７３～１８２３Ｋ下，１３种液态高炉熔渣成分
（ＣａＯ／Ｓｉ０２，ＦｅＯ和Ｓ浓度）对甲烷水蒸气改质反应速度的影响。研究结果表明：（１）ＣａＯ／ＳｉＯｚ越高，甲烷水蒸气重整反应速度越高；（２）１７７３Ｋ时，ＦｅＯ含量强烈影响甲烷水蒸气重整反应速度；１６７３Ｋ时，ＦｅＯ含量和渣温不影响甲烷水蒸气重整反应速度；（３）渣的硫含量阻碍甲烷水蒸气重整反应且其影响远远大于Ｆｅｏ含量的影响
２００２年，Ｍｉｚｕｏｃｈｉ等人【１５】将转杯粒化和甲烷一水蒸气重整反应进行结合，提出了工业化设计图（图９）。
Ｈ２
ＣＯ
器
图９ＲＣＡ一甲烷水蒸汽重整工业化设计图２００６年，Ｐｕｒｗａｎｔｏ等人【１６Ｊ利用熔渣显热进行了甲烷重整制氢反应的实验研究，发生的化学反应式为：
ＣＨ４（ｇ）＋Ｃ０２（ｇ）一３Ｈ２（ｇ）＋ＣＯ（ｇ）
胡＝２４７ｋＪ／ｍｏｌ（２）
结果发现：渣粒不仅起到传热介质的作用，且是一种很好的催化剂，能促进甲烷（ＣＨ４）的分解；随着反应温度的升高，甲烷转化率增大，最高达９６％左右，且生成更多的氢气。这一结果意味着一种新型的节能型氢气生产工艺的诞生，它不仅用高温熔渣的显热代替了原有的能耗，而且可以减少二氧化碳的排放。电梯维保系统
５熔渣显热回收的总评和展望
风淬法普遍采用高压、高速的空气作为破碎的介质并提供熔渣破碎的动力，动力消耗很高；机械搅拌法处理熔融炉渣后，渣粒直径大小不均，并且普遍较大，不利于后续的利用，热效率较低；连铸式余热锅炉法是先固化再粒化的工艺，平板状高温’渣的导热率和透气性严重影响渣和空气的换热；转筒法处理能力普遍较小，无法和高炉的生产能力相匹配。
４
转杯粒化法具有单体处理能力大、操作参数少、容易控制、设备简单和粒化效果好等特点，使其成为熔渣破碎的首选方法。
物理热回收法一般以空气或者水作为换热介质，经过多次的能量转换过程，回收的热能品质普遍不高，并且其设备庞大复杂，制约其工业化。
化学热回收法具有设备简单、热回收率高等特点，特别是Ｐｕｒｗａｎｔｏ等人提出的利用熔渣显热进行甲烷重整制氢反应的方法值得关注。该方法作为一种新型的节能型氢气生产工艺，不仅用高温熔渣的余热代替了原有的能耗，且可减少二氧化碳的排放。
参考文献：
１１ＪＫＡＳＡＩＥ，Ｋ１１’ＡＪＩＭＡＴ，ＡＫＩＹＡＭＡＴ。ｅｔａｌ。ＲａｔｅｏｆＭｅｔｈａｎｅ．ｓｔｅａｍＲｅｆｏｒｍｉｎｇＲｅａｃｔｉｏｎｏｎｔｈｅＳｕｒｆａｃｅｏｆＳｌａｇｏｆＭｏｌｔｅｎＢＦＳｌａｇ．ｆｏｒＨｅａｔＲｅｃｏｖｅｒｙｆｒｏｍＭｏｌｔｅｎｂｙＵｓｉｎｇａＣｈｅｍｉｃａｌＲｅａｃｔｉｏｎ【Ｊ】．ＩＳＩＪＩｎｔｅｍａｔｉｏｎａｌ，１９９７，３７（１０）：１０３ｌ－１０３６．
【２】ＳＨＩＭＡＤＡＴ，ＫＯＣＨＵＲＡＶ，ＡＫＩＹＡＭＡＴ。ｅｔａ１．ＥｆｆｅｃｔｓｏｆＳｌａｇＣｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓｏｎｔｈｅＲａｔｅｏｆＭｅｔｈａｎｅ—ｓｔｅａｍｆＪ］－ＩＳＵＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，２００ｌ，４１（２）：１１１．１１５．
【３］ＡＫＩＹＡＭＡＴ，ＭＩＺＵＯＣＨＩＴ．ＣｅｍｅｎｔＣｌｉｎｋｅｒＰｒｏｄｕｃｔｉｏｎｂｙＵｔｉｌｉｚｉｎｇ
ＷａｓｔｅＨｅａｔｏｆＭｏｌｔｅｎＳｌａｇ［Ｊ】．Ｋａｎｋｙｏｕｋａｇａｋｕｋａｉ，２００ｌ，１４（２）：１４３一１５１．ｆ
【４】ＧｏＴ０ＫＳ，ＧＵＤＥＮＡＵＨＷ，ＮＡＧＡＴＡＫ．ＣｏｎｔｉｎｕｏｕｓＣａｓｔｉｎｇＰｏｗｄｅｒｓｉｎｔｈｅＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＲａｎｇｅ１００ｔｏ１５５０ｄｅｇＣ【Ｊ】．ＳｔａｈｌＥｉｓｅｎ，１９８５，１０５（２４）：１３８７—１３９４．
【５］ＫＥＮＮＥＹＷＥＥｎｅｒｇｙＣｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎｉｎｔｈｅＰｒｏｃｅｓｓｌｎｄｕｓｔｒｉｅｓ【Ｍ】．Ｏｒｌａｎｄｏ：ＡｃａｄｅｍｉｃＰｒｅｓｓ，１９８４：ｌ－２９．
【６】张建中，纪桂荣．高炉熔渣的显热回收［Ｊ】．冶金能源，１９８２，ｌ（３）：４３—４７．大花石上莲
【７］邹有武．日本开发的高炉熔渣显热综合回收技术田．鞍钢技术，１９９０（１０）：３－７．
【８】ＴＡＮＩＹ．ＮｅｗＥｎｅｒｇｙＣｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ［Ｍ】．Ｂｅｒｌｉｎ：Ｓｐｒｉｎｇｅｒ．１９８１：】８１１．１８３６．
【９】胡俊鸽．围内外高炉炉渣综合利用技术的发展及对鞍钢的建议［Ｊ】．鞍钢技术，２００３（３）：８－１１．
【ｌＯ】ＰＩＣＫＥＲＩＮＧＳＪ，ＨＡＹＮ，ＲＯＹＬＡＮＣＥＴＦ，ｅｔａ１．ＮｅｗＰｒｏｃｅｓｓｆｏｒＤｒｙＧｒａｎｕｌａｔｉｏｎａｎｄＨｅａｔＲｅｃｏｖｅｒｙｆｒｏｍＭｏｌｔｅｎＢｌａｓｔ－ｆｕｒｎａｃｅＳｌａｇ【Ｊ】．１ｒｏｎｍａｋｉｎｇａｎｄＳｔｅｅｌｍａｋｉｎｇ，１９８５，
１２（１）：１４－２０．
【ｌｌ】ＭＩＺＵＯＣＨＩＴ，ＡＫＩＹＡＭＡＴ，ＳＨＩＭＡＤＥＴ．ＦｅａｓｉｂｉｌｉｔｙｏｆＲｏｔａｒｙＣｕｐＡｔｏｍｉｚｅｒｆｏｒＳｌａｇＧｒａｎｕｌａｔｉｏｎ［Ｊ】．ＩＳＩＪＩｎｔｅｍａ－ｔｉｏｎａｌ，２００１．４１（１２）：１４２３一１４２８．
【ｌ２】ＰＵＲｗＡＮＴＯＨ，ＭＩＺＵＯＣＨＩＴ，ＡＫｌＹＡＭＡＴ．ＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＧｌａｓｓＢｅａｄｓｆｒｏｍＭｏｌｔｅｎＳｌａｇＰｒｏｄｕｃｅｄｂｙＲｏｔａｒｙＣｕｐＡｔ－ｏｍｉｚｅｒ【Ｊ】．ＭａｔｅｒｉａｌｓＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ，２００４，４５（１２）：３２８６．３２９０．【１３】ＰＵＲＷＡＮＴＯＨ，ＭＩＺＵｏＣＨＩＴ，ＡＫＩＹＡＭＡＴ．ＰｒｅｄｉｃｔｉｏｎｏｆＧｒａｎｕｌａｔｅｄＳｌａｇＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓＰｒｏｄｕｃｅｄｆｒｏｍＳｐｉｎｎｉｎｇＤｉｓｋＡｔｏｍｉｚｅｒｂｙＭａｔｔｈｅｍａｔｉｃａｌｌｙＭｏｄｅｌＩＪ】．ＭａｔｅｒｉａｌｓＴｒａｎｓａｃ—ｔｉｏｎｓ，２００５．４６（６）：１３２４－１３３０．
【１４】刘宏雄．利用高炉熔渣作热载体进行煤气化的探讨［Ｊ】．节能，２００４（６）：４ｌ＿４３．
【１５】ＭＩＺＵｏＣＨＩＴ，ＹＡＧＩＪ，ＡＫＩＹＡＭＡＴ．ＧｒａｎｕｌａｔｉｏｎｏｆＭｏｌｔｅｎＳｌａｇ
ｆｏｒＨｅａｔＲｅｃｏｖｅｒｙ【Ｃ】／／Ｐｒｏｃｏｆ３７ｔｈＩＥＣＥＣ．ＩＥＥＥ，ＰａｐｅｒＮＯ．２００５６．２００２：６４ｌ一６４６．
［１６】ＰＵＲＷＡＮＴＯＨ，ＡＫＩＹＡＭＡＴ．ＨｙｄｒｏｇｅｎＰｒｏｄｕｃｔｉｏｎＦｒｏｍＢｉｏｇａｓＵｓｉｎｇＨｏｔＳｌａｇ【Ｊ】．ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆＨｙｄｒｏｇｅｎＥｎｅｒｇｙ．２００６．３ｌ：４９ｌ－４９５．
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