雍黎

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(yùn)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(diǎn)研發(fā)計劃專項(xiàng)成果中，由重慶大學(xué)牽頭承擔(dān)的“液態(tài)熔渣高效熱回收與資源化利用技術(shù)”項(xiàng)目，成功實(shí)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?yàn)槲覈撹F行業(yè)每年節(jié)能1400萬噸標(biāo)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(shí)

1月15日，在重慶大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，項(xiàng)目負(fù)責(zé)人朱恂教授正帶領(lǐng)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室里檢查最新?；龅母郀t渣。只見一顆顆高爐渣顆粒細(xì)小，黑中發(fā)亮，好似一顆顆小玻璃珠。

“這就是離心?；蟮母郀t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(jì)價值?！敝焘榻B，高爐渣除了可以做水泥原料，還蘊(yùn)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(dá)1500℃，以我國2019年8.1億噸生鐵產(chǎn)量計算，高爐渣所蘊(yùn)含的余熱資源相當(dāng)于1400萬噸標(biāo)準(zhǔn)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(fèi)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(xué)界先后提出的高爐渣干式處理技術(shù)有風(fēng)淬法、滾筒法、機(jī)械攪拌法、離心粒化法等。不過風(fēng)淬法、滾筒法和機(jī)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(rèn)最有前景的處理方法?！敝焘榻B，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粒化成小液滴，并與空氣或水進(jìn)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?；ㄟ€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(shí)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(shí)現(xiàn)。

朱恂決定啃一啃這塊“硬骨頭”。2012年，在國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（973計劃）的支持下，朱恂率團(tuán)隊(duì)開始研究高溫熔渣余熱回收的能質(zhì)傳輸機(jī)理。隨后在國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項(xiàng)目的支持下，聯(lián)合北京科技大學(xué)、東北大學(xué)、重慶賽迪熱工環(huán)保工程技術(shù)有限公司等開始將這項(xiàng)技術(shù)從理論向應(yīng)用實(shí)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(shí)現(xiàn)了離心粒化法余熱回收技術(shù)。”團(tuán)隊(duì)核心成員王宏教授表示，這是世界上首次實(shí)現(xiàn)，是在該領(lǐng)域零到一的突破。

攻克難點(diǎn)

高爐渣冷卻不再用水

從團(tuán)隊(duì)開始這項(xiàng)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(xué)校實(shí)驗(yàn)室里是他們特制的實(shí)驗(yàn)爐，他們買遍了全國各地鋼鐵廠的高爐渣做實(shí)驗(yàn)，每開一次實(shí)驗(yàn)費(fèi)用都以萬為單位，他負(fù)責(zé)每次實(shí)驗(yàn)的總體安排，也被團(tuán)隊(duì)成員們稱呼為“渣主席”。

呂義文從碩士研究生時就進(jìn)入團(tuán)隊(duì)，他主要負(fù)責(zé)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(xì)小的顆粒，不結(jié)團(tuán)不成塊。”呂義文說，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(jìn)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?；?，這個裝置就像一個梯形的杯子，當(dāng)液態(tài)熔渣從高爐中排出并進(jìn)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(jìn)行換熱冷卻凝固，冷卻的顆粒再進(jìn)入后續(xù)的移動床進(jìn)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(dá)1500℃的熔渣？離心?；臋C(jī)理是什么？在什么運(yùn)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?？焖倌?？能否順利的向下滑落排出？這一個個問題都是項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)要解決的難題。

“整個團(tuán)隊(duì)有二三十人?！蓖鹾暾f，主要負(fù)責(zé)的老師帶領(lǐng)各自學(xué)生，各有分工，大家都圍繞自己的方向開展研究。

團(tuán)隊(duì)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(rèn)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(shí)膜狀也能獲得理想的小顆粒，并最有利于實(shí)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(diǎn)點(diǎn)不匹配就不能成功。當(dāng)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(xiàng)難題，呂義文反復(fù)研究后，提出一種水冷壁加傾斜布風(fēng)板的復(fù)合式換熱結(jié)構(gòu)，強(qiáng)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(shí)驗(yàn)，團(tuán)隊(duì)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粒化余熱回收系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)研究表明，?；郀t渣平均顆粒直徑小于2毫米，系統(tǒng)余熱回收率均可達(dá)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(xiàng)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?；坝酂岣咝Щ厥罩性囋囼?yàn)平臺。該平臺驗(yàn)證了離心?；夹g(shù)方案，驗(yàn)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(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了熔渣?；陀酂岣咝Щ厥眨_(dá)到了預(yù)期效果，平均?；芰?44噸/天，最大?；芰?88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(biāo)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(yùn)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(jì)收益約1.3億元。節(jié)能15萬噸標(biāo)準(zhǔn)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(shí)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(jìn)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(jìn)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(diǎn)把該技術(shù)在相關(guān)行業(yè)中應(yīng)用。“這是一項(xiàng)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(tuán)隊(duì)，承擔(dān)了多項(xiàng)我國節(jié)能減排重點(diǎn)研發(fā)計劃項(xiàng)目，2018年，該團(tuán)隊(duì)入選首批全國高校黃大年式優(yōu)秀教師團(tuán)隊(duì)。朱恂從1993年畢業(yè)留校任教至今，27年來，她和團(tuán)隊(duì)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(lán)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)！”