高爐煉鐵、鐵水火紅，除了鋼鐵，在此過程中的副產物高爐渣也是寶，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渣的基礎上回收余熱，曾經是世界難題。
近日，記者從科技部高技術研究發展中心獲悉，在國家重點研發計劃專項成果中，由重慶大學牽頭承擔的“液態熔渣高效熱回收與資源化利用技術”項目，成功實現了用離心粒化法高效回收熔融高爐渣余熱的全工藝流程，該技術出渣品質高，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。該技術能夠為我國鋼鐵行業每年節能1400萬噸標煤，減排二氧化碳3640萬噸。
世界首創讓技術設想變為現實
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學生在實驗室里檢查最新粒化出的高爐渣。只見一顆顆高爐渣顆粒細小，黑中發亮，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硅酸鹽水泥、混凝土，很有經濟價值。”朱恂介紹，高爐渣除了可以做水泥原料，還蘊含豐富的余熱資源。高爐渣作為副產品，每生產1噸生鐵將產生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，這一技術雖然能得到高品質的渣，但卻浪費了大量余熱和水資源，還會產生環境污染氣體。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。
學界先后提出的高爐渣干式處理技術有風淬法、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、余熱回收率也低。
“離心粒化法是業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的粒化器，使得液態熔渣在離心力作用下被粒化成小液滴，并與空氣或水進行直接或間接的高效換熱。該技術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約干燥水渣的能量消耗，節能更顯著。
不過該技術實現工業化應用確是最難的，目前世界上還沒有其他國家實現。
朱恂決定啃一啃這塊“硬骨頭”。2012年，在國家重點基礎研究發展計劃(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傳輸機理。隨后在國家重點研發計劃項目的支持下，聯合北京科技大學、東北大學、重慶賽迪熱工環保工程技術有限公司等開始將這項技術從理論向應用實踐轉移。
“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難題，成功實現了離心粒化法余熱回收技術。”團隊核心成員王宏教授表示，這是世界上首次實現，是在該領域零到一的突破。
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’。”在讀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粒化液滴的換熱過程。“打個簡單的比喻，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，不結團不成塊。”呂義文說，讓1500℃的液態高爐渣變為一顆顆小“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。
朱恂說，他們設計了一個轉杯離心粒化器，這個裝置就像一個梯形的杯子，當液態熔渣從高爐中排出并進入粒化倉時，會被高速旋轉的轉杯接住，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。
什么材質的轉杯才能長時間接住溫度高達1500℃的熔渣?離心粒化的機理是什么?在什么運行工況下才能獲得最小的粒化液滴?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。”王宏說，主要負責的老師帶領各自學生，各有分工，大家都圍繞自己的方向開展研究。
團隊研究發現隨著熔渣流量增大，熔渣在轉杯離心力作用下，存在三種分裂模式：滴狀、絲狀和膜狀。“一般認為滴狀或絲狀更利于獲得小顆粒，但是我們研究卻發現，其實膜狀也能獲得理想的小顆粒，并最有利于實現工業化應用。”朱恂說，這就涉及對熔渣流量和轉杯轉速的調節與控制，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，呂義文反復研究后，提出一種水冷壁加傾斜布風板的復合式換熱結構，強化了顆粒換熱的同時又很好地解決了顆粒黏結這一問題。
經過無數次的實驗，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粒化余熱回收系統，實驗研究表明，粒化高爐渣平均顆粒直徑小于2毫米，系統余熱回收率均可達到70%以上，渣粒玻璃體含量高于92%，具有很好的工業化應用和推廣前景。
節能減排帶動鋼鐵工業產能升級
在重慶江津，項目已在重慶賽迪熱工環保工程技術有限公司的工廠內建起了液態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方案，驗證了粒化單元、余熱回收單元結構設計及全工藝流程運行，實現了熔渣粒化和余熱高效回收，達到了預期效果，平均粒化能力144噸/天，最大粒化能力288噸/天。
據測算，使用該技術1噸渣可回收蒸汽(1.3MPa, 350℃)300公斤左右，可節水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1000萬噸規模鋼鐵廠測算，采用該技術，年經濟收益約1.3億元。節能15萬噸標準煤，節水240萬噸，減少硫化物排放15噸，減少二氧化碳排放112萬噸。如果按照全國現有生鐵產能，將實現每年節能1400萬噸煤，節水約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業升級和節能減排。
“除了鋼鐵行業，該技術也可在銅鎳鉛等有色金屬行業進行推廣。”朱恂說，目前，他們正在積極和相關企業對接，希望能早一點把該技術在相關行業中應用。“這是一項顛覆性技術，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，承擔了多項我國節能減排重點研發計劃項目，2018年，該團隊入選首批全國高校黃大年式優秀教師團隊。朱恂從1993年畢業留校任教至今，27年來，她和團隊日復一日與各種工業廢氣、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!”

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