付仲亮 樓國鋒，2 肖永力 豆瑞鋒，2 張友平 李鵬元 溫 治，2

(1．北京科技大學(xué)能源與環(huán)境工程學(xué)院，2．冶金工業(yè)節(jié)能減排北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，3．寶鋼研究院能源與環(huán)境研究所，4. 中鋼集團(tuán)鞍山熱能研究院有限公司)

鋼鐵工業(yè)是資源、能源、資金和勞動(dòng)密集型行業(yè)及碳排放大戶，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國2020年粗鋼產(chǎn)量已達(dá)到10.65億t[1]，同時(shí)產(chǎn)生大量高溫渣，高溫渣出爐溫度1 400～1 550 ℃，每噸渣含有的熱值相當(dāng)于約60 kgce[2]。因此，高溫渣余熱回收技術(shù)對(duì)于實(shí)現(xiàn)鋼鐵行業(yè)的節(jié)能減排具有重要的實(shí)際意義和廣闊的應(yīng)用前景。

當(dāng)前鋼鐵工業(yè)高溫渣粒的余熱回收主要有兩種方法：介質(zhì)換熱法和化學(xué)反應(yīng)法?；瘜W(xué)反應(yīng)法[2]是利用冶金渣顯熱來促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行，以達(dá)到回收渣粒余熱的目的，目前主要有CH4和H2O混合反應(yīng)來生成H2和CO，利用渣粒顯熱促進(jìn)沼氣制氫反應(yīng)、污泥熱解等的相關(guān)報(bào)道。介質(zhì)換熱法是利用高溫渣粒與介質(zhì)進(jìn)行直接接觸或間接接觸進(jìn)行換熱，再通過利用吸熱后的高溫介質(zhì)進(jìn)行發(fā)電或供熱等方式進(jìn)行熱量回收。

目前高溫渣粒余熱回收裝置主要有豎式床和臥式床兩種類型，冷卻介質(zhì)主要有空氣和水，換熱方式包括直接接觸換熱與間接換熱。不同類型的裝置、冷卻介質(zhì)以及換熱方式可以組合成不同的余熱回收裝置，即便是相同的組合也會(huì)有不同的設(shè)計(jì)方案，換熱系數(shù)和熱回收效率也會(huì)各不相同。文章調(diào)研了大量余熱回收裝置專利文獻(xiàn)，同時(shí)參考了前人對(duì)顆粒換熱研究方法，對(duì)不同的余熱回收方法進(jìn)行了分析，總結(jié)出影響高溫渣粒余熱回收的因素，分析了各類換熱裝置的優(yōu)缺點(diǎn)，為高溫渣粒余熱回收裝置的研究提供借鑒。

1 豎式床換熱裝置

豎式床換熱裝置高度較高，占地面積較小，其內(nèi)高溫渣運(yùn)動(dòng)主要依靠重力驅(qū)動(dòng)，在處理高溫渣時(shí)，由渣粒在爐內(nèi)自行下落或設(shè)置擋板、風(fēng)機(jī)等延緩下落，適合于場地狹小，且高溫渣處理量不大的情況。檢索專利結(jié)果表明：豎式床的研發(fā)基礎(chǔ)比臥式床更充分，且通過對(duì)諸多發(fā)明的分析來看，豎式床研發(fā)要比臥式床研發(fā)相對(duì)容易些，不需要考慮高溫渣的運(yùn)動(dòng)情況及其排出方式。

1.1 氣固直接接觸換熱

氣固直接接觸換熱是指顆粒與氣體直接接觸進(jìn)行熱量交換。在文獻(xiàn)[3]所述的裝置中，?；蟮母邷卦Ｅc空氣進(jìn)行直接接觸換熱，熔渣?；b置將熔渣?；淮慰諝馐紫扰c熔渣液滴換熱，使得熔渣快速凝固；凝固的熔渣顆粒進(jìn)入下部渣罐，與二次空氣進(jìn)行換熱?？諝獗葻崛莺蜔釋?dǎo)率比較低，標(biāo)況下(101 325 Pa，20 ℃)分別為：1.005 kJ/(kg·K)和0.025 9 W/(m·K)，所以僅以空氣為冷卻介質(zhì)時(shí)，渣粒冷卻速率較低，熱回收率僅為35%～45%。為提高熱回收率，有專利采用噴射顆粒與空氣的混合物進(jìn)行熔渣的破碎[4]，可以重復(fù)對(duì)顆粒進(jìn)行換熱。

有裝置采用了填充床形式的換熱器[5-6]，該裝置至少要有兩個(gè)換熱罐。將高溫顆粒倒入換熱罐中儲(chǔ)存，并向換熱罐內(nèi)部通入冷氣與高溫顆粒進(jìn)行熱交換。冷卻后的顆粒通過排料管道排出，冷氣吸熱后通過熱氣管道排出。這種設(shè)計(jì)提高了顆粒的熱回收率，能夠通過增減換熱罐的方式來處理不同流量的顆粒，填充床通常也用于儲(chǔ)熱，此時(shí)冷的顆粒裝入儲(chǔ)罐中，高溫氣體(如煙氣)進(jìn)入儲(chǔ)罐，與顆粒進(jìn)行換熱，將熱量存儲(chǔ)在顆粒中，從而達(dá)到顆粒儲(chǔ)熱的作用[7]，對(duì)于使用顆粒儲(chǔ)熱的裝置，無論顆粒是否需要被立刻取出，填充床(或悶罐)式換熱設(shè)備都比較方便，且運(yùn)行簡單，此外也可在填充床內(nèi)部增加擾流裝置以增加換熱效率。

有裝置采用了移動(dòng)床形式的換熱器[8]，顆粒在豎式移動(dòng)床內(nèi)豎直向下運(yùn)動(dòng)，通過出口裝置來控制顆粒的流量。但是在移動(dòng)床中，顆粒的運(yùn)動(dòng)普遍存在偏流現(xiàn)象，對(duì)換熱不利。可以在移動(dòng)床內(nèi)增加導(dǎo)流裝置，不僅延長顆粒在移動(dòng)床內(nèi)的停留時(shí)間，還改善了偏流現(xiàn)象，也可以將多個(gè)移動(dòng)床進(jìn)行串聯(lián)以達(dá)到增加熱回收效率的目的。

有裝置采用了流化床形式的換熱器[9]，空氣帶動(dòng)顆粒懸浮，換熱系數(shù)較高(45～140 W/(m2·K))，余熱回收率較高(55%左右)，但風(fēng)機(jī)功耗較大。

氣固直接接觸傳熱避不開“除塵”，這使得余熱回收系統(tǒng)更加復(fù)雜。而有些裝置將固體顆粒分離與氣固換熱兩道工序整合到一起，達(dá)到了很好的效果[10]；可以設(shè)置具有多級(jí)換熱器和旋風(fēng)分離器的換熱分離裝置，即每完成一次換熱便進(jìn)行一次熱風(fēng)與固體顆粒的分離，不僅提高了熱量轉(zhuǎn)換效率，而且有效分離了氣體和固體顆粒。

1.2 液固直接接觸換熱

液固直接接觸換熱是指液體(一般是水)與高溫顆粒通過直接接觸的方式進(jìn)行熱量交換[11]。由于一個(gè)大氣壓下飽和水的比熱容為4.220 kJ/(kg·K)，比標(biāo)況下的空氣比熱容為1.005 kJ/(kg·K)大的多，且存在潛熱，液固直接接觸換熱一般要比氣固直接接觸換熱效率高，因此同等溫度下能夠?qū)⒏邷卦鋮s到更低的溫度。但是水與高溫顆粒直接接觸換熱時(shí)，生成的蒸汽或熱水中會(huì)夾帶粉塵，需要對(duì)蒸汽或熱水進(jìn)行過濾，否則容易出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，對(duì)管道和水泵等有一定的磨損，降低使用壽命。

1.3 間接換熱

間接換熱指的是冷卻介質(zhì)與高溫顆粒通過管壁或換熱板進(jìn)行熱量傳遞。間接接觸換熱采用的冷卻介質(zhì)通常為水。豎式間接接觸換熱研究較多的是管殼式換熱，顆粒走殼程，冷卻水走管程，二者通過管壁進(jìn)行熱量交換[12]。這類換熱器結(jié)構(gòu)比較緊湊，很多專利采用管殼式換熱器。

豎式移動(dòng)床中固體顆粒移動(dòng)主要受重力影響，考慮到顆粒在移動(dòng)床中的停留時(shí)間，可以采用布風(fēng)系統(tǒng)，通過在高溫段噴射常溫空氣，實(shí)現(xiàn)渣粒的急速冷卻，既提高了系統(tǒng)的換熱效率，又保證了渣粒具有較高的玻璃體含量，也增加了顆粒停留時(shí)間；被加熱的空氣進(jìn)入省煤器與水進(jìn)行換熱，省煤器中的水進(jìn)入氣液分離器充作補(bǔ)給水，從而提高了整個(gè)系統(tǒng)的熱回收效率。有裝置會(huì)在上述基礎(chǔ)上增加布風(fēng)系統(tǒng)用以延長高溫渣的停留時(shí)間以增大熱回收效率，但這類余熱回收裝置中排出的熱風(fēng)也帶有一部分的熱，因此可增加熱風(fēng)的熱量回收環(huán)節(jié)。另外也可以通過設(shè)計(jì)擋板來延長顆粒在爐內(nèi)的停留時(shí)間[13]，這類熱回收系統(tǒng)需要考慮擋板的傾角，擋板與水平面的夾角過大則停留時(shí)間不足，顆粒下落速度過快，換熱不充分，而夾角過小則顆粒堆積層較厚，換熱不均。Liu Junxiang等[14]提出了重力床余熱鍋爐直接回收高溫渣粒余熱，冷卻介質(zhì)為水，用以生產(chǎn)水蒸氣的技術(shù)方法。渣粒在重力作用下向下流動(dòng)，換熱管中的水流與管外的渣流形成逆流，渣粒和水進(jìn)行換熱冷卻后從鍋爐底部排出，水被加熱成蒸汽后用于汽輪機(jī)發(fā)電。作者研究了換熱管內(nèi)水的雷諾數(shù)、渣粒粒徑和鍋爐換熱管布置方式對(duì)換熱特性的影響，發(fā)現(xiàn)渣粒側(cè)的熱阻比水側(cè)熱阻高得多，同時(shí)得出了爐渣顆粒與鍋爐換熱管之間傳熱系數(shù)的半經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式：

叉排管：

Nu=0.008 8Fr-0.297Pe0.592Ct0.150

順排管：

Nu=0.005 2Fr-0.363Pe0.696Ct0.104

式中：Fr為弗勞徳數(shù)；Pe為佩克萊數(shù)，表示無量綱速度；Ct為無量綱溫度，計(jì)算公式為：

間接換熱時(shí)多了間接接觸部分的熱阻，間接換熱系數(shù)一般在50～120 W/(m2·℃)低于直接接觸系數(shù)，所以重點(diǎn)增大換熱系數(shù)，可以有效提高換熱效率。經(jīng)分析可知：顆粒—管壁—水或水蒸氣之間的換熱熱阻主要位于顆粒側(cè)，可采取顆粒湍流化來減少顆粒側(cè)換熱熱阻，但這種方式不可避免地增加了管道的磨損。有專利采用蛇形管膜式壁來增大顆粒側(cè)的換熱面積，從而減少顆粒側(cè)熱阻。

提高流體和固體間接換熱的換熱系數(shù)是亟待解決的問題。對(duì)于豎式床來講，顆粒的處理量一般不大，而且顆粒對(duì)金屬管壁有一定的磨損。但間接接觸換熱的優(yōu)點(diǎn)就是無需除塵或過濾，吸熱后的水或水蒸氣可以直接用于發(fā)電或供熱。

1.4 其他類型的豎式床余熱回收裝置

除了采用物理方法回收顆粒中的熱量外，還有些發(fā)明利用了化學(xué)過程回收顆粒中的熱量。文獻(xiàn)[15]利用煤粉氣化反應(yīng)，吸收高溫熔渣的熱量，同步實(shí)現(xiàn)煤氣化和熔渣冷卻的效果。

文獻(xiàn)[16]將間接接觸換熱與直接接觸換熱相結(jié)合進(jìn)行顆粒的熱量回收，水通過水管與渣罐中的高溫渣換熱，換熱之后的熱水進(jìn)入熱水收集罐；吸熱后的熱空氣通過氣體收集罐回收。

2 臥式床余熱回收裝置

臥式床余熱回收裝置占地面積較大，高度相對(duì)較小。臥式床中顆粒的移動(dòng)主要靠機(jī)械帶動(dòng)，如螺旋推送、振動(dòng)推動(dòng)等，由于消耗了機(jī)械功，設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，臥式床的研究并不多。但臥式床中顆粒停留時(shí)間增加，為提高熱回收率提供了可能，而且顆粒處理量越大，臥式床在處理效率上的優(yōu)勢(shì)越明顯。

2.1 氣固直接接觸換熱

臥式床中高溫渣粒與空氣的接觸時(shí)間一般要比豎式床中顆粒與氣體接觸時(shí)間長。但考慮到空氣比熱較小，熱效率也不高，用于臥式床中時(shí)優(yōu)勢(shì)不明顯，因此這方面研究不多。

文獻(xiàn)[17]裝置中，熔渣經(jīng)過高壓空氣破碎?；筮M(jìn)入振動(dòng)輸送機(jī)，與冷卻空氣進(jìn)行逆流換熱，最終臥式床中的熱空氣與噴射的空氣混合后進(jìn)入后續(xù)工序回收熱量。

有裝置采用了臥式氣固換熱，鍋爐底渣通過傳送帶進(jìn)行輸送，與空氣逆向運(yùn)動(dòng)直接接觸換熱，降溫后的干渣輸送至渣倉，冷空氣吸熱后進(jìn)入爐膛。在輸送的過程中設(shè)計(jì)了翻渣組件，提高了高爐渣與空氣的接觸充分性。有利用滾筒傾斜旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)顆粒的移動(dòng)的發(fā)明，通過重力帶動(dòng)顆粒移動(dòng)，減少了金屬消耗；也有采用回轉(zhuǎn)式余熱回收系統(tǒng)來回收渣粒熱量的例子，如王婷婷等[18]開發(fā)的回轉(zhuǎn)窯換熱裝置，采用氣固換熱方式對(duì)?；蟮母邷卦＿M(jìn)行余熱回收，爐渣通過螺旋葉片進(jìn)行破碎和輸送，同時(shí)與空氣進(jìn)行換熱。而且采用有限元分析軟件及歐拉雙流體模型對(duì)裝置內(nèi)氣固兩相流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究了入口風(fēng)速及回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)速對(duì)氣固換熱效率的影響，得出當(dāng)轉(zhuǎn)速為16 r/min、風(fēng)速為4.31 m/s時(shí)氣固傳熱效率最理想的結(jié)論。

2.2 液固直接接觸換熱

因?yàn)榕P式床的結(jié)構(gòu)，水與顆?；旌虾笕菀自诖矁?nèi)粘滯阻塞，不利于流動(dòng)與傳熱，設(shè)計(jì)困難，成本高，目前研究液固直接接觸換熱的臥式床換熱器的比較少。

固體渣粒溫度普遍在200～600 ℃，將液態(tài)水和渣粒直接混合進(jìn)行熱量交換后過濾實(shí)現(xiàn)固液分離[19]，最終得到的熱回收產(chǎn)物主要是熱水。

2.3 間接換熱

雖然臥式床間接接觸換熱系數(shù)不高，但由于高溫渣在換熱器內(nèi)停留時(shí)間一般要比豎式床長且易于控制，因此其熱回收效率更高，而且操作靈活，只是機(jī)械功耗可能要比豎式床大。

臥式床間接接觸換熱的研究主要集中在如何增強(qiáng)換熱系數(shù)方面。如文獻(xiàn)[20]中采用了螺旋葉片來增大水側(cè)的換熱系數(shù)，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，熱阻主要位于顆粒側(cè)，所以有研究提出從改變顆粒流動(dòng)的角度減小顆粒側(cè)熱阻[21]。這種增加機(jī)械構(gòu)件以強(qiáng)化換熱的方法是有效的，但也要考慮機(jī)械功耗的增加。

有裝置[22]通過布風(fēng)裝置將顆粒流態(tài)化后與管內(nèi)的冷卻介質(zhì)進(jìn)行換熱?？紤]到顆粒的堵塞風(fēng)險(xiǎn)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上進(jìn)行了探討研究，內(nèi)殼輸運(yùn)顆粒，外殼輸運(yùn)冷卻介質(zhì)，增設(shè)固定螺旋葉片可增加換熱系數(shù)，也可以減少顆粒的堵塞。

3 其他類型裝置研究情況

考慮到豎式床與臥式床各自的優(yōu)缺點(diǎn)，將二者結(jié)合，研發(fā)了一種液態(tài)渣余熱回收及尾渣超微粉化的方法及設(shè)備系統(tǒng)[23]，先將高溫液態(tài)渣與冷渣進(jìn)行混合，使之固態(tài)化和顆?；?，混合后的溫度控制在900～1 100 ℃，然后依次在流化床式換熱塔和回轉(zhuǎn)筒式換熱器中與氣體進(jìn)行換熱，最后渣粒經(jīng)過篩分、破碎和選鐵后送去超微粉化。換熱后的高溫氣體送去余熱鍋爐間接換熱產(chǎn)生蒸汽，而蒸汽先用做尾渣超微粉化的動(dòng)力介質(zhì)，后用做預(yù)熱余熱鍋爐給水熱源。

李華等[24]提出了寬篩分離心?；郀t渣，并按粒徑分級(jí)冷卻排渣的技術(shù)路線，研發(fā)了噴動(dòng)床與鼓泡床組合的復(fù)合式流化床余熱回收裝置，高溫渣粒由中間進(jìn)渣管道進(jìn)入噴動(dòng)床分選艙室，在流化風(fēng)和擋板的作用下將粗渣和細(xì)渣進(jìn)行分離。同時(shí)也對(duì)渣粒的流動(dòng)特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，流化床余熱回收可以讓空氣和渣粒直接接觸，換熱效率較高。

4 結(jié)論

顆粒的換熱研究前景十分廣闊，包括但不限于渣粒余熱回收和顆粒儲(chǔ)熱等技術(shù)，隨著能源利用與環(huán)境保護(hù)的發(fā)展需要，顆粒換熱研究日益引起廣大科研人員的重視，高溫渣粒的余熱回收一直是我國鋼鐵企業(yè)研究的難點(diǎn)，儲(chǔ)能研究領(lǐng)域也使用固體顆粒充當(dāng)儲(chǔ)熱介質(zhì)，提升儲(chǔ)放熱效果。

渣粒余熱回收技術(shù)的研發(fā)日益成熟化，在換熱方式的研究上，與渣粒直接接觸換熱的介質(zhì)主要以空氣為主，與渣粒間接接觸換熱的冷卻介質(zhì)以水為主；在換熱裝置床型的研究上，豎式床的研究要比臥式床多，因?yàn)榕P式床通常需要借助額外動(dòng)力來驅(qū)動(dòng)渣粒的運(yùn)動(dòng)，這就增加了一些工序和額外功耗。

文章在總結(jié)近十幾年來高溫渣粒余熱回收裝置研究成果的基礎(chǔ)上，參考顆粒換熱研究文獻(xiàn)，分類并對(duì)比了不同裝置類型、不同冷卻介質(zhì)、不同換熱方式對(duì)渣粒余熱回收的影響，為后續(xù)高溫渣粒換熱的研發(fā)提供借鑒。