摘要

关键词

Abstract

Keywords

1. 热平衡分析的假设条件

2. 热平衡计算过程

3. 计算参数

4. 结果与讨论

5. 结论

工程科学学报   2016,20(4),393-398 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2016.10.006

利用显热对熔渣进行直接改质的热平衡分析及试验验证

卢翔1 李宇1 马帅1 代文彬2 苍大强1
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北京科技大学钢铁冶金新技术国家重点实验室; 北京科技大学冶金与生态工程学院;

作者简介

收稿日期:2016-10-31

基金:国家自然科学基金

摘要:采用热态改质方法可直接将冶金熔渣制备成高附加值材料,从而实现熔渣的“热”“渣”双利用,因此这一方法在熔渣资源化利用领域中已成为研究热点.本文选取熔融钢渣和河沙分别为典型熔渣和改质剂,模拟计算分析在1600℃熔渣内掺入改质剂的过程中改质剂掺量对改质熔渣显热的影响,并对研究结果进行工业试验验证.研究表明:随着改质剂掺入,改质熔渣显热呈现先增加后减小的趋势;随改质剂掺量由5%增加到11%时改质熔渣显热反而增加,当改质剂掺量为11%时改质熔渣显热达到最大.从熔渣显热利用和改质效果综合考虑,改质剂掺量的理论最佳区间为11%~19%.现场试验表明,掺入12%左右的河沙后,改质熔渣流动性好,冷却渣安定性等性能改善显著.

Thermal equilibrium analysis and experiment of molten slag modification by use of its sensible heat

LU Xiang1 LI Yu1 MA Shuai1 DAI Wen-bin2 CANG Da-qiang1
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1) State Key Laboratory of Advanced Metallurgy,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2) School of Metallurgy and Ecological Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China

作者简介

Accepted:2016-10-31

Funds:国家自然科学基金

Abstract:Preparing high added-value materials from molten slag directly by modifying molten slag has drawn a great interest in the utilization of molten slag because of its high efficiency during the integrated utilization of the heat and slag. In this paper,molten steel slag and sands were selected as typical molten slag and modifiers,respectively. The effects of the amount of added modifiers on the waste liquid sensible heat of modified molten slag were studied during the modification process,which was subsequently confirmed by industrial test. It is indicated that the sensible heat of modified molten slag increases at first and then decreases with the addition of modifiers. The sensible heat improves with the increase in mass fraction of modifiers from 5% to 11% and reaches the maximum at the mass fraction of 11%. The optimal amount of modifiers ranges from 11% to 19% in consideration of both the utilization of sensible heat and the performance of modified molten slag. Furthermore,the industrial test verifies that both the fluidity of modified molten slag and the stability of cooled modified slag are significantly improved at the addition of about 12% modifiers.

2014 年世界粗钢产量为16. 37 × 109 t,而中国的粗钢产量为8. 23 × 109 t,占世界产量的一半以上[1].按照钢渣与高炉渣分别占粗钢产量的15% 和30% 计算,钢渣与高炉渣( 不考虑国内电炉炼钢) 的排放量分 1[1]俞永新.狂犬病和狂犬病疫苗[M].北京:中国医药科技出版社,2001.]别为1. 23 × 109 t 和2. 46 × 109 t 左右. 钢铁厂所排放 的钢渣与高炉渣热焓分别为1670 MJ·t - 1 和1700 MJ· t - 1,通过计算可知,2014 年钢渣与高炉渣的余热总共 为6. 24 × 1011 MJ,相当于2. 12 × 107 t 标准煤的总发 热量. 自20 世纪50 年代,研究者就对熔渣热量的回收 展开研究. 最早采用熔渣水淬方式回收其余热,冷却 水在熔渣冷却过程中通过热交换获得其热量而成为热 水,被用于取暖与日常生活等. 通常,水淬的熔渣对象 是高炉渣而非钢渣[2]. 水淬所得高炉渣的玻璃相质量 分数一般在90% 以上,拥有优良的潜在胶凝活性,能 广泛应用于水泥混凝土行业. 然而,在高炉渣水淬过 程中需要消耗大量水资源; 同时,熔渣中余热回收极 低,冷却过程还会产生硫化氢等有毒和腐蚀性气体,污 染大气. 熔渣从排放温度冷却到液相线温度所释放的热量 称为熔渣显热. 本世纪以来,大量研究者开展了采用 干式粒化方法来回收熔渣显热的研究,主要包括物理 法与化学法. 其中物理法主要包括双滚筒法、单滚筒 法、连铸连轧法、机械搅拌法、Merotec 法、风淬法和转 杯法[3--8]. 对比上述方法,转杯法因具有适应性强、粒 化效果好和设备简单的特点,获得较多进展. 上述物 理干式粒化方法仍然存在粒化效果差、处理效率低、 利用率低等问题. 化学法回收熔渣中热量不成熟,其 中包括甲烷循环反应法、甲烷制氢法和制煤气法[9--11]. 上述化学干式粒化方法存在反应程度难以控制、对反 应器的要求较高、热回收后的尾渣难以利用等问题. 干式粒化法的限制主要在于热量回收之前,需要 对熔渣进行干式粒化处理,即通过空气或者氮气回收 熔渣的显热,而空气或者氮气的比热容低,从而需要大 量冷空气或者氮气补充,进行热量交换,导致风机能耗 高. 同时,熔渣与气体的热交换效率低,因为熔渣的导 热系数一般为0. 1 ~ 0. 3 W·m- 1·K - 1,急冷成固态之后 的导热系数仅增加到2 W·m- 1·K - 1,在熔渣与冷空气 或氮气的热交换过程中,当熔渣降温后表面凝固,内部 熔渣与冷却气体被分隔,其余热难以与气体进行热量 交换. 然而,利用介质与熔渣进行热量交换以回收熔 渣显热,再做它用,使得能量转换次数多,导致熔渣总 热效率低. 另外,熔渣的高温高品质热量通过热量交 换转变成低品质热量,在转变过程中产生巨大能量损 失,这是导致钢铁厂高品质余热资源不足,而低品质余 热过剩现状的原因. 近年来,大量研究者[12--19]考虑到熔渣“渣”和“热” 的双利用,提出利用熔渣直接制备材料的方法,这对熔 渣高附加值资源化利用具有重要意义. Tossavainen 等[12]对不同冷却机制下的精炼渣、转炉渣与电炉渣进 行研究,发现加大冷却速率有利于钢渣体积稳定性提 高,但同时也会提高其重金属的浸出率,使得其无法用 于建筑材料. Liapis 和Papayianni[13]对钢渣进行高温 改质,采用水枪冷却工艺,发现钢渣密度随着珍珠岩的 加入而降低,同时钢渣的晶体尺寸减小,玻璃相含量增 多,可用于建筑材料. 因此,利用熔渣直接制备材料取 决于改质熔渣的化学组成与材料的制备工艺. 杨 铧[14]通过补热、调质、均化、调温等工序,利用高炉熔 渣制备高附加值矿棉. 然而,在矿棉制备过程中同样 需要补热,对其补热量却没有评估,无法达到高效利用 熔渣显热的目的. 代文彬[15]对熔渣显热利用进行研 究,发现由于熔渣自身显热有限,能够熔化改质剂的量 受到影响,在仅仅利用熔渣显热的情况下,只能对熔渣 进行粗调,将钢渣碱度( CaO/SiO 质量比值) 降低到 1. 3 左右,可直接用于制备水泥混合材、免烧砖或者烧 结砖[16],但无法将熔渣直接调质成矿棉、陶瓷原料、微 晶玻璃[17--19]等. 由此可见,熔渣的显热量决定其改质效果,对熔渣 显热熔化改质剂掺量能力( 熔解能力) 的研究具有重 要意义. 利用热平衡计算方法分析高炉炼铁等传统工 艺的物料反应已较为成熟,但以此分析熔渣改质过程 中熔渣的熔解能力却少有报道. 因此,本文提出利用 显热对熔渣进行改质的热力学研究,分析熔渣的熔解 能力,从热力学的角度为熔渣改质制备材料的工艺设 计和实施提供技术理论基础.[ 补充资料]。

热平衡分析的假设条件↓↓↓

自20 世纪50 年代,研究者就对熔渣热量的回收 展开研究. 最早采用熔渣水淬方式回收其余热,冷却 水在熔渣冷却过程中通过热交换获得其热量而成为热 水,被用于取暖与日常生活等. 通常,水淬的熔渣对象 是高炉渣而非钢渣[2]. 水淬所得高炉渣的玻璃相质量 分数一般在90% 以上,拥有优良的潜在胶凝活性,能 广泛应用于水泥混凝土行业. 然而,在高炉渣水淬过 程中需要消耗大量水资源; 同时,熔渣中余热回收极 低,冷却过程还会产生硫化氢等有毒和腐蚀性气体,污 染大气. 熔渣从排放温度冷却到液相线温度所释放的热量 称为熔渣显热. 本世纪以来,大量研究者开展了采用 干式粒化方法来回收熔渣显热的研究,主要包括物理 法与化学法. 其中物理法主要包括双滚筒法、单滚筒 法、连铸连轧法、机械搅拌法、Merotec 法、风淬法和转 杯法[3--8]. 对比上述方法,转杯法因具有适应性强、粒 化效果好和设备简单的特点,获得较多进展. 上述物 理干式粒化方法仍然存在粒化效果差、处理效率低、 利用率低等问题. 化学法回收熔渣中热量不成熟,其 中包括甲烷循环反应法、甲烷制氢法和制煤气法[9--11]. 上述化学干式粒化方法存在反应程度难以控制、对反 应器的要求较高、热回收后的尾渣难以利用等问题. 干式粒化法的限制主要在于热量回收之前,需要 对熔渣进行干式粒化处理,即通过空气或者氮气回收 熔渣的显热,而空气或者氮气的比热容低,从而需要大 量冷空气或者氮气补充,进行热量交换,导致风机能耗 高. 同时,熔渣与气体的热交换效率低,因为熔渣的导 热系数一般为0. 1 ~ 0. 3 W·m- 1·K - 1,急冷成固态之后 的导热系数仅增加到2 W·m- 1·K - 1,在熔渣与冷空气 或氮气的热交换过程中,当熔渣降温后表面凝固,内部 熔渣与冷却气体被分隔,其余热难以与气体进行热量 交换. 然而,利用介质与熔渣进行热量交换以回收熔 渣显热,再做它用,使得能量转换次数多,导致熔渣总 热效率低. 另外,熔渣的高温高品质热量通过热量交 换转变成低品质热量,在转变过程中产生巨大能量损 失,这是导致钢铁厂高品质余热资源不足,而低品质余 热过剩现状的原因. 近年来,大量研究者[12--19]考虑到熔渣“渣”和“热” 的双利用,提出利用熔渣直接制备材料的方法,这对熔 渣高附加值资源化利用具有重要意义. Tossavainen 等[12]对不同冷却机制下的精炼渣、转炉渣与电炉渣进 行研究,发现加大冷却速率有利于钢渣体积稳定性提 高,但同时也会提高其重金属的浸出率,使得其无法用 于建筑材料. Liapis 和Papayianni[13]对钢渣进行高温 改质,采用水枪冷却工艺,发现钢渣密度随着珍珠岩的 加入而降低,同时钢渣的晶体尺寸减小,玻璃相含量增 多,可用于建筑材料. 因此,利用熔渣直接制备材料取 决于改质熔渣的化学组成与材料的制备工艺. 杨 铧[14]通过补热、调质、均化、调温等工序,利用高炉熔 渣制备高附加值矿棉. 然而,在矿棉制备过程中同样 需要补热,对其补热量却没有评估,无法达到高效利用 熔渣显热的目的. 代文彬[15]对熔渣显热利用进行研 究,发现由于熔渣自身显热有限,能够熔化改质剂的量 受到影响,在仅仅利用熔渣显热的情况下,只能对熔渣 进行粗调,将钢渣碱度( CaO/SiO 质量比值) 降低到 1. 3 左右,可直接用于制备水泥混合材、免烧砖或者烧 结砖[16],但无法将熔渣直接调质成矿棉、陶瓷原料、微 晶玻璃[17--19]等. 由此可见,熔渣的显热量决定其改质效果,对熔渣 显热熔化改质剂掺量能力( 熔解能力) 的研究具有重 要意义. 利用热平衡计算方法分析高炉炼铁等传统工 艺的物料反应已较为成熟,但以此分析熔渣改质过程 中熔渣的熔解能力却少有报道. 因此,本文提出利用 显热对熔渣进行改质的热力学研究,分析熔渣的熔解 能力,从热力学的角度为熔渣改质制备材料的工艺设 计和实施提供技术理论基础.

热平衡计算过程↓↓↓

自20 世纪50 年代,研究者就对熔渣热量的回收 展开研究. 最早采用熔渣水淬方式回收其余热,冷却 水在熔渣冷却过程中通过热交换获得其热量而成为热 水,被用于取暖与日常生活等. 通常,水淬的熔渣对象 是高炉渣而非钢渣[2]. 水淬所得高炉渣的玻璃相质量 分数一般在90% 以上,拥有优良的潜在胶凝活性,能 广泛应用于水泥混凝土行业. 然而,在高炉渣水淬过 程中需要消耗大量水资源; 同时,熔渣中余热回收极 低,冷却过程还会产生硫化氢等有毒和腐蚀性气体,污 染大气. 熔渣从排放温度冷却到液相线温度所释放的热量 称为熔渣显热. 本世纪以来,大量研究者开展了采用 干式粒化方法来回收熔渣显热的研究,主要包括物理 法与化学法. 其中物理法主要包括双滚筒法、单滚筒 法、连铸连轧法、机械搅拌法、Merotec 法、风淬法和转 杯法[3--8]. 对比上述方法,转杯法因具有适应性强、粒 化效果好和设备简单的特点,获得较多进展. 上述物 理干式粒化方法仍然存在粒化效果差、处理效率低、 利用率低等问题. 化学法回收熔渣中热量不成熟,其 中包括甲烷循环反应法、甲烷制氢法和制煤气法[9--11]. 上述化学干式粒化方法存在反应程度难以控制、对反 应器的要求较高、热回收后的尾渣难以利用等问题. 干式粒化法的限制主要在于热量回收之前,需要 对熔渣进行干式粒化处理,即通过空气或者氮气回收 熔渣的显热,而空气或者氮气的比热容低,从而需要大 量冷空气或者氮气补充,进行热量交换,导致风机能耗 高. 同时,熔渣与气体的热交换效率低,因为熔渣的导 热系数一般为0. 1 ~ 0. 3 W·m- 1·K - 1,急冷成固态之后 的导热系数仅增加到2 W·m- 1·K - 1,在熔渣与冷空气 或氮气的热交换过程中,当熔渣降温后表面凝固,内部 熔渣与冷却气体被分隔,其余热难以与气体进行热量 交换. 然而,利用介质与熔渣进行热量交换以回收熔 渣显热,再做它用,使得能量转换次数多,导致熔渣总 热效率低. 另外,熔渣的高温高品质热量通过热量交 换转变成低品质热量,在转变过程中产生巨大能量损 失,这是导致钢铁厂高品质余热资源不足,而低品质余 热过剩现状的原因. 近年来,大量研究者[12--19]考虑到熔渣“渣”和“热” 的双利用,提出利用熔渣直接制备材料的方法,这对熔 渣高附加值资源化利用具有重要意义. Tossavainen 等[12]对不同冷却机制下的精炼渣、转炉渣与电炉渣进 行研究,发现加大冷却速率有利于钢渣体积稳定性提 高,但同时也会提高其重金属的浸出率,使得其无法用 于建筑材料. Liapis 和Papayianni[13]对钢渣进行高温 改质,采用水枪冷却工艺,发现钢渣密度随着珍珠岩的 加入而降低,同时钢渣的晶体尺寸减小,玻璃相含量增 多,可用于建筑材料. 因此,利用熔渣直接制备材料取 决于改质熔渣的化学组成与材料的制备工艺. 杨 铧[14]通过补热、调质、均化、调温等工序,利用高炉熔 渣制备高附加值矿棉. 然而,在矿棉制备过程中同样 需要补热,对其补热量却没有评估,无法达到高效利用 熔渣显热的目的. 代文彬[15]对熔渣显热利用进行研 究,发现由于熔渣自身显热有限,能够熔化改质剂的量 受到影响,在仅仅利用熔渣显热的情况下,只能对熔渣 进行粗调,将钢渣碱度( CaO/SiO 质量比值) 降低到 1. 3 左右,可直接用于制备水泥混合材、免烧砖或者烧 结砖[16],但无法将熔渣直接调质成矿棉、陶瓷原料、微 晶玻璃[17--19]等. 由此可见,熔渣的显热量决定其改质效果,对熔渣 显热熔化改质剂掺量能力( 熔解能力) 的研究具有重 要意义. 利用热平衡计算方法分析高炉炼铁等传统工 艺的物料反应已较为成熟,但以此分析熔渣改质过程 中熔渣的熔解能力却少有报道. 因此,本文提出利用 显热对熔渣进行改质的热力学研究,分析熔渣的熔解 能力,从热力学的角度为熔渣改质制备材料的工艺设 计和实施提供技术理论基础.

由此可见,熔渣的显热量决定其改质效果,对熔渣 显热熔化改质剂掺量能力( 熔解能力) 的研究具有重 要意义. 利用热平衡计算方法分析高炉炼铁等传统工 艺的物料反应已较为成熟,但以此分析熔渣改质过程 中熔渣的熔解能力却少有报道. 因此,本文提出利用 显热对熔渣进行改质的热力学研究,分析熔渣的熔解 能力,从热力学的角度为熔渣改质制备材料的工艺设 计和实施提供技术理论基础.[ 补充图1]。

计算参数↓↓↓

1、原料的化学组成

293T细胞、BHK-21细胞和昆虫细胞Sf9 购自美国细胞培养中心(ATCC)。噬菌体抗体库建库载体为pHAL14[8]。狂犬病毒CVS株、aG株由中国疾控制中心病毒病所狂犬室提供。维尔博人用狂犬病纯化疫苗(vero细胞)购自法国赛诺菲巴斯德公司。RNA提取试剂盒、RT-PCR盒、PCR 试剂盒均购自Roche公司。胰酶、聚乙二醇(PEG)、转染试剂聚乙烯亚胺(PEI)购自美国Sigma公司。

2、河沙的矿物组成

293T细胞、BHK-21细胞和昆虫细胞Sf9 购自美国细胞培养中心(ATCC)。噬菌体抗体库建库载体为pHAL14[8]。狂犬病毒CVS株、aG株由中国疾控制中心病毒病所狂犬室提供。维尔博人用狂犬病纯化疫苗(vero细胞)购自法国赛诺菲巴斯德公司。RNA提取试剂盒、RT-PCR盒、PCR 试剂盒均购自Roche公司。胰酶、聚乙二醇(PEG)、转染试剂聚乙烯亚胺(PEI)购自美国Sigma公司[ 补充视频]。

3、液相线温度

293T细胞、BHK-21细胞和昆虫细胞Sf9 购自美国细胞培养中心(ATCC)。噬菌体抗体库建库载体为pHAL14[8]。狂犬病毒CVS株、aG株由中国疾控制中心病毒病所狂犬室提供。维尔博人用狂犬病纯化疫苗(vero细胞)购自法国赛诺菲巴斯德公司。RNA提取试剂盒、RT-PCR盒、PCR 试剂盒均购自Roche公司。胰酶、聚乙二醇(PEG)、转染试剂聚乙烯亚胺(PEI)购自美国Sigma公司。

293T细胞、BHK-21细胞和昆虫细胞Sf9 购自美国细胞培养中心(ATCC)。噬菌体抗体库建库载体为pHAL14[8]。狂犬病毒CVS株、aG株由中国疾控制中心病毒病所狂犬室提供。维尔博人用狂犬病纯化疫苗(vero细胞)购自法国赛诺菲巴斯德公司。RNA提取试剂盒、RT-PCR盒、PCR 试剂盒均购自Roche公司。胰酶、聚乙二醇(PEG)、转染试剂聚乙烯亚胺(PEI)购自美国Sigma公司( 表1)。

4、矿物的摩尔热容参数

293T细胞、BHK-21细胞和昆虫细胞Sf9 购自美国细胞培养中心(ATCC)。噬菌体抗体库建库载体为pHAL14[8]。狂犬病毒CVS株、aG株由中国疾控制中心病毒病所狂犬室提供。维尔博人用狂犬病纯化疫苗(vero细胞)购自法国赛诺菲巴斯德公司。RNA提取试剂盒、RT-PCR盒、PCR 试剂盒均购自Roche公司。胰酶、聚乙二醇(PEG)、转染试剂聚乙烯亚胺(PEI)购自美国Sigma公司。

结果与讨论↓↓↓

结论↓↓↓