高温渣粒余热回收专利技术对比分析

付仲亮 楼国锋，2 肖永力 豆瑞锋，2 张友平 李鹏元 温 治，2

(1．北京科技大学能源与环境工程学院，2．冶金工业节能减排北京市重点实验室，3．宝钢研究院能源与环境研究所，4. 中钢集团鞍山热能研究院有限公司)

钢铁工业是资源、能源、资金和劳动密集型行业及碳排放大户，据统计，我国2020年粗钢产量已达到10.65亿t[1]，同时产生大量高温渣，高温渣出炉温度1 400～1 550 ℃，每吨渣含有的热值相当于约60 kgce[2]。因此，高温渣余热回收技术对于实现钢铁行业的节能减排具有重要的实际意义和广阔的应用前景。

当前钢铁工业高温渣粒的余热回收主要有两种方法：介质换热法和化学反应法。化学反应法[2]是利用冶金渣显热来促进化学反应进行，以达到回收渣粒余热的目的，目前主要有CH4和H2O混合反应来生成H2和CO，利用渣粒显热促进沼气制氢反应、污泥热解等的相关报道。介质换热法是利用高温渣粒与介质进行直接接触或间接接触进行换热，再通过利用吸热后的高温介质进行发电或供热等方式进行热量回收。

目前高温渣粒余热回收装置主要有竖式床和卧式床两种类型，冷却介质主要有空气和水，换热方式包括直接接触换热与间接换热。不同类型的装置、冷却介质以及换热方式可以组合成不同的余热回收装置，即便是相同的组合也会有不同的设计方案，换热系数和热回收效率也会各不相同。文章调研了大量余热回收装置专利文献，同时参考了前人对颗粒换热研究方法，对不同的余热回收方法进行了分析，总结出影响高温渣粒余热回收的因素，分析了各类换热装置的优缺点，为高温渣粒余热回收装置的研究提供借鉴。

1 竖式床换热装置

竖式床换热装置高度较高，占地面积较小，其内高温渣运动主要依靠重力驱动，在处理高温渣时，由渣粒在炉内自行下落或设置挡板、风机等延缓下落，适合于场地狭小，且高温渣处理量不大的情况。检索专利结果表明：竖式床的研发基础比卧式床更充分，且通过对诸多发明的分析来看，竖式床研发要比卧式床研发相对容易些，不需要考虑高温渣的运动情况及其排出方式。

1.1 气固直接接触换热

气固直接接触换热是指颗粒与气体直接接触进行热量交换。在文献[3]所述的装置中，粒化后的高温渣粒与空气进行直接接触换热，熔渣粒化装置将熔渣粒化，一次空气首先与熔渣液滴换热，使得熔渣快速凝固；凝固的熔渣颗粒进入下部渣罐，与二次空气进行换热。空气比热容和热导率比较低，标况下(101 325 Pa，20 ℃)分别为：1.005 kJ/(kg·K)和0.025 9 W/(m·K)，所以仅以空气为冷却介质时，渣粒冷却速率较低，热回收率仅为35%～45%。为提高热回收率，有专利采用喷射颗粒与空气的混合物进行熔渣的破碎[4]，可以重复对颗粒进行换热。

有装置采用了填充床形式的换热器[5-6]，该装置至少要有两个换热罐。将高温颗粒倒入换热罐中储存，并向换热罐内部通入冷气与高温颗粒进行热交换。冷却后的颗粒通过排料管道排出，冷气吸热后通过热气管道排出。这种设计提高了颗粒的热回收率，能够通过增减换热罐的方式来处理不同流量的颗粒，填充床通常也用于储热，此时冷的颗粒装入储罐中，高温气体(如烟气)进入储罐，与颗粒进行换热，将热量存储在颗粒中，从而达到颗粒储热的作用[7]，对于使用颗粒储热的装置，无论颗粒是否需要被立刻取出，填充床(或闷罐)式换热设备都比较方便，且运行简单，此外也可在填充床内部增加扰流装置以增加换热效率。

有装置采用了移动床形式的换热器[8]，颗粒在竖式移动床内竖直向下运动，通过出口装置来控制颗粒的流量。但是在移动床中，颗粒的运动普遍存在偏流现象，对换热不利。可以在移动床内增加导流装置，不仅延长颗粒在移动床内的停留时间，还改善了偏流现象，也可以将多个移动床进行串联以达到增加热回收效率的目的。

有装置采用了流化床形式的换热器[9]，空气带动颗粒悬浮，换热系数较高(45～140 W/(m2·K))，余热回收率较高(55%左右)，但风机功耗较大。

气固直接接触传热避不开“除尘”，这使得余热回收系统更加复杂。而有些装置将固体颗粒分离与气固换热两道工序整合到一起，达到了很好的效果[10]；可以设置具有多级换热器和旋风分离器的换热分离装置，即每完成一次换热便进行一次热风与固体颗粒的分离，不仅提高了热量转换效率，而且有效分离了气体和固体颗粒。

1.2 液固直接接触换热

液固直接接触换热是指液体(一般是水)与高温颗粒通过直接接触的方式进行热量交换[11]。由于一个大气压下饱和水的比热容为4.220 kJ/(kg·K)，比标况下的空气比热容为1.005 kJ/(kg·K)大的多，且存在潜热，液固直接接触换热一般要比气固直接接触换热效率高，因此同等温度下能够将高温渣冷却到更低的温度。但是水与高温颗粒直接接触换热时，生成的蒸汽或热水中会夹带粉尘，需要对蒸汽或热水进行过滤，否则容易出现堵塞现象，对管道和水泵等有一定的磨损，降低使用寿命。

1.3 间接换热

间接换热指的是冷却介质与高温颗粒通过管壁或换热板进行热量传递。间接接触换热采用的冷却介质通常为水。竖式间接接触换热研究较多的是管壳式换热，颗粒走壳程，冷却水走管程，二者通过管壁进行热量交换[12]。这类换热器结构比较紧凑，很多专利采用管壳式换热器。

竖式移动床中固体颗粒移动主要受重力影响，考虑到颗粒在移动床中的停留时间，可以采用布风系统，通过在高温段喷射常温空气，实现渣粒的急速冷却，既提高了系统的换热效率，又保证了渣粒具有较高的玻璃体含量，也增加了颗粒停留时间；被加热的空气进入省煤器与水进行换热，省煤器中的水进入气液分离器充作补给水，从而提高了整个系统的热回收效率。有装置会在上述基础上增加布风系统用以延长高温渣的停留时间以增大热回收效率，但这类余热回收装置中排出的热风也带有一部分的热，因此可增加热风的热量回收环节。另外也可以通过设计挡板来延长颗粒在炉内的停留时间[13]，这类热回收系统需要考虑挡板的倾角，挡板与水平面的夹角过大则停留时间不足，颗粒下落速度过快，换热不充分，而夹角过小则颗粒堆积层较厚，换热不均。Liu Junxiang等[14]提出了重力床余热锅炉直接回收高温渣粒余热，冷却介质为水，用以生产水蒸气的技术方法。渣粒在重力作用下向下流动，换热管中的水流与管外的渣流形成逆流，渣粒和水进行换热冷却后从锅炉底部排出，水被加热成蒸汽后用于汽轮机发电。作者研究了换热管内水的雷诺数、渣粒粒径和锅炉换热管布置方式对换热特性的影响，发现渣粒侧的热阻比水侧热阻高得多，同时得出了炉渣颗粒与锅炉换热管之间传热系数的半经验关系式：

叉排管：

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

顺排管：

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

式中：Fr为弗劳徳数；Pe为佩克莱数，表示无量纲速度；Ct为无量纲温度，计算公式为：

间接换热时多了间接接触部分的热阻，间接换热系数一般在50～120 W/(m2·℃)低于直接接触系数，所以重点增大换热系数，可以有效提高换热效率。经分析可知：颗粒—管壁—水或水蒸气之间的换热热阻主要位于颗粒侧，可采取颗粒湍流化来减少颗粒侧换热热阻，但这种方式不可避免地增加了管道的磨损。有专利采用蛇形管膜式壁来增大颗粒侧的换热面积，从而减少颗粒侧热阻。

提高流体和固体间接换热的换热系数是亟待解决的问题。对于竖式床来讲，颗粒的处理量一般不大，而且颗粒对金属管壁有一定的磨损。但间接接触换热的优点就是无需除尘或过滤，吸热后的水或水蒸气可以直接用于发电或供热。

1.4 其他类型的竖式床余热回收装置

除了采用物理方法回收颗粒中的热量外，还有些发明利用了化学过程回收颗粒中的热量。文献[15]利用煤粉气化反应，吸收高温熔渣的热量，同步实现煤气化和熔渣冷却的效果。

文献[16]将间接接触换热与直接接触换热相结合进行颗粒的热量回收，水通过水管与渣罐中的高温渣换热，换热之后的热水进入热水收集罐；吸热后的热空气通过气体收集罐回收。

2 卧式床余热回收装置

卧式床余热回收装置占地面积较大，高度相对较小。卧式床中颗粒的移动主要靠机械带动，如螺旋推送、振动推动等，由于消耗了机械功，设计较为复杂，卧式床的研究并不多。但卧式床中颗粒停留时间增加，为提高热回收率提供了可能，而且颗粒处理量越大，卧式床在处理效率上的优势越明显。

2.1 气固直接接触换热

卧式床中高温渣粒与空气的接触时间一般要比竖式床中颗粒与气体接触时间长。但考虑到空气比热较小，热效率也不高，用于卧式床中时优势不明显，因此这方面研究不多。

文献[17]装置中，熔渣经过高压空气破碎粒化后进入振动输送机，与冷却空气进行逆流换热，最终卧式床中的热空气与喷射的空气混合后进入后续工序回收热量。

有装置采用了卧式气固换热，锅炉底渣通过传送带进行输送，与空气逆向运动直接接触换热，降温后的干渣输送至渣仓，冷空气吸热后进入炉膛。在输送的过程中设计了翻渣组件，提高了高炉渣与空气的接触充分性。有利用滚筒倾斜旋转来实现颗粒的移动的发明，通过重力带动颗粒移动，减少了金属消耗；也有采用回转式余热回收系统来回收渣粒热量的例子，如王婷婷等[18]开发的回转窑换热装置，采用气固换热方式对粒化后的高温渣粒进行余热回收，炉渣通过螺旋叶片进行破碎和输送，同时与空气进行换热。而且采用有限元分析软件及欧拉双流体模型对装置内气固两相流场进行了数值模拟，研究了入口风速及回转窑转速对气固换热效率的影响，得出当转速为16 r/min、风速为4.31 m/s时气固传热效率最理想的结论。

2.2 液固直接接触换热

因为卧式床的结构，水与颗粒混合后容易在床内粘滞阻塞，不利于流动与传热，设计困难，成本高，目前研究液固直接接触换热的卧式床换热器的比较少。

固体渣粒温度普遍在200～600 ℃，将液态水和渣粒直接混合进行热量交换后过滤实现固液分离[19]，最终得到的热回收产物主要是热水。

2.3 间接换热

虽然卧式床间接接触换热系数不高，但由于高温渣在换热器内停留时间一般要比竖式床长且易于控制，因此其热回收效率更高，而且操作灵活，只是机械功耗可能要比竖式床大。

卧式床间接接触换热的研究主要集中在如何增强换热系数方面。如文献[20]中采用了螺旋叶片来增大水侧的换热系数，经研究发现，热阻主要位于颗粒侧，所以有研究提出从改变颗粒流动的角度减小颗粒侧热阻[21]。这种增加机械构件以强化换热的方法是有效的，但也要考虑机械功耗的增加。

有装置[22]通过布风装置将颗粒流态化后与管内的冷却介质进行换热。考虑到颗粒的堵塞风险，在结构设计上进行了探讨研究，内壳输运颗粒，外壳输运冷却介质，增设固定螺旋叶片可增加换热系数，也可以减少颗粒的堵塞。

3 其他类型装置研究情况

考虑到竖式床与卧式床各自的优缺点，将二者结合，研发了一种液态渣余热回收及尾渣超微粉化的方法及设备系统[23]，先将高温液态渣与冷渣进行混合，使之固态化和颗粒化，混合后的温度控制在900～1 100 ℃，然后依次在流化床式换热塔和回转筒式换热器中与气体进行换热，最后渣粒经过筛分、破碎和选铁后送去超微粉化。换热后的高温气体送去余热锅炉间接换热产生蒸汽，而蒸汽先用做尾渣超微粉化的动力介质，后用做预热余热锅炉给水热源。

李华等[24]提出了宽筛分离心粒化高炉渣，并按粒径分级冷却排渣的技术路线，研发了喷动床与鼓泡床组合的复合式流化床余热回收装置，高温渣粒由中间进渣管道进入喷动床分选舱室，在流化风和挡板的作用下将粗渣和细渣进行分离。同时也对渣粒的流动特性进行了实验研究，流化床余热回收可以让空气和渣粒直接接触，换热效率较高。

4 结论

颗粒的换热研究前景十分广阔，包括但不限于渣粒余热回收和颗粒储热等技术，随着能源利用与环境保护的发展需要，颗粒换热研究日益引起广大科研人员的重视，高温渣粒的余热回收一直是我国钢铁企业研究的难点，储能研究领域也使用固体颗粒充当储热介质，提升储放热效果。

渣粒余热回收技术的研发日益成熟化，在换热方式的研究上，与渣粒直接接触换热的介质主要以空气为主，与渣粒间接接触换热的冷却介质以水为主；在换热装置床型的研究上，竖式床的研究要比卧式床多，因为卧式床通常需要借助额外动力来驱动渣粒的运动，这就增加了一些工序和额外功耗。

文章在总结近十几年来高温渣粒余热回收装置研究成果的基础上，参考颗粒换热研究文献，分类并对比了不同装置类型、不同冷却介质、不同换热方式对渣粒余热回收的影响，为后续高温渣粒换热的研发提供借鉴。