高炉熔渣干法粒化和化学法余热回收工艺基础研究-冶金工程专业论文.docxVIP

中文 中文摘要 重庆大学博士学位论文 重庆大学博士学位论文 I I PAGE PAGE VI 摘 要 钢铁工业是我国国民经济的支柱产业，也是能源和资源密集型产业。长期以 来，提高能源与资源的利用效率一直是钢铁工业的工作重心。高炉渣是钢铁流程 生产过程中排放的主要固体废弃物，排放温度 1450℃左右，其既是一种资源，又 蕴含大量的高品质显热。然而，传统的高炉渣水淬处理工艺只注重得到非晶态的 高炉渣产品，对于蕴含的热量基本没有回收，而且还需要大量新水，对周边环境 造成较大危害。因此，在高效回收余热的同时充分兼顾炉渣品质的调控，实现高 炉渣资源和热源的最大化利用，对钢铁工业提高能源效率和减少资源消耗意义非 凡。 高炉渣余热回收的关键是热量高效回收与炉渣产品品质的协同调控，且不对 周边环境造成影响。这就需要研究获取适宜的干法粒化工艺，同时选取高效的余 热回收方式。其中涉及的科学问题有：高炉熔渣冷却结晶与炉渣产品物相结构和 品质的相互作用问题；熔渣粒化机制与熔渣颗粒特性的相互作用问题；高温粒化 炉渣颗粒与冷却介质间的传热问题。 本文以高温熔融高炉渣余热的回收和利用过程中的热质传递和物相转化为研 究对象，采用实验研究和理论分析相结合的方法，从研究熔渣冷却速度和物相结 构相互关系入手，进一步研究了高温熔渣干法粒化机制、渣粒成型及分布特性， 最后研究了利用粒化所得到的渣粒作为热载体，采用化学法对渣粒余热进行回收 的可行性问题，为余热回收与物料品质调控提供支撑。 采用单热丝法对高炉渣的结晶行为进行研究，得到高炉渣冷却的 CCT 和 TTT 曲线；分析了高炉渣结晶过程的动力学。从构建的 CCT 和 TTT 曲线中得出高炉熔 渣避免形成晶体的临界冷却速率为 10℃/s；在 TTT 曲线中存在两个“鼻尖”点，说 明高炉渣在结晶过程中形成两个主要晶体，经验证为“黄长石”和“硅钙石”。炉渣成 分的变化会对形成非晶体的临界冷却速率产生一定的影响，MgO 和二元碱度的增 大，有利于晶体的析出，而 Al2O3 的增加可以抑制晶体的析出。MgO 含量每增加 1%，临界冷却速度增加 1.7℃/s，渣样 TTT 曲线朝析晶温度升高、孕育时间缩短的 方向移动；随着 Al2O3 的增加渣样临界冷却速度减小，结晶能力减弱，渣样 TTT 曲线向孕育时间延长的方向移动；CaO/SiO2 每增加 0.1，渣样的临界冷却速度增加 3℃/s，渣样的 TTT 曲线向析晶温度升高、孕育时间缩短的方向移动。 采用 JMA 方程对等温结晶过程和连续结晶过程进行了描述，通过等温结晶过 程得到了析出的黄长石相和硅钙石相的动力学参数，二者的 Avramia 指数分别为 n=2.21 和 n=1.79，活化能分别为 238.07±28.81kJ/mol 和 523.52±58.56kJ/mol；前 者的结晶机理为整体形核、一维方向长大的模式，后者介于表面形核、一维方向 长大二者之间。通过 CCT 实验结果获得了高炉渣连续冷却的的结晶动力学方程为： X ??1 ??exp(?6.747 ?10?3 (T0 ??T )1.42 ) 。 ? 针对旋转杯熔渣粒化过程中易产生渣棉、粒化渣粒不易于收集、旋转能利用 率低、粒化渣粒粒径不均等不足，设计了多孔转杯旋转粒化装置，并在实验室进 行了旋转粒化实验，主要考察了转杯转速、开孔孔径两个因素的变化对粒化过程 的影响。结果表明，采用在转杯上开孔的方法对熔渣进行粒化，可以很好地避免 传统转杯、转盘存在的不足，得到的渣粒球形度好、粒径小且均匀，非晶化程度 极高，可以很好地满足水泥生产的要求。转杯转速和开孔孔径是影响炉渣颗粒形 貌、粒度组成及非晶化程度的重要操作工艺参数。在目前的实验条件下，孔径为 2mm、转速为 1500rpm 和孔径为 3mm、转速为 1800rpm 这两组工艺条件为最佳。 粒化渣粒的非晶化程度主要取决于渣粒的冷却速度，进而取决于渣粒的粒度组成 和旋转杯的转速，渣粒粒径小于 5mm 时具有极高的非晶化程度。粒度组成中小于 5mm 所占的比重越大、旋转速度越高越有利于形成玻璃态的炉渣产品。 对多孔转杯熔渣粒化成型机理进行了解析，主要以线状分裂模式为主；构建了 粒化渣粒粒径尺寸预测模型，得到了熔渣尺寸的计算公式，并与实验结果得到较 好的吻合；对熔滴的飞行轨迹进行分析，建立粒化颗粒的飞行动力学模型，转速 每增加 300rpm，装置的围壁直径需增大 130mm；对飞行过程中熔滴冷却过程进行 分析，得到渣粒在飞行过程中的温度变化规律。模型的建立对于粒化装置设备的 大型化，后续余热回收方法的选择具有重要指导意义。 提出了一种新型的化学法回收高炉渣显热工艺概念，即将高温高炉渣颗粒作为 热载体热解电子废弃物。研究了所提出方法的可行性，设计了相应的反应装置