基于生物质快速热解的高炉渣余热梯级利用热质传递机理研究

Sensible heat of blast furnace is the largest unused waste heat resource so far. How to recover the waste heat from molten BF slag and to recycle slag product are always critical issues for the total steel industry of improving energy efficiency and reducing the resources. However, neither mechanism of crystallization and heat and mass transfer of it have been sufficiently studied. The concept of step utilization waste heat of blast furnace slag based on biomass fast pyrolysis was proposed in view of the characteristic of slag trapping and dry granulating. By in situ observing the crystallization behavior, the multi-stage control mechanism of waste heat will be revealed. The evaluation index is proposed for step utilization of waste heat. The heat transfer model for moving discrete particle during the heat recovery process will be developed. Coupled mechanism for controlling quality of slag product, waste heat recovery and biomass energy co-transformation will be explored. Results of this study can provide new idea and theoretical basis for recovering the heat of blast furnace slag.

高炉渣显热是迄今未被开发利用的重要余热资源。如何在高效回收高品质显热的同时高附加值循环利用炉渣资源，对整个钢铁工业提高能源效率、减少资源消耗有非常重要的意义。然而，其中涉及的熔渣析晶、高温运动颗粒的热质传递机理的研究尚待提高。本项目结合高炉渣排放和干法粒化的特点，提出基于生物质快速热解的余热梯级利用观点。通过在线原位观察熔渣析晶行为，揭示熔渣余热资源的梯级回收调控机理，实现对余热资源梯级回收的有效控制，明确不同阶段余热回收评价指标。建立高炉渣、生物质及半焦之间的异质离散运动颗粒传热模型，探索高炉渣品质调控、余热高效回收及生物质资源协同转化的耦合作用机理，为高炉渣余热资源利用提供新思路和理论依据。

本项目的研究内容主要包括高炉熔渣余热梯级回收控制机制研究和高炉渣及生物质异质离散运动颗粒间的热质传递机理研究两部分，涉及实验研究、理论分析和模型研究三方面。具体的研究内容主要涉及高炉渣在不同状态时的热物性参数测定、高炉熔渣等温析晶行为的在线原位观察、高炉渣冷却过程的有效余热确定、快速热解生物质种类的筛选、高炉渣为热载体的生物质快速热解机理及异质离散运动颗粒传热模型。. 以企业现场高炉渣为研究对象，研究了高炉渣的在随炉缓冷、空气急冷和水淬快冷3种方式下高炉渣热量的释放情况，结果表明：随炉缓冷时高炉渣的结晶潜热释放最充分、其次为空气急冷，水淬快冷几乎没有结晶潜热释放；高炉渣的热量充分释放后液态显热约占20%、结晶潜热占比20%、固态显热占比60%。对高炉渣的等温析晶行为进行了研究了，明确了成分变化对析晶行为的影响。. 采用热分析设备作为研究手段，以玉米秸秆、水稻秸秆和榛子壳为研究对象，行了热解需热量的实验研究，对影响热解需热量的因素进行了定性分析。在实验条件下，榛子的热解需热量（324.57 J/g）最高，水稻的热解需热量（245.8 J/g）稍微高于玉米的热解需热量（195.73 J/g）；同时得到生物质热解需热量的多少与生物质中固定碳含量的高低有关。因此，在热解实验过程中应当选取含碳含量高的生物质作为实验原料。. 综合分析了高炉渣作为热载体热解生物质的可行性，并在国内外生物质热解工艺的基础上设计了以旋转锥和流化床相结合的生物质热解气化装置；计算了典型生物质玉米秸秆在该装置热解过程的物料平衡和热平衡，计算及分析结果可以为装置的设计及工业化提供借鉴参考。最终在实验室搭建一流化床为雏形的下降管反应器模型，并开展了以高炉渣为热载体的换热实验，在选取的典型生物质的基础上，实验还尝试开展了废旧轮胎、废旧塑料的热解实验。