卢翔等：利用显热对熔渣进行直接改质的热平衡分析及试验验证 ·1387· 别为1.23×10°t和2.46×10°t左右.钢铁厂所排放 高，但同时也会提高其重金属的浸出率，使得其无法用 的钢渣与高炉渣热焓分别为1670M1和1700M· 于建筑材料.Liapis和Papayiani四对钢渣进行高温 1,通过计算可知，2014年钢渣与高炉渣的余热总共 改质，采用水枪冷却工艺，发现钢渣密度随着珍珠岩的 为6.24×10"M山，相当于2.12×10t标准煤的总发 加入而降低，同时钢渣的晶体尺寸减小，玻璃相含量增 热量， 多，可用于建筑材料.因此，利用熔渣直接制备材料取 自20世纪50年代，研究者就对熔渣热量的回收 决于改质熔渣的化学组成与材料的制备工艺.杨 展开研究.最早采用熔渣水淬方式回收其余热，冷却 铧通过补热、调质、均化、调温等工序，利用高炉熔 水在熔渣冷却过程中通过热交换获得其热量而成为热 渣制备高附加值矿棉.然而，在矿棉制备过程中同样 水，被用于取暖与日常生活等.通常，水淬的熔渣对象 需要补热，对其补热量却没有评估，无法达到高效利用 是高炉渣而非钢渣网.水淬所得高炉渣的玻璃相质量 熔渣显热的目的.代文彬的熔渣显热利用进行研 分数一般在90%以上，拥有优良的潜在胶凝活性，能 究，发现由于熔渣自身显热有限，能够熔化改质剂的量 广泛应用于水泥混凝土行业.然而，在高炉渣水淬过 受到影响，在仅仅利用熔渣显热的情况下，只能对熔渣 程中需要消耗大量水资源：同时，熔渣中余热回收极 进行粗调，将钢渣碱度(CaO/Si0质量比值)降低到 低，冷却过程还会产生硫化氢等有毒和腐蚀性气体，污 1.3左右，可直接用于制备水泥混合材、免烧砖或者烧 染大气. 结砖，但无法将熔渣直接调质成矿棉、陶瓷原料、微 熔渣从排放温度冷却到液相线温度所释放的热量 晶玻璃7-9等. 称为熔渣显热。本世纪以来，大量研究者开展了采用 由此可见，熔渣的显热量决定其改质效果，对熔渣 干式粒化方法来回收熔渣显热的研究，主要包括物理 显热熔化改质剂掺量能力（熔解能力）的研究具有重 法与化学法.其中物理法主要包括双滚筒法、单滚筒 要意义.利用热平衡计算方法分析高炉炼铁等传统工 法、连铸连轧法、机械搅拌法、Merotec法、风淬法和转 艺的物料反应已较为成熟，但以此分析熔渣改质过程 杯法.对比上述方法，转杯法因具有适应性强、粒 中熔渣的熔解能力却少有报道.因此，本文提出利用 化效果好和设备简单的特点，获得较多进展.上述物 显热对熔渣进行改质的热力学研究，分析熔渣的熔解 理干式粒化方法仍然存在粒化效果差、处理效率低、 能力，从热力学的角度为熔渣改质制备材料的工艺设 利用率低等问题.化学法回收熔渣中热量不成熟，其 计和实施提供技术理论基础 中包括甲烷循环反应法、甲烷制氢法和制煤气法0 1 上述化学干式粒化方法存在反应程度难以控制、对反 热平衡分析的假设条件 应器的要求较高、热回收后的尾渣难以利用等问题. 选取熔融钢渣与河沙分别为典型熔渣与改质剂， 干式粒化法的限制主要在于热量回收之前，需要 基于能量与质量守恒定律，计算了熔融钢渣完全熔化 对熔渣进行干式粒化处理，即通过空气或者氮气回收 河沙的熔解能力.为了简化计算，对一些次要因素作 熔渣的显热，而空气或者氮气的比热容低，从而需要大 简化近似处理，得出以下假设条件： 量冷空气或者氮气补充，进行热量交换，导致风机能耗 (1)研究对象熔融钢渣排放时为1600℃的均匀熔 高.同时，熔渣与气体的热交换效率低，因为熔渣的导 体：河沙初始温度为25℃，只考虑河沙矿物组成中的 热系数一般为0.1~0.3Wm1K1,急冷成固态之后 主晶相 的导热系数仅增加到2W·m1K,在熔渣与冷空气 (2)熔融钢渣熔化河沙过程为绝热过程，不与外 或氮气的热交换过程中，当熔渣降温后表面凝固，内部 界发生热量交换，熔渣显热完全用于熔化河沙 熔渣与冷却气体被分隔，其余热难以与气体进行热量 (3)熔融钢渣熔化河沙的速率快，不受动力学条 交换.然而，利用介质与熔渣进行热量交换以回收熔 件限制，即当熔渣的显热大于河沙熔化所吸收的热量 渣显热，再做它用，使得能量转换次数多，导致熔渣总 时，河沙能够完全熔化，熔化后的改质熔渣组分均匀. 热效率低.另外，熔渣的高温高品质热量通过热量交 (4)熔融钢渣的比热容不随其组分与温度而变 换转变成低品质热量，在转变过程中产生巨大能量损 化，取钢渣的比热容为1.197kJ·kg.℃；熔渣转变 失，这是导致钢铁厂高品质余热资源不足，而低品质余 为固相的凝固潜热为185.23kJ·kg,在数值上等于河 热过剩现状的原因. 沙的熔解潜热 近年来，大量研究者2-网考虑到熔渣“渣”和“热” (5)忽略河沙与熔融钢渣混匀过程中的晶型转变 的双利用，提出利用熔渣直接制备材料的方法，这对熔 和化学反应所产生的热量 渣高附加值资源化利用具有重要意义.Tossavainen 等网对不同冷却机制下的精炼渣、转炉渣与电炉渣进 2热平衡计算过程 行研究，发现加大冷却速率有利于钢渣体积稳定性提 通过Factsage7.0计算熔渣与不同掺量河沙均匀卢 翔等: 利用显热对熔渣进行直接改质的热平衡分析及试验验证 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． 1 热平衡分析的假设条件 选取熔融钢渣与河沙分别为典型熔渣与改质剂， 基于能量与质量守恒定律，计算了熔融钢渣完全熔化 河沙的熔解能力． 为了简化计算，对一些次要因素作 简化近似处理，得出以下假设条件: ( 1) 研究对象熔融钢渣排放时为 1600 ℃的均匀熔 体; 河沙初始温度为 25 ℃，只考虑河沙矿物组成中的 主晶相． ( 2) 熔融钢渣熔化河沙过程为绝热过程，不与外 界发生热量交换，熔渣显热完全用于熔化河沙． ( 3) 熔融钢渣熔化河沙的速率快，不受动力学条 件限制，即当熔渣的显热大于河沙熔化所吸收的热量 时，河沙能够完全熔化，熔化后的改质熔渣组分均匀． ( 4) 熔融钢渣的比热容不随其组分与温度而变 化，取钢渣的比热容为 1. 197 kJ·kg － 1·℃ － 1 ; 熔渣转变 为固相的凝固潜热为 185. 23 kJ·kg － 1，在数值上等于河 沙的熔解潜热． ( 5) 忽略河沙与熔融钢渣混匀过程中的晶型转变 和化学反应所产生的热量． 2 热平衡计算过程 通过 Factsage7. 0 计算熔渣与不同掺量河沙均匀 · 7831 ·