工程科学学报 2016,20(4),393-398 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2016.10.006
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
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
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]。
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.
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]。
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[ 补充视频]。
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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)。
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