高温渣颗粒中依赖于组分的结晶动力学：一种数值方法

《Energy》：Component-dependent crystallization dynamics in high-temperature slag particle: A numerical approach

熔融高炉渣干法粒化热能回收系统中，建立二维相变传热模型，分析不同化学成分渣粒在气流冷却、辐射冷却条件下的结晶动力学行为，发现结晶率与铝氧含量呈负相关，冷却风速低于4m/s时高铝渣结晶率显著下降，辐射冷却可使结晶率降低80%以上。

　　

谭宇|纪轩宇|白继松|冯伟|李正|史俊|罗璐琳|丁斌

重庆科技大学冶金与动力工程学院，重庆，401331，中国

摘要

高效处理熔融高炉渣（炼铁的主要副产品）对于回收废热和提高资源利用率至关重要。在基于干法造粒的废热回收系统中，渣滴的冷却固化过程起着决定性作用。本研究开发了一个颗粒冷却模型，该模型考虑了渣的热物理性质变化以及玻璃态和结晶态转变过程中不同的潜热释放。该模型应用于研究四种代表性渣成分（S1-S4）在各种热交换条件下的冷却和结晶行为，其校正后的光学碱度范围为0.656至0.681。数值结果显示，结晶动力学强烈依赖于成分。在基准条件下（颗粒直径5毫米，空气流速4米每秒），最终结晶分数从S1的71.3%显著降至S4的3.0%。较弱的冷却条件（例如，空气流速2米每秒）会放大这些成分差异，S1仍保持极高的结晶度。相比之下，引入辐射冷却显著抑制了晶体形成，即使在空气流速为4米每秒的情况下，S1的结晶含量也降至15%以下。这些发现得到了新开发的晶体含量预测方程的支持，为设计和操作针对不同成分渣的高效废热回收系统提供了实际指导。

引言

近年来，工业技术的快速发展加剧了由碳排放驱动的全球气候变化危机[1]。通过探索更清洁、更高效的生产方法来减少碳排放，对人类的未来至关重要。作为能源密集型行业之一，钢铁工业在实现节能和减排目标方面发挥着关键作用。该行业蕴藏着大量的废热资源，包括焦炭废热、高炉（BF）气体废热和熔融BF渣废热[2]。回收这些废热资源用于发电或直接用于生产过程可以带来显著的碳减排效益。

在这些资源中，从熔融BF渣中回收废热面临最大的挑战[3]。因此，当前的行业标准主要依赖于水淬火，这种方法缺乏废热回收的潜力[4]。为了解决从熔融BF渣中有效回收废热的紧迫需求，研究人员提出了离心造粒辅助热能回收（CGATER）技术[5,6]。这种方法被认为最接近实现工业应用。

在这种技术路径中，为了实现渣颗粒的快速固化，需要增加冷却空气体积[7]。这会导致热空气温度降低，从而降低回收废热的能量等级。相反，减少冷却空气体积将导致渣颗粒冷却不足，从而增加晶体的生成并降低渣的资源利用价值[8]。临界冷却速率（CCR）是获得纯玻璃所需的最小冷却速率，是优化能量利用和材料质量的关键参数[9]。因此，全面了解渣的相变热及其物理相的演变对于设计CGATER系统和选择操作过程参数至关重要。在相变结晶过程研究领域，目前主要采用三种实验测试方法：共聚焦扫描激光显微镜（CSLM）、热电偶技术（HTT）和定向固化技术（DST）[10]。

CSLM更适合原位分析熔融渣的结晶微观结构[11]。刘等人[12,13]和张等人[14]使用CSLM方法研究了CaO/SiO₂和BaO含量对熔融BF渣结晶行为的影响。他们在恒定温度和连续冷却条件下观察了渣的成核和晶体生长动态。Kim等人[15]专注于含Cr的渣，结合SEM获得了晶体的大小、数量和分布等微观参数。陶等人[16]使用CSLM对熔融钢渣的相变过程进行了原位分析，发现理论计算结果与原位分析结果存在显著差异。

HTT方法能够在更高的冷却速率下可视化渣的结晶动力学。这种能力有助于确定易于结晶的渣的CCR[17]。孙等人[18]使用单热电偶技术（SHTT）研究了Al₂O₃含量对熔融BF渣连续冷却结晶行为的影响，并报告称含15% Al₂O₃的渣成分表现出最低的临界冷却速率。林等人[19]使用SHTT方法研究了碱度为0.934的BF渣的冷却结晶过程，建立了CCT和TTT曲线。梁等人[20]进一步改进了SHTT观察条件，实现了等温条件下的高分辨率结晶监测，并识别出温度升高时的五种不同结晶现象。

为了对冷却后的结晶产物进行成分分析，我们的研究团队提出使用DST来增加实验渣的质量，从而能够原位收集冷却样品进行XRD分析以确定晶体类型[21]。通过大量实验，我们确定了不同渣成分对相变过程中热传递过程的影响。此外，我们建立了渣冷却速率、晶体形成速率和最终晶体含量之间的相关性[22,23]。基于这些发现，提出了一个CGATER系统中渣颗粒内相变热传递的一维模型[24]。除了上述实验研究外，铃木等人[25]还使用高温原位X射线衍射研究了熔融渣的冷却过程。

由于实验研究的挑战性，数值模拟方法现在被广泛用于研究熔融渣颗粒的相变热传递和相演变。彭等人[26]建立了熔融渣颗粒的二维热传递模型，揭示了相界面的迁移特性，并确定颗粒直径是相变热传递过程中最具影响力的因素。高等人[27,28]开发了一个UDF来模拟二维渣颗粒的晶体形成，从而分析了空气冷却条件下的温度场和动态晶体生长行为。同样，张等人[29]在CFD模拟中研究了二维渣颗粒的结晶过程，发现颗粒直径从1毫米增加到5毫米时，晶体分数从几乎0%增加到35%。谭等人[30]进一步扩展了CFD方法，研究了颗粒与CH₄/CO₂气体在二维填充床中的热传递、化学反应和结晶过程。

从上述研究中可以看出，渣的成分对影响渣颗粒的相变热传递和相演变起着关键作用。然而，大多数现有的关于渣颗粒热传递的研究主要集中在气体流速、气体温度、颗粒大小和初始颗粒温度对内部温度场和结晶行为的影响上。化学成分的影响被大大忽视了。实际上，不同成分的渣颗粒表现出明显的不同结晶特性，这直接影响潜热释放和晶体形成。目前，缺乏对不同成分渣颗粒的相变热传递和结晶行为的系统比较分析。这一限制阻碍了有效指导具有不同化学成分的CGATER系统的设计和操作优化的能力。为了解决这一差距，采用了一种基于焓的方法来开发一个二维物理模型，用于模拟熔融BF渣颗粒在相变和结晶过程中的热传递。使用该模型，研究了四种代表性BF渣成分（Λ_corr范围为0.656至0.681），以考察在不同条件下的相变热传递和颗粒结晶行为。系统分析了冷却气流速度（2–6米每秒）、空气温度（773–973 K）、颗粒大小（4–6毫米）、初始颗粒温度（1693–1873 K）和辐射热传递的影响。在机制层面，本研究阐明了BF渣成分的变化如何通过修改与结晶相关的物理参数来影响渣颗粒内的热传递和结晶行为。在工程应用层面，它建立了渣成分与关键过程参数之间的匹配关系，从而为工业CGATER系统的设计和操作条件的调节提供了关键指导。

模型片段

物理模型描述

如图1(a)所示，示意图展示了一个CGATER系统。在这个过程中，熔融渣首先由造粒室内的离心造粒机雾化成细小颗粒。由于离心造粒机的旋转运动，造粒颗粒获得初始水平速度，沿抛物线轨迹运动，随后在与造粒室壁碰撞后反弹并沉降到室底。在它们的飞行过程中

模型验证

如图2(a)所示，使用四边形网格对计算域进行了离散化。考虑到熔融渣颗粒周围气流引起的强速度和温度梯度，在颗粒表面附近进行了局部网格细化以提高计算精度。细化区域由20层网格组成，网格增长因子为1.1。为了评估网格密度对模拟结果的影响，测试了四种网格配置：

结论

本研究开发了一个二维数值模型，用于研究高温BF渣颗粒的成分依赖性结晶动力学和冷却行为。该模型全面考虑了冷却过程中玻璃态和结晶态相的热物理性质变化和不同的潜热。通过对四种代表性渣成分在各种操作条件下的系统模拟，得出了以下关键结论：

作者贡献声明

谭宇：写作——审稿与编辑，撰写——初稿，资金获取，数据管理，概念构思。纪轩宇：写作——审稿与编辑，资金获取。白继松：资源提供。冯伟：方法论，资金获取。李正：写作——审稿与编辑。史俊：写作——审稿与编辑，监督。罗璐琳：形式分析。丁斌：软件，资金获取。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：谭宇报告获得了国家自然科学基金的财务支持。丁斌报告获得了国家自然科学基金的财务支持。谭宇报告获得了重庆市教育委员会基金会的财务支持。纪轩宇报告获得了重庆的财务支持

致谢

我们感谢以下资金来源对这项工作的支持：国家自然科学基金（52106074和52276091）；重庆市教育委员会科学技术研究计划（KJQN202301531和KJZD-K202401502）。