CN102329900A - 一种液态钢渣干法粒化装置及显热回收方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种液态钢渣干法粒化装置及显热回收方法，所述装置包括进料装置、干法粒化器、旋风分离器以及显热回收器，所述干法粒化器、旋风分离器以及显热回收器相互连通。所述粒化方法为：液态钢渣通过进料装置进入干法粒化器中粒化为微细钢渣颗粒，与经旋风分离器分离出固体颗粒一起进入滚筒式显热回收器回收显热。本发明的优点在于粒化钢渣粒径小且均匀、显热回收效率高、占地面积小、投资成本低。

Description

一种液态钢渣干法粒化装置及显热回收方法

技术领域

本发明属于钢铁冶金技术领域，特别是涉及一种液态钢渣干法粒化装置及显热回收方法，也适用于炼钢过程中产生的液态渣以及气流床气化炉、燃煤锅炉和等离子体垃圾处理炉等排出的液态渣进行粒化及显热回收。

背景技术

我国是一个世界钢铁冶炼大国，2009年生产钢铁总量已超过位列其后的14个国家的总和，全年产钢为5.68亿吨。高炉炼出1吨生铁约产生300kg温度为1300℃～1700℃的炉渣，全年约产生1.7亿吨高炉渣，所含的热量相当于约1000万吨标准煤的发热值。液态钢渣属于高品位余热资源，具有很高的利用价值。

高炉渣是一种硅酸盐材料，经急冷处理后才能生成具有潜在应用价值的活性玻璃态高炉渣，可作为生产水泥、矿棉、污水处理吸附剂以及高附加值陶瓷产品的原料等，市场潜力巨大。目前高炉渣的处理大多采用水激冷处理工艺，现有水淬法工艺有因巴(INBA)法、图拉(TYNA)法、渣池过滤法、拉萨(RASA)法以及明特克(MTC)法等。尽管水淬法能得到90％以上玻璃化率的高附加值渣粒，然而它存在高炉渣中的高品位显热没有得到回收，水耗高、渣中碱性成分溶出污染水、释放H₂S和SO_x等有害气体，水淬易爆、渣粒干燥需消耗大量能量、系统电耗及维护工作量大。因此高炉渣粒化以及高效高品位显热回收是当前钢铁行业可持续发展亟待突破的技术瓶颈，也是我国节能减排的工作重点。

鉴于水淬工艺存在的若干问题，20世纪70年代起，主要工业国家相继进行了钢铁熔融渣干法粒化及显热回收技术的研究，其中以日本的进展最快、方法最多，主要包括风淬法、滚筒法、旋转杯粒化法、化学粒化法等。

1977年Mitsubishi和NKK联合开发出风碎法粒化高炉熔渣显热回收系统，并于1981年在福山制铁所建成了世界上第一套转炉钢渣风淬粒化热回收装置。液渣从渣沟末端流出时与鼓风机吹出的高速空气流接触后迅速粒化并被吹到换热器内，通过辐射和对流换热，渣温从1500℃降到1200℃，然后在换热器内冷却至300℃，其热回收率可达40～45％。1988年马钢基于同样的风淬粒化原理，在国内首先取得了“钢渣风淬粒化装置”专利(公开号：CN 88211276U)，并在马钢、成钢、石钢等地安装了应用装置，然而遗憾的是仅着眼于钢渣粒化，没有进行显热回收。俄罗斯乌拉尔钢铁研究院为查布罗什钢铁厂开发了一套附有热能回收的风淬粒化振动流化床钢渣处理工艺，可将钢渣冷却至160～200℃，回收得到的热量用于生产热水、蒸汽等。我国基于多年流化床的实践经验也取得了发明专利如“一种高炉渣急冷和余热回收的方法和装置”(专利公开号：CN101550460A)。总的来说，风淬法存在占地面积大、所需空气量大和鼓风机能耗高、技术稳定性不足、投资成本高、成品渣粒径大(＜5mm部分占95％以上)、冷却时间长等缺点。

20世纪70年代末，日本住友金属和石川岛播磨(IHI)公司联合开发了旋转滚筒熔渣粒化工艺，将熔渣自由滴落撞击在滚筒表面被甩出粒化。该工艺具有节能、飞溅距离短，易于捕食渣粒以及热量回收等优点，但存在表面涂层选择较难、介质颗粒与高温渣粒分离困难以及热量回收率低等缺点。

NKK公司基于熔渣在二个反向旋转的圆筒表面被转筒内部循环的热媒介质冷却来回收显热的原理开发了双内冷转筒粒化热能回收技术，它具有传热快、热回收率效率高(达77％)等优点，但是该方法存在薄渣片粘在转鼓上需用耙子刮下、工作效率低等缺点。

俄罗斯公开了一种“渣处理方法及实施装置”(专利号RU 2018494)，高温液态钢渣注入滚筒，与滚筒内的钢球接触急剧冷却，在碰撞过程中将钢渣破碎成粒径小于120mm的固态渣。上海宝钢集团从俄罗斯引进了滚筒法渣处理技术，并进行了大量技术改进(专利公开号CN 1257932A、CN 1318648A、CN101503281A、CN 2795218Y、CN 200981871Y、CN 201158661Y、CN 201232063Y、CN 2795218Y)，开发了新型滚筒法钢渣粒化处理装置，具有流程短、成本低、节能环保、安全可靠等多方面的优点。遗憾的是，这一装置没有同时考虑钢渣的热能回收问题。

英国克凡纳金属公司(Kvaerner Metals)研制了一种转杯粒化气流床热能回收技术，在流态化过程中颗粒与流化介质充分接触，接触时间长，接触面积大，热回收效率高，可达80％左右。目前该技术还处于应用研究阶段，显示了很好的应用前景，并得到了国际上很多钢铁企业的关注。但是该工艺存在粒化渣粒径大、粒化器体积大等缺点。

化学粒化工艺是将高炉渣的显热作为化学反应的热源来回收高炉渣的余热。使用高速混合气体吹散并粒化熔渣，利用吸热反应(如甲烷水蒸汽重整)将高炉渣显热转移出来，然后将反应后气体混合物输送到换热器中，进行逆向化学反应释放热量，其中参与热交换的化学物质可以循环使用。该工艺的缺点是热效率低。

总之，上述钢渣处理技术大都采用高压风并辅之以液态水(或离心力、化学反应吸热、机械破碎)对液态钢渣进行粒化并冷却，存在粒化钢渣粒径大、所需风量较大、冷却速度慢、粒化器体积大、设备投资高、所得的粒化钢渣还需后续破碎处理等问题。很显然，熔融钢渣的粒化技术是解决现有干法粒化工艺中存在问题的关键，微粒化程度越高，则换热越快、玻璃化程度越高、固化越快、粘附的可能性越小。因此，研究一种粒化效果好、冷却速度快的干法粒化及显热回收新工艺是非常必要的，也是实现显热高效回收和短流程高附加值渣制品加工工艺的前提条件。

发明内容

针对运用现有技术产生的粒化钢渣粒径粗、综合利用时尚需后续磨细加工处理、粒化器体积大、系统能耗高及热回收效率低等缺陷，本发明的目的是提供一种液态钢渣干式粒化及显热回收装置，可实现液态钢渣的高度微粒化与快速冷却，并进而实现显热高效回收以及短流程高附加值渣制品加工工艺。

本发明的目的之一在于提供一种液态钢渣干法粒化装置，包括进料装置、干法粒化器、旋风分离器以及显热回收器，所述的干法粒化器、旋风分离器以及显热回收器相互连通。

本发明所述的进料装置包括储料容器及导流槽，均由耐火材料制成。设置在高炉排渣口的底部或侧面，导流槽底部设有液态钢渣落渣口并与干法粒化器相连通，落渣口为圆形或扁平长方形。为了确保液态钢渣能够顺利地流入粒化器以及整个系统的平稳持续运行，从高炉中排出的液态钢渣先排入储料容器中贮存，然后沿着导流槽以一可控制的流量从液态钢渣落渣口进入干法粒化器，进入时具有一定的速度以保证后续的顺利雾化，因此，上述中的储料容器比液态钢渣落渣口高1m～3m，导流槽与水平面成20°～70°倾角。

本发明所述的干法粒化器包括粒化器本体，粒化器本体的一端设置有低压粒化喷嘴以及高压粒化喷嘴；粒化器内部中心轴线上设置有与低压粒化喷嘴相对的高速转盘；粒化器本体的另一端设有与显热回收器相通的入渣口以及与旋风分离器相通的管道。

为了便于钢渣颗粒顺利排出粒化器，粒化器底部布置成倾斜，并将排渣口布置在粒化器的最底部，以确保渣粒从粒化器排出并顺利进入滚筒式显热回收器冷却。干法粒化器底部与水平面呈0°～45°，优选10°～30°，进一步优选25°。

低压粒化喷嘴的出口轴线与水平线夹角在0°～90°之间，包括大于0°到小于90°之间所有角度，优选20°～65°，进一步优选45°；喷出的低压气流为压缩气体(如空气、N₂、CO₂、Ar等)，压力为0.05～0.5MPa，优选0.1～0.35MPa，进一步优选0.3MPa。

高压粒化喷嘴出口轴线与水平线在0°～90°之间，包括大于0°到小于90°之间所有角度，优选25°～70°，进一步优选50°。从其中射出的携带有固体颗粒的气固两相流用于进一步切割、破碎已被高速转盘雾化的液态钢渣。喷出的气固两相流的载气为压力为0.1MPa～2.0MPa之间的压缩空气或高压惰性气体。气流所携带的固体颗粒为不与载气发生化学反应但可以与液态钢渣反应以利于钢渣的综合利用，且具有一定的粒径分布，为0.01～0.3mm，优选0.05～0.2mm，进一步优选0.1mm。其质量占气体携带固体颗粒总质量的30～80％，为陶瓷颗粒、砂粒、金属粉体如Fe粉、粉煤灰、细小粒化钢渣等，以传热性能好且表面与钢渣不浸润的固体颗粒为最佳。环形高压粒化喷嘴所射出的气固两相流所起的作用包括：进一步破碎已被转盘雾化的液态钢渣；确保细雾化后的液态钢渣不会飞行到粒化器内壁面；淬冷细雾化后的液态钢渣。由于气流中携带了固体颗粒，使冲击、破碎液态钢渣的能量得到了大大提高，从而得到平均粒径更细小的粒化钢渣。

所述的高速转盘由电机驱动，转速为2000～20000转/分钟，优选5000～15000转/分钟，进一步优选12000转/分钟。

所述的显热回收器为滚筒式，外壁通以冷却水，与地面呈5°～45°倾斜放置，倾斜角优选10°～40°，进一步优选35°。

所述的旋风分离器上部连接有余热锅炉。高温气体进入余热锅炉中，加热受热面中的水，水吸热变为高温高压的蒸汽进入汽轮机发电或供生产生活使用。

本发明的另一目的在于提供一种液态钢渣干法粒化方法：液态钢渣通过进料装置进入干法粒化器中粒化为微细钢渣颗粒，产生的过热气体进入旋风分离器，分离出的固体颗粒与微细钢渣颗粒一起进入显热回收器回收显热。

具体来说：来自高炉的液态钢渣通过导流槽流入干法粒化器，在低压气流的作用下初步雾化并喷向高速转盘进一步雾化，在含固体颗粒的高压气流作用下将已被高速转盘雾化的液态钢渣进一步粒化并快速冷却，凝固为微细颗粒，含冷却凝固细粒钢渣的气流在旋风分离器的作用下分离出固体颗粒，并与粒化室出口下部的入渣口排出的固态钢渣一起进入滚筒式显热回收器冷却并回收显热，生成的过热蒸汽进入汽轮机发电，冷却后的固态钢渣经滚筒式显热回收器排渣口排出。上面经旋风分离器后的热气体进入余热锅炉回收热量，生成的蒸汽与滚筒式显热回收器生成的过热蒸汽一起进入汽轮机发电或供生产生活使用。

与现有技术相比，本发明具有以下优点及突出性效果：

1)本发明可以实现对各种具有流动性液态渣包括钢渣的高度微粒化，并进行显热高效、彻底回收。

2)粒化器可以水平布置，降低了工艺系统的高度，使其能更好地与现有高炉排渣系统匹配良好。

3)通过钢渣多级混合雾化，实现了钢渣粒径细且粒径均匀，在50μm～300μm之间，避免了后续棒磨机或球磨机或雷蒙磨进一步加工处理，为钢渣制品的短流程操作提供了可能。

4)采用含固体颗粒(如Fe、细小粒化钢渣)的固体雾化液态钢渣，实现了雾化颗粒的进一步细化，与此同时，固体颗粒具有贮热功能，大大加快了雾化颗粒的冷却，使钢渣的玻璃化程度得到了进一步的提高。

5)热回收效率高。采用滚筒式显热回收器回收钢渣显热，避免了流态化换热器需大流量高压风带来的能耗大的问题。

6)雾化颗粒细，传热冷却效果好，使得粒化器体积得到了大大减小，从而降低了工程造价及投资成本。

附图说明

附图1为本发明具体实施方式水平布置的液态钢渣干法粒化装置结构图；

附图2为本发明具体实施方式竖直布置的液态钢渣干法粒化装置结构图。

1高炉  2储料容器  3导流槽  4液态钢渣落渣口  5低压粒化喷嘴  6高压粒化喷嘴  7高速转盘  8电机  9干法粒化器  10旋风分离器  11余热锅炉  12滚筒式显热回收器  13冷却水  14过热蒸汽  15入渣口  16排渣口

下面对本发明进一步详细说明。但下述的实例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的权利范围以权利要求书为准。

具体实施方式

为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，本发明的典型但非限制性的实施例如下：

实施例一：一种液态钢渣干法粒化装置，如图1或图2所示，包括进料装置、干法粒化器、旋风分离器、滚筒式显热回收器以及旋风分离器上部连接的余热锅炉，所述的干法粒化器、旋风分离器以及滚筒式显热回收器相互连通。

其中，进料装置包括储料容器2及导流槽3，均由耐火材料制成，设置在高炉1排渣口的底部或侧面，导流槽3底部设有液态钢渣落渣口4并与干法粒化器9相连通，落渣口4为圆形或扁平长方形。上述中的储料容器2比液态钢渣落渣口4高1m，导流槽3与水平面成70°倾角。

干法粒化器9包括粒化器本体，粒化器本体的一端设置有低压粒化喷嘴5以及高压粒化喷嘴6；粒化器9内部中心轴线上设置有与低压粒化喷嘴5相对的高速转盘7；粒化器本体的另一端设有与滚筒式显热回收器12相通的入渣口15以及与旋风分离器10相通的管道。

为了便于钢渣颗粒顺利排出粒化器，粒化器9底部布置成倾斜，并将入渣口15布置在粒化器9的最底部，以确保渣粒从粒化器9排出并顺利进入滚筒式显热回收器12冷却。干法粒化器9底部与水平面呈25°。

低压粒化喷嘴的出口轴线与水平线夹角α在45°；喷出的低压气流为压缩气体，压力为0.3MPa。

高压粒化喷嘴6出口轴线与水平线夹角β为50°。从其中射出的携带有固体颗粒的气固两相流用于进一步切割、破碎已被高速转盘雾化的液态钢渣。喷出的气固两相流的载气为压力为0.1MPa～2.0MPa之间的压缩空气或高压惰性气体。气流所携带的固体颗粒为不与载气发生化学反应但可以与液态钢渣反应以利于钢渣的综合利用，且粒径分布为0.05mm～0.1mm，为陶瓷颗粒、砂粒、金属粉体如Fe粉、粉煤灰、细小粒化钢渣等，以传热性能好且表面与钢渣不浸润的固体颗粒为最佳。

所述的高速转盘7由电机8驱动，转速为12000转/分钟。

滚筒式显热回收器外壁通以冷却水，与地面呈35°倾斜放置。

实施例二：一种液态钢渣干法粒化装置，如图1或图2所示，储料容器2比液态钢渣落渣口4高3m，导流槽3与水平面成20°倾角；干法粒化器9底部与水平面平行。

低压粒化喷嘴的出口轴线与水平线夹角α呈90°；喷出的低压气流压力为0.05MPa。高压粒化喷嘴6出口轴线与水平线夹角β呈25°。气流所携带的固体颗粒粒径分布为0.01mm。

所述的高速转盘7转速为2000转/分钟。滚筒式显热回收器与地面呈5°。其余同实施例一。

实施例三：一种液态钢渣干法粒化装置，如图1或图2所示，储料容器2比液态钢渣落渣口4高1.5m，导流槽3与水平面成50°倾角；干法粒化器9底部与水平面呈45°。

低压粒化喷嘴的出口轴线与水平线α夹角为20°；喷出的低压气流压力为0.5MPa。高压粒化喷嘴6出口轴线与水平线夹角β呈90°。气流所携带的固体颗粒粒径分布为0.08mm。

所述的高速转盘7转速为20000转/分钟。滚筒式显热回收器与地面呈40°。其余同实施例一。

实施例四：一种液态钢渣干法粒化装置，如图1或图2所示，储料容器2比液态钢渣落渣口4高2.5m，导流槽3与水平面成45°倾角；干法粒化器9底部与水平面呈10°。

低压粒化喷嘴的出口轴线与水平线平行；喷出的低压气流压力为0.1MPa。高压粒化喷嘴6出口轴线与水平线夹角β呈70°。气流所携带的固体颗粒粒径分布为0.3mm。

所述的高速转盘7转速为5000转/分钟。滚筒式显热回收器与地面呈45°。其余同实施例一。

实施例五：一种液态钢渣干法粒化装置，如图1或图2所示，储料容器2比液态钢渣落渣口4高2m，导流槽3与水平面成30°倾角；干法粒化器9底部与水平面呈30°。

低压粒化喷嘴的出口轴线与水平线夹角α为65°；喷出的低压气流压力为0.35MPa。高压粒化喷嘴6出口轴线与水平线平行。气流所携带的固体颗粒粒径分布为0.5mm。

所述的高速转盘7转速为15000转/分钟。滚筒式显热回收器与地面呈10°。其余同实施例一。

如上所述的一种液态钢渣干法粒化装置的工作过程为：为了确保液态钢渣能够顺利地流入粒化器9以及整个系统的平稳持续运行，来自高炉1的液态钢渣先流入储料容器2中贮存，储料容器2中的液态钢渣沿着导流槽3流出并通过落渣口4以一定速度射入粒化器9，在低压粒化喷嘴5喷出气体的夹带及初步雾化下以喇叭形射向高速转动的高速转盘7上。从环形高压粒化喷嘴6射出的携带有固体颗粒的气固两相流用于进一步切割、破碎已被高速转盘雾化的液态钢渣。液态钢渣在粒化器9中经雾化淬冷到850℃～950℃后，从粒化器9入渣口15排入滚筒式显热回收器12的滚筒中，渣粒在滚筒内随滚筒的旋转而前进，其出料速度取决于滚筒的倾角和转速，渣粒在运动过程中与滚筒外壁的冷却水13接触得到冷却，渣粒中的热量转移到冷却水13中并将冷却水13加热成过热蒸汽14，产生的过热蒸汽14进入汽轮机发电。同时，粒化过程产生的热风进入旋风分离器10分离出渣粒，然后进入余热锅炉11回收热量，产生的蒸汽与过热蒸汽14一起进入汽轮机发电或生产生活使用。冷却后的固态钢渣经滚筒式显热回收器排渣口16排出。

本发明的工作原理在于：利用低压气体将液态钢渣喷雾到高速转盘上得到进一步的雾化，然后利用夹带了固体颗粒的高压高速气固两相流，在可调喷嘴的导向下，斜向高速撞击已被转盘雾化了的粒化液态钢渣，高速气固两相流与已被转盘雾化成细滴状的液态钢渣动量交换使液态钢渣进一步碎裂成更细小的液滴。细化后的滴状液态钢渣在飞行下落过程中受到辐射、对流、传导换热，将热量传递给携带的固体颗粒及气体中，而碎裂后的细小液态钢渣得到迅速凝固，完成干法微粒化过程。根据流体力学及传热学知识可知，对流环境下熔融颗粒的冷却固化速率与其颗粒直径的平方成反比，因此液滴越小，其冷却时间也越短。通过控制液态钢渣的流量、低压气体的压力流速、携带固体颗粒气体的压力流速以及转盘转速，可以获得不同粒化范围的固态钢渣，从而有利于液态钢渣显热高效回收利用。

申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细结构特征以及粒化方法，但本发明并不局限于上述详细结构特征以及粒化方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细结构特征以及粒化方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用部件的等效替换以及辅助部件的增加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种液态钢渣干法粒化装置，其特征在于，包括进料装置、干法粒化器(9)、旋风分离器(10)以及显热回收器(12)，所述干法粒化器(9)、旋风分离器(10)以及显热回收器(12)相互连通。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述进料装置包括储料容器(2)及导流槽(3)，均由耐火材料制成。

3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述干法粒化器(9)包括粒化器本体，所述粒化器本体的一端设置有低压粒化喷嘴(5)以及高压粒化喷嘴(6)；粒化器(9)内部中心轴线上设置有与低压粒化喷嘴(5)相对的高速转盘(7)；粒化器本体的另一端设置有与显热回收器(12)相通的入渣口(15)以及与旋风分离器(10)相通的管道。

4.如权利要求1-3之一所述的装置，其特征在于，所述干法粒化器(9)底部与水平面呈0°～45°，优选10°～30°，进一步优选25°。

5.如权利要求1-4之一所述的装置，其特征在于，所述低压粒化喷嘴(5)的出口轴线与水平线夹角在0°～90°之间，优选20°～65°，进一步优选45°；喷出的低压气流为压缩气体，压力为0.05～0.5MPa，优选0.1～0.35MPa，进一步优选0.3MPa。

6.如权利要求1-5之一所述的装置，其特征在于，所述高压粒化喷嘴(6)出口轴线与水平线夹角在0°～90°之间，优选25°～70°，进一步优选50°；喷出的气固两相流的载气为压力为0.1MPa～2.0MPa之间的压缩空气或高压惰性气体，其携带的固体颗粒粒径分布为0.01～0.3mm，优选0.05～0.2mm，进一步优选0.1mm。

7.如权利要求3-6之一所述的装置，其特征在于，所述高速转盘(7)由电机(8)驱动，转速为2000～20000转/分钟，优选5000～15000转/分钟，进一步优选12000转/分钟。

8.如权利要求1-7之一所述的装置，其特征在于，所述显热回收器(12)为滚筒式，外壁通以冷却水(13)，与地面呈5°～45°倾斜放置，倾斜角优选10°～40°，进一步优选35°。

9.如权利要求1-8之一所述的装置，其特征在于，所述旋风分离器(10)上部连接有余热锅炉(11)。

10.一种液态钢渣干法粒化方法，所述方法是将液态钢渣通过进料装置进入干法粒化器(9)中粒化为微细钢渣颗粒，产生的过热气体进入旋风分离器(10)，分离出的固体颗粒与微细钢渣颗粒一起进入显热回收器(12)回收显热。

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