CN102433401B - 熔融炉渣急冷干式粒化及显热回收发电系统及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种熔融炉渣急冷干式粒化及显热回收发电系统及其方法，属于钢铁冶金炉渣处理及余能回收技术领域。本发明的熔融炉渣急冷干式粒化及显热回收发电系统包括接渣装置、高压水-空气雾化炉渣急冷粒化装置、炉渣缓冷装置、显热回收发电装置以及废气净化处理装置。利用高压水-空气雾化装置将熔融炉渣急冷粒化，使其迅速冷却为玻璃体态；再通过水冷式振动篦床进一步使其与冷却空气换热便于后续的显热回收。本发明有效地急冷和粒化了熔融炉渣，在没有影响炉渣的水活性品质的基础上，充分回收了炉渣高温显热资源用于发电。

Description

熔融炉渣急冷干式粒化及显热回收发电系统及其方法
技术领域
本发明属于钢铁冶金炉渣处理及余能回收技术领域，涉及一种熔融炉渣急冷干式粒化及显热回收发电的系统及其方法。 
背景技术
中国钢铁工业的能源消耗占全国总能耗的10-15%，目前钢铁生产长流程中炼铁工序的资源和能源消耗都是最大的，约占整个钢铁生产工艺的77%。根据国内外研究和统计数据表明，在钢铁生产中会产生大量的炉渣，每生产一吨生铁要副产0.3-0.6吨高炉渣，每生产一吨钢材要副产0.13吨钢渣。上述熔融炉渣的初始温度高达1400-1600℃，富含大量的显热资源，若不加以利用会或直接水淬，则严重浪费能源和污染生态环境。
高炉渣成分的来源主要是铁矿石中的脉石以及焦炭（或其他燃料）燃烧后剩余的灰分，其主要成分氧化钙（CaO）、氧化镁（MgO）、三氧化二铝（Al2O3）、二氧化硅（SiO2），约占高炉渣总量的95%。高炉渣经冷却后有两种固相：缓慢冷却时形成晶体相，快速冷却时形成玻璃相（非晶体）。经估算，后者释放的热量比前者约少17%。在急冷处理的过程中，熔融炉渣中的绝大部分物质来不及形成稳定的化合物晶体，以玻璃体的状态将来不及释放的热能转化为化学能储存起来，从而具有潜在的化学活性。因此，急冷处理后的高炉渣具有潜在的水硬胶凝性能，是优良的水泥原料。在中国，高炉渣的主要用途是作水泥的掺合料，所以水淬法是最主要的方式。水淬法是一种传统高炉渣急冷处理工艺，即将熔融炉渣置于冷渣池中，炉渣遇水急剧冷却并粒状，经过渣池沉淀后用吊车抓出置于堆放场上。水淬法主要有因巴法、图拉法、底滤法、拉萨法等。
水淬法的主要缺陷有：（1）大量消耗新水，浪费水资源；（2）没有回收炉渣显热，严重浪费余热资源；（3）空气污染（SO2，H2S等气态硫化物）；（4）系统维护工作量大；（5）粉磨时，水渣必须烘干，仍要消耗能源。
基于传统的高炉渣水淬处理技术存在以上缺点，国外（如日本、英国等）从上个世纪80年代就开始研究开发利用干法处理高炉渣，此方法不仅可以大幅度节约新水，还可以回收高炉渣的显热，另外，高炉渣粒化后可以达到传统的水处理高炉渣一样的效果。根据熔渣显热回收技术可以分为物理热回收法和化学热回收法，其中前者根据熔渣前处理方法的不同，又分为滚筒法、风淬法、连铸式余热锅炉法、转杯法和机械搅拌法；化学热回收法，利用熔融渣热，将熔渣热通过吸热化学反应加以利用回收，如甲烷水蒸气重整反应生产H2和CO，以及煤气化反应。
在中国国内，大多学者集中研究转杯或转碟离心粒化法处理熔融炉渣，根据其已发表的论文、专利等文献，均停留于理论研究或小型模拟实验阶段，还没有有效工业化的炉渣急冷粒化及显热回收的方法与技术。目前，离心粒化法在熔融炉渣粒化效果较好，但在急冷效果以及炉渣显热回收热效率方面很不理想。而且在长时间高温条件下，离心粒化装置的传动以及润滑问题没有得到很好的解决。
目前，熔融炉渣的余热是钢铁企业中唯一没有被有效利用的高温余热资源。高效、高品质地回收冶金熔融炉渣余热将成为钢铁企业降低综合能耗的一个重要手段。因此，国内熔融炉渣干式粒化及显热回收技术的市场空间巨大且尚处空白。回收熔融炉渣显热技术的首要前提是，处理后的炉渣产品应具有很高的利用价值。目前在我国，绝大部分水淬高炉渣是用于水泥生产，急冷处理产生90%以上的玻璃体是主要的方式，因此为了保证炉渣成品的高利用价值和活性，急冷处理是第一步。
国内外针对熔融炉渣，尤其是高炉渣的固化温度及颗粒间融着温度进行的实验研究表明，其固化温度约为850℃。同时为了得到良好的急冷效果，即获得90%以上的玻璃体，要求熔融炉渣的初始温度越高越好，高于1400℃以上。由于熔融硅酸盐炉渣具有：导热性差、粘性大的特点，若要进行非水淬急冷方式处理，就必须尽量减小炉渣粒子尺寸（即造粒）以提高换热速度，渣粒越小，则传热和固化速度越快，渣粒之间的粘附性越小。因此必须开发高效的干式粒化技术。
发明内容
针对现有炉渣处理技术的不足，根据熔融炉渣急冷干式粒化的要求及炉渣的特性，本发明提供一种熔融炉渣急冷干式粒化及显热回收的系统和方法，以达到有效急冷粒化熔融炉渣及回收高温余热资源的目的。
为实现上述发明目的，本发明的发电系统采用的技术方案如下：
熔融炉渣急冷干式粒化及显热回收发电系统，包括接渣装置、高压水-空气雾化炉渣急冷粒化装置、炉渣缓冷装置、显热回收发电装置以及废气净化处理装置：
所述接渣装置由接渣罐和储渣罐组成；
所述高压水-空气雾化炉渣急冷粒化装置主要包括软水箱、水泵、空气压缩机、空气过滤器和高压雾化喷嘴组，软水箱通过阀门和水管与水泵相连，水泵与水流量计相连；空气压缩机通过蝶阀和气管与空气过滤器连接，空气过滤器与空气流量计连接；水流量计和空气流量计分别将高压水和空气通过水管和气管与高压雾化喷嘴组连接；
所述炉渣缓冷装置主要包括篦冷机，篦冷机内使用水冷式振动篦床；篦冷机的炉渣入口与炉渣流槽的出口相连，篦冷机的冷却空气入口与鼓风机相连；
所述显热回收发电装置主要包括余热锅炉、汽轮机、发电机、凝汽器、冷却塔、循环冷却水泵、凝结水泵、热力除氧器和余热锅炉给水泵；所述余热锅炉包括膜式水冷壁、汽包、二级过热器、一级过热器、光管蒸发器、鳍片管蒸发器、省煤器和强制循环泵；所述篦冷机的余热抽风口通过余热抽风管与烟风阀门连接，烟风阀门的出口与所述余热锅炉相连，所述余热锅炉内的光管蒸发器上方的侧壁四周布置膜式水冷壁；所述余热锅炉内从上到下依次设置所述二级过热器、一级过热器、光管蒸发器、鳍片管蒸发器和省煤器；所述二级过热器通过主蒸汽母管与汽轮机的主汽门连接，所述汽轮机与发电机相连；所述汽轮机的乏汽出口与凝汽器相连，凝汽器的热井与凝结水泵的入口相连；所述冷却塔的下部水池与循环冷却水泵相连，循环冷却水泵与所述凝汽器的冷却水入口相连，所述凝汽器的冷却水出口与冷却塔的上部相连；所述凝结水泵的出口与热力除氧器的入口连接，同时锅炉补给水管也与所述热力除氧器的入口连接，热力除氧器的出口与余热锅炉给水泵的入口相连，余热锅炉给水泵的出口与所述省煤器的入口相连；
所述废气净化处理装置包括静电除尘器、引风机和烟囱，所述余热锅炉排烟口及篦冷机的余风口与静电除尘器的入口相连，静电除尘器的出口与引风机的入口相连，引风机的出口与烟囱相连。
本发明利用上述熔融炉渣急冷干式粒化及显热回收发电系统进行发电的方法：高炉炼铁产生的熔融炉渣经过铁渣分离后，由所述接渣罐盛接并运输至储渣罐，再通过储渣罐上的炉渣流槽将炉渣引至篦冷机内的水冷式振动篦床上；炉渣由重力作用下落到水冷式振动篦床上的同时，通过高压水-空气雾化炉渣急冷粒化装置的高压雾化喷嘴组，将炉渣粒化并急冷至玻璃态颗粒，落至水冷式振动篦床，利用鼓风机进行冷却；充分换热冷却后的炉渣颗粒在篦冷机尾部经过破碎系统进一步处理后落至料仓，最后经过链式运输机将处理好的炉渣送至成品库；高温废气通过篦冷机的余热抽风口送至余热锅炉，余热锅炉产生中温中压蒸汽, 蒸汽用来推动汽轮发电机发电；篦冷机的余风与余热锅炉排出的废气混合后，经过静电除尘器处理后通过烟囱排出。
本发明的优点如下：
1. 利用高压水-空气雾化炉渣急冷粒化装置，可以有效地提高冷却速率和强度，可以有效的减少单位炉渣的冷却空气量，减少风机电耗；同时可以避免高温条件下的机械传动问题。
2. 本发明提出显热回收分为急冷与缓冷两个阶段，在急冷阶段，高压水-空气雾化喷嘴对熔融炉渣进行急冷和粒化，主要目的是使炉渣干式粒化并急冷至玻璃态，同时回收部分高温显热；缓冷阶段，固化的炉渣颗粒与冷却空气进行充分换热，主要目的是回收炉渣显热。
3. 篦冷机内设有挡风墙，将篦冷机前部与后部的废气隔开，避免两部分不同温度的废气直接混合而造成余热品位降低，前部高温废气通过余热锅炉得到有效的回收利用，尾部的低温废气排出系统。
4.本发明篦冷机中的水冷式振动篦床，可以有效地阻止颗粒间的粘结，从而有效地保证冷却换热效果，同时也可以有效地保护篦床，延长设备寿命。
附图说明
图1是本发明的熔融炉渣急冷干式粒化及显热回收发电系统的结构图。其中，1-接渣罐，2-熔融炉渣，3-储渣罐，4-炉渣流槽，5-软水箱，6-水泵，7-空气压缩机，8-水流量计，9-空气过滤器，10-空气流量计，11a、11b-高压雾化喷嘴，12-余热抽风口，13-余热抽风管，14-烟风阀门，15-篦冷机，16-水冷式振动篦床，17-破碎装置，18-料斗，19-链式输送机，20-鼓风机，21-成品库，22-余热锅炉废气入口，23-膜式水冷壁，24-余热锅炉，25-汽包，26-二级过热器，27-一级过热器，28-光管蒸发器，29-鳍片管蒸发器，30-省煤器，31-强制循环泵，32-余热锅炉给水泵，33-热力除氧器，34-汽轮机，35-发电机，36-凝汽器，37-凝结水泵，38-循环冷却水泵，39-冷却塔，40-静电除尘器，41-引风机，42-烟囱，43-余风口，44-挡风墙。
图2是本发明采用的高压雾化喷嘴组中喷嘴的布置平面图。其中，11-高压雾化喷嘴组。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
根据熔融炉渣急冷干式粒化的要求及炉渣特性，本发明提出一种高压水-空气雾化急冷粒化装置和水冷式振动篦床显热回收方法，简称高压水-空气雾化法。
本发明主要解决熔融炉渣急冷及显热回收的三个关键技术：1）熔融炉渣的粒化技术；2）炉渣的急冷技术；3）炉渣的显热高效回收技术。
如图1所示，熔融炉渣高压水-空气雾化急冷干式粒化及显热回收发电系统的结构，包括接渣装置、高压水-空气雾化炉渣急冷粒化装置、炉渣缓冷装置、显热回收发电装置以及废气净化处理装置。
接渣装置由接渣罐1和储渣罐3组成，带有外保温的接渣罐1将高炉炼铁后排出的副产高温熔融炉渣2盛接，集中并汇至同样具有外保温的储渣罐3，以克服高炉出渣的不连续性。
高压水-空气雾化炉渣急冷粒化装置由水泵6、空气压缩机7、雾化喷嘴组11（图2）、以及其他附件组成，软水箱5通过阀门和水管与水泵6相连，水泵6与水流量计8相连，空气压缩机7通过蝶阀和气管与空气过滤器9连接，空气过滤器9与空气流量计10连接，水流量计8和空气流量计10分别将高压水和空气通过水管和气管与高压雾化喷嘴组11连接。高压水-空气雾化炉渣急冷粒化装置，利用一定压力的空气-水混合物通过雾化喷嘴形成强大的气流，在切割力的作用下将熔融炉渣破碎成小液滴，并与冷却空气流换热冷却固化。空气-水的混合雾化气流有效地提高冷却速率和强度，可以有效的减少单位炉渣的冷却空气量，减少风机电耗。
炉渣缓冷装置主要是由篦冷机15组成，炉渣流槽4出口与篦冷机炉渣入口相连，篦冷机15处理后的炉渣通过链式输送机19输送至成品库21，鼓风机20与篦冷机15下部冷却空气入口相连，篦冷机15前部的余热抽风口12通过风管与余热锅炉24连接。粒化的炉渣冷却下落在篦冷机15的水冷振动篦床16上，与从篦冷机15下部鼓入的冷却空气进一步换热冷却，振动篦床能有效地防止炉渣颗粒间的粘结和换热，充分冷却后的炉渣经过破碎装置再进一步破碎处理后送入成品库21储存。篦冷机15内还可设置挡风墙44，将中后部的相对低温的废气与前部隔开，避免将高温废气与其直接混合而造成余热整体品位降低。
显热回收发电装置主要包括余热锅炉24、汽轮机34、发电机35、凝汽器36、冷却塔39、循环冷却水泵38、凝结水泵37、热力除氧器33和余热锅炉给水泵32。余热锅炉24采用自然循环与强制循环两部分相结合的汽水循环，主要由膜式水冷壁23、汽包25、二级过热器26、一级过热器27、光管蒸发器28、鳍片管蒸发器29、省煤器30、强制循环泵31等组成，篦冷机15前部余热抽风口12通过余热抽风管13与烟风阀门14连接，烟风阀门出口与余热锅炉24相连，余热锅炉24内的光管蒸发器28上方的侧壁四周布置膜式水冷壁23，经过炉膛后，高温废气依次通过二级过热器26，一级过热器27，光管蒸发器28，鳍片管蒸发器29，省煤器30，最后通过余热锅炉24的排烟口排出。
余热锅炉24的二级过热器26产生的过热蒸汽通过主蒸汽母管送至汽轮机34主汽门，汽轮机34与发电机35相连，汽轮机34乏汽出口与凝汽器36相连，凝汽器36的热井与凝结水泵37入口相连；冷却塔39的下部水池与循环冷却水泵38相连，循环冷却水泵38与凝汽器36的冷却水入口相连，凝汽器36的冷却水出口与冷却塔39上部相连；凝结水泵37出口与热力除氧器33入口连接，同时锅炉补给水管与热力除氧器33入口连接，热力除氧器33出口与余热锅炉给水泵32入口相连，余热锅炉给水泵32出口与余热锅炉24省煤器30入口相连。高温废气通过篦冷机15前部的余热抽风口12送至余热锅炉24，其产生中温中压（450℃、3.82MPa）的蒸汽，蒸汽推动汽轮发电机组做功发电。
废气净化处理装置由静电除尘器40、引风机41和烟囱42组成，余热锅炉24排烟口及篦冷机15的余风口43与静电除尘器40入口相连，静电除尘器40出口与引风机入口41相连，引风机41出口与烟囱42相连。篦冷机15尾部的余风与余热锅炉24排出的废气混合后，经过静电除尘器40处理后通过烟囱42排出。
本发明的熔融炉渣高压水-空气雾化急冷干式粒化及显热回收发电系统，利用高压水-空气雾化炉渣急冷粒化装置将熔融炉渣急冷和粒化，然后通过水冷式振动篦床继续冷却炉渣，同时回收的热量通过余热锅炉产生蒸汽，经过汽轮发电机组实现能量转换，将热能转换为电能。实现方法的具体实施例如下：
1、1400-1600℃的熔融炉渣2经过接渣罐1送入储渣罐3中存储。
2、储渣罐3中的熔融炉渣2通过炉渣流槽4流入篦冷机15，在高压水-空气雾化炉渣急冷粒化装置的作用下破碎至5-10mm的小颗粒，其温度急冷至900℃左右。
3、经破碎和急冷后的炉渣颗粒落至篦冷机15内的水冷式振动篦床16上，与篦冷机15下部鼓风机20鼓入的冷空气换热，经充分冷却换热与再次破碎处理后的炉渣送入成品库21，炉渣颗粒温度降至150℃以下。
4、与炉渣换热后从篦冷机15前部抽出的空气温度约800℃，其进入余热锅炉24换热，余热锅炉24产生中温中压（450℃，3.82MPa），蒸汽推动汽轮机34与发电机35实现热能转换为电能。
本发明所述的熔融炉渣，可包括高炉渣、转（电）炉钢渣、以及其他工业高温炉渣。

Claims (3)

1.熔融炉渣急冷干式粒化及显热回收发电系统，包括接渣装置、高压水-空气雾化炉渣急冷粒化装置、炉渣缓冷装置、显热回收发电装置以及废气净化处理装置，其特征在于：
所述接渣装置由接渣罐（1）和储渣罐（3）组成；
所述高压水-空气雾化炉渣急冷粒化装置主要包括软水箱（5）、水泵（6）、空气压缩机（7）、空气过滤器（9）和高压雾化喷嘴组（11），软水箱通过阀门和水管与水泵相连，水泵与水流量计（8）相连；空气压缩机通过蝶阀和气管与空气过滤器连接，空气过滤器与空气流量计（10）连接；水流量计和空气流量计分别将高压水和空气通过水管和气管与高压雾化喷嘴组连接；
所述炉渣缓冷装置主要包括篦冷机（15），篦冷机内使用水冷式振动篦床（16）；所述篦冷机的炉渣入口与炉渣流槽（4）的出口相连，篦冷机的冷却空气入口与鼓风机（20）相连，所述篦冷机的余风口前面设置有挡风墙（44），篦冷机的尾部设有破碎系统；
所述显热回收发电装置主要包括余热锅炉（24）、汽轮机（34）、发电机（35）、凝汽器（36）、冷却塔（39）、循环冷却水泵（38）、凝结水泵（37）、热力除氧器（33）和余热锅炉给水泵（32）；所述余热锅炉包括膜式水冷壁（23）、汽包（25）、二级过热器（26）、一级过热器（27）、光管蒸发器（28）、鳍片管蒸发器（29）、省煤器（30）和强制循环泵（31）；所述篦冷机的余热抽风口（12）通过余热抽风管（13）与烟风阀门（14）连接，烟风阀门的出口与所述余热锅炉相连，所述余热锅炉内的光管蒸发器上方的侧壁四周布置膜式水冷壁；所述余热锅炉内从上到下依次设置所述二级过热器、一级过热器、光管蒸发器、鳍片管蒸发器和省煤器；所述二级过热器通过主蒸汽母管与汽轮机的主汽门连接，所述汽轮机与发电机相连；所述汽轮机的乏汽出口与凝汽器相连，凝汽器的热井与凝结水泵的入口相连；所述冷却塔的下部水池与循环冷却水泵相连，循环冷却水泵与所述凝汽器的冷却水入口相连，所述凝汽器的冷却水出口与冷却塔的上部相连；所述凝结水泵的出口与热力除氧器的入口连接，同时锅炉补给水管也与所述热力除氧器的入口连接，热力除氧器的出口与余热锅炉给水泵的入口相连，余热锅炉给水泵的出口与所述省煤器的入口相连；
所述废气净化处理装置包括静电除尘器（40）、引风机（41）和烟囱（42），所述余热锅炉排烟口及篦冷机的余风口（43）与静电除尘器的入口相连，静电除尘器的出口与引风机的入口相连，引风机的出口与烟囱相连。
2.根据权利要求1所述的熔融炉渣急冷干式粒化及显热回收发电系统，其特征在于，所述接渣罐和储渣罐的外表均敷设绝热保护层。
3.利用如权利要求1所述的熔融炉渣急冷干式粒化及显热回收发电系统的发电方法，其特征在于，高炉炼铁产生的熔融炉渣经过铁渣分离后，由所述接渣罐盛接并运输至储渣罐，再通过储渣罐上的炉渣流槽将炉渣引至篦冷机内的水冷式振动篦床上；炉渣由重力作用下落到水冷式振动篦床上的同时，通过高压水-空气雾化炉渣急冷粒化装置的高压雾化喷嘴组，将炉渣粒化并急冷至玻璃态颗粒，落至水冷式振动篦床，利用鼓风机进行冷却；充分换热冷却后的炉渣颗粒在篦冷机尾部经过破碎系统进一步处理后落至料仓，最后经过链式运输机将处理好的炉渣送至成品库；高温废气通过篦冷机的余热抽风口送至余热锅炉，余热锅炉产生中温中压蒸汽, 蒸汽用来推动汽轮发电机发电；篦冷机的余风与余热锅炉排出的废气混合后，经过静电除尘器处理后通过烟囱排出，所述篦冷机的余风口前面设置挡风墙，将篦冷机内前部的高温废气与中后部的相对低温的废气隔开。
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