CN102766707A - 一种基于煤气化原理的高炉渣余热利用系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于煤气化原理的高炉渣余热利用系统，该系统由水气化单元、水气输送管道、冷却水管道、煤气化单元组成，其中水气化单元为煤气化提供气化剂；煤气化单元产生具有一定热值的水煤气，连接这两个单元的是水气输送管道和冷却水管道。本发明将渣中的热量用于煤气化反应的动力，把渣中的热量固化到煤气的化学能之中，通过将渣的热量回收、粒化以及煤气化联系在一起，不仅对渣体进行了有效的冷却，而且将渣中的热量转移到具有发热值的煤气中，是高炉炼铁系统节能减排的一项综合工艺方法。

Description

一种基于煤气化原理的高炉渣余热利用系统

技术领域

   本发明属于高炉渣的综合利用领域，特别是一种基于煤气化原理的高炉渣余

热利用系统。

 

背景技术

自从1995年中国生铁产量突破1亿吨以来，中国的钢铁产量突飞猛进的发展，2006年创造了4.1878亿吨粗钢和4.0416亿吨生铁的记录。近几年来，虽然受到金融危机的影响而使我国钢铁产量的增长速率减缓，但是整体上还是上升趋势。如此大的钢铁产量无疑需要消耗大量的能源和资源，也会产生大量的废弃物和污染物。如何降低能耗、节省成本、回收资源成为钢铁行业亟待解决的重大问题。

目前，我国炼铁行业仍然以高炉炼铁为主，高炉炼铁消耗铁矿石、焦炭、煤等资源和能源产生铁水、高炉渣、高炉煤气等产品或副产品。在高炉炼铁的产物中，高炉渣占着重大的比例。按我国目前年产超过5亿吨的生铁量计算，产生的高炉渣量超过1.5亿吨，数量是相当巨大的，这些高炉渣如果不经过很好的处理，将成为一种固体废弃物堆放，这不仅占用大量的土地面积，而且会造成很大的环境污染。另外，高炉渣中含有丰富的热量，以渣中显热为1797.4kJ/kg计算，一年排出的炉渣中含有的热量高达2.7×10¹⁴kJ，相当于920万吨标准煤。这些热量如果得不到回收利用，将是一种严重的浪费。

对高炉渣的处理，传统的方法是采用干渣坑自然冷却处理，这不仅造成渣中能量的白白浪费，而且冷却下来的渣块在进行深层次处理和应用时也存在很大的难度。在现有阶段，对高炉渣处理的思路仍然不外乎从能量回收和高炉渣本体利用两方面考虑，鉴于传统处理方式的种种弊端，现在人们已开发出比较有效而实用的高炉渣处理方法，主要为水淬处理和干渣粒化处理。

高炉渣的水淬处理方法比较多，包括底滤法（OCP）、因巴法（INBA）、图拉法（TYNA）、拉萨法（RASA）、明特克法（MTC）等，水淬处理可以实现高炉渣的充分冷却，使高炉渣冷态化过程中充分玻璃化，可以进一步用作水泥原料，从而实现高炉渣渣体的应用。

在高炉渣的水淬处理方法中，底滤法的工艺流程为：高炉渣在冲制箱内由多孔喷头喷射的高压水进行水淬后，水淬渣流经粒化槽进入沉渣池。沉渣池中的水渣由抓斗抓出堆放在干渣场继续脱水，沉渣池内的水及悬浮物由分配渠流入过滤池。过滤池内铺设砾石过滤层，并设型钢保护。过滤后的冲渣水经集水管由泵加压送入冷却塔冷却后重复使用。

因巴法的工艺流程为：与铁水分离后的炉渣，经渣沟进入炉渣粒化区，吹制箱内的高速水流使其水淬粒化，经水渣槽进一步粒化和缓冲之后，流入转鼓内的水渣分配器，被均匀分配到转鼓过滤器中。在转鼓下半周滤去部分水后，被叶片刮带，随筒边旋转边自然脱水；转至转鼓上半周时，渣落至深入鼓内的皮带上，经此皮带和分配皮带送至成品槽贮存，装车外运。

图拉法的主要过程包括炉渣粒化和冷却、水渣脱水、水渣输送和外运以及冲渣水循环等。炉渣经渣沟流嘴落至高速旋转的粒化轮上，被机械破碎、粒化，粒化后的炉渣颗粒在空中被水冷却、水淬；渣粒在呈抛物线运动中，撞击挡渣板被二次破碎；渣水混合物落入脱水转鼓的下部，继续进行水淬冷却。

拉萨法的工艺过程为：高炉熔渣经吹制箱制成水渣，进入粗粒分离槽，沉降到底部的渣、水混合物经水渣泵和管道输送至脱水槽进行脱水，脱水后的渣由卡车运走，水则流进沉降槽；粗粒分离槽的水溢流到中继槽，含渣水经中继泵送到沉降槽，底部由排泥泵将渣送到脱水槽脱水；沉降槽的水溢流到温水槽，经冷却泵送到冷却塔冷却后进入给水槽；给水槽的水由给水泵送到吹制箱吹渣。

明特克法的核心设备由一台特殊设计和制造的螺旋输送机和一台过滤器组成。螺旋输送机呈20°倾角安装在水渣池内，随着螺旋输送机的转动，其螺旋叶片将水渣池底部的水渣向上输送，水则靠重力和渣的翻动挤压两重作用向下回流，从而达到渣水分离和脱水的目的。水渣经脱水，离开螺旋输送机的U型槽后，通过皮带系统输送至水渣堆场；冲渣水经浊水渣池溢流口进入过滤器过滤成净水后，进入水循环系统循环使用。

几种水渣处理方法对于高炉渣渣体的处理都是有一定作用的，它相对比较有效的实现了高炉渣的粒化与冷却，使高炉渣的深层次应用得到发挥。但是，水渣处理方法耗水量大，基建消耗都比较大，而且从热量回收上讲，几种渣处理都未能很好的实现；由于水渣处理方法的过程是用水作为冷却剂，所以高炉渣的热能都富含到了水中，部分高炉渣水淬处理方法利用这些热能供暖或者将这些水循环利用，这在一定程度上回收了一部分热量，也节约了资源。但是，利用热水来回收热量的能力是有限的，而产生的蒸汽又直接排入大气，使其中的热量白白浪费，因此可以说高炉渣水淬处理方法并未真正的实现高炉渣显热的利用。另一方面，根据几种渣处理方法的原理以及设备特点来看，即使在原有基础上进行改进，也不能很好的将高炉渣中的热能真正的固化下来从而实现热能的回收利用，从这一点看，高炉渣水淬处理方法也不能实现高炉渣显热的利用。

关于高炉渣热量的利用比较好的方法就是干式粒化法，它以空气为冷却介质，在利用粒化设备实现渣的粒化的同时，将渣中热量充分转移到空气中，然后用热空气进行发电或者直接用于热风炉或者高炉，从而在很大程度上回收了渣中的热量。

目前已有许多种高炉渣的干式粒化法处理过程，其中，英国Kvaerner Metals公司发明了干式粒化高炉渣热回收法，其所使用的粒化器是用一个由电动机带动的高速旋转的中心下凹的盘子，液态渣由渣沟流入到盘子中心，盘子在速度一定时（1500r/min），液渣在离心力作用下飞出盘沿而被粒化。液渣在飞行的同时与空气进行热交换至凝固，然后渣粒继续下落到底部流化床中进一步进行热交换，从设备顶部回收热空气。

英国Pickering S. J.等人设计发明了熔融高炉渣粒化设备，其工艺流程为：液态高炉渣粒从罩杯中甩出，通过与下部流化床上来的空气和水冷却壁间的换热，渣得到了初步冷却（可回收约14%的热量）；高炉渣进而打在容器内壁上，与水冷壁进行热交换（可回收23%的热量）；从内壁反弹回来的高炉渣粒进入到一级流化床内，并与通过流化床的空气和位于床层内的换热管间热交换冷却（可回收约43%的热量）；一级流化床受热快速膨胀，热渣进入二级流化床，并且进行最后的热交换（可回收约20%的热量）。该套完整的设备能够回收液态高炉渣中60%的热量，日处理渣可达7 700t，粒化渣为粒度小于2mm的玻璃态渣，可以用作水泥原料。

乌克兰设计了“连铸连轧”式干式粒化和余热回收工艺，其工艺流程为：渣灌车给渣池供渣，液态渣从供渣嘴连续流到水冷轧辊之间，再进入链式输送机，输送机下部通入冷空气，渣的热量传给冷空气和膜式水冷壁，冷却后的渣在碎渣机中破碎，软水经轧辊吸热后由水泵压到省煤器再进入汽包，然后饱和水经循环泵压入膜式水冷壁，加热汽化后回到汽包，从汽包出来的饱和蒸汽进入过热器，成为过热蒸汽。

日本石川岛播磨重工业公司和住友金属公司研制的转鼓粒化法，渣流由中间包流出，冲击转筒中心表面，渣粒被抛到转筒周围的流化砂床上被流化风冷却到凝固为止。渣粒从流化砂中筛出进入冷却器中进一步冷却到适于卸载的温度。渣粒可作混凝土骨料、冷却风、流化风加热后进入余热锅炉产生蒸汽发电，风再循环使用。

以上各种高炉渣干式粒化法虽然在一定程度上可以达到回收热量的效果，但是由于其设备复杂，操作有难度，故而应用并不是十分广泛。

此外，我国学者也提出化学法处理高炉渣，即将高炉渣的热量用作某些化学反应所需要的热量，从而达到既回收了高炉渣中的热量又促进了某些化学反应（如利用甲烷制氢的反应以及煤气化反应）的进行，得到富含热值而且具有还原性的气体。

现有东北大学200910012471.3专利和200910012470.9专利公开了两种高炉渣的煤气化系统和方法，这两种方法均采用将高炉渣放入熔渣气化炉中，从底部以及顶部喷吹煤粉和气化剂在熔渣气化炉内进行气化反应，然后高温的熔渣从熔渣出口流出进入炉渣收集器，在收集器内实现干法粒化。专利200910012470.9在炉渣收集器内进行二次煤气化，进一步吸收渣中的热量。这两种方法对于炉渣高温段的热量吸收是有效的，但是高温段需要将渣汇集到一起，这就要保证渣的连续性。在低温段，由于热量不足，进一步进行煤气化则不够充分。对于既要充分利用渣中的热量，又要实现渣的粒化和冷却进行，则需要综合各个工艺进行设计。

 

发明内容

本发明在于利用高炉渣水淬法处理以及干式粒化法处理进行热量回收以及高炉渣渣体的冷却，根本目的为实现利用煤气化反应进行高炉渣热量回收，进而实现高炉渣的综合处理与应用。

本发明提供一种基于煤气化原理的高炉渣余热利用系统，该系统由水气化单元、水气输送管道、冷却水管道、煤气化单元组成，其中水气化单元为煤气化提供气化剂；煤气化单元产生具有一定热值的水煤气，连接这两个单元的是水气输送管道和冷却水管道；

进一步地，所述水气化单元由支路渣沟溜槽、破碎缓冲支架、一次喷水装置、二次喷水装置、二次破碎装置、一次水气化箱体、氧煤枪、水池组成；其中所述破碎缓冲支架位于支路渣沟溜槽下方，由耐火材料制成，一次喷水装置装在支架四周，喷口与支架斜面成15°夹角，喷水速度大，起到粒化高炉渣的作用；一次喷水装置下面安装氧煤枪，采用富氧空气为输送介质，氧煤枪喷口斜向上正对破碎缓冲支架边沿；氧煤枪下方为二次喷水装置，喷水速度较一次喷水装置小，起到托浮煤粉以及充分吸收渣中热量的作用；在一次水气化箱体下方设置二次破碎装置，其由钢质金属制成，将高炉渣充分粒化，渣粒最终掉入水池中；

进一步地，所述煤气化单元煤气化单元由水蒸气喷口、渣粒化装置、喷煤枪、二次煤气化箱体以及水池组成；其中所述水蒸气喷口分别位于渣粒化装置以及喷煤枪的上、下侧，其中上侧的喷口朝下与竖直面呈70~80°夹角，下侧的喷口朝上55~65°夹角；渣粒化装置由一电机驱动的旋转圆盘构成，高炉渣体在旋转圆盘的作用下做离心运动；喷煤枪以空气为载体，喷口正对圆盘边沿；

进一步地，水气输送管道连接一次水气化箱体和二次煤气化箱体，在所述输送管道中间有一水蒸气加压装置，对由水气化单元产生的蒸汽进行加压，将高压蒸汽输送到煤气化单元内；

进一步地，冷却水管起始于二次煤气化箱体底部，经二次煤气化箱体，然后到一次水气化箱体底部，最终连接水汽化单元中的一次喷水装置和二次喷水装置，实现水循环以及减少热量的损失。

本发明的优点效果如下：

1、实现渣中热量的充分利用，主要包括一次水气化吸热和二次煤气化吸热。

2、将渣中的热量转化到水煤气的热值中，有利于热量的贮存以及深层次利用。

3、水气化单元内采用了两次高压水冲击来冷却渣体，有利于渣的充分冷却，为渣的后续利用提供可能，便于实现高炉渣的综合利用。

4、冷却水系统中冷却水管起始于二次煤气化箱体底部，经二次煤气化箱体，然后到一次水气化箱体底部，绕一次水气化箱体一周，从箱体顶部出去，最终连接水气化单元中的一次喷水装置和二次喷水装置，实现了热量的循环利用，比较合理。

 

附图说明

附图1是本发明中高炉渣综合处理系统示意图。

具体实施方式

参见附图1，是本发明中基于煤气化原理的高炉渣余热利用系统的示意图，该系统由水气化单元、水气输送管道、冷却水管道、煤气化单元组成，本发明分为两个主体，一个为水气化单元，从而为煤气化提供气化剂；另一个为煤气化反应单元，从而产生具有一定热值的水煤气。连接两个主体的有两个辅助体：一个为水气输送管道，一个为冷却水管道。

具体结构是：水气化单元由支路渣沟溜槽11、破碎缓冲支架12、一次喷水装置13、二次喷水装置15、二次破碎装置16、一次水气化箱体（位于图中左边的箱体）、氧煤枪14、水池17组成。其中破碎缓冲支架12位于支路渣沟溜槽11下方，由耐火材料制成，一次喷水装置13装在支架四周，喷口与支架斜面成15°夹角，喷水速度大，起到粒化高炉渣的作用；一次喷水装置13下面安装氧煤枪14，采用富氧空气为输送介质，氧煤枪14喷口斜向上正对破碎缓冲支架12边沿；氧煤枪14下方为二次喷水装置15，喷水速度较一次喷水装置13小，起到托浮煤粉以及充分吸收渣中热量的作用。在一次水气化箱体下方设置二次破碎装置16，由钢质金属制成，将高炉渣充分粒化，渣粒最终掉入水池17中。

高炉渣主渣沟10中分出一条支路渣沟11，在水气化单元中实现水的气化，当水在水汽化箱体内得到充分气化并升温之后，形成高温水蒸气。水气输送管道8连接一次水气化箱体和二次煤气化箱体，在水气输送管道8中间有一水蒸气加压装置9，对由水气化单元产生的蒸汽进行加压，将高压蒸汽输送到煤气化单元内。水蒸气经水蒸气加压装置9和水气输送管道8进入煤气化单元，煤气化单元中喷入煤粉，与经主渣沟10流入的经粒化的渣接触，与水蒸气反应，生成水煤气。

煤气化单元由水蒸气喷口4，6、渣粒化装置3、喷煤枪5、二次煤气化箱体（位于图中右边的箱体）以及水池1组成。水蒸气喷口分别位于高炉渣粒化装置3以及喷煤枪5的上、下侧，其中上侧的喷口6朝下与竖直面呈70~80°夹角，下侧的喷口朝上55~65°夹角；渣粒化装置3由一电机驱动的旋转圆盘构成，高炉渣体在旋转圆盘的作用下做离心运动；喷煤枪5以空气为载体，喷口正对圆盘边沿。

在水气化单元箱体和煤气化单元箱体壁均通有冷却水，冷却水管2起始于二次煤气化箱体底部，经二次煤气化箱体，然后到一次水气化箱体底部，最终连接水汽化单元中的一次喷水装置13和二次喷水装置15，实现水循环以及减少热量的损失。

本发明的工作原理是将渣中的热量用于煤气化反应的动力，把渣中的热量固化到煤气的化学能之中。

具体工作原理是：高炉渣经主渣沟流出，在支路渣沟分流进入一次水气化箱体，首先接触破碎缓冲支架进行破碎，为了防止渣体在支架上粘结，采用高压水枪，此处即为一次喷水装置，喷口与支架下面成15°角喷射水流，冲击高炉渣体的同时吸收渣中热量将水气化，同时将高炉渣中的热量转移到水蒸气中；由于此处产生的水蒸气需要用于后面的煤气化过程，而煤气化过程是一个吸热反应，为了保证煤气化反应的充分进行，此处需要将水蒸气充分加热，故而在一次冷却水管下方设计有氧煤枪装置，以富氧空气为载体将煤粉喷入箱体内，氧煤枪正对着破碎缓冲支架边沿，氧煤枪喷入的煤粉和富氧空气遇热的渣体实现燃烧放热，将水蒸气加热。落下的渣体在二次喷水装置处，遇到塔式破碎装置，即为二次破碎装置，进一步粒化，同时受到更大水流的冲击，得到充分冷却。

在一次水汽化单元中产生的蒸汽，经水汽输送管道，在管道中间的加压装置中被加压，然后输入二次煤气化单元，经煤气箱体上的蒸汽喷口喷入箱体内部。

主渣沟中的渣经斜的渣槽流入煤气化箱体内的旋转圆盘中，圆盘高速旋转将渣粒化，粒化的高炉渣以弧线的方式向箱体四周飞溅，从而形成一个渣的圆弧面，圆弧面的上方斜向下成80°角设定一周水蒸气喷头，对着渣体喷射高压水蒸气，在圆弧面下方设定一喷口正对圆盘边沿的喷煤枪，喷煤枪以空气为载体，快速喷入箱体内，与高炉渣以及高温高压水蒸气相遇，发生气化反应，为了防止煤气化不够充分，以及进一步吸收渣中的热量，在喷煤枪下方斜向上65°设置一周水蒸气喷头，从喷头中喷出高压高温水蒸气，它一方面起到托付煤粉的作用，另一方面提供煤气化反应所需要的水蒸气。此外，对于下落的高炉渣还起到粒化和吸热的作用。

为了实现热量的充分利用，达到真正的高效的效果，在两个单元箱体外侧缠绕冷却水管，冷却水管起始于二次煤气化箱体底部，经二次煤气化箱体，然后到一次水气化箱体底部，绕一次水气化箱体一周，从箱体顶部出去，最终连接水气化单元中的一次喷水装置和二次喷水装置，喷入一次水气化箱体内部，吸收渣中的热量气化，从而实现了热量的循环利用。

    本发明综合了高炉渣的水淬处理以及干式粒化法处理工艺，利用煤气化原理，将渣中的热量转化到煤气的热值之中，从而实现高炉渣的粒化与热量综合利用的目的。 

Claims (5)

1.一种基于煤气化原理的高炉渣余热利用系统，该系统由水气化单元、水气输送管道、冷却水管道、煤气化单元组成，其中水气化单元为煤气化提供气化剂；煤气化单元产生具有一定热值的水煤气，连接这两个单元的是水气输送管道和冷却水管道。

2.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述水气化单元由支路渣沟溜槽（11）、破碎缓冲支架（12）、一次喷水装置（13）、二次喷水装置（15）、二次破碎装置（16）、一次水气化箱体、氧煤枪（14）、水池（17）组成；其中所述破碎缓冲支架（12）位于支路渣沟溜槽（11）下方，由耐火材料制成，一次喷水装置（13）装在支架四周，喷口与支架斜面成15°夹角，喷水速度大，起到粒化高炉渣的作用；一次喷水装置（13）下面安装氧煤枪（14），采用富氧空气为输送介质，氧煤枪（14）喷口斜向上正对破碎缓冲支架（12）边沿；氧煤枪（14）下方为二次喷水装置（15），喷水速度较一次喷水装置（13）小，起到托浮煤粉以及充分吸收渣中热量的作用；在一次水气化箱体下方设置二次破碎装置（16），其由钢质金属制成，将高炉渣充分粒化，渣粒最终掉入水池（17）中。

3. 根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述煤气化单元煤气化单元由水蒸气喷口（4，6）、渣粒化装置（3）、喷煤枪（5）、二次煤气化箱体以及水池（1）组成；其中所述水蒸气喷口分别位于渣粒化装置（3）以及喷煤枪（5）的上、下侧，其中上侧的喷口（6）朝下与竖直面呈70~80°夹角，下侧的喷口（4）朝上55~65°夹角；渣粒化装置（3）由一电机驱动的旋转圆盘构成，高炉渣体在旋转圆盘的作用下做离心运动；喷煤枪（5）以空气为载体，喷口正对圆盘边沿。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，水气输送管道（8）连接一次水气化箱体和二次煤气化箱体，在所述输送管道（8）中间有一水蒸气加压装置（9），对由水气化单元产生的蒸汽进行加压，将高压蒸汽输送到煤气化单元内。

5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，冷却水管（2）起始于二次煤气化箱体底部，经二次煤气化箱体，然后到一次水气化箱体底部，最终连接水汽化单元中的一次喷水装置（13）和二次喷水装置（15），实现水循环以及减少热量的损失。

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