CN102827969B - 一种干式粒化液态熔渣的余热回收系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种干式粒化液态熔渣的余热回收系统及方法，所述系统包括粒化仓、移动床和余热回收系统；粒化仓内表面布置有粒化仓水冷壁；粒化仓顶部中心设有渣管，渣管伸入粒化仓内；渣管的末端下方设有离心粒化器，离心粒化器连接其下部的电机；离心粒化器旁侧设有送风管道，离心粒化器与送风管道间形成环形风口；粒化仓的下部设有移动床，移动床内表面布置有移动床水冷壁；在移动床的顶部设有出风口，底部设有排渣装置，在排渣装置的上方设置有进风装置；余热回收系统包括依次连接的一次除尘器、余热锅炉、二次除尘器、排气风机和烟囱；一次除尘器连接移动床顶部的出风口。本发明有效的解决高炉等设备的炉渣粒化与热量回收问题。
Description
技术领域
本发明涉及余热回收技术领域，特别涉及一种干式粒化液态熔渣的余热回收系统及方法。
背景技术
中国目前是全球最大的钢铁生产国。中国钢铁产量已连续16年保持世界第一，并且遥遥领先于其他国家。2011年中国大陆钢产量6.83亿吨，冶炼钢铁过程中产生的液态熔渣蕴含的热量是巨大的，从节能与环保以及提高钢铁厂的经济效益的角度来看，对高炉渣的热量进行回收和高炉渣的资源化利用是十分必要的。高炉渣的出炉温度一般在1400～1550℃之间。每吨渣含（1260～1880）×103kJ的显热，相当于60kg标准煤的热值。每生产1吨生铁要副产0.3吨高炉渣，每生产1吨钢要副产0.13吨钢渣，以目前我国的钢铁产量6.83亿吨进行计算，可产生2.9亿吨以上的高炉渣和转炉渣，其显热量相当于1740万吨标准煤。
目前我国常见的处理高炉渣的方法有干渣坑冷却法和水冲渣法。干渣坑冷却法将熔融的高炉渣倒入干渣坑空冷，凝固后水冷。此法污染地下水源，降温时放出大量水蒸气，同时释放大量的H2S和SO2气体，腐蚀建筑、破坏设备和恶化工作环境，一般只在事故处理时使用该法。我国90%的高炉渣都采用水冲渣法处理，得到的水渣用于生产水泥、渣砖、矿渣微粉和隔热填料。高炉渣水淬方式很多，主要处理工艺有：底滤法、因巴法、拉萨法、图拉法、明特克法等。尽管冲渣工艺在不断的发展，但其技术的核心还是对高炉熔渣进行喷水水淬，冷却、粒化成水渣，然后进行水渣分离，冲渣的水经过沉淀过滤后再循环使用。
水冲渣法无法从根本上改变粒化渣耗水的工艺特点，炉渣物理热基本全部散失，冲渣过程中SO2、H2S等污染物的排放不但影响作业环境而且对空气造成污染。水淬渣方式存在以下诸多弊端：
1)浪费了高炉渣所含有的高品质余热资源。1350℃～1450℃的液态高炉渣由出渣口排出，靠高压水将其破碎并冷却，在如此高的温度下，大部分的液态水迅速气化成水蒸气排放到大气中，浪费了该部分水蒸气含有的大量热量，从□分析的角度看，液态高炉渣的余热品质非常高，极具利用价值。
2)浪费大量水资源。水冲渣过程中水压大于0.2MPa，渣水之比为1:1，每吨渣需消耗新水0.8～1.2吨。中国目前高炉生铁产量超过6.8亿吨，全年高炉渣产量约2亿吨，用于水淬渣的新水消耗量约2亿吨。
3)产生SO2及H2S等有害气体，污染环境，水冲渣过程中产生大量的H2S和SOx，随水蒸气排入大气中，聚集到一定程度就成为酸雨的诱因。
在高炉渣余热回收方面，国内水冲渣余热回收利用仅限于冲渣水余热供暖、浴室供热水等，余热回收率低，仅为10%左右，且受时间和地域限制，在夏季和无取暖设施的南方地区，这部分能量只能浪费，因此推广应用受到了限制。目前，高炉渣显热回收技术开发的热点是干式回收法，这与现有水淬渣方法相比更为节水和环保，符合发展理念。技术开发较早并取得一定效果的主要有日本的内冷转鼓法、转轮粒化法、风淬法、机械搅拌法、连铸连轧法及英国的离心转盘法等。目前技术存在以下问题：
1)粒化效果不好，不利于继续利用。内冷转鼓法得到的冷渣是以片状的形式排出，这样就不利于对其继续利用。风淬法得到的粒化渣的颗粒直径分布范围较宽，也不利于后续处理。连铸连轧法得到的平板式炉渣为大的片状，不利于对其继续利用。
2)换热气体品质不高。离心转盘法采用流化床来进行换热，床层返混剧烈，出口温度不高为400-500℃，能量品质较低，高温热源没有得到有效利用。
3)热回收效率偏低。内冷转鼓法中的内热媒介物吸收热量约为熔渣显热的40%，连铸连轧法得到的平板式高温渣的透气性严重影响冷空气和水冷壁的换热效率。
4)玻璃化程度不高，附加值较低。转轮粒化法属于半急冷处理,得到的产品是混凝土骨料，附加值较低。机械搅拌法得到的渣粒尺寸大且不均匀，玻璃化程度不高，只能用作铺路材料。
5)设备运行成本高，投资大。风淬法在粒化过程中动力消耗很大，风淬冷却速度较慢，为了防止粒化渣在固结之前粘连到设备表面上，需较大的设备尺寸，增加了投资费用。
综上所述，目前普遍所采用的冶金渣水淬处理技术以及冶金渣的利用方式，不仅浪费了高炉渣所含有的高品质余热资源，而且浪费了大量的新水资源，同时对环境造成非常严重的污染。这种方法已经远不能适应新型工业化和循环经济的发展模式，必须从根本上加以改变和废弃。而目前的高炉渣干式粒化方法技术还不成熟，有的效率低，有的影响炉渣性能降低附加值，有的设备投资大等等，并不能有效解决这一问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种干式粒化液态熔渣的余热回收系统及方法，解决高炉等设备的炉渣粒化与热量回收问题。
本发明是采取如下技术方案予以实现的：
一种干式粒化液态熔渣的余热回收系统，包括粒化仓、移动床和余热回收系统；粒化仓内表面布置有粒化仓水冷壁；粒化仓顶部中心设有渣管，渣管伸入粒化仓内；渣管的末端下方设有离心粒化器，离心粒化器连接其下部的电机；离心粒化器旁侧设有送风管道，离心粒化器与送风管道间形成环形风口；粒化仓的下部设有移动床，移动床内表面布置有移动床水冷壁；在移动床的顶部设有出风口，底部设有排渣装置，在排渣装置的上方设置有进风装置；余热回收系统包括依次连接的一次除尘器、余热锅炉、二次除尘器、排气风机和烟囱；一次除尘器连接移动床顶部的出风口。
本发明进一步的改进在于：离心粒化器采用浅盘结构，中心设有导流锥，四周设有弧形肋片，离心粒化器边缘切线与水平面呈45°夹角。
本发明进一步的改进在于：进风装置包括设置于移动床底部外侧的鼓风机，移动床底部设置有气腔，鼓风机连通气腔，气腔连通离心粒化器旁侧的送风管道和移动床底部的供气装置。
本发明进一步的改进在于：排渣装置包括设置在移动床底部的振动给料器和密封阀。
本发明进一步的改进在于：移动床的上部流通面积与下部流通面积之比为2.5:1。
本发明进一步的改进在于：所述余热回收系统还包括给水泵、省煤器、锅筒和汽轮机；给水泵的出水口依次连接省煤器和锅筒；锅筒通过安装有强制循环泵的管道连接移动床水冷壁和粒化仓水冷壁进行强制循环；锅筒的顶部通过管道依次连通余热锅炉的一次过热器、余热锅炉的二次过热器和汽轮机，汽轮机的出口连通给水泵的进水口；一次过热器和二次过热器之间设有喷水减温器；汽轮机的出口通过凝汽器和除氧器连通给水泵的进水口。
本发明进一步的改进在于：余热锅炉包括与锅筒连接进行自然循环的自然循环水冷壁。
一种干式粒化液态熔渣的余热回收系统的干式粒化方法：液态的高温熔渣由渣管进入粒化仓内落在离心粒化器上，液态熔渣在离心粒化器旋转的离心力和离心粒化器旁侧的环形风口的风速的共同作用下，粒化为球形颗粒渣；固化后的球形颗粒渣进入移动床，同移动床内通过供气装置鼓入的空气和周围的移动床水冷壁进行换热后掉落至移动床底部，由移动床底部的振动给料器振动排料到密封阀，然后由密封阀排出。
本发明进一步的改进在于：移动床顶部的热空气先经过一次除尘器除尘，然后经过余热锅炉的二次过热器、一次过热器、省煤器和自然循环水冷壁的换热之后进入二次除尘器，经过二次除尘器除尘后的空气经排气风机和烟囱排出。
本发明进一步的改进在于：给水泵给入的水经省煤器加热后进入锅筒，锅筒内的水循环分两部分，一部分在余热锅炉的自然循环水冷壁进行自然循环；另一部分经强制循环泵进入移动床水冷壁和粒化仓水冷壁进行强制循环；锅筒内的饱和蒸汽经过一次过热器和二次过热器后进入汽轮机进行发电；一次过热器和二次过热器之间设有喷水减温器；汽轮机发电后的水蒸汽经凝汽器、除氧器后再次进入给水泵。
本发明技术方案的具有以下有益效果：
1)本发明离心粒化器采用浅盘结构，可使液态炉渣较容易摊薄，取得较好的粒化效果。
2)本发明离心粒化器中心设有导流锥，中心位置的导流锥可改善炉渣下落的冲击，使液态炉渣由竖直下落变向为水平方向时更为平稳，防止炉渣的冲击飞溅等不稳定因素。
3)本发明离心粒化器导流锥四周设有弧形肋片，可有效降低液态炉渣在中心处与离心粒化器的滑移速度，增大液态炉渣的离心力，炉渣在粒化器上停留时间减少，提高粒化效率；同时，由于减少了炉渣与粒化器的摩擦，动能转化为内能比例降低，因此，降低电动机的动力损耗。
4)本发明离心粒化器通过调节转速等参数，可使粒化的高炉渣颗粒均匀，颗粒直径为2mm左右，保证粒化质量，根据玻璃体的形成原理，小颗粒更容易形成玻璃体，提高玻璃体含量，提高固体渣粒的附加值。
5)本发明根据传热学原理，经过对高温炉渣的分析之后，在离心粒化仓内敷设水冷壁吸收辐射能，在离心粒化器周围采用环形布风结构，采用风碎的方法来进一步提高粒化效果，较小的颗粒比表面积会进一步增强辐射换热能力。在辐射换热和对流换热的双重作用下，使高炉渣有较高的降温速率，提高玻璃体含量大于95%，提高固体渣粒的附加值。
6)在粒化仓下部设计的移动床缓冷段，避免了现有采用流化床技术炉渣颗粒的掺混现象，使炉渣与空气采用逆流布置，提高换热效率，提高移动床出口空气的温度，提高空气热能的品质，从而提高效率。
7)移动床的壁面覆有膜式水冷壁，底部设有进气装置，由于采用空气和水冷壁结合的方式进行冷却，解决了单一采用水冷壁导致的冷却不均匀的问题，或单一采用空冷空气流量大风机功耗大的问题，达到较好的冷却效果。
8)移动床采用非等截面布置，其上部流通面积与下部流通面积之比为2.5:1，保证各截面的空气流速小于该截面的临界流化风速，使炉渣颗粒均匀下落，解决炉渣颗粒在进入移动床时可能被气流吹出移动床的问题。
9)由于锅筒内的水蒸发变为过热蒸汽的整个过程中，饱和水变为饱和蒸汽所吸收的热量所占比例较大，因此在粒化仓和移动床布置水冷壁，采用强制循环的方式，可以有效增大锅炉蒸发受热面的换热面积，促进水蒸发变为过热蒸汽，使余热锅炉的受热面布置更为合理，换热效果更好。
10)本发明实现了高炉渣高温段快冷，低温段缓冷的分段冷却方式，既保证了玻璃体含量高于95%，确保了炉渣的资源化利用，又降低了风量，还提高了热空气的能量品质。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。
图1是本发明一种干式粒化液态熔渣的余热回收系统示意图；
图2是本发明余热锅炉的循环示意图；
图3a是本发明离心粒化器结构示意图；图3b为图3a的俯视图。
图中：1.粒化仓；2.移动床；3.余热锅炉；4.渣管；5.离心粒化器；6.环形风口；7.电机；8.粒化仓水冷壁；9.振动给料器；10.密封阀；11.移动床水冷壁；12.供气装置；13.气腔；14.鼓风机；15.一次除尘器；16.二次过热器；17.一次过热器；18.省煤器；19.强制循环泵；20.自然循环水冷壁；21.锅筒；22.喷水减温器；23.汽轮机；24.凝汽器；25.二次除尘器；26.给水泵；27.除氧器；28.排气风机；29.冷却塔；30.烟囱。
具体实施方式
下面结合附图对具体实施方式加以说明：
请参阅图1至图3b所示，本发明一种干式粒化液态熔渣的余热回收系统，由粒化仓1、移动床2和余热回收系统三部分组成。
粒化仓1内表面布置有粒化仓水冷壁8，外表面覆有保温材料；粒化仓1顶部中心设有渣管4，渣管4伸入粒化仓1内；渣管4的末端下方设有离心粒化器5，离心粒化器5通过下部的电机7带动进行旋转；所述离心粒化器5采用浅盘结构，中心设有导流锥51，四周设有弧形肋片52，离心粒化器5边缘切线与水平面呈45°夹角。离心粒化器5旁侧设有送风管道，离心粒化器5与送风管道间形成环形风口6，由环形风口6喷出的气流对渣管4排出的液态熔融渣辅助粒化和对流换热。
在粒化仓1的下部设有移动床2，移动床2内表面布置有移动床水冷壁11，外表面覆有保温材料，在移动床2的顶部设有出风口，底部设有排渣装置，在排渣装置的上方设置有进风装置。进风装置包括设置于移动床2底部外侧的鼓风机14，移动床底部设置有气腔13，鼓风机14连通气腔13，气腔13连通离心粒化器5旁侧的送风管道和移动床底部的供气装置12。排渣装置包括设置在移动床2底部的振动给料器9和密封阀10，经过冷却的颗粒到达移动床2底部后经振动给料器9振动排料到密封阀10，然后由密封阀10排出。移动床2采用非等截面布置，上部流通面积与下部流通面积之比为2.5:1。
余热回收系统包括一次除尘器15、余热锅炉3、二次除尘器25、排气风机28、烟囱30、给水泵26、省煤器18、锅筒21和汽轮机23。一次除尘器15、余热锅炉3、二次除尘器25、排气风机28和烟囱30依次连接；一次除尘器15连接移动床2顶部的出风口。给水泵26的出水口依次连接省煤器18和锅筒21；锅筒21通过安装有强制循环泵19的管道连接移动床水冷壁11和粒化仓水冷壁8，粒化仓水冷壁8的出水返回进入锅筒21进行循环；锅筒21的顶部通过管道依次连通余热锅炉3的一次过热器17、余热锅炉3的二次过热器16和汽轮机23，汽轮机23的出口连通给水泵26的进水口，进行循环使用。一次过热器17和二次过热器16之间设有喷水减温器22，避免进入二次过热器16的蒸汽超温。汽轮机23的出口依次通过凝汽器24和除氧器27连通给水泵26的进水口。
参照图1和图2所示，本发明一种干式粒化液态熔渣的余热回收系统的干式粒化方法：温度约为1450℃液态的高温熔渣由渣管4进入粒化仓1内，高温熔渣落在转速为400~1000r/min直径为200mm的离心粒化器5上，液态熔渣在离心粒化器5离心力和环形风口6的10m/s的风速的共同作用下，液态熔渣粒化为直径约为2mm的球形颗粒渣，颗粒渣在粒化仓1内的飞行的过程中，由于高温颗粒在辐射换热和对流换热的共同作用下温度迅速下降到固化温度以下，在这个快速的冷却过程中，使熔体来不及析晶而玻璃化，形成的玻璃体含量可达95%以上。同时环形风口6供入的冷风对电机7起到一定的保护作用，延长了电机寿命。固化后的高温熔渣颗粒进入移动床2，温度约为1000℃的高温熔渣颗粒同移动床2内通过供气装置12鼓入的空气和周围的移动床水冷壁11进行换热，高温熔渣在到达移动床底部时温度降至100℃左右，由振动给料器9振动排料到密封阀10，然后由密封阀10排出颗粒直径约为2mm的固体颗粒。在移动床2中的这个换热过程中，实现了颗粒和空气换热的逆流布置，提高了换热效率和出口气体的能量品质。
参照图1所示，本发明方法中空气流程：室温状态的空气由鼓风机14鼓入熔渣冷却系统，在熔渣冷却系统底部分三路进入，一路进入中间的环形风口6，另外两路分别进入两边的移动床2中，进入移动床2的空气在气腔13的分配后进入供气装置12，由供气装置12向移动床2内供气，空气在移动床2内与高温固体颗粒对流换热，在移动床2出口的空气温度达到900℃，与粒化仓1出口的空气汇集后排出移动床2，进入余热锅炉3。其中通过控制环形风口6的流量控制粒化仓出口的空气的温度与移动床出口空气的温度相同，避免不同温度空气汇集所产生的损。进入余热锅炉3的空气先经过一次除尘器15，避免空气中的粗颗粒渣在余热锅炉3受热面上积灰，影响换热效果。经过除尘的高温空气经过二次过热器16、一次过热器17、省煤器18和自然循环水冷壁20的换热之后温度降至80℃左右进入二次除尘器25。二次除尘器25采用立式多管旋风分离除尘，将气体系统中的小颗粒炉渣进行分离，达到保护排气风机28的目的。换热之后的空气经排气风机28和烟囱30排向大气。
参照图1、图2所示，本发明方法中水流程：给水由给水泵26给入省煤器18，经省煤器18加热后的锅炉给水进入锅筒21，锅筒21内的水循环分两部分，一部分在余热锅炉3的自然循环水冷壁20进行自然循环，另一部分经强制循环泵19进入移动床水冷壁11和粒化仓水冷壁8进行强制循环，锅筒21内的饱和蒸汽经过一次过热器17和二次过热器16后达到汽轮机23所需的过热蒸汽参数进入汽轮机23进行发电，在一次过热器17和二次过热器16之间设有喷水减温器22，避免进入二次过热器的蒸汽超温，发电后的水蒸汽经凝汽器24、除氧器27后再次进入给水泵26，完成余热锅炉的水循环。
利用根据本发明的针对液态熔渣的干式粒化系统，在熔渣粒化过程中无新水消耗，无H2S、SO2等有害气体排放，同时可以有效地回收熔渣余热来用于发电等。此外，经过处理的熔渣富含玻璃体还可以作为建材原料而加以利用。
Claims (8)
1.一种干式粒化液态熔渣的余热回收系统，其特征在于，包括粒化仓（1）、移动床（2）和余热回收系统；
粒化仓（1）内表面布置有粒化仓水冷壁（8）；粒化仓（1）顶部中心设有渣管（4），渣管（4）伸入粒化仓（1）内；渣管（4）的末端下方设有离心粒化器（5），离心粒化器（5）连接其下部的电机（7）；离心粒化器（5）旁侧设有送风管道，离心粒化器（5）与送风管道间形成环形风口（6）；离心粒化器（5）采用浅盘结构，中心设有导流锥（51），四周设有弧形肋片（52），离心粒化器（5）边缘切线与水平面呈45°夹角；
粒化仓（1）的下部设有移动床（2），移动床（2）内表面布置有移动床水冷壁（11）；在移动床（2）的顶部设有出风口，底部设有排渣装置，在排渣装置的上方设置有进风装置；
余热回收系统包括依次连接的一次除尘器（15）、余热锅炉（3）、二次除尘器（25）、排气风机（28）和烟囱（30）；一次除尘器（15）连接移动床（2）顶部的出风口；所述余热回收系统还包括给水泵（26）、省煤器（18）、锅筒（21）和汽轮机（23）；给水泵（26）的出水口依次连接省煤器（18）和锅筒（21）；锅筒（21）通过安装有强制循环泵（19）的管道连接移动床水冷壁（11）和粒化仓水冷壁（8）进行强制循环；锅筒（21）的顶部通过管道依次连通余热锅炉（3）的一次过热器（17）、余热锅炉（3）的二次过热器（16）和汽轮机（23），汽轮机（23）的出口连通给水泵（26）的进水口；一次过热器（17）和二次过热器（16）之间设有喷水减温器（22）；汽轮机（23）的出口通过凝汽器（24）和除氧器（27）连通给水泵（26）的进水口。
2.根据权利要求1所述的一种干式粒化液态熔渣的余热回收系统，其特征在于，进风装置包括设置于移动床（2）底部外侧的鼓风机（14），移动床底部设置有气腔（13），鼓风机（14）连通气腔（13），气腔（13）连通离心粒化器（5）旁侧的送风管道和移动床底部的供气装置（12）。
3.根据权利要求1所述的一种干式粒化液态熔渣的余热回收系统，其特征在于，排渣装置包括设置在移动床（2）底部的振动给料器（9）和密封阀（10）。
4.根据权利要求1所述的一种干式粒化液态熔渣的余热回收系统，其特征在于，移动床（2）采用非等截面布置，移动床（2）的上部流通面积与下部流通面积之比为2.5:1。
5.根据权利要求1所述的一种干式粒化液态熔渣的余热回收系统，其特征在于，余热锅炉（3）包括与锅筒（21）连接进行自然循环的自然循环水冷壁（20）。
6.根据权利要求1所述的一种干式粒化液态熔渣的余热回收系统的干式粒化方法，其特征在于：液态的高温熔渣由渣管（4）进入粒化仓（1）内落在离心粒化器（5）上，液态熔渣在离心粒化器（5）旋转的离心力和离心粒化器（5）旁侧的环形风口（6）的风速的共同作用下，粒化为球形颗粒渣；固化后的球形颗粒渣进入移动床（2），同移动床（2）内通过供气装置（12）鼓入的空气和周围的移动床水冷壁（11）进行换热后掉落至移动床（2）底部，由移动床（2）底部的振动给料器（9）振动排料到密封阀（10），然后由密封阀（10）排出。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：移动床（2）顶部的热空气先经过一次除尘器（15）除尘，然后经过余热锅炉（3）的二次过热器（16）、一次过热器（17）、省煤器（18）和自然循环水冷壁（20）的换热之后进入二次除尘器（25），经过二次除尘器（25）除尘后的空气经排气风机（28）和烟囱（30）排出。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：给水泵（26）给入的水经省煤器（18）加热后进入锅筒（21），锅筒（21）内的水循环分两部分，一部分在余热锅炉（3）的自然循环水冷壁（20）进行自然循环；另一部分经强制循环泵（19）进入移动床水冷壁（11）和粒化仓水冷壁（8）进行强制循环；锅筒（21）内的饱和蒸汽经过一次过热器（17）和二次过热器（16）后进入汽轮机（23）进行发电；一次过热器（17）和二次过热器（16）之间设有喷水减温器（22）；汽轮机（23）发电后的水蒸汽经凝汽器（24）、除氧器（27）后再次进入给水泵（26）。
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