CN103154275B - 冶金炉渣的干法粒化 - Google Patents
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Abstract
本发明描述了一种用于热液态渣的干法粒化的方法,其中,所述热液态渣与固态金属颗粒混合,以形成混合有所述金属颗粒的凝固玻璃状渣饼,压碎所述渣饼以形成热炉渣颗粒和加热的固态颗粒,冷却所述颗粒并且回收所述固态金属颗粒。
Description
技术领域
本发明总体涉及金属工业(更尤其是炼铁工业)的炉渣的干法粒化。
背景技术
通常,冶金炉渣在水内粒化或者在渣场内冷却。水淬火确保冶金炉渣快速凝固,在高炉炉渣的情况下,其为获得有价值产品的必要条件。水首先用于将炉渣流分裂成小颗粒,然后通过直接接触而抽取能量。由于这必须在环境压力下进行,所以炉渣的温度立即降低至低于100°C的温度水平,这就不能有效地回收能量。在渣场内冷却冶金炉渣,需要更长的冷却时间,并且可产生不同的产品质量。因此,热炉渣内的热能量被损失到环境中。
JP2005306656(A)描述了一种用于凝固(固化)熔渣的方法,通过一种简单的方法,可获得没有泡沫或者凝固/收缩孔的优良炉渣铸锭(ingot),并且能够有效地将炉渣用作人工块状石材。当通过将重组的熔渣注入铸模内而凝固炉渣时,通过连续地或间断地将氧化物颗粒放入所注入的炉渣流内,炉渣在铸模内快速凝固。通过压碎由这种方法生成的凝固渣的一部分,从而获得重组的炉渣或压碎的凝固渣,优选地将这种炉渣用作氧化物颗粒。
US4,359,434公开了一种用于将高炉炉渣熔物粒化的方法,将所述熔物成形为至少一个细的熔物液流,该细的熔物液流在预定方向自由移动,并且以预定入射角与相对于熔物流以较高流速在大致一致方向上大致自由流动的细粒度固体颗粒流会合时,该细的熔物液流至少部分转换成大致细粒度的颗粒,这种细粒度的颗粒在与入射角相反的角的至少一部分上具有扇形分布。
对于在炼铁和炼钢行业内理论上具有2t/min的平均炉渣流速的连续操作的高炉而言,炉渣内所包含的热功率(热能)等于56MW(热功率=能含量(1200J/kg/K)*温度差(1400K)*流速(2t/min=33.3kg/s)=56MW)。如果以40%的效率进行转换,那么这就产生22MW的电能。
为了有效地使用这个潜能,需要将炉渣快速冷却到某个温度水平,这个温度水平足够低,以便更容易地处理该材料,但是也足够高,以便将能量保持在可用的水平。也必须注意,足够快并且足够多地降低温度,以便获得玻璃状炉渣,而不产生非晶态炉渣,非晶态炉渣的市场价格低得多(大约15倍)。
通过混合液态渣和相同化学成分的冷炉渣颗粒,可实现这个目标。然后,炉渣可在热交换器内进行热回收。
然而,人们已经发现,由于液态渣具有较高的粘度,所以冷炉渣颗粒和液态渣不容易混合,因此,不能足够快速地冷却液态渣,以便获得玻璃状炉渣。
技术问题
本发明的一个目标在于,提供一种干法炉渣粒化方法。
发明内容
为了实现这个目标,本发明提供了一种用于热液态渣的干法粒化的方法,其中,所述热液态渣与金属颗粒混合,以便形成与所述金属颗粒混合的凝固玻璃状渣饼,将所述渣饼压碎成热炉渣颗粒和加热的固态颗粒,冷却所述颗粒并且回收所述固态金属颗粒
根据一个优选的实施例,首先将热液态渣倒入槽内,然后将固态金属颗粒倒入包含热液态渣的槽内。热液态渣与固态金属颗粒混合,以便形成凝固玻璃状渣饼。首先将液态渣装入槽内,优选地装到槽大约三分之一的高度处,并且然后将固态金属颗粒加入槽内。
固态金属颗粒优选地从大约1m到3m的高度处下降,以便快速有效地混合炉渣和固态金属颗粒。确切的高度(即,颗粒穿过液态渣进入所需要的深度时所需要的精确的能量)取决于炉渣的成分、炉渣的温度、固态金属颗粒的密度和直径等等。
其中倒入有热液态渣和固态金属颗粒的槽优选地整合在槽形皮带输送机内。
固态金属颗粒有利地具有至少2.5g/cm3的密度。由于炉渣和金属颗粒之间的密度的差值,金属颗粒和炉渣彻底地进行混合。
固态金属颗粒优选地为球状,从而具有良好的混合性能并且确保快速有效地冷却炉渣。
固态金属颗粒优选地的直径至少为2mm,优选地大于5mm,并且最优选地大于10mm。
有利地,固态金属颗粒的直径小于80mm,优选地小于50mm,并且最优选地小于25mm。
固态金属颗粒优选地由选自铁、钢、铝、铜、铬、它们的合金、以及与其他金属的合金构成的组中的一种金属制成。
实际上,由于容易获得直径不同的钢球,所以最好使用钢球。
凝固之后,将热炉渣颗粒和加热的固态金属颗粒装入热交换器内,通过冷却气体的对流,冷却这些颗粒,并且从热交换器中排出这些颗粒。
根据一个优选的实施例,将热交换器细分成多个子单元,每个所述子单元具有颗粒入口、颗粒出口、冷却气体入口以及冷却气体出口,其中,至少一个子单元通过颗粒入口而装入热炉渣颗粒和加热的固态金属颗粒,通过所述颗粒出口从所述至少一个子单元中排出冷却的炉渣颗粒和冷却的固态金属颗粒,在装载和排出颗粒的过程中,关闭所述冷却气体入口和所述冷却气体出口,并且其中,在装载和排出颗粒的同时,通过由冷却气体入口而注入冷却气体流并且从所述冷却气体出口中抽出加热的冷却气体流,从而冷却其他子单元中的至少一个,在冷却颗粒的过程中,关闭所述颗粒入口和所述颗粒出口,并且其中,加热的冷却气体用于进行能量回收。
因此,根据本发明的一个优选的实施例的方法提出了,使用热交换器,其包括不连续地进行操作的多个子单元。由于在热交换器的出口处有利地获得恒定的热气流,以便确保最有效地使用发电周期,所以通过确保基本上恒定的热气流的方式,交替地操作多个热交换器子单元。有鉴于此,能够获得大致连续的气体处理,这种气体处理与成批式材料处理是分离的。
在一个热交换器子单元处于清空/填充的阶段时的每一刻,在清空/填充的过程中,冷却气体不流过这个热交换器子单元。
将相同数量的颗粒装入交换器内并且从该交换器中提取这些颗粒。同时,没有材料进入或离开其他热交换器子单元;因此,在冷却的过程中,可完全密封这些子单元,与环境隔离。
优选地,通过颗粒入口,将一个子单元装有热炉渣颗粒和加热的固态金属颗粒,同时通过同一个子单元的颗粒出口,排出冷却的炉渣颗粒和冷却的固态金属颗粒。
一旦装满热交换器子单元,就密封颗粒入口和颗粒出口,并且子单元与冷却气体流重新连接,而另一个热交换器子单元可被断开。通过这些热交换器子单元的冷却气体流因此没有任何泄漏,从而防止灰尘和能量离开该系统。因此,在装载和排出炉渣的过程中,仅仅需要将热交换器子单元减压。
根据一个优选的实施例,在装入一个热交换器子单元内之前,首先将热炉渣颗粒和加热的固态金属颗粒装入隔热预处理室(pre-chamber)内。预处理室优选地通过耐火炉衬或石材盒隔热。炉渣的低热导率提供了优异的隔热性能。
在冷却之后以及在从热交换器子单元中排出之后,也可将炉渣颗粒和固态金属颗粒装入一后处理室(post-chamber)内。换言之,因此可这样选择周期时间和颗粒数量,从而可控制热交换器子单元内部的传热,并且将这种传热保持为准稳态。因此,通过相应地选择周期时间,将由热交换器子单元的装载/排出所造成的出口气体温度波动最小化。
根据另一个优选的实施例,热液态渣凝固成渣饼,并且通过将其与固态金属颗粒混合,热液态渣冷却到大约650°C-750°C。有利地,热液态渣与大约相同量的固态金属颗粒混合,优选地,产生一种混合物,该混合物包含大约40%到大约60%的固态金属颗粒。所需要的金属颗粒的量取决于所需要的目标温度、金属颗粒的密度和热容量等等。对于钢球而言,优选40%到60%(总体积的体积百分比)。
优选地,在1.2巴到4巴的压力下操作热交换器子单元,即,在子单元内的炉渣层的底部所测量的绝对压力。
优选地,将渣饼压成颗粒,其粒度为大约40mm-120mm并且体积密度为大约2g/cm3-5g/cm3,优选地,其粒度为大约40mm-90mm并且体积密度为大约2g/cm3-5g/cm3。
附图说明
现在参看附图,通过实例,描述本发明的一个优选的实施例,其中:
图1为根据本发明的方法的一个优选实施例的流程图;
图2为用于热液态材料的干法粒化的第一优选的粒化机/混合器的示意图;
图3为用于热液态材料的干法粒化的第二优选的粒化机/混合器的示意图。
具体实施方式
图1为热液态材料的干法粒化的一个优选实施例的示意图。
在渣沟12或渣桶(slag ladle)(未显示)内运输在大约1500°C温度下具有大约2.7g/cm3密度的热液态渣10,并且以大约0.5t/min到大约4t/min的流速将其传输给粒化机/混合器14。在此粒化机/混合器14内,热液态渣与来自第一储存箱18的固态金属颗粒16混合,该固态金属颗粒具有高达三倍的流速(即,大约1t/min到大约12t/min),该固态金属颗粒的粒度为2mm-50mm,在从环境温度到大约100°C的温度范围内,具有3g/cm3到10g/cm3的体积密度,以便形成渣饼20,该渣饼具有大约4g/cm3的密度以及小于大约800°C的温度。
结果表明,尤其地,钢球适合于用作固态金属颗粒并且容易获得。出人意料地,人们发现,固态金属颗粒从某个高度下降,为其提供足够的动能,以便穿入液态渣内并且均匀地分布在所形成的渣饼的整个高度上。
在整个热液态渣上实现均匀分布固态的金属颗粒时所需要的动能的量取决于炉渣的粘度、颗粒的性质及其密度,并且也取决于其直径。
使用浸入液态渣内的离散颗粒的优点在于,非常有效并且快速地传热,从而快速冷却炉渣并且使其完全玻璃化。
位于第一粒化机/混合器14之上的吸引装置(aspiration device)22回收在混合液态渣和固态金属颗粒的过程中排放的任何尘粒。
以大约4t/min的速率,这样形成的渣饼20排出在耐热输送带24上,并且将其输送至第一破碎机26,在第一破碎机处,压碎渣饼,从而形成粒度小于大约200mm的凝固渣块,金属颗粒混合在其中。
在将渣饼20输送至破碎机26的同时,热感照相机28测量渣饼20的温度,并且如果需要的话,通过喷水器30在渣饼20上洒水,以便将渣饼20的温度调节到大约800°C的温度。
将在其内混合有金属颗粒的凝固渣块从第一破碎机26中传输给浅斗式(bucket apron)输送机32,并且将其输送给第二破碎机34,在第二破碎机中,其内混合金属颗粒的凝固渣块的粒度减小到大约40mm-80mm的尺寸。在预处理室36内收集凝固渣块的这种连续的材料流,其温度为大约700°C,粒度为大约40mm-90mm,并且体积密度为大约2g/cm3-5g/cm3。第二破碎机34是可选的。根据粒化方法和/或炉渣特性,第一破碎机26可用于将粒度减小至小于大约90mm,并且因此不需要第二破碎机。然后,将其内有混合金属颗粒的凝固渣块从预处理室36传输到热交换器38中,在图1中所描述的实施例中,该热交换器包括四个热交换器子单元A、B、C、D,这些子单元以逆流模式进行操作,即,从顶部提供热材料,并且冷却之后,从底部抽出热材料,相反,通过底部注入冷却气体(通常为空气)并且在已经加热之后,从顶部抽出该气体。在空气穿过热交换器时,将空气加热,将热交换器内所包含的炉渣和固态金属颗粒冷却到大约100°C,并且将其排出在后处理室40内。然后,炉渣颗粒与固态金属颗粒分离。用于分离固态金属颗粒和凝固渣的方法可包括压碎和过筛、或者研磨和过筛、研磨和使用磁场等等。所进行的测试表明,凝固渣较脆,并且凝固渣不粘在钢球上。
储存冷却的炉渣,以备后用,而通过管状输送机42将冷却的固态金属颗粒传输至第一储存箱18以及传输至粒化机14,在粒化机处,其与热液态渣混合。
在图1中所描述的实施例中,使用具有四个子单元A、B、C、D的热交换器。
凝固渣块和固态金属颗粒从预处理室36分布到四个不同的热交换器子单元A、B、C、D中,这些子单元的顶部装有材料闸门46并且在底部装有密封盖48。
在热交换器的这些子单元中的一个处于清空/填充阶段(参见图1:热交换器子单元D)时,剩下的三个子单元处于冷却模式(参见图1,运行中的A-B-C)。
一旦将热交换器子单元D装满,就关闭位于顶部的材料闸门46和位于底部的密封盖48,并且致动通过热交换器子单元D的冷却气体流。这个序列中的下一个热交换器子单元然后与气体回路断开,排出冷却的炉渣颗粒和固态金属颗粒,并且将新的热炉渣颗粒和固态金属颗粒传输到子单元内。
在热交换阶段,热交换器子单元所描述的顺序操作允许完全密封热交换器38,与大气隔离,而不将任何气体或灰尘排放到环境中。将每个热交换器子单元减压,并且仅仅在装载和排出炉渣颗粒的过程中,该子单元与气流分离,以便允许进行操作,对传热以及对环境没有任何负面影响。
这样选择周期时间以及一个周期内装载的颗粒量,从而从传热的角度来看,可将其视为准稳态操作,气流内的温度波动非常低。术语“周期时间”在本文中用于描述时间帧,在这个时间帧内,每个热交换器单元与连续气流连接或分离。在冷却过程中,交换器内的颗粒具有一种温度梯度,从在出口处较冷到在入口处较热。因此,应限制在一个周期内装载和排出的颗粒的量,从而在装载/排出之前和之后之间,出口温度差不超过比如50°C。
特别设计热交换器子单元A、B、C、D,并且这些子单元适合于在增压下进行操作,这大幅减少了气流的压力损失,并且同样减少了所需要的鼓风机/压缩机功率,鼓风机/压缩机的作用是使气体通过热交换器和蒸汽发生器循环。在这个配置中,仅仅是在一个子单元减压过程中发生的气体损失必须由同时用作压力控制器的升压鼓风机/压缩机(未显示)补偿。人们估计,将交换器内的压力从1巴增大为3巴(绝对值)时,所需要的鼓风机/压缩机功率降低到大约1/3。
通过气体导管54,将风扇50所产生的气流引入处于冷却模式的三个热交换器子单元内。发生热交换之后,通过热气体导管56,引出加热的气流。在将大约700°C的热气体传输给热交换器以便产生蒸汽60之前,在旋风分离器(cyclone)58内滤出灰尘。将这样产生的蒸汽传输给涡轮机(未显示)和发电机(未显示),以便发电。然后,通过闭环系统内的管道62,将冷却的气体引回到风扇52中。
在处于大约700°C的温度水平时,用于进行发电的热动力循环过程以最佳效率进行操作。而且,这个温度水平提供最佳的灵活性和效率,以便直接进行热量回收。
由于颗粒气体热交换器38连续地运行,所以能够有效地发电。在本实施例中,材料和气流均连续地进入并且离开热交换器。然而,材料和气体处理是分离的:由于在装载和排出的过程中,相关的热交换器子单元与气流分离,所以气体泄漏不再是个问题。因此,在气体流动的过程中,材料在交换器内部不运动,所以可容易地通过密封盖来密封热交换器子单元。
这个概念产生了多个优点。
由于气体和材料流动分离,所以简化热交换器的密封,并且分别消除了环境中的粉尘排放或将其最小化。在冷却操作过程中密封热交换器子单元,消除了气体泄漏的风险,因此,逸出的气体所带走的炉渣颗粒所造成的“喷砂”作用不再是个问题。这就减少了磨损,并且提高了整体操作稳定性和可用性。
将冷却和装载/排放热交换器子单元分离,从而允许在增压的气体回路下操作冷却阶段,这就降低了材料层上的压降以及风扇的能耗。
由于将颗粒的总质量分布给几个(而非一个)热交换器子单元,所以各个子单元具有更小的截面。热交换器子单元的直径减小,这就允许更容易将逆流气流分布在整个截面上。而且,如上所示,可大幅减少泄漏气体的量。由于所需要的风扇功率更低,所以这个组合效应提高总效率。由于热空气的损失减小,所以炉渣粒化方法的总热效率提高。
在这个概念中,不需要不断旋转的部件,实际上不需要旋转阀排出热交换器,仅仅需要一个夹紧式/滑块式/挤压式阀,这就减少了磨损。
虽然降低了总炉渣流速,但是即使一个热交换器子单元发生故障,这个概念也允许连续地进行操作。这就使得,容易对这些热交换器子单元的一个进行维修。而且,这些热交换器子单元的一个上发生意外故障,这不需要停止整个处理。
图2显示了图1中示意性显示的粒化机/混合器14的第一优选的实施例。首先将来自渣沟12的热液态渣64倒入槽形皮带输送机68的槽66内,然后,将固态金属颗粒70倒入包含热液态渣64的槽66内。混合热液态渣64和固态金属颗粒70,以便形成凝固的玻璃状渣饼72。槽形皮带输送机68的每个槽66首先装有液态渣,并且然后前进到第一储存箱18下,以便装有固态金属颗粒,固态金属颗粒降入每个槽66内。凝固之后,如图1中所示,在浅斗式输送机32上清空槽66。
每个槽66首先装有液态渣64,装到其大约三分之一的高度处,并且然后,将固态金属颗粒70引入槽66内。
直径为10mm的固态金属颗粒70从大约2m的高度降落,以便快速有效地混合炉渣64和固态金属颗粒70。
图3显示了图1中示意性显示的粒化机/混合器14的第二优选的实施例。首先将来自渣沟12的热液态渣10倒入槽66'内。虽然图1中的槽固定在输送带24上,但图2的实施例中的槽固定在转筒74上。在第一位置,将槽66'放在渣沟12下面,并且装有液态渣10,装到其大约三分之一的高度处,然后,该槽在箭头76的方向朝着用于固态金属颗粒的第一储存箱18之下的第二位置旋转。将固态金属颗粒70倒入包含热液态渣的槽66'内。通过降落的固态金属颗粒70的动能的作用,混合热液态渣和固态金属颗粒70,以便形成凝固的玻璃状渣饼72。槽66'然后旋转到第三位置,在第三位置,如图1中所示,通过重力的作用,在浅斗式输送机32上清空槽。
转筒74的每个槽66'首先装有液态渣,然后前进到第一储存箱18下方,以便装有固态金属颗粒,固态金属颗粒降入每个槽66'内并且然后进入第三位置,在第三位置,凝固的玻璃状渣饼72从槽66'中掉出。然后,槽66'进一步旋转,直到再次到达第一位置。
图3的实施例的一个优点在于,在相邻的槽之间没有相对运动。槽内可用的冷却时间取决于转筒的直径,由于增加了确保在槽内快速凝固的固态金属颗粒,所以这种冷却时间较短。
文字说明:
10 热液态渣
12 渣沟
14 粒化机/混合器
16 粒状炉渣
18 第一储存箱
20 渣饼
22 吸入装置
24 输送带
26 第一破碎机
28 热感照相机
30 喷水器
32 浅斗式输送机
34 第二破碎机
36 预处理室
38 热交换器
A、B、C、D 热交换器子单元
40 后处理室
42 管状输送机
44 第三破碎机
46 材料闸门
48 密封盖
50 风扇
54 气体导管
56 热气体导管
58 旋风分离器
60 用于蒸汽产生的热交换器
62 管道
64 热液态渣
66、66' 槽
68 槽形皮带输送机
70 固态金属颗粒
72 渣饼
74 转筒
76 旋转方向
Claims (13)
1.一种用于热液态渣的干法粒化的方法,其中,将所述热液态渣与固态金属颗粒混合以形成混合有所述金属颗粒的凝固玻璃状渣饼,压碎所述渣饼以形成热炉渣颗粒和加热的固态颗粒,冷却所述颗粒并且回收所述固态金属颗粒,其中,所述固态金属颗粒的密度是至少2.5g/cm3,并且直径是至少2mm。
2.根据权利要求1所述的用于热液态渣的干法粒化的方法,其中,首先将所述热液态渣倒入槽内,然后将所述固态金属颗粒倒入包含所述热液态渣的所述槽内,并且将所述热液态渣与固态金属颗粒混合以形成凝固玻璃状渣饼。
3.根据权利要求2所述的用于热液态渣的干法粒化的方法,其中,其中倒入有所述热液态渣和所述固态金属颗粒的所述槽整合在槽形皮带输送机内或转筒上。
4.根据权利要求1所述的用于热液态渣的干法粒化的方法,其中,所述固态金属颗粒是球状的。
5.根据权利要求1所述的用于热液态渣的干法粒化的方法,其中,所述固态金属颗粒的直径小于80mm。
6.根据权利要求1所述的用于热液态渣的干法粒化的方法,其中,所述固态金属颗粒由选自铁、钢、铜、铬铝、其合金、以及其与其他金属的合金组成的组中的一种金属制成。
7.根据权利要求1所述的用于热液态渣的干法粒化的方法,其中,将热炉渣颗粒和加热的金属颗粒装入热交换器内,通过冷却气体的逆流来冷却所述热炉渣颗粒和所述加热的金属颗粒,并且从所述热交换器中排出所述热炉渣颗粒和所述加热的金属颗粒,其特征在于,将所述热交换器细分成多个子单元,每个所述子单元具有颗粒入口、颗粒出口、冷却气体入口以及冷却气体出口,其中,所述子单元中的至少一个通过所述颗粒入口装载热颗粒,通过所述颗粒出口从所述子单元中的所述至少一个中排出冷却的颗粒,在所述装载和排出颗粒的过程中,关闭所述冷却气体入口和所述冷却气体出口,并且其中,在装载和排出颗粒的同时,通过经由所述冷却气体入口而注入冷却气体流且从所述冷却气体出口抽出加热的冷却气体流,从而冷却其他子单元中的至少一个,在冷却颗粒的过程中,关闭所述颗粒入口和所述颗粒出口,并且其中,所述加热的冷却气体用于能量回收。
8.根据权利要求7所述的用于热液态渣的干法粒化的方法,其中,将所述炉渣颗粒和所述固态金属颗粒在装入热交换器子单元之前装入预处理室内。
9.根据权利要求7或8所述的用于热液态渣的干法粒化方法,其中,将所述炉渣颗粒和所述固态金属颗粒在从热交换器子单元排出之后装入后处理室内。
10.根据权利要求7或8所述的用于热液态渣的干法粒化的方法,其中,所述子单元中的至少一个通过所述入口而装入所述热炉渣颗粒和所述加热的固态金属颗粒,同时排出冷却的炉渣和金属颗粒。
11.根据权利要求7或8所述的用于热液态渣的干法粒化的方法,其中,在1.2巴到4巴的压力下,操作所述热交换器子单元。
12.根据权利要求1所述的用于热液态渣的干法粒化的方法,其中,所述热炉渣颗粒的温度至少为450℃。
13.根据权利要求1所述的用于热液态渣的干法粒化的方法,其中,通过将所述热液态渣与固态金属颗粒混合而使得所述热液态渣被凝固成渣饼并且将所述热液态渣冷却到650℃-750℃。
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