CN103261443B - 冶金渣的粒化 - Google Patents

Abstract

本发明描述了一种用于粒化热液渣的方法，其中热液渣与固体金属颗粒混合以形成与所述金属颗粒混合的凝固的、玻璃化的渣饼，并在水浴中排出所述渣饼。

Description

冶金渣的粒化

技术领域

本发明总体上涉及来自金属工业以及更具体地来自铁工业的渣的粒化。

背景技术

通常，在水中粒化冶金渣。

水淬火会确保冶金渣的快速凝固（固化，solidification），在鼓风炉渣（blastfurnaceslag）的情况下，其是获得有价值产物的必要条件。水喷流（水射流，waterjet）首先用来将热液渣流分裂成非常小的颗粒并将它们转移进入水浴。通过在热液渣和水之间的直接接触，从热渣收回能量。当此必须在环境压力下发生时，渣的温度被立即降低至低于100°C的温度水平。

在水粒化过程中，包含在热液渣中的硫与水反应并产生二氧化硫（SO₂）和硫化氢（H₂S）。这些毒性和恶臭气体的量主要取决于渣的化学组成和粒化参数。

二氧化硫和硫化氢的浓度可能相对于环境法规是过高的，以致必须采取措施来降低这些排放物至可接受的浓度。

在现有技术中（参见例如，EP0573769、LU88441和/或LU91424，来自PaulWurthS.A.），在粒化区域的上方竖起冷凝塔。在冷凝塔中，用水蒸汽来冷凝SO₂和H₂S，因此与水再结合以形成硫酸（H₂SO₄）。将水泵入冷却塔，其中，由于在湍流条件下与环境空气的接触，硫从热工艺水（hotprocesswater）被部分转移到冷却空气。然而，由于大量的冷却空气，所以仅测得小浓度的SO₂和H₂S（低于1mg/Nm³）。

JP2002308655披露了通过混合热液渣和含铁细粉来调节和控制渣的密度的方法。氧化铁粉的添加会减少截留在熔渣中的氮化颗粒，因而允许获得高密度渣而不依赖于渣的出炉温度（出渣温度，tappingtemperature）。

CN101545018A描述了方法和装置，其中，钢包渣（ladleslag）首先从漏斗进入滚筒渣区域（drumslagarea）。在渣区中存在钢球，并且当滚筒（drum）转动时，钢球会冷却渣。通过钢球，快速除去熔钢和渣的热量，且渣被塑化。在凝固以后，它被滚动钢球携带进入水冷却区。水同时冷却渣和钢球。然后通过滚筒的网格样炉篚（网格样炉条，lattice-likegratebar），它被携带到外筒体，并在外筒中渣被水再次冷却，然后最终排出。在此过程中，由于钢球的快速滚动的影响，渣和钢分离。冷却水的量是1.25T至2T/吨渣。钢球滚动速度是0.5m/s至2m/s。滚动球的速度确保钢球不会被包封在冷却熔钢中。适宜的钢球滚动速度会保证渣的粒化和熔钢的分离。它可以防止在冷却过程中发生结块。

技术问题

本发明的一个目的是提供用于粒化热液渣的方法，其最大限度地减少在热液渣的粒化期间硫排放物（sulfurousemission）的形成。

发明内容

为了实现这个目的，本发明提供了用于粒化热液渣的方法，其中热液渣与金属颗粒混合以形成与所述金属颗粒混合的凝固的、玻璃化的渣饼，以及其中与所述金属颗粒混合的所述渣饼在水浴中被排出，用于进一步冷却，首先将热液渣倒入模具（mold），然后将固体金属颗粒倒入包含热液渣的模具。混合热液渣和固体金属颗粒以形成固体金属颗粒被截留在其中的凝固的、玻璃化的（vitrified）渣饼。

使用浸入液渣中的离散的、固体的、惰性的金属颗粒的优点在于，热传递是非常有效和快速的，以致渣被快速冷却和完全玻璃化以形成包含固体金属颗粒的渣饼。金属颗粒由此被截留在渣饼中。

已经发现，在传统的水或湿粒化中，其中热液渣在约1500°C下接触水（低于100°C）并通过水喷流被破碎成小渣粒，在每个渣粒和周围水之间形成蒸汽层（由于在这些物质之间较高的温度差异）。此现象称作“莱顿弗罗斯特效应（Leidenfrosteffect）”，其中液体，紧密接触显著热于液体沸点的物体（mass），会产生隔热（insulating）蒸汽层，其会显着减慢渣粒的冷却过程。

已经发现，硫排放物的形成大多是通过在渣粒和液态水之间的蒸气层中的硫化物（CaS、FeS、MnS）的分解。

通过按照本发明的方法并以两种方式来最大限度地减少上述效应：

1.当它接触水时，在本方法中的渣的温度远低于在传统水粒化中的温度（约700°C与约1500°C）。因此其中可发生莱顿弗罗斯特效应的时期短得多，从而形成的硫化合物的量低得多。

2.当它接触水时，渣已经是完全玻璃化的，即凝固的。因而水并不如在传统水粒化中（其中在高速下水喷流的冲击会破坏热液渣流）将渣破碎成约1mm的小颗粒。其结果是，可用表面/kg渣（其中可以发生莱顿弗罗斯特效应以及其中硫化合物可以进入蒸汽相）小得多。

上述两种效应的组合会大大地减少在粒化过程中产生的硫化合物的量。

当在本文件中提及渣饼碎片的尺寸时，应理解为意指与给定颗粒具有相同重量的球体的直径。

本发明的进一步的优点在于，在冷却以后，金属颗粒容易与渣分离并且可以再利用于上述过程。

另外，当金属颗粒是惰性的并且并不与渣进行化学反应时，渣的化学组成不会受到影响。

按照一种优选的实施方式，首先用液渣填充模具优选直至其高度的约三分之一，然后将固体金属颗粒引入模具。

优选将其中倒入热液渣和固体金属颗粒的模具整合于槽型带式输送器（troughedbeltconveyor）中。

按照一种优选的实施方式，测量在每个模具中渣的体积并使固体金属颗粒的量适合于在模具中的热液渣的体积，以获得渣的有效和快速凝固和玻璃化。

优选从约1至3m的高度落下（drop）固体金属颗粒以获得渣和固体金属颗粒的快速和有效混合。颗粒穿透液渣至所期望的深度所需要的确切高度，即能量的确切量，取决于渣的组成、渣的温度、固体金属颗粒的密度和直径等。

为了获得固体金属颗粒在渣饼中的良好分布，优选通过振动式滑槽（vibratingchute）、具有固定金属棒的静态装置或类似的分布（分配）装置，将固体金属颗粒分布于模具。

在被排出在水浴中以前，优选将包含固体金属颗粒的渣饼破碎成小于约150mm的渣饼碎片，优越小于约100mm，更优选小于约80mm以及最优选小于约50mm。

可以通过自模具排出渣饼并从一定高度落下包含固体金属颗粒的渣饼碎片到击碎凹板（冲击板，impactplate）上来减小包含固体金属颗粒的渣饼碎片的尺寸。可以以相对于水平方向的约20至30°的角度定位上述击碎凹板。渣饼碎片在击碎凹板上的碰撞点应优选位于在渣饼自模具的排出点下方的约3m至约6m处。

这些渣饼碎片然后落在位于击碎凹板下方的冷流道（coldrunner）上。进一步冷却渣碎片并通过强水喷流（waterjet）洗掉。这种水喷流可以通过普通的PaulWurthSA粒化头（如描述于例如LU88380和/或EP1422299）提供。这些粒化头（造粒机头，granulationhead）可以向水喷流传送约1000m³/h水流量。由水喷流接收的发射自粒化头的渣碎片被投向位于离冷流道的末端一定距离处的第二击碎凹板，然后落在位于冷流道下方的水浴中。

固体金属颗粒有利地具有至少2.5g/cm³的密度。由于在渣和金属颗粒之间的密度差异，因而可以充分混合金属颗粒和渣。

固体金属颗粒优选为球形以具有良好的混合性能和确保渣的快速和有效冷却。

固体金属颗粒优选具有至少5mm的直径，优选大于8mm，更优选大于10mm以及最优选大于15mm。

固体金属颗粒有利地具有小于30mm的直径，优选小于25mm，更优选小于22mm以及最优选小于20mm。

固体金属颗粒优选由金属制成，上述金属选自由铁、钢、铝、铜、铬、它们的合金、以及它们和其它金属的合金组成的组。

在实践中，优选使用实心（solid）钢球，这是因为它们容易获得不同的直径且因为在由例如磁体冷却以后它们可以容易地与渣分离。

结果表明，尤其是钢球适宜作为固体金属颗粒并且容易获得。令人惊讶地发现，从一定高度落下固体金属颗粒会给予它们足够的动能从而透入液渣并且均匀分布于所形成的渣饼的整个高度。

为实现固体金属颗粒在整个热液渣中的均匀分布所需要的动能的量取决于渣的粘度、颗粒的特性和它们的密度以及取决于它们的直径。

附图说明

现将通过举例的方式并参照附图来描述本发明的优选实施方式，其中：

图1是按照本发明的方法的优选实施方式的流程图。

图2示出包含钢球的渣块的照片。

具体实施方式

图1示出热液渣（例如，来自鼓风炉）的粒化装置的优选实施方式的示意图（作业图，flowsheet）。

图2示出包含钢球的渣饼的碎片的照片。

图1示出热液渣（例如来自鼓风炉）的粒化装置10的优选实施方式的示意图。用渣沟（slagrunner）14或渣桶（渣包、渣罐，slagladle）（未示出），以约0.5至约6t/分钟的流速，运送温度约1500°C以及密度约2.7g/cm³的热液渣12。将热液渣12倒入铸渣机（slagcaster）16，其包括模具或槽18，其可以是耐火材料衬里的。铸渣机16可以是槽式输送带。

选择铸渣机16的尺寸以应对来自鼓风炉（未示出）的预计渣体（slagmass）流量。在已将热液渣12倒入铸渣机16的模具18以后，通过雷达探头20进行的水平测量指示在模具18中渣层的高度以能够使固体金属颗粒（在此特定实施例中使用钢球）的质量适应于加入到特定模具18。在模具18内的渣高度通常并不超过模具高度的约三分之一。高度可以加以调整，其取决于热液渣12的特性（温度、粘度、化学组成等）以及取决于其它现场情况。选择在钢球和热液渣12之间的质量比以在混合物中实现所期望的温度。因此，确切的质量比取决于热液渣12的温度和钢球的温度、以及取决于渣的密度和热容量。对于在1500°C下的热液渣12和在30°C下的钢球，必要的质量比（钢球/热液渣）将是约2.4，而相应的体积比将是约0.8。2.4的钢/渣质量比可以确保所形成的渣/钢饼的约700°C的平衡温度（其中渣温度为1500°C以及钢球温度为30°C）。此计算已考虑到钢和渣的密度以及热容量。对于给定密度，2.4的质量比给出0.83的体积比（钢/渣）。

首先用热液渣12填充铸渣机的每个模具18，然后推进在第一缓冲料斗（firstbufferhopper）22下以填充钢球24，将钢球落入每个模具18。从约2m的高度，将钢球24落入模具18以获得热液渣12和钢球24的快速和有效混合。

将钢球24储存在位于铸渣机16上方的第一缓冲料斗22中并利用速度可控的螺旋输送机（screwconveyor）26或速度可控的振动式滑槽来提取。利用振动式滑槽28或静态分布装置，将钢球24均匀分布于它们将落至其上的模具18的整个表面。钢球24的确切尺寸取决于渣的性能和在粒化部位的其它具体条件；然而，在大多数情况下，约10-25mm的中等直径可以是适宜的。

如果有必要或在紧急情况下，安装在铸渣机16的模具18上方的喷水器30可以用来进一步冷却渣饼。

渣和钢球的混合物将快速凝固并形成凝固的、玻璃化的渣饼30（在不到10-20s内）以及达到约700°C的平衡温度。由于钢球24在渣中的良好导热性和均匀分布，在被落出模具18以前，渣饼32将被完全玻璃化。直到此点，预期非常少甚至根本没有硫排放物。

在达到平衡温度以后，需要进一步冷却渣饼32以允许容易分离渣粒和钢球。可以将渣饼32直接落入水浴。在图1所示的实施方式中，首先将渣饼落出模具18到第一击碎凹板34上，此处渣饼32被破碎成更小的碎片。然后将这些渣饼碎片落在位于击碎凹板34下方的冷流道36上。在这里，进一步冷却渣饼碎片32并通过强水喷流38洗掉。该水喷流38可通过具有约1000m³/h水流量的普通的PaulWurthSA粒化头40（如描述于例如LU88380和/或EP1422299）提供。由发射自粒化头40的水流接收的渣饼碎片32被投向位于在冷流道36的末端的一定距离处的第二击碎凹板42，然后落在位于冷流道36和第二击碎凹板42下方的水浴44中。

在图1所示的优选实施方式中，以平均尺寸为约800mm的碎片，渣饼32离开模具18，与第一击碎凹板34的碰撞会减小渣饼碎片34的尺寸至约150mm，并且水喷流38连同在冷流道42末端的第二击碎凹板42处的随后碰撞一起会进一步减小渣饼碎片32至约20-30mm。

利用带式输送机46，最后将渣饼碎片32排出水浴44。这种带式输送机46还承担用于渣饼碎片32的脱水装置（脱水单元）的作用。和通过传统的湿法粒化系统获得的渣粒相比，鉴于渣饼碎片32的相当大的尺寸和它们的低孔隙率，可以实现在带式输送机46上的有效脱水。因此，将不需要另外的脱水装置如脱水仓或INBA滚筒（如描述于例如LU84644、LU84642、和/或LU79466）。

然后将约20-30mm的中等尺寸的渣饼碎片32供入破碎机48，其中压碎包含钢球24的渣饼碎片32以在一方面形成渣粒50并释放包含在渣饼32中的钢球24，因而确保，借助于磁力运输机52可以实现钢球24与渣粒50的有效分离。

在钢球24与渣粒50分离以后，通过带式输送机54，将渣粒50输送到储存区56，而钢球24则被再循环到第一缓冲料斗22。

筛58可以用来消除已磨损或损坏的钢球以及将它们落入位于筛58下方的盒60。用新钢球更换去除的钢球并从第二料斗60供给到第一缓冲料斗22。

通过沸腾热传递来冷却凝固的玻璃化的渣饼32的碎片以及通过位于水浴44上方的烟道66来释放产生的水蒸汽64。

导管68向水浴44提供补充水以补偿蒸发的水。

升压泵70将工艺水（processwater）递送到粒化头40以产生水喷流38。水浴44的温度将是约100°C。

再循环泵72确保有效提取可沉降在水浴44底部的任何细粉（fines）。

在粒化热液渣时，本发明的方法有效地降低到环境的硫排放物。

实际上，除上述论述以外，通过传统的湿法粒化方法获得的平均鼓风炉渣粒可以假定具有大约1mm的直径。在本文描述的方法中，渣饼碎片具有150mm的平均尺寸（在碰撞水喷流以前）和大约20-30mm的平均尺寸（当落在水浴中时）。因此，在此优选实施方式中，用于产生硫排放物的可用渣表面减少20-30的系数（factor）。

图2示出按照本文描述的方法获得的包含钢球24的渣饼32的碎片的照片，其中渣饼碎片是非常紧凑的并具有很少孔。渣的可用于上述化学反应的总表面被进一步减小。另外，钢球的存在进一步减少了暴露的渣表面。

最后，导致产生硫排放物的反应仅可以发生在超过400°C的温度下，这是由于热原因。实际上，用于产生SO₂和H2S的化学反应式可以总结如下：

CaS+3H₂O=CaO+3H₂+SO₂

CaS+H₂O=CaO+H₂S

在低于400°C时，这些反应的平衡强烈地在左侧，以致低于该温度下，基本上没有从渣粒释放硫。

因此，在达到约400°C的温度以后，硫将保持截留在渣饼碎片内。在传统的湿法粒化系统中，必须用水从约1500°C冷却渣，而在按照本发明的粒化中，仅需要用水从约700°C的温度冷却渣饼碎片。由本申请人进行的计算表明，和开始于1500°C达到400°C所需要的冷却时间相比，对于渣表面从700°C开始达到400°C所需要的冷却时间（取决于渣饼碎片的尺寸）为约一半。因此大幅减少了其间可以形成硫排放物的期限。

考虑到所有上述假设，本发明的方法的预期的硫排放物只是在经典湿法粒化中产生的排放物的约1-5%。其结果是，可以满足甚至最严格的环保法律如德国TALuft，而没有冷凝在粒化期间喷射的蒸汽以及无需冷却塔。取而代之，仅用于蒸发的无硫蒸汽的补充水（make-upwater）是必要的以允许连续和低维护操作。

图例：

10粒化装置

12热液渣

14渣沟

16铸渣机

18模具或槽

20雷达探头

22第一缓冲料斗

24钢球

26速度可控的螺旋输送机

28振动式滑槽

30喷水器

32渣饼

34第一击碎凹板

36冷流道

38水喷流

40粒化头

42第二击碎凹板

44水浴

46带式输送机

48破碎机

50渣粒

52磁力运输机

54带式输送机

56储存区

58筛

60盒

62第二料斗

64水蒸汽

66烟道

68导管

70升压泵

72再循环泵。

Claims (14)

1.一种用于粒化热液渣的方法，其中，使所述热液渣与固体金属颗粒混合以形成与所述金属颗粒混合的凝固的、玻璃化的渣饼，以及在水浴中排出与所述金属颗粒混合的所述渣饼，其中首先将所述热液渣倒入模具，并随后将所述固体金属颗粒倒入包含所述热液渣的所述模具，与固体金属颗粒混合，以形成所述凝固的、玻璃化的渣饼，其中，将与所述金属颗粒混合的所述凝固的、玻璃化的渣饼分离成渣粒和固体金属颗粒并且其中回收利用所述固体金属颗粒。

2.根据权利要求1所述的用于粒化热液渣的方法，其中，在将所述固体金属颗粒加入所述模具以前，用热液渣填充所述模具直至三分之一。

3.根据权利要求1所述的用于粒化热液渣的方法，其中，在槽型带式输送器中整合其中倒入所述热液渣和所述固体金属颗粒的所述模具。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的用于粒化热液渣的方法，其中，测量在每个模具中的渣的体积并使固体金属颗粒的量适合于在所述模具中热液渣的体积。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的用于粒化热液渣的方法，其中，从1至3m的高度，将所述固体金属颗粒落入所述模具。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的用于粒化热液渣的方法，其中，通过振动式滑槽，将所述固体金属颗粒分布于所述模具。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的用于粒化热液渣的方法，其中，在所述水浴中被排出以前，将所述渣饼破碎成小于150mm的渣饼碎片。

8.根据权利要求1至3中任一项所述的用于粒化热液渣的方法，其中，从所述模具，将所述渣饼落到位于所述模具下方的第一击碎凹板上并碎裂成渣饼碎片，然后将所述渣饼碎片落到冷流道上并接触水喷流，然后投向在所述冷流道的末端的第二击碎凹板，接着落在所述水浴中。

9.根据权利要求1至3中任一项所述的用于粒化热液渣的方法，其中，使所述渣饼脱水并通过带式输送机转移出所述水浴。

10.根据权利要求1至3中任一项所述的用于粒化热液渣的方法，其中，所述固体金属颗粒是球形的。

11.根据权利要求1至3中任一项所述的用于粒化热液渣的方法，其中，所述固体金属颗粒具有至少5mm的直径。

12.根据权利要求1至3中任一项所述的用于粒化热液渣的方法，其中，所述固体金属颗粒具有小于25mm的直径。

13.根据权利要求1至3中任一项所述的用于粒化热液渣的方法，其中，所述固体金属颗粒由金属制成，所述金属选自由铁、铜、铬、铝、以及它们的合金组成的组。

14.根据权利要求13所述的用于粒化热液渣的方法，其中，所述金属选自钢。