CN104949535A - 一种熔渣余热回收系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种熔渣余热回收系统，包括盘式离心粒化单元和氨分解制氢单元，能够高效利用高炉熔渣富含的余热，且提供一种换热效果好、高效紧凑的氨分解器。本发明利用熔渣干法粒化产生的高温空气，为氨分解器中的氨分解提供热量，产生的氨分解气体可以作为一种良好的保护气体，或者经纯化处理得到高浓度的氢气，有助于提高能源利用效率，实现节能减排。
Description
技术领域
本发明属于余热能回收技术领域，涉及高炉熔渣干法粒化余热回收技术，特别涉及一种基于高效氨分解器的高炉熔渣复合氨分解制氢系统。
背景技术
中国是钢铁生产和消费大国，据中钢协会统计，2015年1、2月份，全国共生产13052.35万吨粗钢，而钢铁工业的快速发展也给我们生存环境带来严重的污染。钢铁行业具有高能耗、高排放和搞污染等特点，中国钢铁行业能耗约占全国总能耗的10％～15％。高炉渣是钢铁工业主要的副产品，每1吨钢铁约产生300kg高炉渣，其出炉温度在1450℃～1550℃左右，每吨渣约含有1.8×106kJ的余热(从1500℃冷却至50℃计算)。2014年中国粗钢产量约8.23亿吨，产生高炉渣约2.47亿吨，如果将这些余热全部回收利用，其所含的热量相当于1500万吨标准煤(1吨标准煤＝29307.6千焦)，减排2300万吨CO2和大量SO2、H2S等大气污染物。因此，有效地回收熔渣余热，减少钢铁行业对环境的污染，在能源紧缺且环境问题日益严重的今天显得十分重要。
高炉熔渣的处理主要采用湿法和干法两种粒化工艺，湿法粒化产生的大量水蒸气直接排入大气，浪费了高炉渣含有的大量显热，同时生成污染性酸性气体。干法粒化是依靠空气或其他传热介质与高炉渣直接或间接接触实现炉渣冷却、粒化的工艺，可以节约水资源，减少污染物排放。高炉熔渣干式粒化方法主要有机械破碎、风淬和离心粒化等，离心粒化具有单体设备简单、布置紧凑、处理能力大等的优点，其粒化室内空气与高炉渣直接接触，并吸热形成高温空气，温度可达800℃以上，高温空气可用于干燥、蒸汽发电、预热。
目前，作为21世纪的绿色新能源，氢能具有热值高、无污染和可再生等特点，成为国内长期研究和发展的重点之一。氢气的主要生产工艺有电解水制氢、含氢化物分解制氢，太阳能制氢和生物制氢等，其中氨作为一种储氢原料，在常压、650～800℃高温和催化剂作用下分解率可达99％以上，并且液氨价格低廉，氨分解反应无副反应发生，但需要消耗较高的热量。氨分解的基本装置包括汽化器、氨分解炉、加热器、气体纯化装置等，液态氨经汽化器汽化，氨气通过加热器升至高温，在催化剂作用下分解得到75％H2和25％N2，每公斤的液氨产生2.6m3的混合气。由于离心空气粒化出来的空气最高可达800℃以上，通过预热处理，可以满足氨分解的要求。
发明内容
本发明提供了一种新型的熔渣余热回收系统，它利用高炉渣干法粒化技术得到的高温空气作为加热源，将氨气分解得到氮氢混合气体，该氨分解产生的混合气体可以作为一种良好的保护气体，或者经纯化处理得到高浓度的氢气，有助于提高能源利用效率，实现节能减排。
本发明所采用的技术方案，其特征在于：
一种新型熔渣余热回收系统，包括盘式离心粒化单元和氨分解制氢单元，其特征在于：
所述盘式离心粒化单元包括转盘、电机、余热锅炉、颗粒捕集器。颗粒捕集器为圆筒状，外层进行保温处理，内衬材料为耐火砖，其顶部设有进料口和出气口，出气口与除尘器相连。转盘位于颗粒捕集器中部，高炉熔渣由管道输送至转盘上方。粒渣收集槽位于颗粒捕集器底部，熔渣出口下方为传送带。所述的粒渣收集槽中的渣粒可以进一步处理，通过传送带，输送至余热锅炉，用于回收熔渣剩余的热量，这部分热量用来汽化液氨。所述的出气口设有热电偶。
所述氨分解制氢单元包括液氨储罐、汽化器、氨分解炉、换热器、冷却器、干燥器、高压储气罐和高压气泵。所述的液氨储罐与汽化器相连，液氨汽化后回到液氨储罐顶部，通过储罐出气口输送至换热器入口。所述换热器采用管壳式换热器，氨气走管程，换热器管程出口与氨分解炉进气口相连。氨分解炉产生的氢气、氮气和少量氨气混合气体通过气体管路经由换热器壳程与氨气进料进行换热。换热器管程的出口与冷却器的入口相连，冷却后的混合气体经由气体管道输送至干燥器。所述的干燥器另一端与高压气泵相连，干燥后的混合气体由高压气泵输入高压储气罐储存。
所述的盘式离心粒化单元，其除尘器出口与氨分解器的空气进口链接。
所诉的氨分解制氢单元，其氨分解器包括壳体和设于壳体内的异形板式反应器，所述的反应器采用逆流式换热结构，异形通道流入高温空气，氨分解通道流入的氨气，所述的氨分解通道分为换热和反应两部分，所述的氨分解通道反应部分为板翅式结构，并且翅片表面涂有氨分解所需的反应催化剂，氨气经过换热部分升温达到分解所需的温度，然后通过反应部分进行反应，所述的壳体进行保温处理，氨分解通道出口设有热电偶传感器。
所述的异形通道和氨分解通道换热部分均由封条、异形板和翅片组成，翅片与异形板之间采用镍基钎焊，异形板上采用冲压成型的凸球面或导流片作为导流结构，其中上下两异形板上的凸球面呈交错分布。
所述的氨分解制氢单元，其汽化器采用水浴式汽化器，所述汽化器内液相与液氨储罐内液氨的液位处于同一水平面，液氨储罐的压力维持在0.4～0.6MPa，液氨储罐内液氨的容积控制在液氨储罐容积的1/2左右。
所述的氨分解制氢单元的材料可为316或316L不锈钢以及其他防腐耐高温和导热性能好的材料。
所述的液氨储罐和换热器之间连接一个减压阀门，确保进入氨分解器内氨气的压力在0.05～0.1MPa。
所述的氨分解制氢单元，其液氨储罐和高压储气罐设有压力传感器。
所述的氨分解制氢单元，其高压储气罐上设有输出阀门。
本发明具有以下有益效果：
(1)采用高炉熔渣干法粒化处理后的高温空气作为热源，可以有效地利用工业废热为氨分解提供热量，实现高炉熔渣的余热回收。
(2)氨分解器内部采用板翅式结构，氨分解反应通道内部采用涂有催化剂涂层的翅片结构，能够将传热与反应结合在一起，不仅增加了传热面积，而且减使得设备更为紧凑。
(3)熔渣经过干法粒化处理后，输送至余热锅炉，回收熔渣剩余的显热，提高能源利用效率。
附图说明
图1为本发明实施例的系统流程图。
图2为本发明氨分解器的结构示意图。
图3为本发明氨分解器的零部件图。
图4为本发明氨分解器的零部件爆炸图。
图5为本发明微通道的结构示意图。
具体实施方案
以下结合附图及实施例对本发明进一步详细说明。
如图1所示，本发明的新型熔渣余热回收系统，包括盘式离心粒化单元101和氨分解制氢单元102，盘式离心粒化单元101包括颗粒捕集器4、电机34、转盘9、余热锅炉33、除尘器13，氨分解制氢单元102包括氨分解器17、换热器19、液氨储罐20、汽化器22、冷却器25、干燥器30和高压储气罐27。具体操作过程如下：
空气进口3与颗粒捕集器4底端链接，颗粒捕集器4呈圆筒状，高温液态熔渣由进料口6，经过熔渣槽7和接管8流入位于颗粒捕集器4中部的转盘9中，沿转盘9边缘离心脱离，转盘9通过传动轴10与电机34相连，熔渣液膜在转盘9边缘破碎和断裂，形成的渣粒与空气进口3通入的空气换热并迅速凝固，颗粒捕集器4阻止粒渣向外飞离，同时，颗粒捕集器4内表面有一层耐火砖5，粒渣碰撞到颗粒捕集器4之后落入颗粒捕集器4底部的粒渣收集槽35，由熔渣出口2输送至传送带1，换热后的高温空气由出气口12输送至除尘器13进行除尘，确保高温空气中含有微量的灰尘。所述的粒渣收集槽35中的渣粒可以进一步处理，通过传送带1，输送至余热锅炉33，用于生产热水。
所述的液氨储罐20与水浴式汽化器22相连，液氨汽化后回到液氨储罐20顶部，通过储罐出气口输送至换热器19入口，水浴式汽化器22的热水入口与余热锅炉33的热水出口连接，阀门31和32用来控制热水流量，用来确保足量的氨气提供给氨分解器17，不必要的热水可以通过阀门31排放，汽化之后的氨气走换热器19管程，换热器19管程的出口与氨分解器的氨分解通道入口24连接，氨分解器氨分解通道出口16与换热器19壳程入口相连，分解之后的氮气、氢气和微量的氨气混合气体预热氨气，然后混合气体经换热器19壳程出口流向冷却器25，冷却之后的混合气体经干燥器30干燥之后通入高压储罐27储存，高压气泵29为氮气和氢气的混合气体储存提供足够的动力，高压储罐27设有阀门28和压力表26，阀门28向外输入本发明系统生产的混合气体，压力表26用来监控高压储罐27的压力变化，当压力超过10MPa时，系统停止运行；所述的氨分解器17热源由盘式离心粒化单元产生的高温空气提供，高温空气经过除尘器13之后，进入氨分解器17，所述的氨分解器17异形通道走高温空气，氨分解器异形通道入口14与除尘器13连接。
本发明的氨分解器17的结构示意图如图2所示，分解器包括壳体48和设于壳体48内的异形板式反应器36，所述的反应器36采用逆流式换热结构，异形通道流入高温空气，氨分解通道流入的氨气，所述的壳体的外部包裹保温材料，氨分解通道出口16设有热电偶传感器15。壳体48的顶端开设有氨分解通道出口16，底端开设有氨分解通道入口24，左端开设有异形通道入口14，右端开设有异形通道出口18。壳体48采用314不锈钢，异形板式反应器36可采用316、316L等耐腐蚀、耐高温材料。
图3和图4分别为氨分解器17的零部件图和爆炸图，异形通道由封条42、封条44、异形板41和翅片43组成，翅片43可以为锯齿形、三角形、波纹形和多孔形，氨分解通道分为换热和反应两部分，氨分解通道换热部分由封条39、翅片38和异形板37组成，氨分解通道的反应部分为一段翅片式的微通道40，通道40的翅片46上涂有氨分解所需的反应催化剂45(如图5所示)。
本发明水浴式汽化器22与液氨储罐20内液氨的液位处于同一水平面，液氨储罐20的压力维持在0.4～0.6MPa，液氨储罐20内液氨的容积控制在液氨储罐20容积的1/2左右，液氨储罐20出来的氨气经减压阀47减压之后输入换热器19，确保氨分解器17内氨气的压力在0.05～0.1MPa。
本发明氨分解器17中，翅片38与异形板37、翅片43与异形板41采用镍钎料焊接。异形板37和41上采用冲压成型的凸球面或导流片作为导流结构，其中上下两异形板上的凸球面呈交错分布(如图3所示)。
下面将综合描述本实施例中熔渣余热回收系统的工作过程：
如图1所示，熔渣干法粒化产生的高温空气通过除尘器13之后，为氨分解器17中的氨分解提供热量；汽化器22和液氨储罐20产生一定压力的氨气，氨气经过换热器19之后通入氨分解器17；氨分解器17分解之后的混合气体通过换热器19来预热氨气，然后经过冷凝器25和干燥器30处理，通入高压储气罐27储存。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本发明的核心在于氨分解器和该熔渣余热回收系统，可以运用到钢铁工业的余热回收中。本发明的保护范围包括本发明原理和宗旨的前提下任何替换、变型、改进和润饰。
Claims (6)
1.一种熔渣余热回收系统，其特征在于：包括盘式离心粒化单元和氨分解制氢单元；
所述盘式离心粒化单元，包括颗粒捕集器(4)、电机(34)、转盘(9)、粒渣收集槽(35)、余热锅炉(33)、除尘器(13)，其中，
——所述转盘(9)甩出的熔渣与空气换热，预热之后的空气经除尘器(13)处理后作为氨分解的热源，甩出的熔渣由颗粒捕集器(4)和粒渣收集槽(35)收集之后经熔渣出口排出，通过传送带(1)进入余热锅炉(33)，余热锅炉(33)回收高温熔渣残余的热量，这部分热量用来汽化液氨；
所述氨分解制氢单元，包括氨分解器(17)、换热器(19)、液氨储罐(20)、汽化器(22)、冷却器(25)、干燥器(30)和高压储气罐(27)，其中，
——所述汽化器(22)和液氨储罐(20)产生一定压力的氨气，氨气经过换热器(19)之后通入氨分解器(17)，氨分解器(17)分解之后的混合气体通过换热器(19)来预热氨气，然后经过冷凝器(25)和干燥器(30)处理，通入高压储气罐(27)储存。
2.根据权利要求1所述的熔渣余热回收系统，其特征在于：所述氨分解器(17)包括壳体(48)和设于壳体(48)内的异形板式反应器(36)，所述异形板式反应器(36)采用逆流式换热结构，异形通道流入高温空气，氨分解通道流入的氨气，所述的氨分解通道分为换热和反应两部分，所述的氨分解通道反应部分为板翅式结构，并且翅片表面涂有氨分解所需的反应催化剂，氨气经过换热部分升温达到分解所需的温度，然后通过反应部分进行反应，所述壳体(48)进行保温处理，氨分解通道出口(16)设有热电偶传感器(15)。
3.根据权利要求2所述的熔渣余热回收系统，其特征在于：所述异形通道和氨分解通道换热部分均由封条、异形板和翅片组成，翅片与异形板之间采用镍基钎焊，异形板上采用冲压成型的凸球面或导流片作为导流结构，其中上下两异形板上的凸球面呈交错分布。
4.根据权利要求1所述的熔渣余热回收系统，其特征在于：所述氨分解制氢单元的所述汽化器(22)采用水浴式汽化器，所述汽化器(22)内液相与所述液氨储罐(20)内液氨的液位处于同一水平面。
5.根据权利要求1所述的熔渣余热回收系统，其特征在于：所述液氨储罐(20)和所述换热器(19)之间连接一个减压阀门(47)，确保进入所述氨分解器(17)内氨气的压力在0.05～0.1MPa；所述氨分解制氢单元的所述液氨储罐(20)和所述高压储气罐(27)设有压力传感器；所述氨分解制氢单元的所述高压储气罐(27)上设有输出阀门(28)。
6.根据权利要求2所述的熔渣余热回收系统，其特征在于：所述氨分解制氢单元的壳体(48)材料可为304不锈钢，设于所述壳体(48)内的异形板式反应器(36)可为316或316L不锈钢以及其他防腐耐高温和导热性能好的材料。
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