CN105222591B - 环保冶金炉及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种环保冶金炉，包括主炉膛，烧嘴、风口、投料炉炉膛、内设搅拌泵的搅拌泵室，主炉膛与投料炉炉膛、搅拌泵室之间隔墙设有液态金属流道和气体流道，主炉膛的风口有两个，分别为第一连接风口，第二连接风口，所述第一连接风口连通第一降温室，所述第二连接风口连通第二降温室，第一降温室与第二降温室之间设有换向系统，所述换向系统通过排气管道连通环保烟道、通过管道连通鼓风机，第一降温室与第二降温室内设有快速吸热、放热材料，第一降温室与第二降温室各自连通吸风机，投料炉炉膛设有连续投料筒和催化剂输送系统。本技术用于金属冶炼，同时也是二噁英的裂解炉；防止二噁英再生成的同时，将烟气中的余热保留，用于下一循环的助燃空气加热。
Description
技术领域
本发明属于冶金技术领域，涉及一种环保型冶金炉及其使用方法。
背景技术
我国的有色金属工业，尤其是再生有色金属工业，长期以来都属于高污染高能耗的行业。行业中使用的冶金炉不仅能耗高，有害物质排放也高。有害物质中硫化物、氮氧化物和粉尘，现在已经有了成熟的技术，可以通过在冶金炉的排烟系统后面安装相应的脱硫脱销和除尘设备来达到国家环保要求的排放标准。但烟气中含有的剧毒含氯有机化合物二噁英，到目前为止，还没有成熟有效的解决技术。
目前，对于二噁英这类有害物质的处理方式主要有两种方式。第一种是烟气排放系统中加装活性炭吸附设备。这种方式只适合小型系统，而且定期更换活性炭成本高，企业无法负担；再者，活性炭吸附的二噁英并没有消除，还需要二次处理，不处理具有更大的危险性，故而这个技术推广价值不大。
第二种方法是高温裂解法，即建一套高温燃烧系统，将冶金炉排放的烟气收集起来送入高温燃烧系统在高温下使其裂解。这一技术有两个致命缺点:一、系统建设和运行成本很高，代价昂贵，二、二噁英裂解后的产物在300-400度的温度环境下又会大量再生成二噁英，无法达到满意的排放。
由于没有恰当的技术，目前，不仅国内，整个全球金属再生行业二噁英排放都没有有效的控制，在我国已经造成了大量的污染。为此环保部2015年4月出台了国家标准，规定金属再生行业二噁英排放限值为0.5ng/Nm3。
在该标准出台后，中国有色金属行业对于如何达到这个标准，一直处于探讨和论证阶段，没有有效可行的技术。相关企业、行业协会、研究院所也组织了多次讨论，至今仍然没有成熟可靠的技术。
发明内容
本发明的目的在于，为解决上述问题，提供一种环保冶金炉，同时提供该环保冶金炉的使用方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种环保冶金炉，包括主炉膛，主炉膛设置的烧嘴、风口，与主炉膛相邻的还设有投带杂质料的投料炉炉膛、内设搅拌泵的搅拌泵室，主炉膛与投料炉炉膛之间隔墙设有液态金属流道和气体流道，主炉膛与搅拌泵室之间隔墙也设有液态金属流道，投料炉炉膛与搅拌泵室之间隔墙设有液态金属流道,主炉膛的风口有两个，分别为第一连接风口，第二连接风口，所述第一连接风口连通第一降温室，所述第二连接风口连通第二降温室，第一降温室与第二降温室之间设有换向系统，所述换向系统通过排气管道连通环保烟道、通过管道连通鼓风机，第一降温室与第二降温室内设有快速吸热、放热材料，第一降温室与第二降温室各自连通吸风机。
所述换向系统为内部设有换向板的关联通道，换向板可旋转，该关联通道连通鼓风机、第一降温室、第二降温室、排风管道，排风管道连通吸风机，鼓风机抽取的外部空气通过换向板调节实现第一降温室进风、第二降温室排风或第二降温室进风、第一降温室排风的转换。
所述吸风机有两个，分别为第一引风机、第二引风机，第二引风机通过支管连通排风管道。
所述吸风机也可以是一台，其吸风量是第一、第二吸风机的总和，设置为普通和环保状态运行。
所述鼓风机通过鼓风机变频器连接电脑控制柜；所述第一引风机通过第一引风机变频器连接电脑控制柜；所述第二引风机通过第二引风机变频器连接电脑控制柜。
所述投料炉炉膛设有连续加料机、炉门。
所述连续加料机与大气相通。
主炉膛与投料炉膛之间的气体通道上设置有催化剂添加系统.所述投催化剂添加系统与电脑控制柜相连。
所述烧嘴连接有燃料供应管道，燃料供应管道上有燃料流量控制装置，所述燃料流量控制装置通过燃料控制器连接电脑控制柜。
所述燃料控制器内设置有变频器或电控阀门。
该环保冶金炉的使用方法，主炉膛投入干净的金属原料，风口进风、烧嘴进燃气燃烧，金属得以熔化为液态，启动搅拌泵使液态金属从主炉膛→搅拌泵室→投料炉炉膛→主炉膛循环流动起来，向投料炉炉膛加废料，废料遇到高温液态金属产生含二噁英废气，废料熔化为低温液态金属，催化剂添加系统输送雾化的二噁英裂解催化剂进入投料炉炉膛与二噁英废气混合,二噁英废气和低温液态金属通过各自通道进入主炉膛，二噁英废气进入主炉膛在高温和催化剂作用下分解，主炉膛的烟气通过第一降温室或第二降温室降温防止二噁英再生成，吸风机吸烟气然后排到环保烟道；换向系统实现第一降温室进风、第二降温室排风或第二降温室进风、第一降温室排风的转换，进风时快速吸热、放热材料放出热量对空气加热，排风时快速吸热、放热材料吸收热量对烟气降温。换向系统由控制系统自动控制以一定时间间隔进行方向转换。
本发明的有益效果：相较于现有技术，本发明将冶金炉技术、燃烧技术、余热回收技术和有机化工技术科学地创造性地结合在一起，形成一项技术同时解决多项问题，并且互相协调工作。如：
1、冶金炉技术：本技术中冶金炉本身除了用于冶金外，同时也是二噁英的裂解炉。
2、燃烧技术：通常冶金炉燃烧燃料的目的是为了将金属熔化达到生产目的，本技术将同一燃烧过程用于二噁英的热裂解。二噁英的热裂解要求燃烧技术保证炉膛内燃烧区和其它区温差小，即不存在局部高温区和局部低温区，减少二噁英在局部低温区的残留。
3、余热回收技术：在迅速降低含二噁英裂解产物的高温烟气、防止二噁英再生成的同时，将烟气中的余热保留，用于下一循环的助燃空气加热。
4、有机化工技术：催化剂的使用使二噁英的裂解加速，同时降低了二噁英裂解需要的温度环境，消除了炉膛内温度500-800℃的局部空间残留二噁英废气的可能，确保了二噁英的完全裂解。同时也降低了二噁英再生成的温度范围，提高了排放标准。
本技术由电脑控制柜根据投料速度(可以自动获取，也可以人工获取后输入)发出相应指令，改变与鼓风机、引风机和燃料流量控制装置连接的控制设备输出，改变鼓风机、引风机的风量和压力，改变燃料供应装置向炉膛供应的燃料流量，催化剂的输送时间和输送量，以及投料筒的投料速度，从而同时达到以下目的：
1、主炉膛可以吸入投料炉膛的含催化剂和二噁英的废气，投料炉膛可以通过投料筒吸入少量助燃空气。
2、鼓风机提供合适的助燃空气，通过降温室内蓄热材料加温后送入炉膛助燃。引风机可以将主炉膛高温烟气引入降温室，迅速降温。
3、催化剂添加系统适时适量添加催化剂。
4、燃料流量控制装置可以将适当的燃料送入主炉膛参与燃烧，保持炉膛工作温度。
使用本技术可以节省处理设备的投资，降低燃料成本，使再生金属的总处理成本降低，产生可观的经济效益。
附图说明
图1是本发明的结构原理示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，一体地连接，也可以是可拆卸连接；可以是两个元件内部的连通；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参照图1所示，本发明环保冶金炉包括有主炉膛1、投料炉炉膛26、搅拌泵室24。主炉膛1、分别通过第一连接风口2，第二连接风口22连接主炉膛1的第一降温室3与第二降温室20、连接于第一降温室3与第二降温室20之间的换向系统16、与换向系统16连接的鼓风机19以及第一引风机7和第二引风机9、分别与鼓风机19、第一引风机7和第二引风机9连接的电脑控制柜15；其中，还包括一延伸入炉膛的烧嘴21，烧嘴连接有燃料供应管道4，燃料供应管道上有燃料流量控制装置5，燃料流量控制装置5通过通过燃料控制器13连接电脑控制柜15；投料炉炉膛26包含有炉门27(也是人工投料口)、连续加料机25；主炉膛1与投料炉膛26之间的气体通道上设置有催化剂添加系统28；搅拌泵室24内有搅拌泵23。第一降温室3与换向系统16之间通过第一连接管道6连接；而第二降温室20与换向系统16之间通过第二连接管道17连接。换向系统16通过进风管道18连接鼓风机19，通过排风管道8连通第一引风机7，第二引风机9通过支管10连通排风管道8。
第一降温室3与第二降温室20内堆放一定体积和高度的吸放热体。吸放热体材料可以使用市场上的耐高温陶瓷如高铝、刚玉或碳化硅陶瓷，形状可以是小球堆积或使用陶瓷蜂窝体。材料的导热率越高，比热容越大，降温效果越好，使用普通材料，降温室体积相应增大。
换向系统16可用换向阀等装置，也可采用如图所示的换向板结构，换向板转到一个位置，换向板将关联通道分隔为两部分，鼓风机19抽吸的空气进入降温室中的一个，另一个降温室用来排烟气，换向板转到另一个位置，上次进空气的降温室变为排烟气，上次排烟气的变为进空气。
鼓风机19设置有鼓风机变频器11；所述第一引风机7和第二引风机9设置有第一引风机变频器12和第二引风机变频器14。电脑控制柜15通过鼓风机变频器11与鼓风机19相连、通过第一引风机变频器12和第二引风机变频器14与第一引风机7和第二引风机9相连、通过燃料控制器13与燃料流量控制装置5相连。
以再生铝冶炼为例，冶金炉启动的第一阶段，第一批投料投入干净的金属原料入到主炉膛1，电脑控制柜15指令鼓风机变频器11、第一引风机变频器12、以及燃料控制器13处于适当的输出，第二引风机9关闭，这时鼓风机19、第一引风机7的风量和压力与燃料的供应量相匹配，主炉膛1和投料炉膛26内为微正压。同时启动气体循环系统。气体循环系统的换向系统按系统设计时间换向，这时常温空气由鼓风机19鼓风、经过进风管道18、换向系统16、再经过第一连接管道6进入第一降温室3时，第一降温室3内的快速吸热、放热材料快速放热给空气，使空气升温达到900℃以上的高温，经过第一连接风口2进入主炉膛1，该高温空气在主炉膛1内与烧嘴21供应的燃料燃烧形成1000-1100℃的平均炉膛温度；燃烧产物(烟气)经过第二连接风口22进入第二降温室20，第二降温室20内的快速吸热、放热材料迅速吸收烟气中的热量，烟气温度从1200度降低到150度以下，从第二连接管道17、换向系统16、排风管道8和第一引风机7排放到环保烟道中。
当换向系统16换向后，常温空气由鼓风机19鼓风、经过进风管道18、换向系统16、再经过第二连接管道17进入第二降温室20时，第二降温室20内的快速吸热和放热材料由吸热变为快速放热，将热量放给空气，使空气升温达到900℃以上的高温，经过第二连接风口22进入主炉膛1，该高温空气在炉膛内与烧嘴21供应的燃料燃烧形成1000-1100℃的平均炉膛温度；燃烧产物(烟气)经过第一连接风口2进入第一降温室3，这时第一降温室3内的快速吸热和放热材料不再是放热而是快速吸收烟气中的热量，使烟气的温度迅速从1000℃的平均温度降到150℃以下，从第一连接管道6、换向系统16、排风管道8和第一引风机7排放到环保烟道中。
系统在这种状况下持续运行，直到主炉膛1内金属熔化并升温到可顺畅流动温度(铝液为800℃)进入启动的第二阶段。
冶金炉启动的第二阶段，当主炉膛1内金属温度达到可顺畅流动时(铝炉为800℃)，电脑控制柜15发出指令启动搅拌泵23，使液态金属从主炉膛1→搅拌泵室24→投料炉炉膛26→主炉膛1循环流动起来。启动连续加料机25，废料投入投料炉26后遇到高温液态金属产生含二噁英废气。催化剂添加系统28设有催化剂雾化器,启动催化剂添加系统28，将雾化后的催化剂送到主炉膛1和投料炉炉膛26之间的气体通道上。启动第二引风机9、调节燃料控制器13加大燃料的供给，第二引风机9开启后使主炉膛1产生适当负压，将投料炉炉膛26内含催化剂和二噁英烟气吸入主炉膛1，这时投料炉炉膛26也形成负压，从而从连续加料机25的投料筒吸入适量空气；加大燃料供给可以保持主炉膛1内混合气体平均温度不低于1000℃。到此系统进入正常工作阶段。
冶金炉进入正常运行阶段后，搅拌泵23使液态金属从主炉膛1→搅拌泵室24→投料炉炉膛26→主炉膛1循环流动起来。连续加料机25将废料均匀连续投入投料炉炉膛26，循环中的高温液态金属将废料上的杂质加热气化产生含二噁英废气，再熔化金属废料混合成低温液态金属，雾化后的催化剂在主炉膛1和投料炉炉膛26之间的气体通道里与二噁英废气混合，含催化剂和二噁英的废气和低温液态金属通过各自通道回到主炉膛1。
含二噁英的废气进入主炉膛1后，在高温环境下二噁英被催化裂解为无害物质，这时主炉膛1内烟气为含二噁英裂解产物的烟气，这些烟气进入气体循环系统，如前所述，烟气被第一降温室3和第二降温室20轮流迅速降温到150℃以下排放到环保烟道，防止了二噁英的再合成，达到了环保目的。同时降低烟气温度时吸收的热量，被用于加热助燃空气，达到了节能的目的。
第一引风机7和第二引风机9也可以只用一台吸风机，控制其引风量即可。
下面以90吨再生铝熔化炉为例对比说明现有技术与本发明技术的成本情况。
90吨再生铝熔化炉是再生铝行业比较普遍使用的反射型冶金炉，国内大型再生铝企业如上海新格集团(年产熔铸铝合金50万吨)、太仓怡球资源再生股份有限公司(年产熔铸铝合金35万吨)、重庆顺博铝合金股份有限公司(年产熔铸铝合金30万吨)、重庆剑涛铝业有限公司(年产熔铸铝合金6万吨)等都在使用。
一个年产5万吨左右的90吨再生铝熔化炉每天熔化废旧铝材160吨，扣除投料和其他生产过程耗时8小时每天，每小时熔化10吨。每吨废铝熔化时产生平均温度350℃的含二噁英空气1000Nm3，即该炉每小时产生10000Nm3二噁英废气。在传统冶金炉中，二噁英废气的产生是间歇式的，峰值产生量达每小时200000Nm3。
1、分解炉建设成本。分解炉必须要有处理峰值二噁英废气排放量每小时200000Nm3的能力，将峰值排放量200000Nm3/小时的废气升温到850℃以上停留2秒钟，分解炉及其附加设备造价300万元人民币。使用寿命3年，即处理15万吨废铝产生的二噁英废气。即每吨铝摊分20元成本。
2、分解炉燃料成本。要每小时处理10000Nm3二噁英废气，通过燃烧将这10000Nm3的废气温度提升500℃，经过计算需要每小时277m3天然气，由于是间歇式排放，无法采取热量回收利用方式。每小时熔化铝10吨，即每吨铝废料产生废气需要消耗27.7m3天然气才能处理完成。
按广东、江浙等地天然气价格4.2元/m3，每吨燃料成本＝27.7m3×4.2元/m3＝116..34元。加上裂解炉成本两项合计每生产1吨铝合金需要的用于处理二噁英废气的成本高达136.34元。
按上海新格集团每年50万吨计算，每年耗资如下：
136.34元/吨×50万吨＝6817万元。
按重庆地区天然气价格3.0元/m3，每吨燃料成本＝27.7m3×3.0元/m3＝83.1元。加上裂解炉成本两项合计每生产1吨铝合金需要的用于处理二噁英废气的成本高达103.1元。
按重庆顺博铝合金股份公司每年30万吨计算，每年耗资如下：
103.1元/吨×30万吨＝3093万元。
按再生铝行业全国每年1000万吨，平均天然气价格3.5元计算，每年耗资如下：
(27.7m3/吨×3.5元/m3+20元/吨)×1000万吨＝116，950万元。即11亿6千950万元。
本发明的应用，可以节省二噁英处理设备的投资，即每台90吨再生铝熔铝炉可以节省300万元的建设成本，同时每吨再生铝降低103至136元的燃料成本。要达到国家环保排放标准，仅再生铝熔化行业每年全国节省11.695亿元处理成本。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (12)
1.一种节能环保冶金炉，包括主炉膛(1)，主炉膛(1)设置的烧嘴(21)、风口，其特征是：与主炉膛(1)相邻的还设有投带杂质料的投料炉炉膛(26)、内设搅拌泵(23)的搅拌泵室(24)，主炉膛(1)与投料炉炉膛(26)之间隔墙设有液态金属流道和气体流道，主炉膛(1)与搅拌泵室(24)之间隔墙也设有液态金属流道，投料炉炉膛(26)与搅拌泵室(24)之间隔墙设有液态金属流道,主炉膛(1)的风口有两个，分别为第一连接风口(2)，第二连接风口(22)，所述第一连接风口(2)连通第一降温室(3)，所述第二连接风口(22)连通第二降温室(20)，第一降温室(3)与第二降温室(20)之间设有换向系统(16)，所述换向系统(16)通过排气管道连通环保烟道、通过管道连通鼓风机(19)，第一降温室(3)与第二降温室(20)内设有快速吸热、放热材料，第一降温室(3)与第二降温室(20)各自连通吸风机，第一降温室(3)或第二降温室(20)内的快速吸热、放热材料快速放热给空气，使空气升温达到900℃以上的高温，经过第一连接风口(2)或第二连接风口(22)进入主炉膛(1)，该高温空气在主炉膛(1)内与烧嘴(21)供应的燃料燃烧形成1000℃以上的平均炉膛温度，燃烧产物经过第二连接风口(22)或第一连接风口(2)进入第二降温室(20)或第一降温室(3)，第二降温室(20)或第一降温室(3)内的快速吸热、放热材料迅速吸收烟气中的热量；液态金属从主炉膛→搅拌泵室→投料炉炉膛→主炉膛循环流动。
2.根据权利要求1所述的节能环保冶金炉，其特征是：所述换向系统(16)为内部设有换向板的关联通道，换向板可旋转，该关联通道连通鼓风机(19)、第一降温室(3)、第二降温室(20)、排风管道(8)，排风管道(8)连通吸风机，鼓风机(19)抽取的外部空气通过换向板调节实现第一降温室(3)进风、第二降温室(20)排风或第二降温室(3)进风、第一降温室(20)排风的转换。
3.根据权利要求2所述的节能环保冶金炉，其特征是：所述吸风机有两个，分别为第一引风机(7)、第二引风机(9)，第二引风机(9)通过支管(10)连通排风管道(8)。
4.根据权利要求3所述的节能环保冶金炉，其特征是：所述鼓风机(19)通过鼓风机变频器(11)连接电脑控制柜(15)；所述第一引风机(7)通过第一引风机变频器(12)连接电脑控制柜(15)；所述第二引风机(9)通过第二引风机变频器(14)连接电脑控制柜(15)。
5.根据权利要求1所述的节能环保冶金炉，其特征是：所述投料炉炉膛(26)设有连续加料机(25)、炉门(27)，还设有催化剂添加输送系统(28)。
6.根据权利要求5所述的节能环保冶金炉，其特征是：所述连续加料机(25)与大气相通。
7.根据权利要求1所述的节能环保冶金炉，其特征是：所述主炉膛(1)与投料炉膛(26)之间的气体通道上设置有催化剂添加系统(28)。
8.根据权利要求7所述的节能环保冶金炉，其特征是：所述催化剂添加系统(28)与电脑控制柜(15)相连。
9.根据权利要求1所述的节能环保冶金炉，其特征是：所述烧嘴(21)连接有燃料供应管道(4)，燃料供应管道(4)上有燃料流量控制装置(5)，所述燃料流量控制装置(5)通过燃料控制器(13)连接电脑控制柜(15)。
10.根据权利要求9所述的节能环保冶金炉，其特征是：所述燃料流量控制装置(5)设置有燃料控制装置变频器或电控阀门。
11.一种权利要求1所述的节能环保冶金炉的使用方法，其特征是：主炉膛(1)投入干净的金属原料，风口进风、烧嘴(21)进燃气燃烧，金属得以熔化为液态，启动搅拌泵(23)使液态金属从主炉膛(1)→搅拌泵室(24)→投料炉炉膛(26)→主炉膛(1)循环流动起来，向投料炉炉膛(26)加废料，废料遇到高温液态金属产生含二噁英废气，废料熔化为低温液态金属，催化剂添加系统(28)输送雾化的二噁英裂解催化剂进入投料炉炉膛(26)与二噁英废气混合,二噁英废气和低温液态金属通过各自通道进入主炉膛(1)，二噁英废气进入主炉膛(1)在高温和催化剂的作用下分解，主炉膛(1)的烟气通过第一降温室(3)或第二降温室(20)快速降温防止二噁英再生成，吸风机吸烟气然后排到环保烟道；换向系统(16)实现第一降温室(3)进风、第二降温室(20)排风或第二降温室(3)进风、第一降温室(20)排风的转换，进风时空气吸收快速吸热、放热里的热量并带入主炉膛(1)参与燃烧，排风时快速吸热、放热材料吸收烟气热量对烟气降温。
12.根据权利要求11所述的节能环保冶金炉的使用方法，其特征是：换向系统(16)由控制系统自动控制以一定时间间隔进行方向转换。
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