CN105277004B - 高温熔融炉渣两步法余热回收装置及余热回收方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高温熔融炉渣两步法余热回收装置，包括喷射粒化器、粒化筒体、水渣池；粒化筒体下端插入水渣池内，该粒化筒体下端内外因压力差而形成液位差；粒化筒体的上端与喷射粒化器出料口连接；粒化筒体与一换热器烟道连通，该换热器烟道中设置有蒸发器，蒸发器通过冷凝液下降管和蒸汽上升管与一汽包连接。本发明通过两步法实现余热回收，首先高温熔融炉渣被饱和蒸汽喷射粒化成渣粒并产生过热蒸汽，回收高品位余热；再将渣粒在尚未凝固时进行水淬处理，得到玻璃相含量很高的水渣，进行低品位余热回收。本发明工艺简洁、熔融炉渣余热回收率高、节省能耗、设备少、体积小。可广泛应用于高炉渣、磷炉渣及其它高温熔融炉渣的余热回收。

Description

高温熔融炉渣两步法余热回收装置及余热回收方法

技术领域

本发明涉及磷化工、冶金及节能环保等领域的余热回收系统，尤其涉及一种高温熔融炉渣两步法余热回收装置及余热回收方法。

背景技术

磷化工、冶金及节能环保等领域在生产过程中都产生高温熔融炉渣这一副产品。这些高温熔融炉渣均具有高温、高焓值等特点，属于高品质的余热资源。如高炉渣是高炉炼铁的副产物，其从高炉中排出的温度在1450～1650℃，热焓约为1870MJ/t；从黄磷电炉排出的熔融磷炉渣约1400℃，其热焓为1887.83kJ/kg、比热容为1.256kJ/(kg·℃)。因此，若能做好高温熔融炉渣的余热回收和综合利用，是相关行业节能降耗的有效举措。

在目前的工业生产中，高温熔融炉渣的处理方法主要是采用水淬法，即将高温熔融炉渣从高温炉的排渣口直接排放到敞口的水渣池中。但水淬法处理工艺存在如下隐患和缺点：(1)水淬法需要消耗大量的水来降低其高温；(2)高温熔融炉渣中的一些有害元素会污染水资源和空气；(3)高温熔融炉渣含有大量的高温热能没有回收而被浪费；(4)生产现场的劳动条件恶化，且存在不安全隐患。

据报道，国内外均在致力研究开发高温熔融炉渣的急冷干式粒化工艺，但存在运行成本高，粒化渣的化学活性差，难以满足后期综合利用的需要，设备体积庞大，制造和运行成本高等缺点，制约了其竞争力，所以，至今未见有成功进行工业化生产的报道。急冷干式粒化法主要有如下3种方法：滚筒法、风淬法和离心粒化法。其中，滚筒法存在处理能力不高、设备作业率低、体积庞大等缺点，不适合大规模连续处理高温熔融炉渣；风淬法设备体积庞大、结构复杂，制造、安装困难，造价高，而且动力消耗大；离心粒化法为了加快急冷速度，必须加大冷却介质(通常为空气)的流量，这样会导致回收热量的品质不高，表现为换热后气体的平均温度低，否则，所产生的渣粒因冷却速度太慢而结晶，减少玻璃相的含量，降低其化学活性，影响炉渣的后期综合利用，造成了冷却速度和热回收之间的矛盾。

申请号为201310011276.5的发明专利提供了一种高温熔融炉渣水淬法余热回收装置，包括熔渣排管、水渣槽、水渣槽给水泵及出渣机；在水渣槽的上部设置夹套管，所述夹套管包括由一个环形板隔开的夹套管上段和夹套管下段，夹套管上段与熔渣排管连通，夹套管下段的下部插入水渣槽中；所述蒸发器翅片管束通过冷凝液下降管和蒸汽上升管与一汽包连通；所述夹套管为水夹套管，其中，夹套管下段的出水口与汽包的进水口连通，夹套管上段的汽水进口与蒸发器翅片管束的出口连通，夹套管上段的汽水出口与汽包连通。该发明虽然采用逐级开展高温熔融炉渣热量回收，但其对高温熔融炉渣的处理为在夹套管内进行部分余热回收后，直接送入水渣槽内进行水淬处理，需要消耗大量的水来降低其高温，得到的渣粒品相不好，玻璃相含量不高，高温熔融炉渣含有大量热能回收利用不充分；由于高温熔融炉渣直接进行水淬处理，为加强换热效果，需要在夹套管内通入冷却水或蒸汽进行换热，增加了设备的复杂程度。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，本发明提供一种高温熔融炉渣两步法余热回收装置，该装置先利用饱和蒸汽将高温熔融炉渣进行喷射粒化成渣粒，再将已被粒化的渣粒在尚未凝固时落入水中进行水淬处理。

本发明所提供的高温熔融炉渣余热回收装置，包括水渣池；所述粒化筒体的下端插入所述水渣池内，该粒化筒体下端的内外因压力差而形成液位差；所述粒化筒体的上端与所述喷射粒化器的出料口连接；所述粒化筒体与一换热器烟道连通，该换热器烟道中设置有蒸发器，所述蒸发器通过冷凝液下降管和蒸汽上升管与一汽包连接。高温熔融炉渣流经喷射粒化器时，喷射粒化器内喷出的饱和蒸汽将炉渣粒化成渣粒，渣粒在尚未凝固时落入水渣池内进行水淬处理，得到玻璃相含量很高的水渣。在炉渣粒化和水淬过程中分两步回收余热。

可以在粒化筒体中部一侧开口并与换热器烟道连通，也可以在粒化筒体的侧壁开设多个蒸汽排出口，再将多个蒸汽排出口汇集后与换热器烟道连通，如，在粒化筒体侧壁开有蒸汽排出口的外围加装封闭的外围筒体，再将外围筒体与换热器烟道连通，气体从蒸汽排出口排出后进入外围筒体，从外围筒体进入换热器烟道，开设多个蒸汽排出口可以加快气体流出。

为进一步实现逐级换热，在所述换热器烟道中沿过热蒸汽的流动方向，所述蒸发器的下游设置有省煤器，所述省煤器的进水口与水泵连接，其出水口与所述汽包连接，常温软水泵入省煤器，在省煤器中进行预热后送入汽包内。

所述汽包与一蓄热器连接，所述蓄热器的出汽口与所述喷射粒化器连接。该蓄热器为相变式蓄热器，使得因受生产工艺制约，蒸发器在间歇产汽时，通过蓄热器也能实现连续对外供汽；蓄热器产生的饱和蒸汽一部分为自用蒸汽，供喷射粒化器作为喷射介质，其余全部对外产出蒸汽。

为防止渣粒被过热蒸汽夹带进入换热器烟道内，堵塞依次设置的蒸发器和省煤器，在所述换热器烟道的入口处设置有挡板。

本发明所述喷射粒化器包括料斗、喷孔管和下封头；所述喷孔管的下端开设有向下倾斜的喷孔，该喷孔沿所述喷孔管径向分布；所述喷孔管套在所述料斗外，所述料斗的下端面略高于所述喷孔；所述下封头靠近所述喷孔管下端设置，该下封头与喷孔管之间构成拦截气幕喷气缝，该拦截气幕喷气缝位于喷孔的下方。从高温炉的排渣口排出的高温熔融炉渣，直接落入料斗内，在继续下落到喷射粒化器时，被从喷孔中高速喷出的饱和蒸汽喷射粒化成渣粒，再被下一道从拦截气幕喷气缝内喷出的拦截气幕拦截，使得已被喷射粒化的渣粒，被限制在较小的空间范围内；料斗下端面略高于喷孔，排渣时，喷孔与炉渣之间的间距小，产生的喷射粒化效果好。

在所述喷孔管外安装有外管，所述外管与喷孔管、下封头围成封闭区域，该封闭区域与一饱和蒸汽接管连接。向饱和蒸汽接管内通入饱和蒸汽作为喷射介质，饱和蒸汽进入封闭区域内，并通过喷孔、喷气缝高速喷出。所述喷射粒化器所需的喷射介质，优先采用蓄热器产出的饱和蒸汽，也可采用过热蒸汽或压缩空气。采用低压饱和蒸汽作为喷射介质的好处是：(1)本发明设置有汽包，容易获得低压饱和蒸汽，价格低廉；(2)在100℃时，空气的比热容为1.009kj/kg·℃，而饱和蒸汽的比热容2.0281kj/kg·℃，是空气的两倍多，采用低压饱和蒸汽作为喷射介质比空气更容易快速冷却熔融炉渣而将热量带走。

沿喷孔管径向分布的喷孔可以设置为一周或多周，所述喷孔与重力方向的夹角为10-80°，喷孔直径为1-8mm；所述拦截气幕喷气缝为锥形环缝，缝宽1-8mm，锥度为20-160°。

为进一步实现逐级换热，加强回收效果，在水渣池内，沿池壁优先设置螺旋管换热器，也可以是其它形式换热管排，清洁常温水从螺旋管换热器的下端进入，与水渣池内的不洁热水换热后从上端流出，作为生产或生活用热水，实现低品位余热的回收利用。

优选地，所述蒸发器与汽包所构成的产汽系统采用自然循环或强制循环。

本发明还提供一种高温熔融炉渣两步法余热回收方法，第一步，利用饱和蒸汽作为喷射介质，将饱和蒸汽通入喷射粒化器，由喷射粒化器将高温熔融炉渣喷射粒化成渣粒，在高温熔融炉渣粒化过程中，饱和蒸汽与高温熔融炉渣换热，产生过热蒸汽，实现高品位余热回收；第二步，将已被粒化的渣粒在尚未凝固时落入水中进行水淬处理，在渣粒水淬处理过程中，实现低品位余热回收。

高品位余热回收中，包括喷射粒化时，饱和蒸汽与高温熔融炉渣换热产生的高温饱和蒸汽，还可以包括渣粒在落水进行水淬处理时产生常压饱和蒸汽、该常压饱和蒸汽升腾过程中与下落的高温渣粒作逆向流动并换热变成的低温过热蒸汽。渣粒在水淬处理时与水渣池进行换热，再由水渣池与设置在水渣池侧壁的换热器进行换热，实现低品位余热回收。

本发明工艺简洁、熔融炉渣的余热回收率高、节省能耗、设备少、体积小，与现有技术相比，明显具有如下优点：

(1)利用本系统装置的余热自产蒸汽，作为喷射粒化器的喷射粒化介质，既可节约大量能耗，又大幅减少设备。

(2)喷射粒化器内部设置了喷孔和拦截气幕，喷孔与高温熔融炉渣之间的间距小，所产生的喷射粒化效果佳。另外，从喷孔中喷射出来的饱和蒸汽，在喷入高温熔融炉渣的瞬间，温度急剧上升转变为过热蒸汽，其体积也瞬间急剧膨胀，在高温熔融炉渣内连续不断地发生“微型轻度爆炸”，从而强化了粒化效果，且不会影响安全生产；拦截气幕将已被喷射粒化的渣粒，限制在较小的空间范围内，使得与喷射粒化器配合使用的粒化筒体的体积大为减小，可大幅减小设备体积，节省生产现场的布置空间，降低制造成本，同时也强化了对渣粒的冷却作用。

(3)实现逐级换热，高温熔融炉渣的余热回收率高。

(4)由于喷射粒化后的渣粒在凝固之前就落入水中水淬，渣粒内的玻璃相含量高，满足炉渣后期综合利用的需要。

(5)利用相变式蓄热器，使得因受生产工艺制约，蒸发器在间歇产汽时，通过蓄热器也能实现连续对外供汽。

(6)由于在与过热蒸汽接触的表面，均涂敷了金属搪瓷防腐涂层，有效防止熔炉渣中硫、氟等有害成分对设备的腐蚀作用。

(7)因喷射粒化和水淬处理过程全部在封闭的设备内完成，显著改善了生产现场的劳动条件，安全生产也更有保障。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明所述喷射粒化器结构示意图。

图中：1.料斗进料口，2.喷射粒化器，3.粒化筒体，4.渣粒，5.高温过热蒸汽，6.低温过热蒸汽，7.溢流口，8.螺旋管换热器，9.水渣池，10.挡板，11.换热器烟道，12.蒸发器，13.省煤器，14.水泵A，15.水泵B，16.汽包，17.蓄热器，18.料斗，19.外管，20.喷孔管，21.喷孔，22.下封头，23.拦截气幕锥形缝，24.饱和蒸汽接管。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述：

如图1所示，本发明所提供的高温熔融炉渣余热回收装置，包括喷射粒化器2、粒化筒体3、水渣池9、螺旋管换热器8、换热器烟道11、汽包16、蓄热器17等。粒化筒体3可以是圆形筒体，也可以是方形筒体，粒化筒体3的下端插在水渣池9内，其插入要求为：粒化筒体下端的内外因有压力差而形成液位差，水渣池9内水平面到粒化筒体3下端面的高度大于粒化筒体3内因正压造成水面下降的高度，确保粒化筒体下端始终处于水封状态。粒化筒体3的上端与喷射粒化器2的出料口连接。

水渣池9为混凝土结构，也可以是钢制或砖砌结构，冲渣水从水渣池底部的一侧壁面进入，夹带水渣从另一侧壁面流出，将水渣送到沉渣池，也可采用螺杆或带式排渣机进行排渣。在水渣池9内，沿池壁优选设置螺旋管换热器8，也可以采用其它形式的换热管排，清洁常温水从螺旋管换热器8的下端进入，与水渣池9内的不洁热水换热后从上端流出，作为生产或生活用热水，实现低品位余热的回收利用。水渣池9的侧壁上端设置有溢流口7，当水渣池9内的液面过高时，水从溢流口7流出。

粒化筒体3的一侧与换热器烟道11相通，连通处一般位于粒化筒体3的中部；也可以在粒化筒体的侧壁开设多个蒸汽排出口(图中未示出)，再在侧壁外围设置封闭的外围筒体(图中未示出)，再将外围筒体与换热器烟道连通。沿过热蒸汽在换热器烟道11内的流通方向，依次设置蒸发器12、省煤器13。在换热器烟道11的入口处设置挡板10，防止渣粒被过热蒸汽夹带进入换热器烟道内堵塞蒸发器和省煤器。由于熔融炉渣中含有硫、氟等有害成分，对设备有明显的腐蚀作用，所以，在与其接触的表面，如蒸发器和省煤器的换热管外表面等，均涂敷一层金属搪瓷防腐涂层，防止发生化学腐蚀。

蒸发器12通过冷凝液下降管、蒸汽上升管与汽包16连接，汽包16还与省煤器13的出水口连接，省煤器13的进水口与水泵A 14连接，常温软水通过水泵A 14送入省煤器预热后进入汽包16内。汽包16还与蓄热器17连接，蓄热器17分别连接水泵B 15和喷射粒化器2，软水通过水泵B 15送入蓄热器17。水泵A14、水泵B15都受自动控制装置控制，确保汽包16与蓄热器17内的水位。汽包16与蒸汽上升管、冷凝液下降管和蒸发器12构成自然或强制循环产汽系统，所产蒸汽经蓄热器17实现储存与供汽。从蓄热器17出来的饱和蒸汽，一部分接通到喷射粒化器自用，其余全部对外供汽。过热蒸汽在流过蒸发器12和省煤器13时进行换热，降温后变成乏汽，既吸收了过热蒸汽的显热，又吸收部分潜热，排出的乏汽直接自然排放，也可冷凝回用，进一步提高余热回收率。由于粒化筒体3内的过热蒸汽为正压，足以克服本装置内的系统阻力，从而实现乏汽自然排放，不需要采用引风机，节省动力消耗。

喷射粒化器2可以使用已有的粒化器，如申请号为200910093757.9的发明专利申请中所涉及的粒化器，也可以使用本发明所设计的粒化器。

如图2所示，喷射粒化器2包括料斗18、外管19、喷孔管20、下封头22和饱和蒸汽接管24。由于炉渣温度高，料斗18采用水夹套结构，通水进行冷却，料斗18也可以采用能耐高温氧化的无机非金属材料或其与金属的多层组合材料制成。喷孔管20的下部开有若干向下倾斜的喷孔21，喷孔21沿喷孔管20的径向分布，可以设置一周或多周喷孔21，喷孔21与重力方向的夹角为10-80°，喷孔直径为1-8mm。喷孔管20套在料斗18的外部，并与料斗18焊接，料斗18的下端面略高于喷孔21，高温熔融炉渣从料斗18出料时，可以迅速被喷孔21的喷射的饱和蒸汽粒化。下封头22靠近喷孔管20的下端设置，喷孔管20的下端外锥面与下封头22的内锥面构成拦截气幕锥形缝23，该锥形缝为环形缝，缝宽1-8mm，锥度为20-160°。外管19的上端与喷孔管20的上端外缘焊接，其下端与下封头22的外缘焊接，外管19的侧面与饱和蒸汽管24接通，外管19、喷孔管20与下封头22围成封闭区域，通过饱和蒸汽管24向封闭区域内通入饱和蒸汽作为喷射介质，再从喷孔21、拦截气幕锥形缝23喷出。所述喷射粒化器所需的喷射介质，优先采用饱和蒸汽，也可采用过热蒸汽或压缩空气。

本发明将熔融炉渣的整个处理过程封闭在粒化筒体内进行，分两步完成余热回收：

第一步，采用从蓄热器17出来的一部分饱和蒸汽，接通到喷射粒化器2的饱和蒸汽接管24，作为喷射粒化介质。高温熔融炉渣从高温炉的排渣口排出，直接落入料斗进料口1，在继续下落到喷射粒化器2时，被从喷孔中高速喷出的饱和蒸汽喷射粒化成渣粒，再被从下面一道拦截气幕锥形缝中喷出的拦截气幕拦截，至此，从料斗18中落下的股流状高温熔融炉渣，被饱和蒸汽喷射粒化成渣粒4，同时又被饱和蒸汽快速冷却；饱和蒸汽与熔融炉渣进行高效喷流换热，饱和蒸汽被高温熔融炉渣加热变为高温过热蒸汽5，并夹带着渣粒4进入粒化筒体3。已被粒化的渣粒4和高温过热蒸汽5之间继续进行换热，进一步提高高温过热蒸汽5的过热度。

第二步，已被粒化的渣粒4依靠重力作用落入水渣池中进行水淬处理，并产生常压饱和蒸汽向上升腾，与下落的高温渣粒作逆向流动，并进行辐射和对流换热，使该常压饱和蒸汽变成低温过热蒸汽6。渣粒4在落入水渣池时，与水渣池内的水进行换热，清洁常温水从螺旋管换热器的下端进入，与水渣池内的不洁热水换热后从上端流出，作为生产或生活用热水，实现低品位余热的回收利用。渣粒4在沉至池底时被冲渣水冲到沉渣池，或者渣粒在进入水渣池底部后，用出渣机排出运走。

再将第二步所产生的低温过热蒸汽6与第一步所产生的高温过热蒸汽5汇集起来作为热流体，送入由蒸发器12、省煤器13、相变式蓄热器17、汽包16组成的换热系统；低温过热蒸汽6与高温过热蒸汽5依次流过蒸发器12和省煤器13进行换热，变成乏汽后自然排放或作他用，低温过热蒸汽6与高温过热蒸汽5经过换热系统换热后，产出清洁的饱和蒸汽，可用作本发明的粒化喷射器作喷射介质使用。由于设置了相变式蓄热器17，在熔炉作间歇排渣的情况下，汽包也能连续平稳对外供气。本发明在炉渣粒化和水淬过程中分两步回收余热。

本发明工艺简洁、熔融炉渣余热回收率高、节省能耗、设备少、体积小。可广泛应用于高炉渣、磷炉渣及其它高温熔融炉渣的余热回收。

Claims (12)

1.一种高温熔融炉渣两步法余热回收装置，包括水渣池，所述水渣池侧壁上端设置有溢流口；其特征在于：还包括喷射粒化器、粒化筒体，所述粒化筒体的下端插入水渣池内，该粒化筒体下端的内外因压力差而形成液位差；所述粒化筒体的上端与所述喷射粒化器的出料口连接；所述粒化筒体与一换热器烟道连通，该换热器烟道中设置有蒸发器，所述蒸发器通过冷凝液下降管和蒸汽上升管与一汽包连接；所述喷射粒化器包括料斗、喷孔管和下封头；所述喷孔管的下端开设有向下倾斜的喷孔，该喷孔沿所述喷孔管径向分布；所述喷孔管套在所述料斗外，所述料斗的下端面略高于所述喷孔；所述下封头靠近所述喷孔管下端设置，该下封头与喷孔管之间构成拦截气幕喷气缝，该拦截气幕喷气缝位于喷孔的下方。

2.如权利要求1所述的高温熔融炉渣两步法余热回收装置，其特征在于：所述粒化筒体的中部一侧与所述换热器烟道连通，或者所述粒化筒体的侧壁开设有多个蒸汽排出口，该多个蒸汽排出口汇集后与所述换热器烟道连通。

3.如权利要求1所述的高温熔融炉渣两步法余热回收装置，其特征在于：沿过热蒸汽在所述换热器烟道中的流动方向，所述蒸发器的下游设置有省煤器，所述省煤器的进水口与水泵连接，其出水口与所述汽包连接。

4.如权利要求1所述的高温熔融炉渣两步法余热回收装置，其特征在于：所述汽包与一蓄热器连接，所述蓄热器的出汽口与所述喷射粒化器连接，所述蓄热器产出的饱和蒸汽作为喷射粒化器的喷射介质。

5.如权利要求1所述的高温熔融炉渣两步法余热回收装置，其特征在于：所述换热器烟道的入口处设置有挡板。

6.如权利要求1-5任一权利要求所述的高温熔融炉渣两步法余热回收装置，其特征在于：所述喷孔管外安装有外管，所述外管与喷孔管、下封头围成封闭区域，该封闭区域与一饱和蒸汽接管连接。

7.如权利要求1-5任一权利要求所述的高温熔融炉渣两步法余热回收装置，其特征在于：所述喷孔与重力方向的夹角为10-80°，喷孔直径为1-8mm；所述拦截气幕喷气缝为锥形环缝，缝宽1-8mm，锥度为20-160°。

8.如权利要求1-5任一权利要求所述的高温熔融炉渣两步法余热回收装置，其特征在于：所述喷射粒化器内通入的喷射介质采用饱和蒸汽、过热蒸汽或压缩空气。

9.如权利要求1-5任一权利要求所述的高温熔融炉渣两步法余热回收装置，其特征在于：在所述水渣池内沿池壁设置有螺旋管换热器或其它形式换热管排。

10.如权利要求1-5任一权利要求所述的高温熔融炉渣两步法余热回收装置，其特征在于：所述蒸发器与汽包所构成的产汽系统采用自然循环或强制循环。

11.一种高温熔融炉渣两步法余热回收方法，其特征在于：采用权利要求1-5任一权利要求所述的高温熔融炉渣两步法余热回收装置进行余热回收，第一步，利用饱和蒸汽作为喷射介质，将饱和蒸汽通入喷射粒化器，由喷射粒化器将高温熔融炉渣喷射粒化成渣粒，在高温熔融炉渣粒化过程中，饱和蒸汽与高温熔融炉渣换热，产生过热蒸汽，实现高品位余热回收；第二步，已被粒化的渣粒在尚未凝固时落入水渣池进行水淬处理，在渣粒水淬处理过程中，实现低品位余热回收。

12.如权利要求11所述的高温熔融炉渣两步法余热回收方法，其特征在于：所述高品位余热回收是指，第一步产生的高温过热蒸汽和/或第二步产生的低温过热蒸汽与换热器进行换热；所述低品位余热回收是指，渣粒在水淬过程中与水渣池进行换热，再由水渣池与换热器进行换热。