CN107287370B - 干式粒化回收高炉渣余热的“双淬”装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了干式粒化回收高炉渣余热的“双淬”装置和方法，属于冶金技术领域。本发明结合“以风淬渣”和“以粉淬渣”技术，形成可兼顾换热介质热品质和渣粒品质的“双淬法”，进而提供一种密闭环境下采用干式粒化方式高效回收高炉渣余热和生产高品质渣粒的装置和方法。方法中的气粉两相流可在粒化窑窑体上部有限空间内形成大量弥散的低温异相核，以冲击粒化器上部的高温熔渣层，进而促进其滴化和凝固。应用本发明可有效提高干式粒化工艺换热介质的输出温度和粒化区渣滴的冷却速率，从而提高渣粒的玻璃体含量。
Description
技术领域
本发明属于冶金技术领域，特别属于高炉渣热量回收和资源化利用技术范畴，具体涉及一种采用干式粒化方式高效回收高炉渣余热和生产高品质渣粒的“双淬”装置，以及利用该装置回收高炉渣余热和生产高品质渣粒的方法。
背景技术
从化学组成和排放温度来看，高炉渣既是一种高品位的硅酸盐资源，又是储量巨大的优质余热资源。目前世界主要产铁国对高炉渣的回收利用率已达95％以上，其中对高炉渣的回收利用的主要工艺是将高炉渣经水淬急冷，而后简单加工制成具有较高附加值的硅酸盐水泥原料。传统的水淬工艺虽然实现了高炉渣的增值利用，但却无法避免诸如水资源消耗严重、含硫气体排放量大以及高温熔渣余热基本无法回收等问题。因此，水淬法实现了高炉渣的资源化利用但却忽视了环境效益，是一种仅适用于特定工业发展阶段的过渡性高炉渣处理工艺。针对水淬工艺的根本缺陷，自20世纪70年代，前苏联、英国、瑞典、德国、日本以及澳大利亚等国陆续开展了冶金熔渣干式粒化余热回收的相关研究，并提出了一系列工艺流程。干式粒化是一种在基本不消耗水资源的前提下，将液态熔渣迅速破碎凝固为细小颗粒，并利用空气作为储热介质与渣粒充分接触换热，从而回收熔渣余热和高品质渣粒材料的处理方法。从节能和环保可持续发展的角度讲，干式粒化工艺无疑更加符合国家关于建设资源节约型和环境友好型社会的要求，也代表着高炉渣余热回收技术的发展方向。
传统水淬工艺以水淬渣，冷却速率大，可有效限制高炉渣冷却结晶，使得水淬后沙状水渣的玻璃体含量大于90％，满足高品质水泥原料对水硬胶凝性的要求。对于干式粒化工艺来说，换热介质为热容较小的空气，若仅强调换热介质的输出温度，即其热品质，就需要控制气体流量，延长换热介质与高温渣粒的接触时间，这就影响渣滴的冷却速率，进而导致渣粒中玻璃体含量下降。另一方面，若要获得细度和品质均满足水泥制备要求的渣粒，就必须增大气体流量，提高冷却速率，这又会导致换热介质热品质的下降。因此，如何兼顾换热介质热品质和渣粒品质已成为提高干式粒化工艺的竞争力并进一步实现工业化所必须解决的关键问题之一。
发明内容
本发明提供一种采用干式粒化方式高效回收高炉渣余热和生产高品质渣粒的装置和方法。图1为本发明所述成套装置的高炉渣处理设备结构及平面布置示意图，图2是图1的B部分局部放大图，如图1和图2所示，本发明装置由粒化窑窑体1、储渣罐2、喷粉罐3、鼓风机4、分流阀5、振动筛6、除尘器7、粒化器8、支撑墩9、变频电机10、布风板11、螺旋排料机12、粒化窑气体出口13、熔渣管道14、上密封阀15、放散阀16、均压阀17、均压管18、滑动水口19、下密封阀20、喷粉式熔渣导入管21、粒化窑送风管道22、喷粉罐送风管道23、喷粉罐出口24、气粉两相流输送管道25、粒化窑气体输出管道26、除尘灰输送皮带27、低温渣粒输送皮带28、筛下渣粉输送皮带29、筛上渣粒输送皮带30、除尘器气体输出管道31、高温熔渣32、滞留渣粒33、支撑杆齿轮34、动力传送杆35、传送杆齿轮36、支撑杆轴承37、传动杆轴承38、支撑杆39组成，其中：粒化窑窑体1上部的粒化区中安装有可自由旋转且为圆盘状的粒化器8，粒化器8下部固定安装有支撑杆齿轮34，支撑杆齿轮34的下部安装有支撑杆39，支撑杆39的下部顶端通过支撑杆轴承37转动固定在位于粒化器8正下方且在具有同一中心线的支撑墩9上，支撑墩9穿过布风板11安装固定在粒化窑窑体1的底板上；动力传送杆35的一侧穿过粒化窑窑体1的侧壁并通过其端点与固定在窑外适当位置的变频电机10的电机轴相联接，动力传送杆35的另一侧端部固定安装有与支撑杆齿轮34相互啮合的传送杆齿轮36，动力传送杆35该侧端部通过传动杆轴承38转动固定在支撑墩9的侧面上，支撑杆轴承37和传动杆轴承38均焊接固定在支撑墩9上；粒化窑窑体1下部的换热区亦为渣粒临时贮藏区域，区域底部安装有布风板11，布风板11上均匀分布多个通风孔；粒化窑窑体1顶部外侧安装有储渣罐2，储渣罐2顶部与熔渣管道14相连通，熔渣管道14上安装有上密封阀15；储渣罐2底部安装有顺次与滑动水口19和下密封阀20相连通、并深入到粒化窑窑体1上部粒化区的喷粉式熔渣导入管21；储渣罐2顶部侧面设有放散阀16和均压管18，均压管18的另一端通过均压阀17与粒化窑窑体1顶部相连通，粒化窑气体出口13安装在粒化窑窑体1的顶部侧面，并通过粒化窑气体输出管道26与除尘器7相连通；除尘器7上部设有除尘器气体输出管道31，下部出口处设有除尘灰输送皮带27，除尘灰输送皮带27和低温渣粒输送皮带28均与振动筛6相配合；振动筛的筛下和筛上分别设有筛下渣粉输送皮带29和筛上渣粒输送皮带30；粒化窑窑体1底部侧面安装有螺旋排料机12；鼓风机4的前端安装有分流阀5，分流阀5的出风管道分别与粒化窑送风管道22和喷粉罐送风管道23相连；喷粉罐3底部的喷粉罐出口24通过气粉两相流输送管道25与喷粉式熔渣导入管21相连通。
前述装置中喷粉罐3、鼓风机4、振动筛6以及除尘器7的结构与普通喷粉罐、鼓风机、振动筛以及除尘器基本相同；前述装置中也可以单独设立各自独立的鼓风机4分别为粒化窑窑体1或喷粉罐3供风。
本发明提供一种使用前述的回收高炉渣余热和生产高品质渣粒装置的操作方法，该方法主要包括如下步骤：
(1)鼓风喷粉。开动鼓风机4，鼓风机4鼓出的气体经其前端安装的分流阀5一部分气体经由粒化窑送风管道22鼓入粒化窑窑体1底部参与气体换热，另一部分作为载气经由喷粉罐送风管道23输送至喷粉罐3内，并带动喷粉罐3内的粉体自喷粉罐出口24经由气粉两相流输送管道25和喷粉式熔渣导入管21喷入粒化窑窑体1上部的粒化区，在有限空间内形成大量弥散的低温异相核，用于冲击自粒化器8上部流入的高温熔渣32，促进其滴化和凝固；其中所述喷粉罐出口24气粉两相流的固气比为1:5～1:50，供粉速度为2～60kg/min，粒化窑窑体1上部粒化区的粉剂和熔渣之比为1:100～3:10；
(2)液渣粒化。首先打开放散阀16，使储渣罐2内压强与外部环境一致，然后打开上密封阀15，高温熔渣32经熔渣管道14和上密封阀15注入位于粒化窑窑体1顶部的储渣罐2内，当高温熔渣32的液面上升到罐内临界液位后，依次关闭上密封阀15和放散阀16；为防止储渣罐2内熔渣流入粒化窑窑体1之前悬渣，需要打开均压阀17，利用均压管18使粒化窑窑体1内压强与储渣罐2内一致，之后关闭均压阀17；启动变频电机10，通过动力传送杆35上的传送杆齿轮36带动与之啮合的支撑杆齿轮34，并通过支撑杆齿轮34带动粒化器8高速旋转，同时依次打开滑动水口19和下密封阀20，使高温熔渣32通过滑动水口19、下密封阀20和深入到粒化窑窑体1上部粒化区的喷粉式熔渣导入管21流至粒化器8上，并在粒化器高速旋转和由喷粉式熔渣导入管21喷入的气粉两相流联合作用下被快速粉碎并粒化。储渣罐2设有均压和放散装置，以保障储渣罐2和粒化窑窑体1压强一致，以此实现粒化窑窑体1内密闭高压环境下高温熔渣的连续粒化作业。所述高温熔渣为1300℃到1550℃的高炉渣，但必须指出，本发明不仅可以处理高炉炼铁渣，还可以处理温度为1400℃到1650℃的转炉、电炉或精炼炉等产生的炼钢渣；
(3)气体换热。来自鼓风机4的冷风经由粒化窑送风管道22鼓入粒化窑窑体1底部，通过布风板11的多个气孔通道后逐渐上升，首先在粒化窑窑体1下部的渣粒临时贮藏区域内与温度为100℃到900℃的滞留渣粒33充分接触换热，再上升到位于粒化窑窑体1上部的粒化区参与熔渣的粒化，然后经由粒化窑窑体1顶部侧面的粒化窑气体出口13和粒化窑气体输出管道26进入除尘器7经由除尘器气体输出管道31排出，除尘器7引出的热风温度为600℃以上，引出热风或用于余热锅炉发电，或就近供给高炉热风炉使用；
(4)窑体排渣。开动位于窑体底部侧面的螺旋排料机12和窑体外部的低温渣粒输送皮带28，将位于粒化窑窑体1下部渣粒临时贮藏区域的低温渣粒输送至振动筛6，所述低温渣粒的排出温度为100℃以下，渣粒直径为10mm以下；
(5)渣粒筛分。来自除尘灰输送皮带27和低温渣粒输送皮带28的除尘灰和低温渣粒经振动筛6筛分后，筛上部分由筛上渣粒输送皮带30输出，其筛上渣粒的直径为1～10mm，为炉渣干式粒化产品，可用于生产建筑水泥、肥料或装饰材料使用；筛下物均为直径为1mm以下的渣粉，由筛下渣粉输送皮带29输送至喷粉罐3内。
本发明将“以风淬渣”和“以粉淬渣”技术结合在一起，联合使用，形成可兼顾换热介质热品质和渣粒品质的“双淬法”，进而提供一种密闭环境下采用干式粒化方式高效回收高炉渣等高温冶炼废渣余热和生产高品质渣粒的装置和方法。本发明所述方法的突出优点在于
(1)方法中实现的气粉两相流可在粒化窑窑体上部有限空间内形成大量弥散的低温异相核，以冲击粒化器上部流入的高温熔渣，并在圆盘状的粒化器8的共同作用下，促进其快速滴落粉化和凝固。
(2)应用本发明所述的装置和方法，可有效提高干式粒化工艺换热介质的输出温度和粒化区渣滴的冷却速率，即，提高渣粒的玻璃体含量，其中当粉剂-熔渣比为1:5时热风输出温度提高可达200℃，粒化区渣滴冷却速率提高超过90％。
(3)本发明所述装置和方法对转炉、电炉或精炼炉等产生的高温熔渣同样适用，具体使用时同样可以达到比较理想的使用效果，进而具有比较广泛的推广使用价值。
附图说明
图1为本发明所述成套装置的高炉渣处理设备结构及平面布置示意图。
图2是图1的B部分局部放大图。
附图标记说明如下：
1为粒化窑窑体，2为储渣罐，3为喷粉罐，4为鼓风机，5为分流阀，6为振动筛，7为除尘器，8为粒化器，9为支撑墩，10为变频电机，11为布风板，12为螺旋排料机，13为粒化窑气体出口，14为熔渣管道，15为上密封阀，16为放散阀，17为均压阀，18为均压管，19为滑动水口，20为下密封阀，21为喷粉式熔渣导入管，22为粒化窑送风管道，23为喷粉罐送风管道，24为喷粉罐出口，25为气粉两相流输送管道，26为粒化窑气体输出管道，27为除尘灰输送皮带，28为低温渣粒输送皮带，29为筛下渣粉输送皮带，30为筛上渣粒输送皮带，31为除尘器气体输出管道，32为高温熔渣，33为滞留渣粒，34为支撑杆齿轮，35为动力传送杆，36为传送杆齿轮，37为支撑杆轴承，38为传动杆轴承，39为支撑杆。
具体实施方式
结合以下2个实施例，对本项发明进行详细阐述，但必须指出，本发明内容并不局限于以下实施例。
实施例1
参照图1，作为本发明所述的采用干式粒化方式高效回收高炉渣余热和生产高品质渣粒的“双淬”装置和方法的一个示例性实施例，对本项发明的相关内容加以重点说明。
该实施例所采用的装置和方法与前述内容完全一致，需要补充说明的是：
(1)、储渣罐的设计和操作。储渣罐2位于粒化窑窑体1顶部，为耐火材料砌筑，其顶部两侧面分别设有放散阀16和均压阀17。为防止熔渣通过熔渣管道14和上密封阀15导入储渣罐2之前悬渣，首先打开放散阀16，使储渣罐2内压强与外部环境一致，然后打开上密封阀15，向储渣罐2内注入熔渣，当高温熔渣32的液面上升到罐内临界液位后，依次关闭上密封阀15和放散阀16；为防止储渣罐2内熔渣流入粒化窑窑体1之前悬渣，首先打开均压阀17，使粒化窑窑体1内压强与储渣罐2内一致后关闭均压阀17，并依次打开滑动水口19和下密封阀20。
(2)、喷粉式熔渣导入管的设计。喷粉式熔渣导入管21安装于储渣罐2底部，并深入到粒化窑窑体1上部的粒化区。喷粉式熔渣导入管21为套筒结构，内管为外覆绝热材料和高强度钢套的耐火材料管，是储渣罐2中高温熔渣的下行通道，外管材质为高强度钢，来自喷粉罐3的气粉两相流经由内管和外管间的环形通道喷入粒化窑窑体1上部的粒化区。
(3)、粒化窑窑体和粒化器的设计。为降低热量损失并维持结构稳定，粒化窑窑体1材质由内向外依次为耐火砖、绝热材料和高强度钢板。距粒化窑窑体1上部粒化区喷粉式熔渣导入管21的下方中心部位一定距离安装粒化器8。粒化器8为耐火材质转盘，其下部为与窑体外变频电机10联动的动力传送杆35并由支撑墩9支撑。
(4)、换热介质热品质和渣粒品质的调节。可通过改变粒化操作参数来调节换热介质热品质和渣粒品质。例如，通过滑动水口19调节熔渣流量，通过鼓风机4的分流阀5调整粒化窑窑体1和喷粉罐3的供风比，通过螺旋排料机12调节渣粒在渣粒临时贮藏区域的滞留时间，通过喷粉罐3的操作参数调节粒化区内粉剂-熔渣比，通过振动筛6调节喷粉罐3内粉剂的粒度以及通过粒化器8的运行参数调节粒渣尺寸等。
(5)、本发明所述装置和方法不仅可以处理高炉炼铁熔渣，还可以处理转炉、电炉或精炼炉等产生的炼钢熔渣。
以某厂日产750吨熔渣的1000m3级小型高炉为例，取熔渣排出温度1450℃，比热容1.05kJ·kg-1·℃-1，粒化窑换热效率65％，过程热损失10％，渣粒排出温度100℃，热风比热容1.12kJ·kg-1·℃-1，单纯“以风淬渣”工艺热风输出温度600℃。经计算可知，粒化窑窑体上部粒化区的粉剂-熔渣比为1:20时，较单纯“以风淬渣”工艺，应用本发明所述方案后，热风输出温度提高41℃，粒化区渣滴冷却速率提高14％；粉剂-熔渣比为1:10时，热风输出温度提高87℃，粒化区渣滴冷却速率提高32％；粉剂-熔渣比为1:5时，热风输出温度提高206℃，粒化区渣滴冷却速率提高96％。
实施例2
与前述实施例1基本相同，不同之处在于用于炼钢渣的处理，具体为：收集炼钢流程产生的炼钢熔渣，如转炉、电炉或精炼炉等产生的熔渣，经相应成分调整后，注入储渣罐中进行生产。
Claims (2)
1.一种干式粒化回收高炉渣余热的“双淬”装置，其特征在于，所述装置由粒化窑窑体(1)、储渣罐(2)、喷粉罐(3)、鼓风机(4)、分流阀(5)、振动筛(6)、除尘器(7)、粒化器(8)、支撑墩(9)、变频电机(10)、布风板(11)、螺旋排料机(12)、粒化窑气体出口(13)、熔渣管道(14)、上密封阀(15)、放散阀(16)、均压阀(17)、均压管(18)、滑动水口(19)、下密封阀(20)、喷粉式熔渣导入管(21)、粒化窑送风管道(22)、喷粉罐送风管道(23)、喷粉罐出口(24)、气粉两相流输送管道(25)、粒化窑气体输出管道(26)、除尘灰输送皮带(27)、低温渣粒输送皮带(28)、筛下渣粉输送皮带(29)、筛上渣粒输送皮带(30)、除尘器气体输出管道(31)、高温熔渣(32)、滞留渣粒(33)、支撑杆齿轮(34)、动力传送杆(35)、传送杆齿轮(36)、支撑杆轴承(37)、传动杆轴承(38)和支撑杆(39)组成，其中：粒化窑窑体(1)上部的粒化区中安装有可自由旋转且为圆盘状的粒化器(8)，粒化器(8)下部固定安装有支撑杆齿轮(34)，支撑杆齿轮(34)的下部安装有支撑杆(39)，支撑杆(39)的下部顶端通过支撑杆轴承(37)转动固定在位于粒化器(8)正下方且在具有同一中心线的支撑墩(9)上，支撑墩(9)穿过布风板(11)安装固定在粒化窑窑体(1)的底板上，动力传送杆(35)的一侧穿过粒化窑窑体(1)的侧壁通过其端点与固定在窑外适当位置的变频电机(10)的电机轴相联接，动力传送杆(35)的另一侧端部固定安装有与支撑杆齿轮(34)相互啮合的传送杆齿轮(36)，动力传送杆(35)的该侧端部通过传动杆轴承(38)转动固定在支撑墩(9)的侧面上，支撑杆轴承(37)和传动杆轴承(38)均焊接固定在支撑墩(9)上，粒化窑窑体(1)下部的换热区亦为渣粒临时贮藏区域，区域的底部安装有布风板(11)，布风板(11)上均匀分布多个通风孔，粒化窑窑体(1)的顶部外侧安装有储渣罐(2)，储渣罐(2)的顶部与熔渣管道(14)相连通，熔渣管道(14)上安装有上密封阀(15)，储渣罐(2)的底部安装有顺次与滑动水口(19)和下密封阀(20)相连通、并深入到粒化窑窑体(1)上部粒化区的喷粉式熔渣导入管(21)，储渣罐(2)的顶部侧面设有放散阀(16)和均压管(18)，均压管(18)的另一端通过均压阀(17)与粒化窑窑体(1)的顶部相连通，粒化窑气体出口(13)安装在粒化窑窑体(1)的顶部侧面，并通过粒化窑气体输出管道(26)与除尘器(7)相连通，除尘器(7)上部设有除尘器气体输出管道(31)，下部出口处设有除尘灰输送皮带(27)，除尘灰输送皮带(27)和低温渣粒输送皮带(28)均与振动筛(6)相配合，振动筛的筛下和筛上分别设有筛下渣粉输送皮带(29)和筛上渣粒输送皮带(30)，粒化窑窑体(1)的底部侧面安装有螺旋排料机(12)，鼓风机(4)的前端安装有分流阀(5)，分流阀(5)的出风管道分别与粒化窑送风管道(22)和喷粉罐送风管道(23)相连，喷粉罐(3)的底部的喷粉罐出口(24)通过气粉两相流输送管道(25)与喷粉式熔渣导入管(21)相连通；所述喷粉式熔渣导入管(21)为套筒结构，内管是所述储渣罐(2)中高温熔渣的下行通道，来自所述喷粉罐(3)的气粉两相流经由所述内管和外管间的环形通道喷入所述粒化窑窑体(1)上部的粒化区，所述高温熔渣(32)通过所述喷粉式熔渣导入管(21)流至所述粒化器(8)上。
2.一种使用如权利要求1所述的干式粒化回收高炉渣余热的“双淬”装置的操作方法，该操作方法主要包括如下步骤：
开动鼓风机(4)，鼓风机(4)鼓出的气体经其前端安装的分流阀(5)一部分气体经由粒化窑送风管道(22)鼓入粒化窑窑体(1)的底部参与气体换热，另一部分作为载气经由喷粉罐送风管道(23)输送至喷粉罐(3)内，并带动喷粉罐(3)内的粉体自喷粉罐出口(24)经由气粉两相流输送管道(25)和喷粉式熔渣导入管(21)喷入粒化窑窑体(1)上部的粒化区，在有限空间内形成大量弥散的低温异相核，用于冲击自粒化器(8)上部流入的高温熔渣(32)，促进其滴化和凝固，其中，所述喷粉罐出口(24)气粉两相流的固气比为1:5～1:50，供粉速度为2～60kg/min，粒化窑窑体(1)上部粒化区的粉剂和熔渣之比为1:100～3:10；
打开放散阀(16)，使储渣罐(2)内压强与外部环境一致，然后打开上密封阀(15)，高温熔渣(32)经熔渣管道(14)和上密封阀(15)注入位于粒化窑窑体(1)顶部的储渣罐(2)内，当高温熔渣(32)的液面上升到罐内临界液位后，依次关闭上密封阀(15)和放散阀(16)，打开均压阀(17)，使粒化窑窑体(1)内压强与储渣罐(2)内一致，之后关闭均压阀(17)，启动变频电机(10)，通过动力传送杆(35)上的传送杆齿轮(36)带动与之啮合的支撑杆齿轮(34)，并通过支撑杆齿轮(34)带动粒化器(8)高速旋转，同时依次打开滑动水口(19)和下密封阀(20)，使高温熔渣(32)通过滑动水口(19)、下密封阀(20)和深入到粒化窑窑体(1)上部粒化区的喷粉式熔渣导入管(21)流至粒化器(8)上，并在粒化器高速旋转和由喷粉式熔渣导入管(21)喷入的气粉两相流联合作用下被快速粉碎并粒化，所述高温熔渣为1300℃到1550℃的高炉渣；
来自鼓风机(4)的冷风经由粒化窑送风管道(22)鼓入粒化窑窑体(1)底部，通过布风板(11)的多个气孔通道后逐渐上升，首先在粒化窑窑体(1)下部的渣粒临时贮藏区域内与温度为100℃到900℃的滞留渣粒(33)充分接触换热，再上升到位于粒化窑窑体(1)上部的粒化区参与熔渣的粒化，然后经由粒化窑窑体(1)顶部侧面的粒化窑气体出口(13)和粒化窑气体输出管道(26)进入除尘器(7)经由除尘器气体输出管道(31)排出，除尘器(7)引出的热风温度为600℃以上；
开动位于窑体底部侧面的螺旋排料机(12)和窑体外部的低温渣粒输送皮带(28)，将位于粒化窑窑体(1)下部渣粒临时贮藏区域的低温渣粒输送至振动筛(6)，所述低温渣粒的排出温度为100℃以下，渣粒直径为10mm以下；
来自除尘灰输送皮带(27)和低温渣粒输送皮带(28)的除尘灰和低温渣粒经振动筛(6)筛分后，筛上部分由筛上渣粒输送皮带(30)输出，其筛上渣粒的直径为1～10mm，作为炉渣干式粒化产品，筛下物均为直径为1mm以下的渣粉，由筛下渣粉输送皮带(29)输送至喷粉罐(3)内。
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