CN107674929B - 一种熔融液态渣粒化及换热的方法及其系统装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种熔融液态渣粒化及换热的方法及其系统装置，包括射流雾化装置、换热器和若干旋风换热器；射流雾化装置与渣沟之间连接有中间渣槽，中间渣槽底部与射流雾化装置之间通过落渣管相连，射流雾化装置外接空压机，空压机与热风炉相连；射流雾化装置出口固定在换热器进口处，并在换热器连接处通过管道连通冷却风入口，冷却风入口通过风道与鼓风机相连，鼓风机入口连接二级旋风换热器和三级旋风换热器，换热器通过气力输送管与一级旋风换热器相连；本发明使用的射流雾化方法对熔融液态渣粒化，具有稳妥、可靠的特点,并且整个熔融液态换热的运转设备少，结构简单，便于集中控制。

Description

一种熔融液态渣粒化及换热的方法及其系统装置

技术领域

本发明涉及一种锅炉，特别涉及一种熔融液态渣粒化及换热的方法及其系统装置。

背景技术

熔融液态渣是冶金行业产量最大的副产品，2016年高炉渣约生产了约2.5亿吨，钢渣约1.0亿吨；熔融液态渣带有大量的显热和潜热，从炉内排出时温度高达1400—1600℃，每吨渣的热量约相当60Kg标准煤；但熔融液态渣的热量却是冶金行业中唯一没有利用的二次能源。

冶金行业的熔融液态渣的组分和硅酸盐水泥组分大致相同，但是各组分所占比例差别较大，熔融液态渣缓慢冷却时形成晶体相，快速冷却熔融液态渣中的组分来不及排序而形成玻璃相，玻璃相的渣具有水硬活性，可作为水泥的活性混合材。所以，当前熔融液态渣主要采用水冲渣快速冷却的水淬渣工艺，保持了熔融液态渣很好的水硬活性，但熔融液态渣的热量却没有利用和回收。

熔融液态渣的化学成分属硅酸盐类，硅酸盐类渣导热系数低，属保温类材料，不传热，液相时约为0.1—0.3W/(m.K)；而液相粘度会随着液相温度降低而急剧升高，在1250℃至1000℃间形成固态，极易形成固体不到外壳，而内部是粘稠的熔融状态，使其换热慢，冷却慢，渣的玻璃相和换热品质难于兼顾，也是当前熔融液态渣干法处理的难点。

干法粒化和物理换热是熔融液态渣利用和余热回收的主要途径，但从渣的玻璃相和换热品质上，从粒化效果和热效率上，从动力消耗和设备复杂上，当前的干法的装置和方法不被认同，只有离心粒化和流化床换热比较被专家认可，是当前研究开发的重点。

离心粒化是转盘或转杯高速旋转，产生离心力，熔融液态渣被甩出形成液滴粒化，转速愈高，粒化愈好，这使得电机和转轴的稳定性提出了更高要求，对机械能的要求较高，尤其是高温情况下，大流量生产情况下，转盘或转杯能否长期稳定高速旋转，能否保持均匀的粒化效果，都是存疑的。

流化床换热设备作为燃烧低热值煤的锅炉，大量应用于热、电行业，流化床具有固体颗粒在流化床中剧烈搅拌，床层中气体与固体的接触表面积大，利于传热。但流化床中流体流速与固体颗粒性质、流化床直径、床层高度密切相关；由于熔融液态渣导热系数太低，用于流化的气体空气热容量小，床层高度的限制，为了使熔融液态渣快速冷却形成玻璃相，只有加大换热空气流速，空气快速通过有限高度的流化床致使换热效率低，换热空气品质不高，空气量大，能耗偏高。

发明内容

本发明要解决现有方法的缺陷，提供一种熔融液态渣粒化及换热的方法及其系统装置及其方法，能够将熔融液态渣用射流雾化成更细小的液滴，使用气力输送的旋流或拉瓦尔喷嘴技术对细小液滴强制混合、冷却、换热，在气力输送和气固分离中进一步换热，冷却，提高换热介质—空气温度，提高渣的冷却速度，增强热效率，从而解决上述问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：

本发明一种熔融液态渣粒化及换热的方法及其系统装置，包括射流雾化装置、换热器和若干旋风换热器，旋风换热器包括一级旋风换热器、二级旋风换热器和三级旋风换热器；

射流雾化装置与渣沟之间连接有中间渣槽，中间渣槽底部与射流雾化装置之间通过落渣管相连，射流雾化装置外接空压机，空压机与热风炉相连；

射流雾化装置出口固定在换热器进口处，并在换热器连接处通过管道连通冷却风入口，冷却风入口通过风道与鼓风机相连，鼓风机入口连接二级旋风换热器和三级旋风换热器，换热器通过气力输送管与一级旋风换热器相连。

作为本发明的一种优选技术方案，换热器为旋流换热器或拉瓦尔换热器。

作为本发明的一种优选技术方案，一级旋风换热器出口通过去余热锅炉热风管连通外部的余热锅炉，并在一级旋风换热器出口连接除尘设备。

作为本发明的一种优选技术方案，二级旋风换热器和三级旋风换热器通过换热器冷却风管并穿过冷却风入口进入换热器。

作为本发明的一种优选技术方案，一级旋风换热器通过底部的一级旋风换热器渣排出管连通二级旋风换热器和三级旋风换热器入口，二级旋风换热器通过二级旋风换热器渣排出管连通三级旋风换热器，三级旋风换热器通过三级旋风换热器渣排出管连通外部。

本发明一种熔融液态渣粒化及换热的方法及其系统装置的工作原理：熔融液态渣经渣沟流入中间渣槽，中间渣槽有一定的容量，可使间断放渣不影响本设备的连续运行，并对渣保温、增温，保持渣的雾化粘度和流动性；流动的渣从中间渣槽底部经落渣管流入射流雾化装置中；同时，热风炉的热风被空压机加压，分别进入射流雾化装置的混合室，在射流雾化装置喷嘴处，形成高速射流，使渣液雾化，喷入换热器；这时鼓风机送出的一定压力和流量的风，经二级旋风换热器和三级旋风换热器，通过换热器冷却风管进入冷却风入口也进入换热器；和射流雾化装置射流雾化的渣液形成气液两相流，在换热器内被加速到超音速，高速的气液两相流对冲，形成气流磨，形成紊乱、回流、汇流，两相剧烈剪切、搅拌、混合，气液瞬时冷却凝固成气固两相流，同时渣液或渣粒进一步破碎成微粉；气固两相流进入气力输送管，在输送过程中渣内部的热传导到表面，气固两相进一步换热；气力输送管把气固两相流输送到一级旋风换热器，一级旋风换热器内气固快速旋转换热，并离心分离；热风经去余热锅炉热风管进入余热锅炉，和余热锅炉内的化学水换热，化学水受热产生过热蒸汽，给热用户；热风低于80℃进入布袋除尘器，除尘后排空；一级旋风换热器分离出的渣经换热器底部一级旋风换热器渣排出管进入二级旋风换热器和三级旋风换热器，进一步和鼓风机来风换热，矿渣微粉彻底冷却经三级旋风换热器渣排出管排出。

本发明的原理之在于熔融液态渣在射流雾化装置喷出前是液体，采用射流雾化方法对熔融液态渣粒化，熔融液态渣粒化的液滴直径可达20—50微米，比毫米级的表面积扩大了百倍，那么导热速率也扩大了百倍，进一步的采用喷入旋风蜗壳换热器或换热器，更进一步的采用气力输送、三级旋风换热，三次分离，增大了换热速率，提高热效率，使渣瞬间冷却。克服了熔融液态渣和换热介质空气本身固有缺陷，兼顾了液渣速冷形成玻璃体和较高的换热空气温度—换热气体的品质。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、采用射流雾化对熔融液态渣粒化，具有稳妥、可靠的特点,并且整个熔融液态换热的运转设备少，结构简单，便于集中控制。

2、熔融液态渣射流雾化系统通过加热、热风等措施，使熔融液态渣在熔融液态渣射流雾化装置内保持流动性，保持较低粘度。

3、熔融液态渣射流雾化后形成雾状微滴，雾滴均匀，和换热介质二者混合充分，由于雾状微滴比表面积大，所以与换热介质交换面积大，从而在很短的时间内达到换热冷却的目的。

4、熔融液态渣射流雾化后形成雾状微滴，使悬浮换热成为可能。旋流或拉瓦尔喷管使气液、气固两相流形成紊流、回流、旋转、剧烈混合，换热充分，冷却迅速。

5、气固两相流同步流动，从旋流或换热器经输送管道一直到旋风换热器，两相流接触时间长，热效率高，换热气体品质好。

6、雾化冷却的渣粒径小，微米级，若雾化冷却的是高炉渣，产品不用粉磨即是矿渣微粉，节省了矿渣干燥、粉磨的能耗。

7、气力输送的优势可以灵活布置设备，充分利用空间和距离。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明的结构示意图；

图中：1、渣沟；2、中间渣槽；3、换热器；4、射流雾化装置；5、冷却风入口；6、落渣管；7、热风炉；8、空压机；9、气力输送管；10、一级旋风换热器；11、去余热锅炉热风管；12、二级旋风换热器；13、三级旋风换热器；14、一级旋风换热器渣排出管；15、二级旋风换热器渣排出管；16、三级旋风换热器渣排出管；17、鼓风机；18、换热器冷却风管。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明公开一种技术方案：一种熔融液态渣粒化及换热的方法及其系统装置，包括射流雾化装置4、换热器3和若干旋风换热器，旋风换热器包括一级旋风换热器10、二级旋风换热器12和三级旋风换热器13；

射流雾化装置4与渣沟1之间连接有中间渣槽2，高炉排出熔融液态渣通过渣沟1进入中间渣槽2，在中间渣槽2可通过加温保持熔融液态渣的温度和流动性，流动的液态渣经落渣管6进入射流雾化装置4，此时的液态渣温度保持在1500℃左右，粘度在2—5µ/Pa.S之间；中间渣槽2底部与射流雾化装置4之间通过落渣管6相连，射流雾化装置4外接空压机8，空压机8与热风炉7相连，热风炉7向空压机8中提供热风，热风温度在1000-1200℃；空压机8向射流雾化装置4喷嘴进气口提供高压热风，在射流雾化装置4内喷嘴对输液态渣进行喷射雾化，热风压力为0.3-0.4MPa/kg，雾化后熔融液态渣液滴直径约为20-50μm；

射流雾化装置4出口固定在换热器3进口处，射流雾化装置4中雾化后熔融液态渣液滴喷入换热器3两端，并根据熔融液态渣的量设置射流雾化装置4内喷嘴数量，并在换热器3连接处通过管道连通冷却风入口5，冷却风入口5中的冷却空气是由系统装置中的鼓风机17供给，鼓风机17进口风从系统设备中二级旋风换热器12和三级旋风换热器13中来，因此冷却风入口5通过风道与鼓风机17相连，鼓风机17入口连接二级旋风换热器12和三级旋风换热器13，换热器3通过气力输送管9与一级旋风换热器10相连，气力输送管9将换热器3换热的气固两相流输送至系统设备中的一级旋风换热器10，气固两相流在输送管、在一级旋风换热器进一步换热，并在一级旋风换热器10内气固分离，热风从一级旋风换热器10顶部引出进入余热锅炉，分离的固态渣从一级旋风换热器10底部落入二级旋风换热器12和三级旋风换热器13进一步冷却。

换热器3为旋流换热器或拉瓦尔换热器。若换热器3为旋流换热器，则在旋流换热器的两端设置射流雾化装置4，使得射流雾化装置4在旋流换热器内形成对喷，使气液两相流剧烈喘流、回流，冷却空气从一侧切线进入，使射流雾化装置4喷入的气液两相流改变流向90°进入蜗壳，形成旋流强制换热，熔融液态渣从液相被冷却为固相，气固两相流一起进入气力输送管道，继续交换热量。

若选用若换热器3为拉瓦尔换热器，射流换热装置4仍设置在两端，冷却空气和雾化的气液两相流顺流布置，混合后进入拉瓦尔喷管，被加速到超音速，形成强制对流换热，高速气流将雾化的液滴进一步破碎，形成更细小的液滴，迅速冷却固化，气固两相流进入气力输送管道，进一步相互换热。

一级旋风换热器10出口通过去余热锅炉热风管11连通外部的余热锅炉，并在一级旋风换热器10出口连接除尘设备，一级旋风换热器10顶部的热风进入余热锅炉系统和除尘系统，余热锅炉由水冷壁围成，热风依次流过余热锅炉的高温过热器、低温过热器，蒸发管、省煤器进行换热，热风温度降到80℃进入布袋除尘器，除尘后经引风机排空，余热锅炉产生的蒸汽送入汽轮机或热用户。

二级旋风换热器12和三级旋风换热器13通过换热器冷却风管18并穿过冷却风入口5进入换热器3；一级旋风换热器10通过底部的一级旋风换热器渣排出管14连通二级旋风换热器12和三级旋风换热器13入口，二级旋风换热器12通过二级旋风换热器渣排出管15连通三级旋风换热器13，三级旋风换热器13通过三级旋风换热器渣排出管16连通外部。

工作原理：

熔融液态渣经渣沟1流入中间渣槽2，中间渣槽2有一定的容量，可使间断放渣不影响本设备的连续运行，并对渣保温、增温，保持渣的雾化粘度和流动性；流动的渣从中间渣槽2底部经落渣管6流入射流雾化装置4中；同时，热风炉7的热风被空压机8加压，分别进入射流雾化装置4雾化装置的混合室，在射流雾化装置4喷嘴处，形成高速射流，使渣液雾化，喷入换热器3；这时鼓风机17送出的一定压力和流量的风，经二级旋风换热器12和三级旋风换热器13，通过换热器冷却风管18进入冷却风入口5也进入换热器3；和射流雾化装置4射流雾化的渣液形成气液两相流，在换热器3内被加速到超音速，高速的气液两相流对冲，形成气流磨，形成紊乱、回流、汇流，两相剧烈剪切、搅拌、混合，气液瞬时冷却凝固成气固两相流，同时渣液或渣粒进一步破碎成微粉；气固两相流进入气力输送管9，在输送过程中渣内部的热传导到表面，气固两相进一步换热；气力输送管9把气固两相流输送到一级旋风换热器10，一级旋风换热器10内气固快速旋转换热，并离心分离；热风经去余热锅炉热风管11进入余热锅炉，和余热锅炉内的化学水换热，化学水受热产生过热蒸汽，给热用户；热风低于80℃进入布袋除尘器，除尘后排空；一级旋风换热器分离出的渣经换热器底部一级旋风换热器渣排出管14进入二级旋风换热器12和三级旋风换热器13，进一步和鼓风机17来风换热，矿渣微粉彻底冷却经三级旋风换热器渣排出管16排出。

本发明的原理之在于熔融液态渣在射流雾化装置喷出前是液体，采用射流雾化方法对熔融液态渣粒化，熔融液态渣粒化的液滴直径可达20—50微米，比毫米级的表面积扩大了百倍，那么导热速率也扩大了百倍，进一步的采用喷入旋风蜗壳换热器或换热器，更进一步的采用气力输送、三级旋风换热，三次分离，增大了换热速率，提高热效率，使渣瞬间冷却。克服了熔融液态渣和换热介质空气本身固有缺陷，兼顾了渣速冷形成玻璃体和较高的换热空气温度—换热气体的品质。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种熔融液态渣粒化及换热的装置，其特征在于，包括射流雾化装置（4）、换热器（3）和若干旋风换热器，旋风换热器包括一级旋风换热器（10）、二级旋风换热器（12）和三级旋风换热器（13）；

射流雾化装置（4）与渣沟（1）之间连接有中间渣槽（2），中间渣槽（2）底部与射流雾化装置（4）之间通过落渣管（6）相连，射流雾化装置（4）外接空压机（8），空压机（8）与热风炉（7）相连；

射流雾化装置（4）固定在换热器（3）两端的进口处，射流雾化装置（4）与换热器（3）连接处通过管道连通冷却风入口（5），冷却风入口（5）通过风道与鼓风机（17）相连，鼓风机（17）入口连接二级旋风换热器（12）和三级旋风换热器（13），换热器（3）通过气力输送管（9）与一级旋风换热器（10）相连。

2.根据权利要求1所述的一种熔融液态渣粒化及换热的装置，其特征在于：换热器（3）为旋流换热器或拉瓦尔换热器。

3.根据权利要求1所述的一种熔融液态渣粒化及换热的装置，其特征在于，一级旋风换热器（10）出口通过去余热锅炉热风管（11）连通外部的余热锅炉，并在一级旋风换热器（10）出口连接除尘设备。

4.根据权利要求1所述的一种熔融液态渣粒化及换热的装置，其特征在于，二级旋风换热器（12）和三级旋风换热器（13）通过换热器冷却风管（18）并穿过冷却风入口（5）进入换热器（3）。

5.根据权利要求1所述的一种熔融液态渣粒化及换热的装置，其特征在于，一级旋风换热器（10）通过底部的一级旋风换热器渣排出管（14）连通二级旋风换热器（12）和三级旋风换热器（13）入口，二级旋风换热器（12）通过二级旋风换热器渣排出管（15）连通三级旋风换热器（13），三级旋风换热器（13）通过三级旋风换热器渣排出管（16）连通外部。

6.根据权利要求1所述的一种熔融液态渣粒化及换热的装置，其特征在于，熔融液态渣经渣沟（1）流入中间渣槽（2），中间渣槽（2）有一定的容量，可使间断放渣不影响本设备的连续运行，并对渣保温、增温，保持渣的雾化粘度和流动性；流动的渣从中间渣槽（2）底部经落渣管（6）流入射流雾化装置（4）中；同时，热风炉（7）的热风被空压机（8）加压，分别进入射流雾化装置（4）雾化装置的混合室，在射流雾化装置（4）喷嘴处，形成高速射流，使渣液雾化，喷入换热器（3）；这时鼓风机（17）送出的一定压力和流量的风，经二级旋风换热器（12）和三级旋风换热器（13），通过换热器冷却风管（18）进入冷却风入口（5）也进入换热器（3）；和射流雾化装置（4）射流雾化的渣液形成气液两相流，在换热器（3）内被加速到超音速，高速的气液两相流对冲，形成气流磨，形成紊乱、回流、汇流，两相剧烈剪切、搅拌、混合，气液瞬时冷却凝固成气固两相流，同时渣液或渣粒进一步破碎成微粉；气固两相流进入气力输送管（9），在输送过程中渣内部的热传导到表面，气固两相进一步换热；气力输送管（9）把气固两相流输送到一级旋风换热器（10），一级旋风换热器（10）内气固快速旋转换热，并离心分离；热风经余热锅炉热风管（11）进入余热锅炉，和余热锅炉内的化学水换热，化学水受热产生过热蒸汽，给热用户；热风低于80℃进入布袋除尘器，除尘后排空；一级旋风换热器分离出的渣经换热器底部一级旋风换热器渣排出管（14）进入二级旋风换热器（12）和三级旋风换热器（13），进一步和鼓风机（17）来风换热，矿渣微粉彻底冷却经三级旋风换热器渣排出管（16）排出；熔融液态渣在射流雾化装置喷出前是液体，采用射流雾化方法对熔融液态渣粒化，熔融液态渣粒化的液滴直径可达20—50微米，比毫米级的表面积扩大了百倍，那么导热速率也扩大了百倍，进一步的采用喷入旋风蜗壳换热器或换热器，更进一步的采用气力输送、三级旋风换热，三次分离，增大了换热速率，提高热效率，使渣瞬间冷却；克服了熔融液态渣和换热介质空气本身固有缺陷，兼顾了渣速冷形成玻璃体和较高的换热空气温度—换热气体的品质。