CN109811095A - 一种蓄热式不锈钢渣余热回收装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种蓄热式不锈钢渣破碎和余热回收工艺，包括：(1)碎渣：将高温不锈钢渣倒入滚筒中，滚桶内设有颗粒材料(如金属球)，在滚筒旋转的过程颗粒材料将大块渣料击碎；(2)冷渣：在滚筒搅拌的过程中，钢渣被颗粒材料破碎的同时仅与颗粒材料这一种冷却介质发生热交换，被冷却至800℃以下，热量储存在颗粒材料中；(3)筛分：在充分换热后，将渣粉与破碎材料送入振动筛，实现颗粒材料与不锈钢渣的分离；(4)余热回收：对高温的颗粒材料进行取热，获得高温空气或蒸汽；粉料送入粉体换热器继续换热；(5)循环：将取热后的颗粒材料送入滚筒继续工作。该方法基于等量热容方法，能够将渣盆中的液态、块状、粉状混合的高温不锈钢渣经过冷却、破碎，处理为温度低于800℃的均匀粉料，避免扬尘污染，方便粉料进入粉体换热器进一步热回收。

Description

一种蓄热式不锈钢渣余热回收装置和方法

技术领域

本发明涉及一种高效的、破碎与换热并行的多功能不锈钢渣余热回收方法及装置，尤其适用于回收粉态、固态及液态三态混合的高温不锈钢渣的处理以及余热回收装置及工艺。

背景技术

不锈钢渣是冶炼合金钢过程中产生的废料的一种，和普通钢渣一样属于高温固体废弃物，可代替水泥、混凝土的部分原料，且高温不锈钢渣蕴含大量显热，有较高的热回收和物料回收价值。我国2011年不锈钢渣量约340万吨，是所有合金钢渣中产量最大的。

在冶金行业的余热回收技术中，国内外对高炉渣的余热回收技术相对成熟，如水淬法、风淬粒化法、转杯粒化法、流化床以及一些化学方法，且近年来也有一定数量的基于以上基本方法的改进工艺公开。由于目前国内外对高温不锈钢渣关注着重点在其二次利用与无害化处理，针对高温不锈钢渣的余热回收工艺公开较少，而高炉渣、钢渣的余热回收技术又难以直接沿用于不锈钢渣。不锈钢渣不同于高炉渣，在温度低于800℃左右时极易粉化的特点使得典型的水淬、转杯和流化床等钢渣和高炉渣热回收工艺在不锈钢上难以应用，目前国内处理办法中，湿法和干法都无法有效回收其余热，仅能起到冷却作用，其常常伴随严重扬尘或污泥污染。

湿法处理的过程中，通常高温不锈钢渣要直接与水接触换热，产生蒸汽或热水。由于不锈钢渣成分中的Cr⁶⁺毒性较强，在潮湿的环境下容易渗出，用湿法处理后将产生大量污水、污泥，对环境造成严重影响；且该工艺产生的热水或蒸汽需要过滤、无害化处理后才能进行余热回收，热回收效率低。

干法处理的过程中，由于工艺的主要设备转杯、流化床等换热设备属于直接换热，不锈钢渣极易粉化的特点令冷空气与不锈钢渣接触后携带大量粉尘，给除尘造成困难，无法有效回收余热；并且由于设备不是密封的，处理过程中会引起扬尘和污染。

间接换热方法通常用转鼓或者移动床换热器，将冷却介质和炉渣用换热表面分开，不直接接触，因而可避免扬尘或污泥污染，且有效回收热量，但又由于不锈钢渣在渣盆中冷却是由外而内不均匀的，且不锈钢渣在自然冷却的过程中极易粉化，会导致渣盆中的不锈钢渣形态复杂，其表层为粉渣，深层为大小不一的块渣，其中心又可能包含未凝固的液态渣，该特点使得常规间壁式固体散料换热器无法应用。

专利CN108531672A所公开的不锈钢渣处理工艺及装置采用滚筒研磨不锈钢渣，在滚筒内通冷空气或惰性气体对钢渣进行冷却，冷却后的不锈钢渣再经过筛分进行下一步处理。但由于在滚筒内冷却介质是与不锈钢渣直接接触换热，在不锈钢渣粉化后，出口的冷却介质会包含大量粉尘，易造成环境污染或除尘设备故障。

专利CN106282445A所公开的熔渣余热回收装置，利用高导热金属球与1500℃左右的熔渣混合实现高炉渣的迅速冷却达到玻璃化，在混合的过程中金属笼旋转，使金属球与炉渣的相互碰撞，起到破碎钢渣的效果。在金属球与熔渣混合的同时，笼内通入冷风与炉渣、金属球进行直接换热，热风由顶部排出。由于金属笼是不封闭的，不锈钢渣在冷却的过程中易扬尘；且空气直接与不锈钢渣换热的方式令热空气中携带大量粉尘，给除尘造成困难，热量难以有效回收。

专利CN104654898A公开了一种用蓄热球块对窑炉排出物进行冷却的蓄热式换热器，蓄热球块与钢渣进行混合换热后，热量蓄存在球块当中，再用流体取热。这种蓄热使换热方法有效避免了冷却介质直接接触熔渣，用于不锈钢渣可防止扬尘污染，但由于专利中的蓄热球块不承担破碎渣块的作用，而且其置放渣块和蓄热块的容器固定，因而不能使渣块与蓄热块充分混合，不适用于大小不一、的块状不锈钢渣；且蓄热球块的热胀机构在高温下与渣块碰撞，其可靠性难以保证。

因此，开发一种能处理粉固液三态、多粒径混合不锈钢渣，并能有效回收不锈钢渣余热的工艺及装置尤为重要和迫切。

发明内容

本发明提供蓄热式不锈钢渣余热回收工艺，利用颗粒材料对高温不锈钢渣进行冷却、破碎、余热回收，具有适应性强、污染小、安全可靠等优势。

本发明提供蓄热式不锈钢渣余热回收装置，主要由滚筒、颗粒材料、分离装置、以及余热回收装置组成，利用颗粒材料对不锈钢渣进行破碎研磨的同时，将不锈钢渣的热量储存在颗粒材料中，颗粒材料再与渣粉分离、取热，获得热源干净、处理过程无扬尘污染，余热得到有效回收的同时，可获得粒径均匀的不锈钢渣粉，便于二次处理。

具体地根据本发明的一种蓄热式不锈钢渣余热回收装置，基于等量热容方法实现粉、液、固混合不锈钢渣的均匀粉化和余热回收，包含钢渣破碎冷却装置、分离装置以及余热回收装置；

所述钢渣破碎冷却装置包括进渣口、出渣口、滚筒和位于滚筒内的颗粒材料；所述出渣口位于滚筒上，在滚筒停止旋转时打开；所述分离装置位于钢渣破碎冷却装置一侧，包括进料口、至少一层振动筛、粉渣盆、传送带及出料口；所述余热回收装置包括进球口、出球口、冷却仓、进风口、出风口、除尘袋；粉、液、固混合不锈钢渣进入钢渣破碎冷却装置后，被滚筒内的颗粒材料破碎的同时仅通过与颗粒材料一种冷却介质而被冷却至800℃以下、粒径在50～60μm的细小渣粉，渣粉与颗粒材料经出渣口送入分离装置的进料口，高温颗粒材料留在振动筛上，高温颗粒材料随后经进球口进入余热回收装置的冷却仓，与冷风换热，换热后并经出球口被送出余热回收装置，随后被提升装置传送至钢渣破碎冷却装置的进渣口完成循环。

本发明还提供一种蓄热式不锈钢渣余热回收方法，包含以下步骤：

S1：出炉后的1500℃的高温不锈钢钢渣在渣盆中自然冷却至1000℃左右的粉状、块状、液态混合物；

S2：将渣盆中粉状、块状、液态混合的高温不锈钢渣倒入滚筒，滚筒内颗粒材料对不锈钢渣进行首次换热、破碎和研磨，高温不锈钢渣仅通过颗粒材料这一种冷却介质被冷却为800℃以下、粒径在50～60μm的细小渣粉；颗粒材料既做破碎、研磨介质、又做冷却介质，还承担蓄热作用；

S3：将滚筒的出渣口打开，将步骤S2得到的颗粒材料与不锈钢渣粉的混合物传送至分离装置，经过所述分离装置的振动筛的筛分，将冷却后的粒径在50～60μm的不锈钢渣粉筛入下方的粉渣盆等待二次处理，粒径较大的高温颗粒材料留在振动筛；留在振动筛上的颗粒材料送入出料口。

S4：将步骤S3得到的高温颗粒材料经除尘后送入余热回收装置的进球口，高温颗粒材料紧密堆积在冷却仓内，冷却介质由进风口进入冷却仓对高温颗粒材料进行取热，直到颗粒材料冷却至常温，被冷却的颗粒材料被传送带传送至出球口。

S5：将出球口的冷却后的颗粒材料送入冷却破碎装置的进料口，传送回滚筒，进行循环使用；将步骤粉料S3得到的粉渣盆中的不锈钢渣粉经传送带送入粉体换热器进行进一步余热回收，冷却至100℃左右。

优选地，所述钢渣破碎冷却装置中的颗粒材料的总量，应满足其所能吸收的热量等于或略大于钢渣自进料到粉化所释放的热量，以确保钢渣能够完全粉化；颗粒的材料应至少在600摄氏度下保证一定冲击强度，且导热系数不宜过低；颗粒的粒径选取，应根据具体工况冷却效率要求，与颗粒材料的导热系数匹配；选取比热大于1500J/kg C的颗粒材料以减小颗粒在换热过程的温升，令其在换热过程中保持较高的硬度以减轻磨损。

优选地，所述滚筒外包裹保温壁，滚筒与保温壁属于同心柱体，且滚筒位于保温壁之内。

优选地，所述余热回收装置中的冷却介质根据换热效率和用热方式选取空气、水、和/或导热油，所选取介质不能与颗粒材料发生化学反应，如剧烈氧化、腐蚀等，不同冷却介质的选取需配套相应设施，如用空气需配套除尘设施，用水则需配套汽水分离装置。

根据本发明的蓄热式不锈钢渣余热回收装置和方法，不锈钢渣共经历两次冷却过程，第一次是在滚筒中受到颗粒材料的冷却，第二次是在粉体换热器中以间接换热的方式被冷却介质冷却。本发明共有两个过程需要施加冷却介质，一个过程是分离后的颗粒材料在余热回收装置中的冷却过程，另一个是不锈钢渣粉在粉体换热器中的冷却过程，这两个过程都需要辅以冷却介质，需要额外的泵送装置，如水泵、风机等。

与现有发明相比，本发明的优点如下：

本发明的蓄热式不锈钢渣余热回收装置和方法，可处理渣盆中粉状、块状、液态混合的高温不锈钢渣，且能有效回收余热，并获得粒径均匀的粉渣，便于二次利用。

本发明的蓄热式不锈钢渣余热回收装置和方法，滚筒为封闭容器，滚筒内的颗粒材料既做破碎工具又做冷却介质，整个换热过程无需其他介质进入或排出，避免了常规手段中的扬尘污染和除尘装置。本发明的蓄热式不锈钢渣余热回收工艺，将难以直接取热的高温不锈钢渣的热量转移、储存在颗粒材料，再通过冷却介质直吹的办法将热量从颗粒材料中回收，获得的热源洁净无烟尘，可以直接利用。

本发明的蓄热式不锈钢渣余热回收工艺，冷却介质与高温不锈钢渣直接接触换热，同时滚筒在旋转的过程中两种物料充分掺混，相比间壁式换热器可获得较高的换热效率。

本发明的蓄热式不锈钢渣余热回收工艺，当送入的不锈钢渣质量一定时，其出渣温度可由作为冷却介质的颗粒材料的填装量决定，使用者可自由分配颗粒材料和不锈钢渣的热容与质量来获得所需温度的不锈钢渣粉。

附图说明

图1为本发明的一种蓄热式不锈钢渣余热回收装置的示意图；

图2为本发明的一种蓄热式不锈钢渣余热回收装置的破碎冷却装置的结构示意图；

图3为本发明的一种蓄热式不锈钢渣余热回收装置的分离装置的结构示意图；

图4为本发明的一种蓄热式不锈钢渣余热回收装置的余热回收装置的结构示意图；其中：

1：渣盆。2：滚筒(钢渣破碎冷却装置)。3：分离装置。4：除尘装置。

5：余热回收装置。

6：进渣口。7：颗粒材料。8：出渣口。

9：进料口。10：振动筛。11：粉渣盆。12：出料口。

13：进球口。14：出风口。15：传送带。16：进风口。17：出球口。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

图1为本发明的一种蓄热式高温不锈钢渣余热回收装置，其包括渣盆1，渣盆1后放置钢渣破碎冷却装置，钢渣破碎冷却装置和余热回收装置5通过分离装置3连接。余热回收装置5的出口处设置除尘装置4。

图2为本发明的钢渣破碎冷却装置，其由进渣口6、滚筒2，颗粒材料7和出渣口8组成。所述进渣口6是固液态共存、粒径不一的高温不锈钢渣的入口。所述颗粒材料7放置于滚筒2内，用于破碎、冷却高温不锈钢渣，并通过充分搅拌所述颗粒材料7促进不锈钢渣粉化。所述出渣口8是换热后的颗粒材料7与渣粉的出口。

图3为本发明的分离装置3，包括进料口9，至少一层振动筛10，渣粉盆11和出料口12。所述进料口9是换热后的颗粒材料7与渣粉的入口。所述振动筛10用于分离渣粉和颗粒材料7，粒径较小的渣粉被筛进振动筛10下方的渣粉盆11，留在振动筛10上的颗粒材料7送入出料口12。

图4为本发明的余热回收装置5，包括进球口13，出球口17，进风口16，出风口14和传送带15。所述进风口16是冷却介质的入口，出风口14是冷却介质的出口，出风口14连接除尘装置4。颗粒材料7经进球口13进入余热回收装置5，在余热回收装置5中被冷却介质冷却，并被所述传送带15传送至出球口17。

根据本发明的余热回收装置，以及利用其的余热回收方法具体如下：

S1：出炉后的1500℃左右的高温不锈钢渣在渣盆1中自然冷却至1000℃左右的粉状、块状、液态混合物；

S2:通过设置在厂房的起重机、行车等工具，将渣盆1中粉状、块状、液态混合的，温度为1000℃的混合物倒入密闭的滚筒2，滚筒2内填充有颗粒材料7，在滚筒2内仅由颗粒材料7作为冷却介质与不锈钢渣混合物换热，不锈钢渣进入进渣口6后，在滚筒2旋转的过程中，块状渣受到颗粒材料7的撞击而破碎，进而被研磨、冷却成为粉体，液态渣与颗粒材料7充分掺混冷却为粉体，从而将不锈钢渣混合物处理成为800℃以下、粒径在微米级，如50～60μm的细小不锈钢渣粉。

S3：将密闭滚筒2的出渣口8打开，将步骤S2得到的颗粒材料7与不锈钢渣粉的混合物传送至分离装置3的进料口9进入振动筛10，经过所述振动筛10的筛选，将冷却后的粒径在微米级的不锈钢渣粉筛入振动筛10下方的渣粉盆11等待二次处理，粒径较大的高温颗粒材料7留在振动筛10上，并经出料口12送出。

由于颗粒材料上粘附的少量粉渣，故出料口12后还包括一除尘装置4，对热空气中的粉尘进行收集。

S4：经除尘后的高温颗粒材料7送入余热回收装置5的进球口13。高温颗粒材料7紧密堆积在冷却仓内，冷却介质由进风口16进入冷却仓对高温颗粒材料7进行取热，直到颗粒材料7冷却至常温后，冷却介质经出风口14流出，并用于加热生活用水或生活供热。若冷却介质采用空气，获得的高温空气可直接回炉；若采用液体，可获得高温蒸汽。

S5：将冷却后的颗粒材料7经余热回收装置5的出球口17送出，经过除尘装置4除尘，并通过现有的提升传送装置等送入滚筒2的进渣口6，进行循环使用；将步骤S3得到的粉料进行二次处理。粉渣盆11中的不锈钢渣粉经传送带送入粉体换热器进行进一步余热回收，冷却至100℃左右。

本实施例中的渣盆、滚筒装置、振动筛、颗粒循环工艺、除尘系统为现有技术中的一般装置，其具体结构此处不再介绍。

下面具体说明本发明的颗粒材料的选取。

首先，在步骤S2中由于熔融态钢渣的温度很高(1000℃左右)，长时间与颗粒材料接触可能对其造成破坏，对于含有熔融态不锈钢渣的工况，一方面可以在颗粒材料的选取上不选择钢球而选择陶瓷或矿渣、高炉渣，另一方面如果选择钢球做颗粒材料，可调整滚筒的转速，减短不锈钢渣与颗粒材料的接触时间，通过颗粒材料间频繁的碰撞，令液态不锈钢渣无法长时间黏附在颗粒材料上，而是不断地被冷却、剥离，从而实现保护颗粒材料的结果。

优选地，颗粒材料7由具有蓄热功能的材料制成，也即颗粒材料7既做破碎、研磨介质、又做冷却介质，还承担蓄热作用。

优选地，颗粒材料7的总量，应满足其所能吸收的热量等于或略大于钢渣自进料到粉化所释放的热量，以确保钢渣能够完全粉化；颗粒材料7应至少在600摄氏度下保证一定冲击强度，且导热系数不宜过低；颗粒材料7的粒径选取，应根据具体工况冷却效率要求，与颗粒材料7的导热系数匹配；优选地应选取比热大于1500J/kg C的颗粒材料以减小颗粒在换热过程的温升，令其在换热过程中保持较高的硬度以减轻磨损。

优选地，颗粒材料7的形状可根据换热设备的不同而进行选取，一般选择均匀的球体。其总量由等量热容法确定，具体确定方法为：

获取颗粒材料7的比热c_pP，初始温度T_P1，高温不锈钢渣的总质量M_Slag，比热c_pSlag初始温度T_Slag1。假设充分换热，换热结束后滚筒2内颗粒材料7与不锈钢渣达到一个相同温度，假设不锈钢渣和颗粒材料7的最终温度为T₂。则根据能量守恒，颗粒材料7的总质量M_P与不锈钢渣的最终温度T₂满足下列关系：

M_Slag c_pSlag(T_Slag1-T₂)＝M_P c_pP(T₂-T_P1)

在明确需要颗粒材料7的最终温度T₂后即可确定颗粒材料7的总质量M_P。颗粒材料7的球径为r，密度为ρ，则所需颗粒材料7的数量满足下列关系：

对于颗粒球径r等其他物理性质决定了所述钢渣破碎冷却装置中颗粒材料7与不锈钢渣在掺混、碰撞过程中的换热系数h，进而决定了装置的换热时间t。h是球径r，颗粒材料导热系数λ_P，不锈钢渣导热系数λ_Slag，以及颗粒材料7和不锈钢渣的力学属性E等物理性质有关，即

h＝h(r,λ_P,λ_Slag,E,…)

h的计算涉及换热模型的选取，而且其数值大小可根据颗粒材料的选取限制，所需冷却时间的需求作调整。

优选地，冷却介质可根据颗粒材料7性质的不同、余热回收装置的形式不同、用热方式的不同而进行选取。若以空气作为冷却介质，需要颗粒材料7不易氧化，如钢球、部分矿渣，加热后的空气用于回炉或者进入空气预热器加热入口空气；若以水作为冷却介质，则需要颗粒材料7无毒且高温下不与水发生反应，如陶瓷球，余热回收装置5需要良好的密封性能，加热后的热水或蒸汽可进入余热锅炉进行发电，或直接用于取暖。惰性气体、有机工质也可作为冷却介质，配套相应设施即可。

Claims (5)

1.一种蓄热式不锈钢渣余热回收装置，基于等量热容方法实现粉、液、固混合不锈钢渣的均匀粉化和余热回收，其特征在于：包含钢渣破碎冷却装置、分离装置以及余热回收装置；

所述钢渣破碎冷却装置包括进渣口、出渣口、滚筒和位于滚筒内的颗粒材料；

所述出渣口位于滚筒上，在滚筒停止旋转时打开；

所述分离装置位于钢渣破碎冷却装置一侧，包括进料口、至少一层振动筛、粉渣盆、传送带及出料口；

所述余热回收装置包括进球口、出球口、冷却仓、进风口、出风口、除尘袋；

粉、液、固混合不锈钢渣进入钢渣破碎冷却装置后，被滚筒内的颗粒材料破碎的同时仅通过与颗粒材料一种冷却介质而被冷却至800℃以下、粒径在微米级的细小渣粉，渣粉与颗粒材料经出渣口送入分离装置的进料口，高温颗粒材料留在振动筛上，高温颗粒材料随后经进球口进入余热回收装置的冷却仓，与冷风换热，换热后并经出球口被送出余热回收装置，随后被提升装置传送至钢渣破碎冷却装置的进渣口完成循环。

2.一种蓄热式不锈钢渣余热回收方法，其特征在于，包含以下步骤：

S1：出炉后的1500℃的高温不锈钢钢渣在渣盆中自然冷却至1000℃左右的粉状、块状、液态混合物；

S2：将渣盆中粉状、块状、液态混合的高温不锈钢渣倒入滚筒，滚筒内颗粒材料对不锈钢渣进行首次换热、破碎和研磨，高温不锈钢渣仅通过颗粒材料这一种冷却介质被冷却为800℃以下、粒径在50～60μm的细小渣粉；颗粒材料既做破碎、研磨介质、又做冷却介质，还承担蓄热作用；

S3：将滚筒的出渣口打开，将步骤S2得到的颗粒材料与不锈钢渣粉的混合物传送至分离装置，经过所述分离装置的振动筛的筛选，将冷却后的粒径在微米级的不锈钢渣粉筛入下方的粉渣盆等待二次处理，粒径较大的高温颗粒材料留在振动筛；留在振动筛上的颗粒材料送入出料口。

S4：将步骤S3得到的高温颗粒材料经除尘后送入余热回收装置的进球口，高温颗粒材料紧密堆积在冷却仓内，冷却介质由进风口进入冷却仓对高温颗粒材料进行取热，直到颗粒材料冷却至常温，被冷却的颗粒材料被传送带传送至出球口。

S5：将出球口的冷却后的颗粒材料送入冷却破碎装置的进料口，传送回滚筒，进行循环使用；将步骤粉料S3得到的粉渣盆中的不锈钢渣粉经传送带送入粉体换热器进行进一步余热回收，冷却至100℃左右。

3.如权利要求2所述的一种蓄热式不锈钢渣余热回收方法，其特征在于：所述钢渣破碎冷却装置中的颗粒材料的总量，应满足其所能吸收的热量等于或略大于钢渣自进料到粉化所释放的热量，以确保钢渣能够完全粉化；

颗粒的材料应至少在600摄氏度下保证一定冲击强度，且导热系数不宜过低；

颗粒的粒径选取，应根据具体工况冷却效率要求，与颗粒材料的导热系数匹配；

选取比热大于1500J/kg C的颗粒材料以减小颗粒在换热过程的温升，令其在换热过程中保持较高的硬度以减轻磨损。

4.如权利要求2所述的一种蓄热式不锈钢渣余热回收方法，其特征在于：所述滚筒外包裹保温壁，滚筒与保温壁属于同心柱体，且滚筒位于保温壁之内。

5.如权利要求2所述的一种蓄热式不锈钢渣余热回收方法，其特征在于：所述余热回收装置中的冷却介质根据换热效率和用热方式选取空气、水、和/或导热油，所选取介质不能与颗粒材料发生化学反应，如剧烈氧化、腐蚀等，不同冷却介质的选取需配套相应设施，如用空气需配套除尘设施，用水则需配套汽水分离装置。