CN110982967A - 利用水和二氧化碳实现钢渣淬化及余热回收的方法与装置 - Google Patents

利用水和二氧化碳实现钢渣淬化及余热回收的方法与装置 Download PDF

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Abstract

利用水和二氧化碳实现钢渣淬化及余热回收的方法与装置，方法为：二氧化碳和水蒸气混合；混合气体通过喷吹系统向流化床换热器内喷吹，经余热锅炉进入气体循环管道；部分气体返回气体喷吹系统，其余通入布风板；将熔融冶金钢渣导入流化床换热器进行气淬，生成钢渣颗粒在气流作用下悬浮；高温气体进入余热锅炉换热，形成低温气体进入气体循环管道；钢渣颗粒800℃以下时，发生放热反应；高温气体的温度450±5℃时，补充CO2；当物料温度150℃以下时，关闭气体喷吹系统；装置包括钢渣溜槽、流化床换热器和气体喷吹系统。本发明的方法钢渣余热回收利用效率高，钢渣安定性好，占地面积小，处理周期短并且气体消耗量低。

Description

利用水和二氧化碳实现钢渣淬化及余热回收的方法与装置
技术领域
本发明属于钢铁冶金技术领域，特别涉及一种利用水和二氧化碳实现钢渣淬化及余热回收的方法与装置。
背景技术
近年来，随着我国钢铁工业的迅速发展，钢渣的堆积量逐年增长，不仅占用了大量的土地，也造成了严重的环境污染；节约型社会对冶金企业节能降耗的要求越来越高，开发冶金熔渣余热的高效回收利用技术是有效且实用的节能措施，高效、高品质地回收冶金熔渣显热将成为钢铁企业降低综合能耗的一个重要手段；炼钢生产工艺产生的钢渣显热是公认的重要二次能源。
目前钢铁企业采用的钢渣处理方法都是先将热态钢渣进行不同的冷却处理后，再进行破碎-筛分-磁选-加工，之后进一步提取钢渣中的金属加以利用，或者将钢渣直接用于生产水泥，铺路以及生产建筑材料等用途，而钢渣大量显热并没有得到充分回收利用；钢渣的主要组成成分中CaO的含量占30～60％，遇水后游离氧化钙会与水发生反应生成氢氧化钙，体积发生膨胀，用作建材时会因体积膨胀导致建筑的断裂；同时，钢渣中CaO发生碳化反应释放大量的化学反应热，目前的钢渣回收显热的同时，并未协同考虑钢渣加速碳化强化钢渣的安定性。
协同回收钢渣显热和化学反应热且兼顾考虑钢渣的资源化是目前研究的重点之一；鉴于现有钢渣处理工艺方法，首先需要解决以下问题：
钢渣中活性含钙相捕集CO2的潜力有待开发：钢渣中CaO含量丰富，其作为CO2的捕集载体具有较优的热力学条件，且碳化反应过程中释放大量的化学热，加速碳化后的钢渣由于安定性提高，能够实现钢渣用于筑路或建筑材料大宗利用的目的；
钢渣粒度均匀性差：目前钢渣处理工艺，如热闷法、水淬法、滚筒法，处理后的钢渣存在钢渣粒度均匀性差，钢渣处理效率低；
钢渣安定性差：目前的钢渣处理工艺处理后的钢渣中不稳定的氧化钙含量较高，钢渣的安定性差，利用率低；
钢渣换热过程低温显热难以高效利用：常规的钢渣处理工艺回收钢渣显热后钢渣剩余温度达300℃左右，对于300℃以下的低温显热难以高效利用；
处理周期长：传统的热泼、闷渣工艺往往要经过数天的时间才能完成。
发明内容
针对现有的钢渣余热回收利用在技术上存在的上述问题，本发明提供一种利用水和二氧化碳实现钢渣淬化及余热回收的方法与装置，通过将液态钢渣进行有效的粒化，节省二次破碎的费用，以二氧化碳和水蒸汽为介质对钢渣的热量进行余热回收；利用钢渣捕集CO2的同时，协同回收钢渣显热，达到节能环保的效果。
本发明的方法按以下步骤进行：
1、将二氧化碳和水蒸气混合形成混合气体；混合气体中CO2的体积分数为70～90％，其余为水蒸气；混合气体的压力0.1～1.0MPa；
2、将混合气体通过气体喷吹系统向流化床换热器内喷吹，并从流化床换热器的出气口排出，进入余热锅炉；从余热锅炉排出后，进入气体循环管道；气体循环管道与气体喷吹系统的进口连通，并且气体循环管道的中部与流化床换热器的底部连通；部分气体返回气体喷吹系统，其余气体从流化床换热器底部进入流化床换热器，并且经流化床换热器内底部的布风板吹入流化床换热器内布风板上方，形成布风板气流；气体喷吹系统喷吹形成的气流的马赫数0.1≤M≤2；
3、将温度为1350～1650℃的熔融冶金钢渣倾倒流入钢渣溜槽；将钢渣溜槽的出口打开，使熔融冶金钢渣流出进入流化床换热器；熔融冶金钢渣与气体喷吹系统喷吹形成的气流接触进行气淬，逐渐收缩成固态的钢渣颗粒；钢渣颗粒在布风板气流的作用下处于悬浮状态；在流化床换热器内生成的高温气体从出气口进入余热锅炉，经余热锅炉换热后形成低温气体，再进入气体循环管道；
4、当流化床换热器内的钢渣颗粒温度降到800℃以下时，钢渣颗粒中的含钙成分与二氧化碳和水蒸气发生放热反应，生成碳酸钙；放热反应形成的显热被流化床换热器内的气体吸收，进入余热锅炉，经余热锅炉换热后形成低温气体，再进入气体循环管道；
5、随着反应的进行，从流化床换热器排出的高温气体中CO2的体积分数逐渐降低；当高温气体的温度降低到450±5℃时，向喷吹系统中通入CO2，补充放热反应消耗的CO2，使从喷吹系统进入流化床换热器的混合气体中CO2的体积分数为70～90％；
6、当流化床换热器内物料温度降低到150℃以下时，关闭气体喷吹系统；将流化床换热器内的固体物料放出，形成冷却渣粒。
上述的步骤1和5中，通入气体喷吹系统的二氧化碳的温度100～120℃；其中步骤1中混合气体的温度100～150℃。
上述的步骤3和4中，低温气体的温度100～150℃。
上述方法中，从熔融冶金钢渣流出进入流化床换热器开始，到关闭气体喷吹系统的时间在2～8h。
上述方法中，混合气体的用量按高温气体从出气口排出时，高温气体的最高温度在900～1100℃为准。
上述的冷却渣粒的形状为球状或椭球状，粒径在10μm～4mm。
上述的步骤6中，冷却渣粒经传送带输送到钢渣储仓。
上述的步骤6中，从流化床换热器放出的冷却渣粒的温度100～150℃。
上述方法中，气体循环管道内流通的气体中，从流化床换热器底部进入流化床换热器的量，以控制流化床换热器内的固体物料处于悬浮状态为准。
上述方法中，熔融冶金钢渣中的游离氧化钙的转化率δCaO为80～95％，计算公式如下：
ThCO2＝0.785×(CaO-0.56×CaCO3-0.7×SO3)×η (1)和
δCaO＝ThCO2/[CaOtotal×(MWCO2/MWCaO)] (2)；
式(1)和(2)中，ThCO2为放热反应过程中二氧化碳的消耗量，单位g/g；η为反应系统的总效率，CaO、CaCO3和SO3分别为该组分在熔融冶金钢渣中的质量百分数；CaOtotal为熔融冶金钢渣中全部含钙成分折算成CaO的质量百分数，
Figure BDA0002335065930000031
为熔融冶金钢渣和混合气体中二氧化碳和氧化钙的摩尔比。
上述的η的范围为80～100％，其计算公式如下：
η＝(Q1×η1×η2×η3+Q2×η4×η2×η3)/Q1 (3)；
式(3)中，Q1＝cm△t；c为熔融冶金钢渣的比热容，单位J/(kg·℃)；m为进行气淬的熔融冶金钢渣的质量，单位kg；Δt为熔融冶金钢渣形成冷却渣粒的温差，单位℃；Q1表示熔融冶金钢渣所含显热热量；η1表示熔融冶金钢渣显热的利用率，取值90％以上；η2表示二氧化碳气体和水蒸气热量的回收率，取值80％以上；η3表示余热锅炉的热效率，取值90％以上；Q2表示化学反应释放的反应热，根据反应热公式计算；η4表示反应热的利用率，取值90％以上。
上述方法中，含钙成分为CaO、CaSiO3和2CaO·SiO2。
上述方法中，含钙成分与混合气体发生化学反应，生成碳酸钙的反应方程式为：
CaO(s)+H2O(g)＝Ca(OH)2(aq) (4)、
CO2(g)+Ca(OH)2(aq)＝CaCO3(s)+H2O(g) (5)、
CaSiO3(s)+CO2(g)＝CaCO3(s)+SiO2(s) (6)和
2CaO·SiO2(s)+2CO2(g)＝2CaCO3(s)+2SiO2(s) (7)。
本发明的利用水和二氧化碳实现钢渣淬化及余热回收的装置包括钢渣溜槽、流化床换热器和气体喷吹系统，钢渣溜槽底部的出口与流化床换热器的进料口连通，气体喷吹系统的喷嘴与流化床换热器的进气口连通，且流化床换热器的进气口与流化床换热器的进料口的下方相对应，流化床换热器的进气口与流化床换热器的进料口在混合气体喷吹方向上的水平间距为10～30cm，垂直间距为10～30cm；流化床换热器内部下方设有布风板，将流化床换热器的内部空间分为上部空间和下部空间；流化床换热器的出气口通过管道与余热锅炉的进气口连通，余热锅炉的出气口与气体循环管道的进口连通；气体循环管道的出口与气体喷吹系统的进口连通，气体循环管道的中部与流化床换热器的下部空间连通；流化床换热器的出料口设置带有阀门的出料管。
上述装置中，出料管的出口与传送带的前端相对，传送带的后端与钢渣储仓的进料口相对。
上述装置中，钢渣溜槽上方设有接渣罐。
本发明的方法及装置具有以下优点：
1、钢渣余热回收利用效率高：液态钢渣经淬裂后，产生大量的钢渣颗粒，温度在800℃以上，同时水蒸气和CO2被加热到900～1100℃，流化床换热器及余热锅炉能够将钢渣的物理显热、化学反应热与高温水蒸气-CO2内的热量置换；
2、激发钢渣内部的热潜能：不仅能高效回收钢渣中所含有的显热，同时还能激发钢渣中的CaO碳化反应释放的的化学热；
3、钢渣安定性好：加速碳化后的钢渣由于安定性提高，实现了钢渣用于筑路或建筑材料大宗利用的目的；
4、占地面积小：省去了热泼、闷渣、锥破的场地，处理所需场地面积小；
5、处理周期短：传统的热泼、闷渣工艺往往要经过数天的时间才能完成，而本发明所述的工艺方法具备的处理能力，能在很短的时间内就将一吨钢渣处理完毕；
6、产品质量好：本发明所述的方法中气淬钢渣的力度均匀，处理简便，安全高效，钢渣粒度小且均匀；
7、气体消耗量低：本发明所述方法中所用到的二氧化碳气体和水蒸气在系统管道中循环利用，消耗量小。
熔融冶金钢渣余热回收是钢铁企业节能减排的制高点，是实现钢铁企业全环节余热回收利用的关键；本发明采用低温的CO2和水蒸气将熔融冶金钢渣淬裂成均匀颗粒，再通过气力输送，使钢渣颗粒在流化床换热器内进行换热，当钢渣颗粒及其环境温度降至800℃以下时，钢渣颗粒中的含钙成分与二氧化碳和水发生放热反应，产生的反应热再传递到二氧化碳和水蒸气中；高温气体的热量被余热锅炉收集，以高压蒸汽的形式送至管网用于发电；剩余钢渣粒进一步磁选分离，铁质回收；其余部分可用于生产水泥或建筑材料；本发明所述的方法是液态钢渣处理和热回收的创新，具有广阔的前景。
附图说明
图1为本发明实施例中的利用水和二氧化碳实现钢渣淬化及余热回收的方法流程示意图；
图2为本发明实施例中的利用水和二氧化碳实现钢渣淬化及余热回收的装置结构示意图；
图中，1、接渣罐，2、钢渣溜槽，3、流化床换热器，4、余热锅炉，5、气体喷吹系统，6、拉瓦尔喷嘴，7、出料管，8、传送带，9、钢渣储仓，10、气体循环管道，11、布风板。
具体实施方式
本发明实施例中采用的二氧化碳纯度99.999％以上。
本发明实施例制备水蒸气采用的水纯度99.999％以上。
本发明实施例中采用的熔融冶金钢渣为精炼车间产生的钢渣、转炉车间产生的转炉熔融钢渣或电炉车间产生的电炉熔融钢渣。
本发明实施例中采用的熔融冶金钢渣的示例成分按质量百分比含CaO 39～50％，SiO2 17～42％，Fe2O3 0.8～18％，MgO 0.1～13％，Al2O3 3～5％，SO3 0～1.2％，P2O5 1.2～2.8％，CaCO3 0～2.5％。
本发明实施例中采用的利用水和二氧化碳实现钢渣淬化及余热回收的装置结构如图2所示，包括钢渣溜槽2、流化床换热器3和气体喷吹系统5，钢渣溜槽2底部的出口与流化床换热器3的进料口连通，气体喷吹系统5的拉瓦尔喷嘴6与流化床换热器3的进气口连通，且流化床换热器3的进气口与流化床换热器3的进料口的下方相对应，流化床换热器3的进气口与流化床换热器3的进料口在混合气体喷吹方向上的水平间距为10～30cm，垂直间距为10～30cm；
流化床换热器3内部下方设有布风板11，将流化床换热器3的内部空间分为上部空间和下部空间；
流化床换热器3的出气口通过管道与余热锅炉4的进气口连通，余热锅炉4的出气口与气体循环管道10的进口连通；
气体循环管道10的出口与气体喷吹系统5的进口连通，气体循环管道10的中部与流化床换热器3的下部空间连通；流化床换热器3的出料口设置带有阀门的出料管7；
出料管7的出口与传送带8的前端相对，传送带8的后端与钢渣储仓9的进料口相对；
钢渣溜槽2上方设有接渣罐1。
本发明实施例中的气体喷吹系统为市购拉瓦尔喷射系统。
本发明实施例中拉瓦尔管喷射系统的喷嘴直径1～20mm。
本发明实施例中从熔融冶金钢渣从进入流化床换热器，到形成冷却钢渣排出，时间为2～8h。
本发明实施例中水蒸气是通过蒸汽发生器制成。
本发明实施例中，开始气淬时，装置中全部的混合气体体积与熔融冶金钢渣的质量的比例为15～25L/kg。
本发明实施例中在流化床换热器出口处检测高温气体的温度。
实施例1
熔融冶金钢渣采用转炉车间产生的钢渣，其成分按重量百分比含CaO 46.92％，SiO2 17.96％，Fe2O3 17.73％，MgO 8.99％，Al2O3 3.73％，P2O5 1.76％，TiO2 1.23％，MnO1.68％；
流程如图1所示，按以下步骤进行：
1、将二氧化碳和水蒸气在气体喷吹系统中混合形成混合气体；混合气体中CO2的体积分数为70％，其余为水蒸气；混合气体的压力0.8MPa；
2、将混合气体通过气体喷吹系统向流化床换热器内喷吹，并从流化床换热器的出气口排出，进入余热锅炉；从余热锅炉排出后，进入气体循环管道；气体循环管道与气体喷吹系统的进口连通，并且气体循环管道的中部与流化床换热器的底部连通；部分气体返回气体喷吹系统，其余气体从流化床换热器底部进入流化床换热器，并且经流化床换热器内底部的布风板吹入流化床换热器内布风板上方，形成布风板气流；气体喷吹系统喷吹形成的气流的马赫数0.1≤M≤2；
3、将温度为1350～1650℃的熔融冶金钢渣倾倒流入钢渣溜槽；将钢渣溜槽的出口打开，使熔融冶金钢渣流出进入流化床换热器；熔融冶金钢渣与气体喷吹系统喷吹形成的气流接触进行气淬，逐渐收缩成固态的钢渣颗粒；钢渣颗粒在布风板气流的作用下处于悬浮状态；在流化床换热器内生成的高温气体从出气口进入余热锅炉，经余热锅炉换热后形成低温气体，再进入气体循环管道；
4、当流化床换热器内的钢渣颗粒温度降到800℃以下时，钢渣颗粒中的含钙成分与二氧化碳和水蒸气发生放热反应，生成碳酸钙；放热反应形成的显热被流化床换热器内的气体吸收，进入余热锅炉，经余热锅炉换热后形成低温气体，再进入气体循环管道；
5、随着反应的进行，从流化床换热器排出的高温气体中CO2的体积分数逐渐降低；当高温气体的温度降低到450±5℃时，向喷吹系统中通入CO2，补充放热反应消耗的CO2，使从喷吹系统进入流化床换热器的混合气体中CO2的体积分数为70～90％；
6、当流化床换热器内物料温度降低到150℃以下时，关闭气体喷吹系统；将流化床换热器内的固体物料放出，形成冷却渣粒，形状为球状或椭球状，粒径在10μm～4mm，温度100～150℃；冷却渣粒经传送带输送到钢渣储仓；
步骤1和5中，通入气体喷吹系统的二氧化碳的温度100～120℃；其中步骤1中混合气体的温度100～150℃；
步骤3和4中，低温气体的温度100～150℃；
混合气体的用量按高温气体从出气口排出时，高温气体的最高温度在900～1100℃为准；
气体循环管道内流通的气体中，从流化床换热器底部进入流化床换热器的量，以控制流化床换热器内的固体物料处于悬浮状态为准；
含钙成分为CaO、CaSiO3和2CaO·SiO2；
熔融冶金钢渣的比热容1248J/(kg·℃)(忽略比热容随温度的变化)，处理量1000kg，由1450℃降至100℃释放的热量Q1＝cmΔt＝1.6848×109J；
熔融冶金钢渣显热的利用率η1＝90％，二氧化碳气体和水蒸气热量的回收率η2＝80％，余热锅炉的热效率η3＝90％，则余热锅炉获得的显热热量＝Q1×η1×η2×η3＝1.092×109J；
熔融冶金钢渣中CaO的总量为469.2kg；反应中生成碳酸钙的生成焓为1800kJ/kg，反应热的利用率η4＝90％，二氧化碳气体和水蒸气热量的回收率η2为80％，锅炉的热效率η3为90％，则余热锅炉可获得的反应热热量＝Q2×η4×η2×η3＝5.473×108J；
回收的总热量＝1.092×109J+5.473×108J＝1.639×109J；
根据公式(1)和(2)计算得δCaO＝89.91％；
熔融冶金钢渣的热回收率97.283％。
实施例2
熔融冶金钢渣采用电炉车间产生的钢渣，其成分按质量百分比含CaO 49.64％，SiO2 41.64％，Fe2O3 0.83％，MgO 0.16％，Al2O3 4.23％，SO3 0.62％，P2O5 2.76％，MnO0.12％；
方法同实施例1，不同点在于；
(1)混合气体中CO2的体积分数为80％；混合气体的压力0.5MPa；
(2)熔融冶金钢渣中CaO的总量为496.4kg；余热锅炉回收的总热量＝1.671×109J；δCaO＝89％；
熔融冶金钢渣的热回收率99.166％。
实施例3
熔融冶金钢渣采用精炼车间产生的钢渣，其成分按重量百分比含CaO 39.89％，SiO2 31.68％，Fe2O3 3.86％，MgO 12.73％，SO3 1.13％，Al2O3 4.92％，CaCO3 2.42％，P2O51.23％，MnO 2.14％；
方法同实施例1，不同点在于：
(1)混合气体中CO2的体积分数为90％，其余为水蒸气；混合气体的压力0.3MPa；
(2)熔融冶金钢渣中CaO的总量为398.9kg；余热锅炉回收的总热量＝1.5573×109J；δCaO＝85.07％；
熔融冶金钢渣的热回收率92.432％。

Claims (9)

1.一种利用水和二氧化碳实现钢渣淬化及余热回收的方法，其特征在于按以下步骤进行：
(1)将二氧化碳和水蒸气混合形成混合气体；混合气体中CO2的体积分数为70～90％，其余为水蒸气；混合气体的压力0.1～1.0MPa；
(2)将混合气体通过气体喷吹系统向流化床换热器内喷吹，并从流化床换热器的出气口排出，进入余热锅炉；从余热锅炉排出后，进入气体循环管道；气体循环管道与气体喷吹系统的进口连通，并且气体循环管道的中部与流化床换热器的底部连通；部分气体返回气体喷吹系统，其余气体从流化床换热器底部进入流化床换热器，并且经流化床换热器内底部的布风板吹入流化床换热器内布风板上方，形成布风板气流；气体喷吹系统喷吹形成的气流的马赫数0.1≤M≤2；
(3)将温度为1350～1650℃的熔融冶金钢渣倾倒流入钢渣溜槽；将钢渣溜槽的出口打开，使熔融冶金钢渣流出进入流化床换热器；熔融冶金钢渣与气体喷吹系统喷吹形成的气流接触进行气淬，逐渐收缩成固态的钢渣颗粒；钢渣颗粒在布风板气流的作用下处于悬浮状态；在流化床换热器内生成的高温气体从出气口进入余热锅炉，经余热锅炉换热后形成低温气体，再进入气体循环管道；
(4)当流化床换热器内的钢渣颗粒温度降到800℃以下时，钢渣颗粒中的含钙成分与二氧化碳和水蒸气发生放热反应，生成碳酸钙；放热反应形成的显热被流化床换热器内的气体吸收，进入余热锅炉，经余热锅炉换热后形成低温气体，再进入气体循环管道；
(5)随着反应的进行，从流化床换热器排出的高温气体中CO2的体积分数逐渐降低；当高温气体的温度降低到450±5℃时，向喷吹系统中通入CO2，补充放热反应消耗的CO2，使从喷吹系统进入流化床换热器的混合气体中CO2的体积分数为70～90％；
(6)当流化床换热器内物料温度降低到150℃以下时，关闭气体喷吹系统；将流化床换热器内的固体物料放出，形成冷却渣粒。
2.根据权利要求1所述的一种利用水和二氧化碳实现钢渣淬化及余热回收的方法，其特征在于步骤(1)和(5)中，通入气体喷吹系统的二氧化碳的温度100～120℃；其中步骤1中混合气体的温度100～150℃。
3.根据权利要求1所述的一种利用水和二氧化碳实现钢渣淬化及余热回收的方法，其特征在于步骤(3)和(4)中，低温气体的温度100～150℃。
4.根据权利要求1所述的一种利用水和二氧化碳实现钢渣淬化及余热回收的方法，其特征在于从熔融冶金钢渣流出进入流化床换热器开始，到关闭气体喷吹系统的时间在2～8h。
5.根据权利要求1所述的一种利用水和二氧化碳实现钢渣淬化及余热回收的方法，其特征在于所述的冷却渣粒的形状为球状或椭球状，粒径在10μm～4mm。
6.根据权利要求1所述的一种利用水和二氧化碳实现钢渣淬化及余热回收的方法，其特征在于所述的气体循环管道内流通的气体中，从流化床换热器底部进入流化床换热器的量，以控制流化床换热器内的固体物料处于悬浮状态为准。
7.一种实施权利要求1所述的方法的利用水和二氧化碳实现钢渣淬化及余热回收的装置，其特征在于包括钢渣溜槽、流化床换热器和气体喷吹系统，钢渣溜槽底部的出口与流化床换热器的进料口连通，气体喷吹系统的喷嘴与流化床换热器的进气口连通，且流化床换热器的进气口与流化床换热器的进料口的下方相对应，流化床换热器的进气口与流化床换热器的进料口在混合气体喷吹方向上的水平间距为10～30cm，垂直间距为10～30cm；流化床换热器内部下方设有布风板，将流化床换热器的内部空间分为上部空间和下部空间；流化床换热器的出气口通过管道与余热锅炉的进气口连通，余热锅炉的出气口与气体循环管道的进口连通；气体循环管道的出口与气体喷吹系统的进口连通，气体循环管道的中部与流化床换热器的下部空间连通；流化床换热器的出料口设置带有阀门的出料管。
8.根据权利要求7所述的利用水和二氧化碳实现钢渣淬化及余热回收的装置，其特征在于所述的出料管的出口与传送带的前端相对，传送带的后端与钢渣储仓的进料口相对。
9.根据权利要求7所述的利用水和二氧化碳实现钢渣淬化及余热回收的装置，其特征在于所述的钢渣溜槽上方设有接渣罐。
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