CN111057561B - 一种利用熄焦余热进行高温化学储能转化的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用熄焦余热进行高温化学储能转化的装置及方法，该装置为双筒回转窑，包括外筒(1)和内筒(2)，内筒(2)为化学储能反应区，其尾部设有外加碳源及金属氧化物进口(21)，头部设有热解煤气出口(22)和焦粉出口(23)，外筒(1)和内筒(2)之间的环隙为热焦冷却区。利用双筒回转窑，采用高炉煤气或氮气作为干熄焦载气对热焦进行降温冷却，并通过外加碳源与金属氧化物为吸热反应介质，将高温热焦的热能转化为化学能。与现有技术相比，本发明可实现热焦能量的高效回收利用；同时将外加碳源与焦炭完全隔离，二者间接接触互不影响品质及特性，产物可分别回收。

Description

一种利用熄焦余热进行高温化学储能转化的装置及方法

技术领域

本发明属于钢铁冶炼、化工与能源利用领域，涉及了一种将干熄焦与金属氧化物、外加碳源热解相结合的能质转化方法与装置。

背景技术

目前，干熄焦技术是国内外钢铁行业回收产品显热广泛采用的成熟技术，所谓干熄焦是相对于用水熄灭红热焦炭的湿熄焦而定义，它是采用惰性气体熄灭红热焦炭的一种方法。在干熄焦工艺过程中，红焦进行降温冷却后产生的高温惰性气体在余热锅炉中与水进行换热可产生大量的高温高压蒸汽。可将高温高压蒸汽导入汽轮发电机组做功发电，最终将红焦的显热转换为电能，也可将红焦的热能通过能质转化后，以化学能的形式储存在固体材料中。高炉煤气和焦炉煤气可以作为干熄焦的冷却载气使用，同时通过向热焦中混入一定比例的煤粉，从而得到提质煤气，可用于返回原反应器，也可回收用作燃料，但该技术在实际应用中仍然存在一定问题。从能量角度考虑，该过程未对红焦热量进行充分利用，且从炼铁的角度出发，由于煤粉中所含有的有害元素，包括氯、氟以及其他可能存在的碱金属元素，可能会影响焦炭的品质，对后续的炼钢过程一定影响；此外煤粉进入干熄焦炉内是由高压二氧化碳和水蒸气吹入，出口气体会有大量粉尘被带出，加大了环境治理的难度。因此该技术应用范围受限。中国专利CN102031126A公布了一种可以利用来自钢铁行业的高炉煤气或转炉煤气进行干熄焦工艺的方法，通过熄焦或循环多次熄焦得到高温高热值气体，可用于炼焦或整体煤气化联合循环或者燃气蒸汽联合发电系统，但该方法在实施上存在一定难度，且对高炉煤气整体组分的利用并未达到理想效果。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种利用熄焦余热进行高温化学储能转化的装置及方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种利用熄焦余热进行高温化学储能转化的装置，其特征在于，该装置为双筒回转窑，包括外筒和内筒，内筒为化学储能反应区，其尾部设有外加碳源及金属氧化物进口，头部设有热解煤气出口和焦粉出口，外筒和内筒之间的环隙为热焦冷却区，外筒尾部设有红焦进口和载热气出口，头部设有冷却气进口。

所述的外筒的红焦进口处设有双层挡板阀，每个挡板阀的气体泄露率<5％，该双层挡板阀设置在内外筒之间，构成空气隔离室，该空气隔离室侧壁设有CO₂和/或水蒸汽进出口，利用CO₂和/或水蒸汽作为空气隔离保护气，在两个挡板阀间形成隔离气幕，隔离室的压力分别比其上下两部分的压力高10-80Pa。少量渗入到干熄焦炉内的水蒸汽或CO₂。

所述的外筒头尾部分别设有外筒窑头部定座和外筒窑尾固定座，外筒直径为2-6米，外部具有保温层；

所述的内筒位于外筒内，其两端伸出外筒外，在伸出部分别设有内筒窑头固定座和内筒窑尾固定座，内筒直径为外筒直径的20％-50％。内筒使用易导热、耐高温的金属筒体。

所述的外筒和内筒之间设有固定杆和双通回转驱动齿轮，驱动外筒和内筒同步回转。内外筒由固定杆固定，通过外筒外侧的传动装置驱动，进行同步回转。内筒及外筒的窑头及窑尾端分别设置有固定支撑用固定座，固定座与旋转筒之间进行密封。各自的进料口及出料口分别设立在各固定座上。

所述的双筒回转窑的有效长度为20-50米。

采用所述的装置利用熄焦余热进行高温化学储能转化的方法，利用双筒回转窑，采用高炉煤气或氮气作为干熄焦载气对热焦进行降温冷却，并通过外加碳源与金属氧化物为吸热反应介质，将高温热焦的热能转化为化学能。所涉及的主要步骤如下：

(1)利用旋转焦罐将焦炉推出的热焦炭转移至具有气体隔离密封功能的双筒回转窑的红焦进口(11)，熄焦载气则从窑头端的冷却气进口(13)处进入热焦冷却区，在连续回转过程中，实现焦炭与气流的热量交换，从而将高温焦炭冷却，并将气流加热为高温气流，在窑尾段形成高温区，焦炭与高温气流分别从窑头及窑尾的相应出口排出；

(2)同时，将外加碳源与金属氧化物从内筒(2)窑尾处的外加碳源及金属氧化物进口(21)加入，并通过回转作用逐步向窑头运动，当经过焦炭冷却区所形成的高温区时，由于热的传导与辐射作用，内筒(2)中的外加碳源被快速热解，金属氧化物则被快速还原，由于金属氧化物的促进作用，可加速碳源的热解，热解所产生的还原气氛也有利于金属氧化物党的还原分解，实现碳源的充分热解碳化及金属氧化物的还原，形成化学储能固体，再经冷却后从窑头端的焦粉出口(23)排出，所产生的热解煤气也从窑头部位的热解煤气出口(22)排出。

使用高炉煤气作为熄焦载气，将高温煤气从窑尾导入冷却区，在补充热解热量的同时，还可加速热解过程；

熄焦载气所回收的热量一部分用于生物质热解外，排出后的高温载气可继续进行余热回收与利用；

热解所产生的热解煤气作为原料气使用，或者直接掺入高炉煤气中，共同作为熄焦载气使用；

化学储能反应区所形成焦炭及还原金属，通过燃烧释放高强度的热量，或者作为对应金属的冶金原料使用，降低冶金能量需求。

所述的高炉煤气是指由炼铁高炉所产生的煤气，含有一定量N₂、CO、CO₂及H₂，高炉煤气在进入干熄焦炉前需要经过降温、除尘处理，并补充水蒸汽或CO₂或同时加入，补充量分别为煤气体积的5-20％；高炉煤气在进入干熄焦炉前的温度为200-400℃。

所述的热焦炭是指直接从焦炉推出并用焦罐进行转运的红焦，其初始温度在1000-1300℃范围；热焦炭由干熄焦炉冷却后的焦炭温度在200-400℃，由窑头端的焦炭出口排出。

所述的外加碳源为煤粉、生物质颗粒中的一种或多种，其中生物质为秸秆、花生壳、果壳和木屑中的一种或多种，经压制后其颗粒直径为2～20mm，游离水含量不高于15％；

所述的金属氧化物为铁、钴、铜、镍中的一种或多种，以直径为0.1-5mm的颗粒形式存在；

外加碳源与金属氧化物同时从窑尾的进口加入内筒的化学储能反应区，其质量配比为1.1～5：1。

所述的外加碳源及金属氧化物在化学储能反应区反应后，被还原的金属氧化物与焦炭经窑内冷却后，由窑头端的固体出口排出。

所述的外加碳源被高温焦炭热解后所产生的热解气，可直接参入进入冷却区的高炉煤气，或经窑内冷却后经过除尘、除焦油处理后作为燃气使用。

所述的储能固体产物可以通过高温燃烧，释放高强度的热量，也可将其作为冶金原料使用。

本发明将干熄焦与金属氧化物、外加碳源热解相结合的能质转化方法，所用装置是利用专门设计的双筒回转炉，内筒作为生物质热解反应区，内外筒环隙作为热焦的冷却区。将内筒中的固体介质快速加热，并使碳源发生热解反应、金属氧化物发生还原反应，且两种反应可相互促进。碳源热解所产生的气体，则可作为煤气原料使用。被还原的金属及焦炭经冷却后通过窑头的出料口进行分别回收，作为化学储能材料使用，需要时可通过燃烧重新释放高强度热量，也可直接用作冶金材料，降低冶金能量需求。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、该方法可通过双筒回转窑炉充分利用热传导和热辐射作用，可实现热焦能量的高效回收利用；同时将外加碳源与焦炭完全隔离，二者间接接触互不影响品质及特性，产物可分别回收；

2、该方法所用外加碳源可以为烟煤、褐煤或秸秆、木屑等压缩生物质颗粒，其来源广泛、无污染，且生物质属于可再生能源，符合当下宏观政策的要求，可促进生物质能转化技术的发展，加快产品领域深入拓展，为生物质能产业化提供了良好的发展机会；

3、该装置及方法所生成的煤粉质轻、颗粒细，可作为粉状焦炭使用，生物炭也可作为吸附剂等环保材料使用；所产生的热解气，则可作为煤气原料使用。

4、被还原的金属及焦炭经冷却后可作为化学储能材料使用，需要时可通过燃烧重新释放高强度热量，也可直接用作冶金材料，降低冶金能量需求。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

针对目前利用热焦炭熄焦系统中能量利用效率及附加值低等问题，本发明提出通过外加碳源与金属氧化物为吸热反应介质，将高温热焦的热能转化为化学能，从而实现高温热能的化学储存。利用专门设计的双筒回转炉，内筒作为化学储能反应区，内外筒环隙作为热焦的冷却区。以高炉煤气或氮气作为载热气，从窑头部分进入冷却区并向窑尾运动，而热焦则从窑尾部分进入冷却区，并通过双筒的回转作用逐渐向窑头运动，由此实现热焦的冷却及载气的升温。被加热的气体最后从窑尾排出，可直接返回高炉或进行余热回收。外加碳源及金属氧化物从窑尾的内筒进料口进入化学储能反应区，通过热焦及热气流的作用，将内筒中的固体介质快速加热，并使碳源发生热解反应、金属氧化物发生还原反应，且两种反应可相互促进。碳源热解所产生的气体，则可作为煤气原料使用。被还原的金属及焦炭经冷却后通过窑头的出料口进行分别回收，作为化学储能材料使用，需要时可通过燃烧重新释放高强度热量，也可直接用作冶金材料，降低冶金能量需求。

如图1所示，一种利用熄焦余热进行高温化学储能转化的装置，该装置为双筒回转窑，包括外筒1和内筒2，内筒2为化学储能反应区，其尾部设有外加碳源及金属氧化物进口21，头部设有热解煤气出口22和焦粉出口23，外筒1和内筒2之间的环隙为热焦冷却区，外筒1尾部设有红焦进口11和载热气出口12，头部设有冷却气进口13。

所述的外筒1的红焦进口11处设有双层挡板阀，每个挡板阀的气体泄露率<5％，该双层挡板阀设置在内外筒之间，构成空气隔离室，该空气隔离室侧壁设有CO₂和/或水蒸汽进出口，利用CO₂和/或水蒸汽作为空气隔离保护气，在两个挡板阀间形成隔离气幕，隔离室的压力分别比其上下两部分的压力高10-80Pa。少量渗入到干熄焦炉内的水蒸汽或CO₂。

所述的外筒1头尾部分别设有外筒窑头部定座14和外筒窑尾固定座15，外筒1直径为2-6米，外部具有保温层；

所述的内筒2位于外筒1内，其两端伸出外筒1外，在伸出部分别设有内筒窑头固定座24和内筒窑尾固定座25，内筒2直径为外筒1直径的20％-50％。内筒使用易导热、耐高温的金属筒体。

所述的外筒1和内筒2之间设有固定杆和双通回转驱动齿轮3，驱动外筒1和内筒2同步回转。内外筒由固定杆固定，通过外筒外侧的传动装置双通回转驱动齿轮驱动，进行同步回转。内筒及外筒的窑头及窑尾端分别设置有固定支撑用固定座，固定座与旋转筒之间进行密封。各自的进料口及出料口分别设立在各固定座上。

所述的双筒回转窑的有效长度为20-50米。

采用上述装置利用熄焦余热进行高温化学储能转化的实例如下：

实施例1：

1、利用旋转焦罐将焦化炉推出的1t初始温度在1200℃红焦转移至双筒回转炉外筒1和内筒2之间的环隙冷却区中，双筒回转炉与焦罐对接过程中，利用CO₂作为空气隔离保护气，在两个挡板阀间形成隔离气幕。

2、再以相同的方法，将100kg颗粒直径为2～20mm，游离水含量为10％的煤粉与秸秆的混合物放入双筒回转炉内筒的化学储能反应区；

3、将50kg颗粒直径为0.1-5mm的氧化铁和氧化铜的混合物同时从窑尾的进口加入内筒的化学储能反应区；

4、将10m³经过降温、除尘等处理、含有一定量N₂、CO、CO₂及少量H₂的250℃高炉煤气，补充其15％体积的水蒸汽和CO₂，作为熄焦载气，随后由冷却气进口通入双筒回转炉内外环隙中；

5、高炉煤气从窑头部分进入冷却区并向窑尾运动，而热焦则从窑尾部分进入冷却区，并通过双筒的回转作用逐渐向窑头运动，由此实现热焦的冷却及熄焦载气的升温。

6、提质后煤气由载热气出口导出，冷却后的金属氧化物和焦炭则通过窑头的出料口进行分别回收，届时打开底部CO₂风幕以隔绝空气，测得流出双筒回转炉的提质高温煤气温度为907℃，排出的冷却后焦炭温度为273℃。

实施例2：

1、利用旋转焦罐将焦化炉推出的1t初始温度在1200℃红焦转移至双筒回转炉的环隙冷却区中，双筒回转炉与焦罐对接过程中，利用CO₂作为空气隔离保护气，在两个挡板阀间形成隔离气幕。

2、再以相同的方法，将100kg颗粒直径为2～20mm，游离水含量为8％的煤粉与秸秆的混合物放入双筒回转炉内筒的化学储能反应区；

3、将50kg颗粒直径为0.1-5mm的氧化铁和氧化铜的混合物同时从窑尾的进口加入内筒的化学储能反应区；

4、将10m³经过降温、除尘等处理、含有一定量N₂、CO、CO₂及少量H₂的250℃高炉煤气，补充其15％体积的水蒸汽和CO₂，作为熄焦载气，随后由冷却气进口通入双筒回转炉内外环隙中；

5、高炉煤气从窑头部分进入冷却区并向窑尾运动，而热焦则从窑尾部分进入冷却区，并通过双筒的回转作用逐渐向窑头运动，由此实现热焦的冷却及载气的升温。

6、提质后煤气由载热气出口导出，冷却后的金属氧化物和焦炭则通过窑头的出料口进行分别回收，届时打开底部CO₂风幕以隔绝空气，测得流出双筒回转炉的提质高温煤气温度为920℃，排出的冷却后焦炭温度为263℃。

实施例3：

1、利用旋转焦罐将焦化炉推出的1t初始温度在1200℃红焦转移至双筒回转炉的环隙冷却区中，双筒回转炉与焦罐对接过程中，利用CO₂作为空气隔离保护气，在两个挡板阀间形成隔离气幕。

2、再以相同的方法，将100kg颗粒直径为2～20mm，游离水含量为8％的煤粉与秸秆的混合物放入双筒回转炉内筒的化学储能反应区；

3、将50kg颗粒直径为0.1-5mm的氧化铁和氧化铜的混合物同时从窑尾的进口加入内筒的化学储能反应区；

4、将10m³经过降温、除尘等处理、含有一定量N₂、CO、CO₂及少量H₂的250℃高炉煤气，补充其18％体积的水蒸汽和CO₂，作为熄焦载气，随后由冷却气进口通入双筒回转炉内外环隙中；

5、高炉煤气从窑头部分进入冷却区并向窑尾运动，而热焦则从窑尾部分进入冷却区，并通过双筒的回转作用逐渐向窑头运动，由此实现热焦的冷却及载气的升温。

6、提质后煤气由载热气出口导出，冷却后的金属氧化物和焦炭则通过窑头的出料口进行分别回收，届时打开底部CO₂风幕以隔绝空气，测得流出双筒回转炉的提质高温煤气温度为935℃，排出的冷却后焦炭温度为255℃。

Claims (9)

1.一种利用熄焦余热进行高温化学储能转化的装置，其特征在于，该装置为双筒回转窑，包括外筒(1)和内筒(2)，内筒(2)为化学储能反应区，其尾部设有外加碳源及金属氧化物进口(21)，头部设有热解煤气出口(22)和焦粉出口(23)，外筒(1)和内筒(2)之间的环隙为热焦冷却区，外筒(1)尾部设有红焦进口(11)和载热气出口(12)，头部设有冷却气进口(13)；

所述的外筒(1)的红焦进口(11)处设有双层挡板阀，该双层挡板阀设置在内外筒之间，构成空气隔离室，该空气隔离室侧壁设有CO₂和/或水蒸汽进出口，利用CO₂和/或水蒸汽作为空气隔离保护气，在两个挡板阀间形成隔离气幕，隔离室的压力分别比其上下两部分的压力高10-80Pa；

采用上述装置进行高温化学储能转化的方法，包括以下步骤：

(1)利用旋转焦罐将焦炉推出的热焦炭转移至具有气体隔离密封功能的双筒回转窑的红焦进口(11)，熄焦载气则从窑头端的冷却气进口(13)处进入热焦冷却区，在连续回转过程中，实现焦炭与气流的热量交换，从而将高温焦炭冷却，并将气流加热为高温气流，在窑尾段形成高温区，焦炭与高温气流分别从窑头及窑尾的相应出口排出；

(2)同时，将外加碳源与金属氧化物从内筒(2)窑尾处的外加碳源及金属氧化物进口(21)加入，并通过回转作用逐步向窑头运动，当经过焦炭冷却区所形成的高温区时，由于热的传导与辐射作用，内筒(2)中的外加碳源被快速热解，金属氧化物则被快速还原，由于金属氧化物的促进作用，可加速碳源的热解，热解所产生的还原气氛也有利于金属氧化物党的还原分解，实现碳源的充分热解碳化及金属氧化物的还原，形成化学储能固体，再经冷却后从窑头端的焦粉出口(23)排出，所产生的热解煤气也从窑头部位的热解煤气出口(22)排出。

2.根据权利要求1所述的一种利用熄焦余热进行高温化学储能转化的装置，其特征在于，所述的外筒(1)头尾部分别设有外筒窑头部定座(14)和外筒窑尾固定座(15)，外筒(1)直径为2-6米，外部具有保温层；

所述的内筒(2)位于外筒(1)内，其两端伸出外筒(1)外，在伸出部分别设有内筒窑头固定座(24)和内筒窑尾固定座(25)，内筒(2)直径为外筒(1)直径的20％-50％。

3.根据权利要求1所述的一种利用熄焦余热进行高温化学储能转化的装置，其特征在于，所述的外筒(1)和内筒(2)之间设有固定杆和双通回转驱动齿轮(3)，驱动外筒(1)和内筒(2)同步回转。

4.根据权利要求1所述的一种利用熄焦余热进行高温化学储能转化的装置，其特征在于，所述的双筒回转窑的有效长度为20-50米。

5.一种采用权利要求1～4任一所述的装置利用熄焦余热进行高温化学储能转化的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)利用旋转焦罐将焦炉推出的热焦炭转移至具有气体隔离密封功能的双筒回转窑的红焦进口(11)，熄焦载气则从窑头端的冷却气进口(13)处进入热焦冷却区，在连续回转过程中，实现焦炭与气流的热量交换，从而将高温焦炭冷却，并将气流加热为高温气流，在窑尾段形成高温区，焦炭与高温气流分别从窑头及窑尾的相应出口排出；

(2)同时，将外加碳源与金属氧化物从内筒(2)窑尾处的外加碳源及金属氧化物进口(21)加入，并通过回转作用逐步向窑头运动，当经过焦炭冷却区所形成的高温区时，由于热的传导与辐射作用，内筒(2)中的外加碳源被快速热解，金属氧化物则被快速还原，由于金属氧化物的促进作用，可加速碳源的热解，热解所产生的还原气氛也有利于金属氧化物党的还原分解，实现碳源的充分热解碳化及金属氧化物的还原，形成化学储能固体，再经冷却后从窑头端的焦粉出口(23)排出，所产生的热解煤气也从窑头部位的热解煤气出口(22)排出。

6.根据权利要求5所述的利用熄焦余热进行高温化学储能转化的方法，其特征在于，使用高炉煤气作为熄焦载气，将高温煤气从窑尾导入冷却区，在补充热解热量的同时，还可加速热解过程；

熄焦载气所回收的热量一部分用于生物质热解外，排出后的高温载气可继续进行余热回收与利用；

热解所产生的热解煤气作为原料气使用，或者直接掺入高炉煤气中，共同作为熄焦载气使用；

化学储能反应区所形成焦炭及还原金属，通过燃烧释放高强度的热量，或者作为对应金属的冶金原料使用，降低冶金能量需求。

7.根据权利要求6所述的利用熄焦余热进行高温化学储能转化的方法，其特征在于，所述的高炉煤气是指由炼铁高炉所产生的煤气，含有N₂、CO、CO₂及H₂，高炉煤气在进入干熄焦炉前需要经过降温、除尘处理，并补充水蒸汽或CO₂或同时加入，补充量分别为高炉煤气体积的5-20％；高炉煤气在进入干熄焦炉前的温度为200-400℃。

8.根据权利要求5所述的利用熄焦余热进行高温化学储能转化的方法，其特征在于，所述的热焦炭是指直接从焦炉推出并用焦罐进行转运的红焦，其初始温度在1000-1300℃范围；热焦炭由干熄焦炉冷却后的焦炭温度在200-400℃，由窑头端的焦炭出口排出。

9.根据权利要求5所述的利用熄焦余热进行高温化学储能转化的方法，其特征在于，所述的外加碳源为煤粉、生物质颗粒中的一种或多种，其中生物质为秸秆、花生壳、果壳和木屑中的一种或多种，经压制后其颗粒直径为2～20mm，游离水含量不高于15％；

所述的金属氧化物为铁、钴、铜、镍中的一种或多种，以直径为0.1-5mm的颗粒形式存在；

外加碳源与金属氧化物同时从窑尾的进口加入内筒的化学储能反应区，其质量配比为1.1～5：1。

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