CN111733322A - 一种基于煤气化反应梯级吸收铜渣余热的装置系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种基于煤气化反应梯级吸收铜渣余热的装置系统及方法，包括铜渣粒化、煤气化反应、余热锅炉回收余热等步骤。方法为：将铜渣通过粒化制备为高温球形渣粒，渣粒分别逐级提供煤气化反应、余热锅炉过程的热量；通过与渣粒换热煤粉在水蒸气气化剂作用下发生气化反应吸收渣粒热量，产生包含CO、H2、CH4的合成气；通过与渣粒换热冷水吸收热量转变为水蒸气，作为气化反应的气化剂。该发明将固体渣粒余热回收效率提高至75%以上，同时实现了煤炭与铜渣的高资源化利用。
Description
技术领域
本发明属于固体废弃物处理领域，具体涉及一种基于煤气化反应梯级吸收铜渣余热的装置系统及方法。
背景技术
铜渣是冶铜工业重要的副产物，其排出温度高达1300℃，含有丰富的余热资源。近年来，随着工业的发展，铜渣年产量不断增加，我国每年铜渣产量可高达几千万吨。目前工业上对于铜渣的主要处理方式为堆放或水淬处理。堆放处理不仅浪费余热还占用土地资源；水淬法处理每吨铜渣需0.8～1.2吨新水，消耗大量水资源且在处理过程中会产生硫氧化物、硫化氢等酸性气体引起严重的环境污染。因此实现铜渣等冶金工业废物的高效洁净余热回收是我国工业节能减排的关键。
目前冶金渣粒化处理方法主要为水淬法，为了改变此方法导致耗水，污染严重等的诸多问题，出现了干法粒化的方法，通过转杯、转盘、转筒等装置将熔融液态渣转变为颗粒状固态渣。
煤炭资源是国民经济增长的重要支撑，但煤炭资源消耗引起的环保问题，逐渐成为当前煤化工领域面临的重要课题。传统方式中，煤燃烧过程产生CO2，NOx，SOx等，造成严重的环境污染。以热解、气化为代表的煤炭清洁利用技术具有较大的前景，是实现能源转换过程清洁化的关键。在此背景下，环保型、清洁型的煤气化技术具有巨大发展空间，是传统煤化工向新型煤化工转变的时机。但其反应过程需要外部供热，从而消耗大量的能源。
因此，如何实现对铜渣余热的高效回收利用，以及寻找煤气化反应的合适热源是工业生产中亟待解决的问题。引起了国内外高校、研究所、企业等高度关注，但是截止目前尚未有关于该领域两项技术协同应用的报道。
发明内容
基于此，本发明提供一种基于煤气化反应梯级吸收铜渣余热的装置系统及方法，可以实现对铜渣余热的高效回收利用，解决传统煤燃烧产生的环境污染问题，同时该过程实现了煤气化反应所需热量的供应。并且利用所述方法可直接生产合金钢丸。合金钢丸可作为喷丸使，应用于金属表面加工处理工艺中。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于煤气化反应梯级吸收铜渣余热的装置系统及方法，包括干法粒化装置，气化炉，余热锅炉，其中：
所述干法粒化装置，气化炉，余热锅炉依次连接。
本发明提供一种基于煤气化反应梯级吸收铜渣余热的装置系统及方法，其特征在于它包含以下步骤：
(1)液态铜渣通过转杯粒化技术制成1000～1100℃的球形高温颗粒，颗粒粒径为0.2～2mm，利用铜渣颗粒余热作为步骤(2)，(3)煤气化反应以及余热锅炉的热源。
(2)煤气化反应。在该阶段，煤与水蒸气发生气化反应，气化反应吸收步骤(1)的高温 (1000～1100℃)，铜渣颗粒的热量，生成合成气。化学反应如式[1]所示。在此阶段高温铜渣颗粒温度降至300～500℃。
C+H2O(g)＝CO(g)+H2(g) [1]
(3)余热锅炉利用。经过步骤(2)初步降温后的温度约为300～500℃的中温铜渣颗粒通过余热锅炉，将热量传递给液态水。20℃左右的液态水吸收热量变为200～250℃的水蒸气，经此步骤中温铜渣颗粒温度降至100℃以下。
(4)喷丸利用。经步骤(2)，(3)降温后的冷铜渣颗粒，作为喷丸料直接应用于金属表面加工处理。
(5)该方法步骤(3)产生的水蒸气进入步骤(2)；步骤(1)产生的铜渣颗粒依次进入步骤(2)，步骤(3)，步骤(4)。
(6)该方法步骤(2)中产生的合成气经冷却、除尘等步骤可作为工业制甲醇原料以及城市生活用燃气使用。步骤(4)产生的喷丸可用于金属表面硬化加工处理、除锈等使用。
下面以1kg铜渣颗粒为例，按照质量守恒以及能量守恒定律对煤气化过程所需物料以及生成产物进行计算。计算条件如下：
气化炉内高温铜渣颗粒入口温度为1100℃，出口温度为300℃，铜渣比热容为C1＝1.1 kJ/(kg·℃)。
气化炉内燃料为煤粉，煤粉性质如表1
表1 煤粉的性质
气化剂为水蒸气，比热容C3＝1.86kJ/(kg·℃)，质量用m3表示。
根据能量守恒定律：进入气化炉的能量＝从气化炉中出来的能量。
进入气化炉的能量项如下：
1)铜渣(1100℃)：物理热Qin-1＝C1m1t
＝1210kJ
2)煤粉(20℃)：物理热Qin-2＝C2m2t
＝1.1×m2×20
＝22m2kJ
化学热Qin-3＝22000m2 kJ
3)气化剂(300℃)：物理热Qin-4＝C3m3t
＝1.86×m3×300
＝558m3 kJ
气化炉能量输出项如下：
4)铜渣：物理热Qout-1＝C1m1t
＝1.1×1×300＝330kJ
5)煤渣：物理热Qout-2＝C440％m2t
＝0.8×50％m2×300
＝96m2 kJ
化学热Qout-3＝2000m2 kJ
6)焦油：物理热Qout-4＝C510％m2t
＝1.47×10％m2×300
＝44.1m2 kJ
化学热Qout-5＝2931m2 kJ
7)合成气：物理热Qout-6＝C6(50％m2+m3)t
＝7.83×(50％m2+m3)×300
＝1174.5m2+2349m3 kJ
化学热Qout-7＝10591m2+105910.318m3 kJ
8)热损失：Qlose＝5％(Qin-1-Qout-1)＝44kJ
9)根据煤粉与气化剂的反应质量关系：m2×0.64×1/12＝m3×1/44
根据能量守恒定律，∑Qin＝∑Qout，联立方程，根据设定条件可计算出在气化炉中每处理 1kg铜渣颗粒，需要消耗0.144kg煤粉，可产生合成气0.01397kg合成气。气化炉物料投入量及产物产出量计算结果如表2所示。
表2 物料投入及产出计算结果
表3 气化炉收支平衡计算结果
通过对一种基于煤气化反应梯级吸收铜渣余热的装置系统及方法中气化部分的理论分析和计算可知，本发明为高温铜渣的梯级余热回收提供了崭新的思路。
经计算，气化炉热效率可达80％以上。
本发明的有益效果为：
(1)该工艺方法中，利用所述工艺方法可实现对铜渣颗粒余热的高效回收利用。铜渣颗粒作为热源为煤气化反应以及液态水转化成水蒸气提供热量，经计算，余热回收效率可达80％以上。
(2)与传统的水淬法处理相比，本系统每处理1吨铜渣，可减少气体污染物排放500g，节约0.8～1.2吨水。
(3)利用该工艺方法，解决了铜渣资源化处理问题，同时实现了煤炭清洁利用，提高了能量品质。每处理1t铜渣颗粒，可处理144kg煤粉，可产生合成气139kg合成气。
附图说明：
图1为本发明一种基于煤气化反应梯级吸收铜渣余热的装置系统及方法的流程图
图2为本发明一种基于煤气化反应梯级吸收铜渣余热的装置系统及方法的装置示意图
其中：1-干法粒化装置，2-气化炉，3-余热锅炉，4-煤粉储仓，5-合成气处理装置，6-螺旋给料器，7-传送带，8-水泵。
具体实施方式
实施例1
本实例采用的煤粉中C＝64.4％，H＝4.2％，O＝8.8％，灰分含量＝20％，挥发分含量＝32.8％，固定碳含量＝44.8％，煤粉比热容C2＝1.1kJ/(kg·℃)。
一种基于煤气化反应梯级吸收铜渣余热的装置系统及方法结构如图2所示，包括干法粒化装置1，气化炉2，余热锅炉3及附属设备，气化炉2主要由炉体，给料装置及合成气处理装置5组成。给料装置有煤粉储料仓4，螺旋给料器6。
采用上述装置进行铜渣梯级余热回收的方法，工艺流程图如图1所示。该工艺主要由粒化、气化及余热锅炉余热利用组成。气化炉2主要原料为煤粉、气化剂，产品为合成气。余热锅炉3产品为水蒸气。高温铜渣颗粒分别流经气化炉2以及余热锅炉3，并通过气化反应及液态水蒸发反应分两步降温，具体步骤如下：
(1)铜渣颗粒化
熔融状态高温铜渣进入干法粒化装置1，在干法粒化装置1内由于离心力以及表面张力的作用转变为1100℃球形高温颗粒而后进入气化炉2。
(2)高温铜渣颗粒余热回收
1100℃的高温铜渣颗粒进入气化炉2，煤粉通过煤粉储料仓4从螺旋给料器6进入气化炉2。高温铜渣颗粒在气化炉2内自上而下运动，气化反应快速吸收颗粒热量，并产生合成气；高温铜渣颗粒温度降至500℃。随后，经一次降温后的铜渣颗粒即产生的煤渣进入余热锅炉3中。气化炉2中产生的合成气经过合成气处理装置5进行冷却后，进一步除尘净化。
(3)中温铜渣颗粒余热回收
一次降温后500℃的颗粒进入余热锅炉3，颗粒在余热锅炉3中自上而下运动，液态水迅速吸收热量转变为水蒸气，颗粒温度进一步降低，降至100℃以下，并通过传送带7输出。此过程产生的水蒸气作为气化剂进入气化炉2，参与气化反应。
本实施例中，气化炉部分热效率为80％，系统的整体热效率为85％。
实施例2
本实例采用上述装置进行铜渣梯级余热回收的方法，工艺流程图如图1所示，结构如图 2所示。具体步骤如下：
(1)铜渣颗粒化
熔融状态高温铜渣进入干法粒化装置1，在干法粒化装置1内由于离心力以及表面张力的作用转变为1100℃球形高温颗粒而后进入气化炉2。
(2)高温铜渣颗粒余热回收
1000℃的高温铜渣颗粒进入气化炉2，煤粉通过煤粉储料仓4从螺旋给料器6进入气化炉2。高温铜渣颗粒在气化炉2内自上而下运动，气化反应快速吸收颗粒热量，并产生合成气；高温铜渣颗粒温度降至300℃。随后，经一次降温后的铜渣颗粒即产生的煤渣进入余热锅炉3中。气化炉2中产生的合成气经过合成气处理装置5进行冷却后，进一步除尘净化。
(3)中温铜渣颗粒余热回收
一次降温后300℃的颗粒进入余热锅炉3，颗粒在余热锅炉3中自上而下运动，液态水迅速吸收热量转变为水蒸气，颗粒温度进一步降低，降至100℃以下，并通过传送带7输出。此过程产生的水蒸气作为气化剂进入气化炉2，参与气化反应。
本实施例中，气化炉部分热效率为70％，系统的整体热效率为80％。
Claims (5)
1.一种基于煤气化反应梯级吸收铜渣余热的装置系统及方法，其特征在于，包括粒化，煤气化，余热锅炉利用，喷丸利用等步骤，其特征在于具体步骤如下：（1）液态铜渣通过转杯粒化技术转变成球形高温颗粒；（2）煤气化，在该阶段，水蒸气与煤发生气化反应，吸收步骤（1）所述高温铜渣粒的热量，生成富氢合成气，高温铜渣粒温度降低转变为中温铜渣粒；（3）余热锅炉利用，步骤（2）产生的中温铜渣颗粒在余热锅炉中进一步释放热量，用于液态水吸收热量变为水蒸气，中温铜渣颗粒温度进一步降低变为冷铜渣颗粒；（4）喷丸利用，步骤（3）产生的冷铜渣颗粒可作为喷丸用于除锈等用途。
2.根据权利要求1所述的一种基于煤气化反应梯级吸收铜渣余热的装置系统及方法，其特征在于：该方法步骤（1）产生的铜渣颗粒依次进入步骤（2），步骤（3），步骤（4）；步骤（3）产生的水蒸气进入步骤（2）。
3.根据权利要求1所述的一种基于煤气化反应梯级吸收铜渣余热的装置系统及方法，其特征在于步骤（2）所述高温铜渣颗粒、煤、水蒸气质量比为1：0.015：0.01~1：0.3：0.2。
4.根据权利要求1所述的一种基于煤气化反应梯级吸收铜渣余热的装置系统及方法，其特征在于步骤（2）所述高温铜渣颗粒温度为1000~1100℃，中温铜渣颗粒温度为300~500℃。
5.根据权利要求1所述的一种基于煤气化反应梯级吸收铜渣余热的装置系统及方法，其特征在于步骤（1）所述渣为铜渣但不限于此，此方法可适用于镍渣、铅渣等有色冶金渣，渣粒密度>3g/cm3。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113073165A (zh) * | 2021-03-29 | 2021-07-06 | 青岛理工大学 | 一种铜渣贫化-粒化及余热回收综合处理装置系统及方法 |
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2020
- 2020-06-22 CN CN202010571614.0A patent/CN111733322A/zh active Pending
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