CN112226554B - 一种粒化钢铁高温液态渣的余热锅炉 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种冶金高温液态渣汽淬粒化以及余热利用装置，包括汽淬介质加压加热系统、渣液喷吹系统、给水雾化系统、蒸发汽化部分、过热部分、蒸汽过滤净化部分和密闭排渣系统。本发明采用电磁感应加热蒸汽，大幅增加蒸汽在蒸汽引射雾化喷嘴内的动能，提高引射、破碎液态渣的能力；使用大流量的内混喷嘴，能够将高温液态渣形成细小的液滴；化学水雾化成雾滴，在液滴与雾滴直接换热过程中，瞬间雾滴吸热蒸发汽化，液滴冷却凝固。

Description

一种粒化钢铁高温液态渣的余热锅炉

技术领域

本发明涉及冶金设备中的冶金渣处理和余热回收利用技术领域，具体是指一种冶金高温液态渣汽淬粒化以及余热利用装置。

背景技术

钢铁冶金行业在冶炼过程中排出的渣是高温可流动的液态渣，出炉温度达1450—1650℃。

目前，炼铁高炉高温液态渣粒化是采用水淬的方法，即利用高压水直接冲击液态渣粒化或在水中机械破碎粒化，水淬的高炉渣玻璃相含量高，粉磨后是水泥的混合材和混凝土的掺和料。水淬的弊端是高温液态渣的热量没有回收，而且为了使高温液态渣急速冷却消耗大量的水，同时渣中的硫化物随水蒸气飘入大气中，造成环境污染。

钢渣和其他冶金渣的处理方法有多种形式，主要有冷弃法、热闷法、热泼法、盘泼水冷法、水淬法。水淬法又可分为倾翻罐—水淬法、开孔渣罐—水淬法、滚筒—水淬法和粒化轮—水淬法。多种钢渣处理方法同样是高温液态渣的热量没有回收、耗水，而冷弃法、热闷法、热泼法和盘泼法存在粒化效果差、大小不均、产生大量蒸汽，还需破碎、磁选、筛分，耗时耗能，工艺繁琐，生产成本高。

当前，处于研究阶段的钢铁高温液态渣进行粒化并回收热量的工艺主要是转盘或转杯法和风淬法两种工艺。转盘和转杯法存在的问题是无法适应实际生产需要，小量粒化没有问题，当实际生产每小时几十吨高温渣液需要粒化时，转盘和转杯法就不适用，满足不了粒化要求。转盘和转杯法回收渣余热的方式是利用流化床结合移动床换热，冷却空气在流化床、移动床中与粒化渣逆流换热，通过换热，粒化渣被冷却，空气被加热，被加热的空气再流过锅炉受热面，和锅炉管中软水换热形成蒸汽。由于渣导热率低，风、渣逆流接触时间短，而渣的利用，需要渣迅速冷却形成玻璃体，才具备水硬活性，否则，渣不能被有效利用。为了使渣速冷形成玻璃相，必须加大换热风量，导致换热空气热品质、热效率低。风淬法是渣流自由下落中进入气体流场，在高速气流冲击下粒化。高速气流属于无限空间射流，射流形式是自由射流，流股不受器壁限制，渣流随气流飞散并在飞行中换热冷却。所以，风淬法耗气量大，渣流气流散开面积大，流股不受控制，造成罩式锅炉占地面积大，换热效率低。

发明内容

为解决现有技术中的不足，本发明提供一种冶金高温液态渣汽淬粒化以及余热利用装置，提供一种汽淬介质和喷吹方式和喷吹装置，提供钢铁高温液态渣在锅炉内得到粒化形成细小均匀渣粒并回收热量的工艺方法及设备。

本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现：一种冶金高温液态渣汽淬粒化以及余热利用装置，包括汽淬介质加压加热系统、渣液喷吹系统、给水雾化系统、蒸发汽化部分、过热部分、蒸汽过滤净化部分和密闭排渣系统。

作为优选，汽淬介质加压加热系统包括启动锅炉和电磁感应蒸汽加热器。

启动锅炉为设备启动时提供汽淬介质蒸汽，启动锅炉为高压锅炉，可以是燃煤、燃气或电锅炉，倾向于启动时间短、调整反应快的燃气或电锅炉。启动锅炉只有设备启动或事故重启时使用，现场有汽源也可不设启动锅炉。

作为优选，电磁感应蒸汽加热器包括加热管、电源与水冷和温度测量控制，加热管直接连接蒸汽管道，其结构由里到外分别为中心管、感应管、刚玉管、保温层、感应线圈和外壳。

电源与水冷部分的电源部分是由中频电源和电容柜两部分构成，可将50Hz的交流电转变为1千－10千Hz的中频电流；由于中频电流强度较大，运行时线圈上会产生大量的热量，为此采用中空线圈通水冷却。电磁感应蒸汽加热器加热汽淬介质蒸汽，提高蒸汽热焓，增加喷射动能。

作为优选，渣液喷吹系统包括上喷蒸汽引射雾化喷嘴，上喷蒸汽引射雾化喷嘴包括同轴设置的底部蒸汽喷射管、吸入室、吸入室一侧水平接入的渣液管、收缩段和喉口段组成的混合管，蒸汽喷射管一侧接于蒸汽管道，另一侧接入吸入室，混合管同轴一侧连接吸入室，而混合管的出口即是喷嘴喷口。

作为优选，渣液喷吹系统分别安装于蒸发汽化锅筒和过热器锅筒内。

作为优选，给水雾化系统包括安装在蒸发汽化锅筒内的雾化喷嘴，雾化喷嘴为汽、水内混雾化喷嘴。

给水雾化系统是经低温加热、除氧、给水泵、高温加热的高压化学水，送入安装在蒸发汽化锅筒内的雾化喷嘴。

作为优选，蒸发汽化部分包括蒸发汽化锅筒，蒸发汽化锅筒竖直安装于钢结构框架上，蒸发汽化锅筒顶部接有蒸汽出口，蒸发汽化锅筒依次接入给水雾化系统的雾化高压给水管、雾化蒸气管，渣液喷吹系统的渣液管、喷射蒸汽管；蒸发汽化锅筒底部的封底两侧连接密闭排渣系统。

蒸发汽化锅筒是由合金耐热钢板卷制焊接的圆柱形承压锅筒，圆柱形锅筒筒体竖直安装于钢结构框架上，锅筒筒体上部三分之一处直径大于底部直径，之间圆弧过渡；筒体顶部为半球形封头，封头中心接蒸汽出口；筒体三分之二处依次接入给水雾化系统的雾化高压给水管、雾化蒸气管，渣液喷吹系统的渣液管、喷射蒸汽管；筒体底部亦为半球形封底，封底两侧连接密闭排渣系统。筒体内腔三分之二以下为蒸发汽化段，上部三分之一处汽水分离、渣沉降段；蒸发汽化段安装有上喷蒸汽引射雾化喷嘴、汽、水内混雾化喷嘴；筒体底部安装有圆盘排料机构；筒体外壁设有保温层、测温、测压孔。

作为优选，蒸发汽化锅筒的筒体内高三分之二处设置有化学水雾化喷嘴，其下部设有渣液粒化喷嘴，所述化学水雾化喷嘴喷出的水雾滴和渣液粒化喷嘴喷出的渣液滴直接换热，雾滴吸热蒸发汽化，液滴冷却凝固。

作为优选，过热部分包括过热器锅筒，过热器锅筒三分之二处接入渣液喷吹系统的渣液管、喷射蒸汽管，过热器锅筒底部接入由蒸发汽化锅筒顶部引出的蒸汽管；过热器锅筒顶部开有过热蒸汽出口，内腔三分之二处安装有上喷蒸汽引射雾化喷嘴，过热器锅筒底部安装有圆盘排料机构。

过热器锅筒也是由合金耐热钢板卷制焊接的圆柱形承压锅筒,筒体结构、形状和蒸发汽化锅筒相同；筒体三分之二处接入渣液喷吹系统的渣液管、喷射蒸汽管；底部接入由蒸发汽化锅筒顶部引出的蒸汽管；过热筒体顶部开有过热蒸汽出口；过热筒体内腔三分之二以下为过热段，上部为沉降段；内腔三分之二处安装有上喷蒸汽引射雾化喷嘴，筒体底部也安装有圆盘排料机构；筒体外壁设有保温层、测温、测压孔。

作为优选，蒸汽过滤净化部分包括设置在蒸发汽化锅筒顶部的蒸汽出口管内、过热筒体顶部过热蒸汽出口管内的陶瓷过滤器和活性炭、氧化锌净化器。

陶瓷过滤器过滤漂浮于蒸汽中纳米级的渣粉，活性炭、氧化锌脱除汽淬过程中可能产生的气态硫化物SO2和H2S。避免对汽轮机造成伤害，影响汽轮机运行。

对比现有技术，本发明的有益效果在于：通过使用电磁感应加热蒸汽，使蒸汽温度高达650℃，大幅增加蒸汽在蒸汽引射雾化喷嘴的动能，增强了在喷嘴内的引射，破碎液态渣的能力；在于使用大流量大通道的内混喷嘴，能够将高温液态渣连续地形成细小的液滴；在于化学水是在喷嘴中雾化成雾滴。

附图说明

附图1为本发明的系统示意图；

附图2为本发明蒸发汽化部分锅筒结构示意图；

附图3为本发明电磁感应蒸汽加热器示意图；

附图中所示标号：1、蒸发汽化锅筒：2、过热器锅筒：3、电磁感应蒸汽加热器：31、加热器内管：32、感应加热管：33、耐热陶瓷管：34、保温层：35、感应线圈：4、化学水雾化喷嘴：5、上喷蒸汽引射渣液粒化喷嘴：6、过滤净化：61陶瓷过滤器：62、活性炭、氧化锌净化器：7、密闭排渣系统：71、排渣圆盘：72、大齿圈：73、传动装置：74、上渣斗：75、插板阀：76、下渣斗；8、启动锅炉；9、化学水来水；10、高温液态渣渣沟；11、汽轮机；12、渣液；13、再加热蒸汽；14、过热蒸汽。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明，如图1至图3所示，一种冶金高温液态渣汽淬粒化以及余热利用装置，包括封闭的蒸发汽化锅筒1和过热器锅筒2，位于两个锅筒下方的密闭排渣系统7，蒸发汽化锅筒1两侧有接入的化学水管、渣液管、蒸汽管和经电磁感应蒸汽加热器3加热的蒸汽管，化学水管用于接通化学水来水，渣液管用于连通高温液态渣渣沟，蒸发汽化锅筒顶部连接蒸汽出口管；蒸发汽化锅筒筒体可根据产量设计为竖式长方柱形、竖式扁圆柱形、竖式圆柱形，本发明设为竖式圆柱形；蒸发汽化锅筒1的筒体顶端设有蒸汽出口，蒸发汽化锅筒1的筒体内高三分之二处设置化学水雾化喷嘴4，其下部设有渣液粒化喷嘴5；喷嘴喷射的水雾滴和渣液滴要均匀的散布于筒体截面，最大限度扩大水雾滴和渣液滴的相互接触，以便瞬间蒸发和冷却；化学水雾化喷嘴4可小流量多喷嘴设置，渣液粒化喷嘴5尽可能大流量、大通道、大雾化锥角设计；蒸发汽化锅筒1的筒体底部设有密闭排渣系统7中的排渣圆盘71、传动装置的大齿圈72；筒体的中下部由于设置了喷嘴自然成了蒸发汽化和冷却凝固区，筒体的上部设计成直径大于中下部，蒸汽流速减慢，该区域成为汽水分离和渣粒沉降区；过热器锅筒2的筒体区别于蒸发汽化锅筒1的筒体是：过热器锅筒2的筒体的筒体内高三分之二处只设有蒸汽引射渣液粒化喷嘴5，蒸发汽化锅筒1的筒体顶部来的蒸汽管从过热器锅筒2的筒体底部进入，经渣液液滴再次加热成过热蒸汽14从顶部流出。

启动锅炉8产生的高压蒸汽（10Mpa、540℃）进入电磁感应蒸汽加热器3，经耐热陶瓷管33与感应加热管32之间间隙，折返进入感应加热管32与加热器内管之间间隙，从加热器内管中流出，在此过程中被感应线圈35与感应加热管32的电磁感应产生的交变涡流加热，使蒸汽温度达到650℃。

经电磁感应蒸汽加热器3加热温度650℃的蒸汽，进入蒸发汽化锅筒1筒体内设置的上喷蒸汽引射渣液粒化喷嘴5的蒸汽喷射管，蒸汽喷射管为缩扩形喷口，蒸汽喷射管从上喷蒸汽引射渣液粒化喷嘴5的底部端盖中心，同轴进入喷嘴吸入室内，650℃的蒸汽经蒸汽喷射管缩扩形喷口减压增速，部分蒸汽焓转化动能，形成高速射流，由于射流的卷吸带动作用，吸入室低于环境压力形成负压；钢铁高温液态渣经保温渣罐或渣沟，由导液管进入筒体接入吸入室一侧，或在吸入室形成环形入口；高温渣液12在负压的作用下，被吸入吸入室，在吸入室内高速蒸汽卷吸、拖拽下，进入混合室的收缩段，蒸汽射流边界层的紊流扩散作用使两种流体发生动量及能量交换，渣液12被进一步加速进入混合室的喉管段，喉管段内汽、液两相存在速度差，在速度差产生的气动压力作用下，渣液被冲击、破碎成细小液滴，形成汽、液滴两相流，液滴在蒸汽的携带下由喷嘴喉管出口喷出，与筒体内的汽体又一次形成速度差，液滴在筒体汽体的拖拽撕扯下，进一步破碎成更小的液滴。

蒸发汽化锅筒1的筒体内设置化学水雾化喷嘴4；化学水13从除氧器，高温加热器来，来水温度150℃，经给水管接入炉体进入喷嘴，喷嘴采用汽液内混式雾化喷嘴，过热蒸汽14和化学水13在内混合室内发生剧烈的混合和相互作用，形成细小的液膜、液带和液滴，混合的汽液从喷嘴喷出，由于气体的膨胀使较大的液滴能够进一步发生破碎二次雾化，从而形成更细的液滴；雾化的液滴具有非常大的表面积，百分之一秒完成汽化，相变吸收大量热量，使渣液粒化喷嘴5喷出的液滴迅速冷却固化。

汽化的蒸汽在蒸发汽化锅筒1筒体内上浮，进入蒸发汽化锅筒筒体上部；由于蒸发汽化锅筒筒体上部筒体直径变大，上浮速度降低，随汽体上浮的没有汽化的液滴和细小的渣粒，在重力的作用下下沉，气液、汽固分离，分离后的饱和蒸汽在蒸发汽化锅筒筒顶进入出口；蒸发汽化锅筒筒顶出口处设置有过滤净化6，蒸汽首先进入陶瓷过滤器61，渣粒PM2.5级的被滤掉；过滤后蒸汽再流入活性炭、氧化锌净化器，在活性炭、氧化锌净化器内高温液态渣与水蒸汽可能进行的化学反应，形成的硫化氢被脱除；净化的蒸汽随管道进入过热器锅筒2的下部。

蒸发汽化锅筒1的筒体内冷却凝固的渣粒，在重力的作用下沉降到设在蒸发汽化锅筒1底部的圆盘71上，圆盘71在传动装置73和大齿圈72的带动下转动，转动的圆盘上设有一定角度的固定刮板，随圆盘转动的渣被刮板刮入渣斗74、下渣斗76渣位满时，关闭设在上下渣斗之间的闸板阀75，打开下渣斗出口排渣；排渣完毕，关闭下渣斗出口，打开闸板阀75。

过热器锅筒2内高三分之二处也设置有上喷蒸汽引射渣液粒化喷嘴5，过热器锅筒2外侧通过渣液管连通高温液态渣渣沟，上喷蒸汽引射渣液粒化喷嘴5喷射的细小液滴，布散在筒体横断面上，与进入过热器锅筒2底部的蒸发汽化锅筒1产生饱和蒸汽相遇，饱和蒸汽吸收热量被过热为再加热蒸汽15，渣滴被汽淬冷却凝固。凝固的渣粒沉降到筒体底部被设置底部的密闭排渣系统排出筒体外；过热蒸汽14在过热器锅筒2上部，经沉降进入过热器锅筒2出口设置的过滤净化系统6。

过滤净化的高压过热蒸汽（12Mpa、560℃）经保温管道大部分进入汽轮机11做功，少部分进入电磁感应蒸汽加热器进步加热的650℃，再一次进入喷嘴进行下一个循环；这时，启动锅炉停炉，蒸汽自行循环进行连续钢铁高温液态渣的粒化。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不应限制本发明，本发明可以有各种更改和变化。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，均包含在本发明的保护范围之内。

本发明的原理在于钢铁高温液态渣与水雾滴和水蒸汽不发生化学反应，只有物理反应，所以液态渣与水雾滴和水蒸汽可以直接相互换热，不必采用换热介质与高温液态渣换热，换热介质再与锅炉受热面换热的间接换热方式。而是细小的雾滴直接与高温液态渣的液滴在空间相遇瞬间蒸发汽化，由于水发生相变，吸收大量的热，高温液态渣的渣滴热量被吸收，细小的渣滴传热表面积大，渣滴瞬间低于熔化温度而凝固，使渣滴来不及结晶及分子排序而形成无序的玻璃体。

应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所限定的范围。

Claims (9)

1.一种冶金高温液态渣汽淬粒化以及余热利用装置，其特征在于：包括汽淬介质加压加热系统、渣液喷吹系统、给水雾化系统、蒸发汽化部分、过热部分、蒸汽过滤净化部分和密闭排渣系统(7)；

所述渣液喷吹系统包括上喷蒸汽引射雾化喷嘴，所述上喷蒸汽引射雾化喷嘴包括同轴设置的底部蒸汽喷射管、吸入室、吸入室一侧水平接入的渣液管、收缩段和喉口段组成的混合管，所述蒸汽喷射管一侧接于蒸汽管道，另一侧接入吸入室，所述混合管同轴一侧连接吸入室，所述混合管的出口为喷嘴喷口。

2.根据权利要求1所述的一种冶金高温液态渣汽淬粒化以及余热利用装置，其特征在于：所述汽淬介质加压加热系统包括启动锅炉(8)和电磁感应蒸汽加热器(3)。

3.根据权利要求2所述的一种冶金高温液态渣汽淬粒化以及余热利用装置，其特征在于：所述电磁感应蒸汽加热器(3)包括加热管、电源与水冷及温度测量控制，所述加热管直接连接到蒸汽管道，所述加热管由里到外分别为中心管、感应管、刚玉管、保温层、感应线圈和外壳。

4.根据权利要求1所述的一种冶金高温液态渣汽淬粒化以及余热利用装置，其特征在于：所述渣液喷吹系统分别安装于蒸发汽化锅筒(1)和过热器锅筒(2)内。

5.根据权利要求1所述的一种冶金高温液态渣汽淬粒化以及余热利用装置，其特征在于：所述给水雾化系统包括安装在蒸发汽化锅筒(1)内的雾化喷嘴，所述雾化喷嘴为汽、水内混雾化喷嘴。

6.根据权利要求1所述的一种冶金高温液态渣汽淬粒化以及余热利用装置，其特征在于：所述蒸发汽化部分包括蒸发汽化锅筒(1)，所述蒸发汽化锅筒(1)竖直安装于钢结构框架上，所述蒸发汽化锅筒(1)顶部接有蒸汽出口，所述蒸发汽化锅筒(1)依次接入给水雾化系统的雾化高压给水管、雾化蒸气管，所述渣液喷吹系统的渣液管、喷射蒸汽管；蒸发汽化锅筒(1)底部的封底两侧连接密闭排渣系统(7)。

7.根据权利要求6所述的一种冶金高温液态渣汽淬粒化以及余热利用装置，其特征在于：所述蒸发汽化锅筒(1)的筒体内高三分之二处设置有化学水雾化喷嘴(4)，其下部设有渣液粒化喷嘴(5)，所述化学水雾化喷嘴(4)喷出的水雾滴和渣液粒化喷嘴(5)喷出的渣液滴直接换热，雾滴吸热蒸发汽化，液滴冷却凝固。

8.根据权利要求1所述的一种冶金高温液态渣汽淬粒化以及余热利用装置，其特征在于：所述过热部分包括过热器锅筒(2)，所述过热器锅筒(2)三分之二处接入渣液喷吹系统的渣液管、喷射蒸汽管，所述过热器锅筒(2)底部接入由蒸发汽化锅筒(1)顶部引出的蒸汽管；所述过热器锅筒(2)顶部开有过热蒸汽出口，内腔三分之二处安装有上喷蒸汽引射雾化喷嘴，所述过热器锅筒(2)底部安装有圆盘排料机构。

9.根据权利要求1所述的一种冶金高温液态渣汽淬粒化以及余热利用装置，其特征在于：所述蒸汽过滤净化部分包括设置在蒸发汽化锅筒(1)顶部的蒸汽出口管内、过热筒体顶部过热蒸汽出口管内的陶瓷过滤器(61)和活性炭、氧化锌净化器。

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