CN115585440A - 硫铁矿烧渣余热回收利用装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了硫铁矿烧渣余热回收利用装置及方法，包括：抽水泵（1）、冷渣机（2）和除氧器（3），其特征是：所述抽水泵与除氧器的进水口通过副管道（4）连通，所述副管道位于冷渣机上方且通过过渡管道（5）与冷渣机的夹套连通，所述副管道上接入有位于过渡管道和除氧器之间的第一阀门（6），所述冷渣机的冷却水出口与除氧器的进水口通过供水管（7）连通。本发明的有益效果是通过间歇性的抽取冷渣机内的冷却水并换取新水，降低冷渣机内的冷却水的温度，使其始终保持在40℃以下，提高冷却水的换热效率，也提高了热灰渣的余热利用率，降低冷渣机筒体在高温下结垢的风险。

Description

硫铁矿烧渣余热回收利用装置及方法

技术领域

本发明涉及硫铁矿制酸领域，尤其涉及硫铁矿烧渣余热回收利用装置及方法。

背景技术

硫铁矿制酸系统焙烧工序采用沸腾焙烧+余热锅炉降温除尘+旋风除尘器+电除尘器，沸腾炉高温烧渣经渣冷却器降温后与余热锅炉排渣、旋风收尘器排渣混合，进入增湿滚筒增湿后送往球团生产。

其中沸腾焙烧后的烧渣温度约850℃，原设计绝大部分（约85%）烧渣会随烟气带出沸腾炉进入锅炉，少量（约15%）烧渣从沸腾炉底排出后，通过水冷夹套式冷渣机进行冷却，冷却水通过凉风塔降温后循环使用。随着矿产资源的变化和选矿工艺的调整，沸腾炉入炉原料含硫品位降低，含铁品位提高，投料量也有所提高，烧渣总量增加且比重变大，能随烟气带出沸腾炉的烧渣比率大幅降低，现在有约50%的烧渣无法带出沸腾炉，需直接从炉底排出。排渣量大大提高，且需在渣冷却器内降温，这部分热量被循环水带走逸散在大气中，造成大量损失。并且渣冷却器出口渣温仍较高，增湿过程产生大量水汽，易造成现场扬尘。

如中国发明专利公开号CN104211023A公开了沸腾炉焙烧工艺，将沸腾焙烧改为弱氧焙烧，使产生的矿渣含铁量高，能进行资源再利用价值，提高生产效益，避免了固体废渣囤积。

中国发明专利公开号CN102367169B公开了煤系硫铁矿富氧空气焙烧制硫酸联产铁精粉的方法，包括：预处理后煤系硫铁矿和富氧空气送入沸腾炉焙烧，高温炉气经水管废热锅炉等降温收尘，炉气采用一级动力波洗涤器-填料洗涤塔-两级电除雾器降温除雾，在干燥塔前补充适量普通空气，控制进转化器气体氧气和二氧化硫体积分数比在0.8及以上，气体进入转化吸收系统，经过两次转化、两次吸收，尾气达标排放。回收炉气热能，渣尘热能及电收尘器后炉气、转化系统转化气及吸收系统循环酸热能，副产中、低压蒸汽。

中国实用新型专利公开号CN211373274U公开了一种新型硫铁矿制酸烧渣余热回收装置，包括沸腾炉、保温储罐、高温段冷渣机和低温段冷渣机，高温段冷渣机和低温段冷渣机结构相同，包括一滚筒，滚筒内设有进渣管，进渣管外侧设有水管，进渣管截面由若干个六边形蜂窝状拼接构成，滚筒一侧设有减速机，滚筒底部设有支架，用于调整滚筒倾斜度。

以上专利都是用冷渣机对烧渣进行冷却，然而当烧渣的排渣量提高后，渣温高的问题无法通过冷渣机解决，经过冷渣机处理后的烧渣仍含有大量余热。

发明内容

本发明要解决的技术问题是现有的硫铁矿制酸工艺中排渣量的增加导致冷渣机无法处理余热，为此提供一种硫铁矿烧渣余热回收利用装置及方法。

为回收余热，减少现场扬尘，针对现有沸腾炉产渣量大，渣温高的生产实际特点，对风冷或水冷工艺进行研究，力求选择出一种适合的工艺，以较低的成本达到较高的热回收效益，从而达到一定的社会效益和经济效益。

风冷回收热的可行性。利用流态化增加空气与烧渣的热交换面积，降低渣温的同时提高空气温度，再将热空气引至沸腾炉中，最终回收的热量由余热锅炉带走产蒸汽或发电，同时考虑气固分离。

水冷回收热的可行性。利用水做载体，与烧渣热交换，降低渣温，并将热水回用，减少热损失。

除考虑热回收工艺的可行性，还需考虑综合能耗和经济效益。

本研究的主要目标是烧渣热量的回收。烧渣降温有很多种方式，无论循环流化床、风冷、水冷都有案例可循，但回收烧渣热量的案例极少，尤其针对烧渣温度高、渣量大的高温排渣系统且兼顾回收热能基本无案例参考。需通过现有沸腾炉流态化生产控制经验、以及系统风平衡、热平衡、水平衡等仔细核算，并逐步试验尝试。目前的排渣系统存在的主要问题是原料改变形成渣灰比例增大，从而导致渣温降不下来及现场跑灰严重。现有的沸腾炉的高温炉渣冷却，用两台夹套式“冷渣机”作降温处理，将大量工业用水加入夹套内冷却筒体，经长期运行设备高温段内筒体外部产生钙镁离子结垢，结垢越厚，热阻越大，传热效果越差。且原料改变形成渣灰比例增大，进一步导致排渣设备冷却面积偏小，造成渣尘温度降不下来，加水增湿时进出料口喷尘跑灰污染现场操作环境，现场环保要求不达标急需整改，并且工业水交换的热量逸散至大气中，是热能的浪费。

通过计算，焙烧工段各设备的排渣量及带热量情况见下表：

焙烧工段各设备的排渣量及带热量情况表

通过上表可以看出，排渣系统的灰渣带热量还是很大，尤其沸腾炉与锅炉排出的渣温相对较高，这部分热量可以回收，但为与整个系统的热负荷相配套，无论采用风冷或水冷，最终都是依靠锅炉水、脱盐水或除氧水移走沸腾炉渣部分热量，多余的热量仍是通过常规的淋洒冷却方式来降温。针对上述情况对排渣系统进行改造。

经过多次讨论，产生过以下三种方案。

方案一：风冷加水冷

沸腾炉后设置小型流化床，通过空气将热渣温度降低，热空气作为炉底风补充进入沸腾炉，炉内温度上升，通过沸腾炉冷却元件中的锅炉循环水换热，提高汽包的产汽量，将热量进行回收。小流化床冷却后的烧渣难以降至常温，需再进入渣冷却器继续用水降温。

方案二：除氧水冷却

采用的是热渣换热器加热除氧水流程，沸腾炉的热渣进入热渣换热器后进入现有的冷却滚筒冷却增湿。

采用的热渣换热器属于固体与水汽之间的换热，流程采用与除氧器水箱连接，需要加一个水泵来建立循环。除氧器水箱（104℃水）→水泵→渣换热器（104℃汽水混合物）→除氧器水箱。渣的出口温度约在500℃以下，热量可以将约4吨的104℃的水加热成104℃的蒸汽。锅炉蒸发量58~60吨，那么这个热量即可节省除氧需要热量的55%的蒸汽耗量。

方案三：脱盐水冷却

将原余热锅炉下部埋刮板输送机方向反转，使沸腾炉的渣和余热锅炉的尘混合进入冷渣机，渣尘混合后的温度约820℃进入“冷渣机”内冷却降温，锅炉设计能力为58~60 t/h蒸汽量, 需用加入脱盐水，采用脱盐水进入“冷渣机”夹套内筒体冷却降温，将脱盐水从25℃加热到85℃左右，冷渣机换热后产出约62 t/h热水流入循环槽，再用热水泵打入除氧器内用管网蒸汽加热后除氧，从而节省除氧需要热量的约70%的蒸汽耗量。

进一步对方案进行分析研究。

方案一中通过风冷回收热量进入沸腾炉，炉内沸腾床温度上升，为控制床层或炉出口不超温导致结疤，需增加冷却元件数量。沸腾炉的排渣量受系统生产负荷、平均入炉料的硫铁品位、含水率、投料量等多参数影响，波动较大。而冷却元件只有冷炉时才可增减，难以根据工况实时调节。并且通过计算如何将热空气添加进沸腾炉也是困难之一。经测算，按将烧渣从900℃降至400℃，空气从25℃升至100℃，则需空气量约94000Nm³/h，而冶化公司目前沸腾炉炉底进风约80000Nm³/h，冷却空气量无法做为二次风补充进炉。若风冷后的热空气不作为二次风，而作为一次风进炉，则风险非常大。升温后的空气含尘量很高，若要增加旋风或高温布袋等除尘设备，现场空间无法满足新增设备布置，即使增加除尘器，一旦故障易由于含尘过高损坏风机叶轮或沸腾炉底钢格栅，引起重大设备事故。冷却烧渣回收约一半的热量后，还需进行水冷。新增流化床风冷回收部分热量，需承担炉内工况波动带来的难操控、设备安全等风险，最后仍靠水冷，投资回报率较低。

方案二中考虑将水冷作为主要降温手段，纳入余热锅炉水循环系统。经与设备厂家交流后发现难以实现。余热锅炉设备属于压力容器，给水管道属压力管道，对设备本体、材质、性能要求均很高，且特种设备管理有专门的要求，排渣设备厂家无法做出相应设备的制作，无法保证中压水循环状态下水冷设备的安全。

故而团队最终考虑方案三的实施，同样采用水冷的办法，但避免使用压力容器，而是采用常压脱盐水对渣进行降温。升温后的脱盐水作为锅炉给水添加进除氧器，经测算，目前工况可将系统所需脱盐水升温约30℃，待实施完成后考虑扩大能力，同样可将热量回收。

在硫酸系统排渣工序选取4#冷渣机区域作为试验区域。原水经机械过滤器、阳离子交换器、阴离子交换器、混合离子交换器后生产出的脱盐水会在两个体积约50m³的脱盐水箱中储存，之后根据除氧器液位自动控制由脱盐水泵向除氧器补水。将此水箱作为循环水槽，底部出水，通过50m³/h的热水泵抽水至渣冷却器，脱盐水与渣热交换后返回循环水槽上部。保持水箱液位不变，记录水箱进出水量、水温变化，测算回收热量值。经过连续一周的试验，取得数据如下：

表1：5月18日数据

表2：5月19日数据

表3：5月20日数据表

表4：5月21日数据表

表5：5月22日数据表

表6：5月23日数据表

经一周试验后，数据整理发现存在以下主要问题：

（1）生产系统工况波动导致蒸汽产量、锅炉给水量波动，同时外供蒸汽量也有波动，除氧器需水量变化较大，长期在15-50t/h间波动。而一旦除氧器需水量少的话，热平衡被打破，脱盐水箱温度上升较快，一旦达到65℃时为防止脱盐水管道损坏会停止水循环，也就造成数据连续完整性失真。

（2）硫酸排渣工序因炉操作及排渣阀故障灯因素，间歇停冷渣机，对数据采集也造成一定影响。

（3）试验过程对连接的进出水管道未设置保温，总长约200米管道也造成相当大的热损失。

滚筒冷渣机由滚筒、转动系统、驱动机构、进渣装置、出渣装置、冷却水系及电控装置、进渣管组件等组成。原理：锅炉排渣口排出炽热的灰渣经斜伸入滚筒内的进渣管进入滚筒端部，并在进渣管周围堆积成一定高度，滚筒转，热灰渣流进，在热灰渣推进过程中，热灰渣和冷却水进行热交换。由循环流动的冷却水将热灰渣的大部分热量带走，在此过程中，冷却水的升温速率是变化的，即使在理想情况下，体系不散热，并且吸收热量速率近似恒定（比如热源温度远高于水温），温度也不会是匀速上升。影响因素 1：随着温度升高，分子被“激活”的能级变多，导致热容升高。这是由于分子在高温下可以振动，也就是振动自由度被逐渐激活，所以会导致总的热容上升。影响因素 2：水中存在氢键，把水升温的过程实际上破坏了氢键，这也是水的比热容很高的原因。然而高温下比低温下每升高单位温度破坏的氢键更少，所以导致热容降低。综上，两种效应同时存在，导致了水的热容随温度变化并不单调，是一个下凸函数：即使在这样的理想情况下，温度上升速率也是先快后慢，在 30℃-40 ℃时达到速率极大值。而热灰渣的推进速度是恒定的，这就导致热交换的效果大打折扣，热灰渣的热量不能及时交换，筒体受高温影响产生钙镁离子结垢，从冷渣机排出的灰渣热量仍然较高，余热回收效率低。

因此本发明的技术思路是将冷渣机额冷却水进行间歇降温，使得冷却水温度控制在40℃以下，以确保换热效率，及时将热灰渣的大部分热量传导转移，避免筒体的高温段产生钙镁离子结垢。

本发明的技术方案是：一种硫铁矿烧渣余热回收利用装置，包括抽水泵、冷渣机和除氧器，所述抽水泵与除氧器的进水口通过副管道连通，所述副管道位于冷渣机上方且通过过渡管道与冷渣机的夹套连通，所述副管道上接入有位于过渡管道和除氧器之间的第一阀门，所述冷渣机的冷却水出口与除氧器的进水口通过供水管连通。

上述方案的改进是所述过渡管道与副管道的连接处是外扩的放大部。

上述方案中所述抽水泵与抽凝机组连通。

上述方案中所述供水管上接入有第二阀门。

上述方案中所述供述管的末端与位于第一阀门和除氧器之间的副管道连通。

上述方案中所述第一阀门和第二阀门是电磁阀。

一种硫铁矿烧渣余热回收利用装置的使用方法，包括以下步骤：（1）、开启冷渣机，烧渣从冷渣机的进渣口向出渣口移动，冷渣机的冷却水进口输入抽凝机组的冷凝水，冷凝水在冷渣机的夹套内流动，由冷渣机的冷却水出口排出进入除氧器内；（2）、当冷渣机的夹套内的冷凝水升温至40℃时，打开第一阀门，以大功率启动抽水泵1min-2min，抽水泵将抽凝机组的冷凝水抽吸经过副管道进入除氧器内，过渡管道内产生负压将冷渣机的夹套内的冷凝水抽入副管道内，关闭抽水泵和第一阀门，副管道内的冷凝水流入冷渣机的夹套内；（3）、重复步骤（2）的操作若干次。

本发明的有益效果是通过间歇性的抽取冷渣机内的冷却水并换取新水，降低冷渣机内的冷却水的温度，使其始终保持在40℃以下，提高冷却水的换热效率，也提高了热灰渣的余热利用率，降低冷渣机筒体在高温下结垢的风险。

附图说明

图1是本发明的硫铁矿烧渣余热回收利用装置示意图；

图2是本发明的热渣温度及进出水温度照片；

图3是对应表1的5月18日回收热量值散点图；

图4是对应表2的5月19日回收热量值散点图；

图5是对应表3的5月20日回收热量值散点图；

图6是对应表4的5月21日回收热量值散点图；

图7是对应表5的5月22日回收热量值散点图；

图8是对应表6的5月23日回收热量值散点图；

图中，1、抽水泵，2、冷渣机，3、除氧器，4、副管道，5、过渡管道，6、第一阀门，7、供水管，8、放大部，9、第二阀门。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1所示，实施例1：一种硫铁矿烧渣余热回收利用装置，包括抽水泵1、冷渣机2和除氧器3，所述抽水泵一端与水源连接，另一端与除氧器的进水口通过副管道4连通，所述副管道位于冷渣机上方且通过过渡管道5与冷渣机的夹套连通，所述副管道上接入有位于过渡管道和除氧器之间的第一阀门6，通过第一阀门控制水泵与除氧器的连通或关闭，所述冷渣机的冷却水出口与除氧器的进水口通过供水管7连通，所述副管道和供水管外包裹有保温材料。

实施例2：与实施例1的区别在于所述过渡管道与副管道的连接处是外扩的放大部8，放大部可以对被负压推动由冷渣机的夹套进入副管道的冷凝水起到扩散的作用，将其细化成水雾进入富管道内的水流内，在关闭抽水泵和第一阀门后，副管道内的水流会快速回流至冷渣机的夹套内。

实施例3：与实施例1的区别在于所述抽水泵与抽凝机组连通，抽凝机组出来的冷凝水分两路，一路直接输送至冷渣机的冷却水进口，另一路通过抽水泵输送至副管道内。利用冷渣机内的冷凝水和副管道内的冷凝水的温差实现热量的交换，及时将冷渣机内的热量转移走，热灰渣的余热被40℃以下的冷凝水快速吸收。

实施例4：与实施例1的区别在于所述供水管上接入有第二阀门9，在开启抽水泵和第一阀门的时候关闭第二阀门，避免冷渣机内由冷却水进口到冷却水出口的冷凝水循环干扰到副管道的抽吸。

实施例5：与实施例4的区别在于所述供述管的末端与位于第一阀门和除氧器之间的副管道连通，在第一阀门开启，抽水泵关闭时，供水管内的冷凝水会部分回流至副管道内，对冷渣机夹套内的冷凝水形成补充，防止冷渣机夹套内的冷凝水流量过低，影响热交换效果。

实施例6：与实施例4或5的区别在于所述第一阀门和第二阀门是电磁阀。可以通过设定好的程序自动控制第一阀门和第二阀门的启闭。

上述实施例可以任意结合，只要得到的方案不冲突都属于本发明的保护范围。

一种硫铁矿烧渣余热回收利用装置的使用方法，包括以下步骤：（1）、开启冷渣机，第二阀门开启，第一阀门关闭，抽水泵关闭，烧渣从冷渣机的进渣口向出渣口移动，冷渣机的冷却水进口输入抽凝机组的冷凝水，冷凝水在冷渣机的夹套内流动，由冷渣机的冷却水出口排出进入除氧器内；（2）、当用测温仪器检测到冷渣机的夹套内的冷凝水升温至40℃时，打开第一阀门，以大功率启动抽水泵1min-2min，这里的大功率是指抽水泵的扬程足以让冷凝水以足够的速度在副管道内流动，并产生负压状态，抽水泵将抽凝机组的冷凝水抽吸经过副管道进入除氧器内，过渡管道内产生负压将冷渣机的夹套内的冷凝水抽入副管道内，为了便于抽吸，过渡管道的长度要尽可能短，关闭抽水泵，副管道内的冷凝水流入冷渣机的夹套内，打开第二阀门，供水管正常供水，部分冷凝水经过第一阀门进入副管道并最终流入冷渣机的夹套内，关闭第一阀门；（3）、重复步骤（2）的操作若干次，直至检测到冷渣机的夹套内的冷凝水温度达到30℃左右。

经过上述操作后，如图2所示，用红外线测温仪监测热渣温度及进出水温度，由于渣量少，排渣管外表监测温度约400℃，出口约130℃，同样由于凝结水管暂未做保温，冷渣机进出口水温分别为30℃和42℃，可以看到有温控效果。单系列沸腾炉高温排渣量超25t/h，行业内暂无先例，采用蒸汽发电后的凝结水冷却烧渣，回收余热，提高水温，减少除氧器蒸汽消耗，在大量高温烧渣热能回收应用领域领先，为以后进一步提高热回收利用效率奠定基础。预计单台冷渣机回收的热量可节约除氧器中蒸汽消耗量约0.5t/h，即12t/d，按此比例测算，当冷渣机冷却水全部改造完成后，日减少蒸汽消耗量约50t/d，年节约蒸汽用量15000t以上，直接经济效益195万元。按吨蒸汽发电量150kwh折算，年减排二氧化碳排放量2243t。

Claims (7)

1.一种硫铁矿烧渣余热回收利用装置，包括：抽水泵（1）、冷渣机（2）和除氧器（3），其特征是：所述抽水泵与除氧器的进水口通过副管道（4）连通，所述副管道位于冷渣机上方且通过过渡管道（5）与冷渣机的夹套连通，所述副管道上接入有位于过渡管道和除氧器之间的第一阀门（6），所述冷渣机的冷却水出口与除氧器的进水口通过供水管（7）连通。

2.如权利要求1所述的一种硫铁矿烧渣余热回收利用装置，其特征是：所述过渡管道与副管道的连接处是外扩的放大部（8）。

3.如权利要求1所述的一种硫铁矿烧渣余热回收利用装置，其特征是：所述抽水泵与抽凝机组连通。

4.如权利要求1所述的一种硫铁矿烧渣余热回收利用装置，其特征是：所述供水管上接入有第二阀门（9）。

5.如权利要求4所述的一种硫铁矿烧渣余热回收利用装置，其特征是：所述供述管的末端与位于第一阀门和除氧器之间的副管道连通。

6.如权利要求5所述的一种硫铁矿烧渣余热回收利用装置，其特征是：所述第一阀门和第二阀门是电磁阀。

7.如权利要求1-6任一所述的一种硫铁矿烧渣余热回收利用装置的使用方法，其特征是：包括以下步骤：（1）、开启冷渣机，烧渣从冷渣机的进渣口向出渣口移动，冷渣机的冷却水进口输入抽凝机组的冷凝水，冷凝水在冷渣机的夹套内流动，由冷渣机的冷却水出口排出进入除氧器内；（2）、当冷渣机的夹套内的冷凝水升温至40℃时，打开第一阀门，以大功率启动抽水泵1min-2min，抽水泵将抽凝机组的冷凝水抽吸经过副管道进入除氧器内，过渡管道内产生负压将冷渣机的夹套内的冷凝水抽入副管道内，关闭抽水泵和第一阀门，副管道内的冷凝水流入冷渣机的夹套内；（3）、重复步骤（2）的操作若干次。

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