CN116287496A - 一种冶金熔渣倾斜式离心粒化及余热回收装置系统 - Google Patents

Abstract

针对现存冶金渣回收过程冶金渣粒化与传动机构的设计及布置不合理从而造成颗粒粘结，传动机构冷却不足的技术难题，本发明设计一种倾斜式冶金熔渣离心粒化及余热回收装置系统，主要包括储渣罐、缓冲槽、倾斜式离心粒化装置、收集渣盘、滚筒冷却器及其附属装置，装置系统中传动轴、电机挂于收集渣盘外壁面，无需设置底部支架支撑装置，避免了由于支架支撑造成的冶金渣粒在收集渣盘内流动不畅、易堵塞的问题。可克服传统粒化装置的上述缺点，解决目前冶金熔渣余热回收难及回收效率低的技术问题。

Description

一种冶金熔渣倾斜式离心粒化及余热回收装置系统

技术领域

本发明涉及冶金渣余热回收领域，具体涉及一种倾斜式冶金熔渣离心粒化及余热回收装置系统。

背景技术

高炉渣、钢渣、铜渣、镍铁渣等冶金熔渣是冶金工业中重要的固体副产品，产量较大。每年，我国上述冶金熔渣的产量达数十亿吨。通常，这些冶金渣的出炉温度在1200℃以上，是具有很高的回收价值的优质热源。仅以高炉渣为例，1吨高炉熔渣显热约合60kg标煤煤，我国高炉渣2021年产量可达3亿吨，约合1800万吨标准煤。但是，目前从生安全性的角度考虑，冶金渣常常采取水淬的方法处理。这不仅消耗了水资源，而且也会引起严重的环境污染。

为了实现冶金渣余热的高效回收，解决传统处理方法导致的耗水、污染问题，冶金熔渣干法粒化是不消耗新水的前提下，通过粒化装置(如转杯、转筒、转鼓、转盘等)将液态高温炉渣转变为固体高温(1100℃左右)颗粒，继而通过与传热介质直接或者间接接触回收其颗粒的高温显热。随着粒化技术和工艺的发展成熟，干法粒化得到的渣粒球形度好，玻璃体含量高，便于后续余热回收和资源化利用。

然后，现有技术均存在回收冶金熔渣余热的工艺流程复杂，设备投资大。回收热效率低。所用离心粒化装置的电机均布置于渣粒收集装置的内部，不仅需要对电机及传动轴充分冷却，还要设置电机及传动轴的隔板避免渣粒落于传动轴及电机内部。此外，固定支撑件会造成粒化后渣粒易堵塞，从而造成排出困难。因此，开发一种高效回收冶金熔渣的粒化装置及余热回收方法是我国急需解决的问题，但是截止目前尚未有关于该领域相关技术推广应用的报道。

发明内容

针对现存冶金渣回收过程冶金渣粒化与传动机构的设计及布置不合理从而造成颗粒粘结的问题，本发明为了克服现有技术的不足，设计一种倾斜式冶金熔渣离心粒化及余热回收装置系统，可克服传统粒化装置的上述缺点，解决目前冶金熔渣余热回收难及回收效率低的技术问题。

本发明具体技术方案如下:

一种冶金熔渣倾斜式离心粒化及余热回收装置系统，主要包括储渣罐、缓冲槽、倾斜式离心粒化装置、收集渣盘、滚筒冷却器及其附属装置。所述储渣罐、缓冲槽、倾斜式离心粒化装置、收集渣盘及滚筒冷却器顺次连接。

所述倾斜式离心粒化装置包括收集渣盘、旋转转盘和水冷冷却装置等，传动轴倾斜连接于收集渣盘内壁上，电机置于收集渣盘的外部。熔融态的冶金渣进入旋转的倾斜式离心粒化装置，经粒化后变成颗粒渣，同时空气会在底端通入到收集渣盘中进行吸热。高温渣渣经过冷却降低到1000℃左右，颗粒渣排出后进入滚筒冷却器进行进一步冷却至100℃左右。

所述滚筒冷却器采用空气及冷却水作为冷却介质，物料与空气充分接触并在滚筒冷却器中充分旋转运动，冷却水在滚动冷却机的外壁面进行充分换热。

所述储渣罐出口与缓冲槽入口连接，倾斜式离心粒化装置的入口与缓冲槽出口连接，收集渣盘出口与滚筒冷却器的入口相连接。

所述的一种冶金熔渣倾斜式离心粒化及余热回收装置系统，具体工作过程包括以下步骤：

步骤1:储渣缓冲

冶金熔渣断续从排放口倾倒入储渣罐中，储渣罐中设置有加热及保温装置，内部熔渣保持温度高于熔渣熔点温度150℃以上。储渣罐中熔渣连续以一定的速度进入缓冲槽，缓冲槽起到液态流股缓冲作用，避免冶金熔渣在流下过程中由于流股不稳而造成冶金渣溅落。其中，所述的熔渣在进入缓冲槽前温度大于1300℃。

步骤2:离心粒化

冶金熔渣由缓冲槽、经熔渣进口依次流入倾斜式离心粒化装置，装置设有旋转转盘高速旋转，冶金熔渣被高速旋转带出，并沿旋转转盘边缘飞出，经过空气初步快速冷却并在表面张力的作用下转变为外表面固化的冶金渣颗粒；随后进入收集渣盘的内壁面。其中，所述的熔渣在进入倾斜式离心粒化装置前温度大于1200℃。

步骤3:余热回收

经过离心粒化后的颗粒从进料口进入滚筒冷却器，内部设有螺旋搅动叶片，由于物料在内部不断滚动及轴向移动，同时与滚筒外冷却介质进行热交换。经滚筒冷却器冷却后冶金渣颗粒温度降低至200℃以下。

所述步骤1中，冶金熔渣为金属冶炼过程排放的液态渣，如高炉渣、钢渣、铜渣、镍渣等。

所述步骤2中，倾斜式离心粒化装置、传动轴、电机顺次连接；倾斜式离心粒化装置布置于倾斜式离心粒化装置中心位置处；倾斜式离心粒化装置通过传动轴连接于收集渣盘内壁上，传动轴与收集渣盘内壁呈一定的夹角；电机置于收集渣盘外部。

所述步骤2中，倾斜式离心粒化装置内转盘与传动轴呈垂直布置或转盘与传动轴平行布置。

所述步骤2中，传动轴与收集渣盘内部有水冷冷却装置；

所述步骤2中，冶金渣液膜厚度,质量流量以及冶金渣在旋转转盘边缘的飞行速度，满足如下关系：

ρ₁×(V_边飞×H_膜)×π×d_粒化器= q_m (式1)

其中ρ₁为冶金渣的密度，kg/m³；V_边飞为渣粒在旋转转盘边缘的飞行速度，m/s；q_m为冶金渣的质量流量，kg/s；d_粒化器为倾斜式离心粒化装置内旋转转盘直径，m；H_膜是液膜厚度，m。

所述步骤2中，渣粒进行斜抛运动飞行的水平距离S满足如下关系。

当转盘与传动轴呈垂直布置时：

S= V_边飞×cosβ×t (式2)

当转盘与传动轴平行布置时：

S= V_边飞×t (式3)

其中，S为渣粒进行斜抛运动飞行的水平距离，m; t为冶金渣粒的飞行时间，s; β为传动轴与收集渣盘内壁的夹角, °。

飞行时间满足如下关系：

t=V_边飞×sinβ/2g (式4)

其中，g为重力加速度，9.8 m/s²。

所述步骤2中，收集渣盘直径D_渣盘满足如下关系:

D_渣盘≥2S+ d_粒化器 (式5)

其中，D_渣盘为渣盘直径，m。

本发明的有益效果：

(1) 电机置于收集渣盘外侧，实现了电机与收集渣盘分离，避免了渣粒与电机的直接或者间接接触，延长了电机的使用寿命；

(2) 装置系统中传动轴、电机挂于收集渣盘外壁面，无需设置底部支架支撑装置，避免了由于支架支撑造成的冶金渣粒在收集渣盘内流动不畅、易堵塞的问题。

(3)通过本发明专利提供的工艺系统技术及方法，可回收冶金渣颗粒余热，热效率在90%以上，㶲效率在40%以上。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。

下面以100kg高炉渣为例，根据质量守恒及能量守恒定律对系统工艺进行可行性分析计算。

计算条件如下：

倾斜式离心粒化装置内高炉渣入口温度为1500℃，出口温度为1100℃；滚筒冷却器内高炉渣入口温度为1100℃，出口温度为95℃，高炉渣比热容为Cm₁＝1.2 kJ/(kg·℃)，倾斜式离心粒化装置通入空气的质量用m₂，滚筒冷却器通入的空气质量用m₃，环境温度为25℃。

倾斜式离心粒化装置内空气由25℃加热到200℃。

滚筒冷却器内空气由25℃到热到450℃。

(1)倾斜式离心粒化装置:

根据质量守恒定律高炉渣进入倾斜式离心粒化装置之前的质量=高炉渣离心粒化后的质量；空气进入倾斜式离心粒化装置之前的质量=空气被加热后的质量。

根据能量守恒定律高炉渣放热量=空气吸热量+热损失

热量收入项如下：

高炉渣代入的物理热:

Q_in-1=C₁×m₁×t₁=1.2×100×1500

=180000 kJ

空气代入的物理热

Q_in-2=C₂×m₂×t₂=1.29×m₂×25 kJ

热量支出项如下：

高炉渣带走物理热量:

Q_out-1=C₁×m₁×t1^'=1.2×100×1100

=132000 kJ

空气带走物理热量:

Q_out-2=C₂×m₂×t₂ ^'=1.29×m₂×200 kJ

热损失:

Q_loss=( Q_in-1- Q_out-1)×5%=(180000-132000)×5%

=2400 kJ

平衡方程：

∑Q_in=∑Q_out

C₁×m₁×t₁+C₂×m₂×t₂=C₂×m₂×t₂’+C₁×m₁×t₁’+( Q_in-1- Q_out-1) ×5%

㶲收入项如下:

高炉渣进入倾斜式离心粒化装置之前的㶲值:

Ex_in-1 =m×[(h₁-h₀)-T₀(s₁-s₀)]

=m×[c_p×(T₁-T₀)-T₀×(c_p×ln(T₁/T₀)]

=100×[1.2×(1773-298)-298×(1.2×ln(1773/298)]

=113228 kJ

空气进入倾斜式离心粒化装置前的㶲值:

Ex_in-2=m₂×[(h₁-h₀)-T₀(s₁-s₀)]

=m₂×[c_p×(T₁-T₀)-T₀×(c_p×ln(T₁/T₀)]

=0 kJ

㶲支出项如下:

高炉渣离开倾斜式离心粒化装置时的㶲值:

Ex_out-1=m×[(h₂-h₀)-T₀(s₂-s₀)]

=m×[c_p×(T₂-T₀)-T₀×(c_p×ln(T₂/T₀)]

=100×[1.2×(1373-298)-298×(1.2×ln(1373/298)]

=74371 kJ

空气离开倾斜式离心粒化装置时的㶲值:

Ex_out-2=m₂×[(h₂-h₀)-T₀(s₂-s₀)]

=m₂×[c_p×(T₂-T₀)-T₀×(c_p×ln(T₂/T₀)]

=202×[1.29×(473-298)-298×(1.2×ln(473/298)]

=9725 kJ

倾斜式离心粒化装置的㶲损失:

E_loss=Ex_in-1+Ex_in-2- Ex_out-1- Ex_out-2

=113228+0-74371-9725

=29132 kJ

同理可得滚筒式冷却器内热量的收入和支出、㶲的收入和支出。

本工艺流程热收支平衡表

表2表示工艺流程㶲收支平衡表

热效率= (Q_out-1+Q_out-2)/ (Q_in-1+Q_in-2)×100%

㶲效率=(Ex_out-1+Exo_ut-2)/ (Ex_in-1+Ex_in-2)×100%

利用上述能量守恒方程，根据初始计算条件可以计算出100kg高炉渣在倾斜式离心粒化装置内温度从1500℃降低到1100℃，空气温度从25℃升高到200℃，所需空气质量为202 kg。在滚筒式冷却机内温度从1100℃降低到95℃，空气温度从25℃升高到450℃，所需空气质量为225kg，升温后的热空气可以进行供暖、烧水等工作。整个工艺流程热效率93.7%，㶲效率44.2%。

通过对利用一种倾斜式冶金熔渣离心粒化装置及余热回收方法中倾斜式离心粒化装置和滚筒式冷却器部分的理论分析及计算可知，本发明为冶金熔渣的余热回收提供了新思路。

附图说明

图1为本发明实施例1的一种冶金熔渣倾斜式离心粒化及余热回收装置系统工艺流程图；

图2为本发明实施例1的一种冶金熔渣倾斜式离心粒化及余热回收装置系统结构图。

1-储渣罐、2-缓冲槽、3-倾斜式离心粒化装置、4-滚筒冷却器、5-熔渣进口、6-进料通道、7-旋转转盘、8-收集渣盘、9-传动轴、10-电机、11-出料口、12-进料口、13-螺旋搅动叶片、14-出料口。

实施例1

本发明实施例采用的高炉渣来源于国内某钢铁企业高炉渣，连续出渣质量流量15t/h。倾斜式离心粒化装置3内高炉渣入口温度为1500℃，出口温度为1100℃。滚筒式冷却器4冷却介质采用常温状态下的空气。滚筒冷却器4内高炉渣入口温度为1100℃，出口温度为95℃。倾斜式离心粒化装置3内空气由25℃加热到200℃。滚筒冷却器4内空气由25℃到热到450℃。

装置系统由储渣罐1、缓冲槽2，倾斜式离心粒化装置3，滚筒冷却器4，旋转转盘7、收集渣盘8、电机10等组成，传动轴9倾斜连接于收集渣盘8内壁上，与收集渣盘内壁的夹角为β，电机11置于收集渣盘9的外部。

采用倾斜式冶金熔渣离心粒化及余热回收装置系统，进行余热回收的方法，包括以下步骤：

步骤1:储渣缓冲

冶金熔渣断续从排放口倾倒入储渣罐1中，储渣罐1中设置有加热及保温装置，内部熔渣保持温度高于熔渣熔点温度150℃以上。储渣罐1中熔渣连续以一定的速度进入缓冲槽2，缓冲槽2起到缓冲作用。

步骤2:离心粒化

冶金熔渣进入倾斜式离心粒化装置3，在进行熔渣离心粒化过程中，熔渣流股下落到收集渣盘8内部具有离心粒化作用的旋转转盘6上，经旋转转盘6离心粒化后沿其边缘甩出，形成的渣粒飞出并呈抛物线撞击收集渣盘9的内壁面。其中，所述的熔渣流股温度大于1200℃。

步骤3:余热回收

经过离心粒化后的颗粒从进料口12进入滚筒冷却器4内部，在机器内部有专业的螺旋叶片13。由于重力和叶片的作用，原料在内部由于物料在内部不断被叶片抄起，在落下同时与冷却介质进行冷交换。高温颗粒会被从出料口14排出，从而达到冷却的目的。

所述步骤2中倾斜式离心粒化装置3内旋转转盘7转速900r/min，转盘边缘液膜厚度为0.25mm，倾斜式离心粒化装置3直径0.42m，旋转转盘7内夹角α为20°，传动轴9与收集渣盘8内壁夹角β为30°。

所述步骤2中渣粒飞出的水平速度为3.9 m/s，渣粒飞出的纵向速度为1.1 m/s，旋转转盘6内深度H₀为0.05 m；渣粒运动时间为0.2 s，渣粒水平方向运动距离S为0.9 m。收集渣盘9直径为2.2 m。

本实施例中，热效率为93.7%，㶲效率为44.2%。

实施例2

同实施例1，其不同点在于，熔渣为铜渣，倾斜式离心粒化装置3内铜渣入口温度为1350℃，出口温度为800℃。连续出渣质量流量30t/h。倾斜式离心粒化装置4内空气则由25℃加热到200℃；滚筒冷却器4内铜渣入口温度为800℃，出口温度为95℃。滚筒冷却器4内空气从25℃到热到450℃。

所述步骤2中倾斜式离心粒化装置3内旋转转盘7转速1100r/min，转盘边缘液膜厚度为0.15mm，倾斜式离心粒化装置3直径0.60m，旋转转盘7内夹角α为20°，传动轴9与收集渣盘8内壁夹角β为90°。

所述步骤2中渣粒飞出的水平速度为5.4 m/s，渣粒飞出的纵向速度为1.7 m/s，旋转转盘6内深度H₀为0.05 m；渣粒运动时间为0.36 s，渣粒水平方向运动距离S为1.98 m。收集渣盘9直径为5.1 m。

本实施例中，冶金渣颗粒热效率为92.9 %。

实施例3

同实施例1，其不同点在于：滚筒冷却器内冷却介质为水。熔渣为镍铁渣，倾斜式离心粒化装置3内铜渣入口温度为1450℃，出口温度为800℃。连续出渣质量流量45t/h。倾斜式离心粒化装置4内空气则由25℃加热到200℃；滚筒冷却器4内铜渣入口温度为800℃，出口温度为95℃。滚筒冷却器4内空气从25℃到热到450℃。

所述步骤2中倾斜式离心粒化装置3内旋转转盘7转速1250r/min，转盘边缘液膜厚度为0.10mm，倾斜式离心粒化装置3直径0.73m，旋转转盘7内夹角α为20°，传动轴9与收集渣盘8内壁夹角β为90°。

所述步骤2中渣粒飞出的水平速度为6.7 m/s，渣粒飞出的纵向速度为2.3 m/s，旋转转盘6内深度H₀为0.05 m；渣粒运动时间为0.47 s，渣粒水平方向运动距离S为3.14 m。收集渣盘9直径为7.5 m。

本实施例中，冶金渣颗粒热效率为93.4%。

上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非对本发明保护范围的限制，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而做出的变化，均应属于本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种冶金熔渣倾斜式离心粒化及余热回收装置系统，主要包括储渣罐、缓冲槽、倾斜式离心粒化装置、收集渣盘、滚筒冷却器及其附属装置；所述储渣罐、缓冲槽、倾斜式离心粒化装置、收集渣盘及滚筒冷却器顺次连接；传动轴倾斜连接于收集渣盘内壁上，与收集渣盘内壁呈一定夹角，电机置于收集渣盘的外部，具体工作过程包括以下步骤：

步骤1:储渣缓冲，冶金熔渣断续从排放口倾倒入储渣罐中，储渣罐中设置有加热及保温装置。储渣罐中熔渣连续以一定的速度进入缓冲槽，避免冶金熔渣在流下过程中由于流股不稳而造成冶金渣溅落；骤2:离心粒化，冶金熔渣进入倾斜式离心粒化装置，熔渣流股下落到收集渣盘内部具有离心粒化作用的旋转转盘上，经离心粒化后沿其边缘甩出，形成的渣粒飞出并撞击收集渣盘的内壁面；步骤3:余热回收，经过离心粒化后的颗粒进入滚筒冷却器，原料在翻滚的同时与空气或水等冷却介质进行冷交换。

2.根据权利要求1所述的一种冶金熔渣倾斜式离心粒化及余热回收装置系统，其特征在于：所述步骤（1）中冶金熔渣为金属冶炼过程排放的液态渣，为高炉渣或钢渣或铜渣或镍渣。

3.根据权利要求1所述的一种冶金熔渣倾斜式离心粒化及余热回收装置系统，其特征在于：所述步骤2中，倾斜式离心粒化装置布置于倾斜式离心粒化装置中心位置处；倾斜式离心粒化装置通过传动轴连接于收集渣盘内壁上，传动轴与收集渣盘内壁呈一定的夹角；电机置于收集渣盘外部。

4.根据权利要求1所述的一种冶金熔渣倾斜式离心粒化及余热回收装置系统，其特征在于：所述步骤2中，传动轴与收集渣盘内部有水冷冷却装置，倾斜式离心粒化装置内转盘与传动轴呈垂直布置或转盘与传动轴平行布置。

5.根据权利要求1所述的一种冶金熔渣倾斜式离心粒化及余热回收装置系统，其特征在于：所述步骤2中，收集渣盘直径D满足如下关系:D≥2S+ d,

其中，D为渣盘直径，m；S为颗粒飞行水平距离，m；d为旋转转盘直径，m。

6.根据权利要求1所述的一种冶金熔渣倾斜式离心粒化及余热回收装置系统，其特征在于：所述步骤2中内部熔渣温度高于熔渣熔点温度150℃以上。

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