CN117146601B - 一种高温物料快速冷却及余热在线回收装置和其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高温物料快速冷却及余热在线回收装置及其使用方法。该装置包括立式冷却装置和余热回收利用系统，其中，立式冷却装置从上到下依次密封连接受料槽、料封管、冷却段和圆锥体料仓，冷却段上和圆锥体料仓内部还开设有冷却风进风口，从而形成由下而上，由外而内的逆流交换热流，所得热风经多级余热回收利用装置回收进行多级发电，所得电力不仅可满足冷却风循环系统使用，还可以进行电力外供。该装置整体结构简单，传动运转设备较少，便于使用，其驱动能源为高温物料的热能，不仅实现了物料的快速降温，还将多余热能转化为电能对外供给，有效实现了余热的回收利用。
Description
技术领域
本发明涉及一种物料冷却装置，具体涉及一种高温物料快速冷却及余热在线回收装置和其使用方法，属于废热回收技术领域。
背景技术
高效冷却高温物料并回收利用其显热，实施余热高效回收和资源化利用，是提高能效、节能减排、低碳环保的主要方法途径之一，也是企业提高生产效率、节能减排的一项重要工作举措。
冷却工艺及装置是工业炉窑生产的关键工序和重要的配套设施，直接影响着企业生产效率和节能降碳水平。由于生产工艺需要，钢铁、焦化、建材等很多行业都涉及到高温块状或粒状物料冷却、余热回收问题。经工业炉窑焙（煅）烧后排出的矿石、烧结矿、球团矿、石灰等高温块状、粒状物料需在冷却装置内进一步冷却处理后才能进入后道工序或作为产品出厂。例如刚从焙（煅）烧炉窑排出的烧结矿、球团矿、石灰等，温度为600~800℃，在现有技术中，多采用带式冷却机、环式冷却机等冷却装置用空气进行冷却，冷却装置均为运转设备，高温物料置于冷却装置内且相对处于静止状态，导致这些冷却装置结构复杂、密封不严、漏风率高、能耗高、热量回收效率低，同时冷却装置运转负荷大，需要配置专门的驱动和传动机构，导致运行故障多，运行费用和维护成本高。此外，也可采用竖冷器对高温物料冷却，但是由于竖冷器的结构限制，在大批量高温物料进料时会产生冷却效果差、下料及冷却不均匀、设备变形磨损严重、回收热风温度及余热利用率低等问题。同时由于这些冷却工艺装置不易实现隔热保温，冷却设施及物料散热导致热量损失较多，且大部分冷却后的中低温热风未经热量回收利用直接排入大气，导致热量回收率低，造成能源的严重浪费。因此，现有市场亟需一种适合块状、粒状高温物料的高效节能冷却工艺方法及装置。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的第一个目的在于提供一种高温物料快速冷却及余热在线回收装置，该装置由立式冷却装置和余热回收利用系统组成，立式冷却装置采用上下送风，内外送风，里外循环的冷却方式，可与高温物料进行快速彻底的热量交换，所得热风再通过多级余热回收装置回收利用发电，发电结束后冷风可再次循环至冷却装置内，有效解决了粉尘污染的问题，并实现了热能回收。
本发明的第二个目的在于提供一种高温物料快速冷却及余热在线回收装置的使用方法，该方法基于本发明所提供的冷却及余热在线回收装置，以高温物料的热能为驱动能源，不仅实现了物料的快速降温，还将多余热能转化为电能对外供给，有效实现了余热的回收利用。
为实现上述技术目的，本发明提供了一种高温物料快速冷却及余热在线回收装置，包括立式冷却装置和余热回收利用系统；
所述立式冷却装置从上到下依次密封连接受料槽（1）、料封管（2）、冷却段（4）和圆锥体料仓（11）；所述冷却段（4）与封料管相连接的锥面上开设有出风管（3），冷却段中部设有进风口（5）；所述圆锥体料仓中部设置一供风装置，包括水平贯通送风管（9），沿冷却段中轴线方向连通送风管（9）的内风管（13）和连接内风管（13）开口处的锥形风帽（14）；
所述余热回收利用系统包括余热锅炉发电机组（19）和ORC低温发电机组（18），出风管（3）、多管旋风除尘器（23）、循环风机（20）、余热锅炉发电机组（19）和ORC低温发电机组（18）依次串联，ORC低温发电机组另一端分出供风支路和干燥支路，其中供风支路与进风口（5）和水平贯通进风管（9）并联连通，干燥支路上设有串联连接的袋式除尘器（21）和排气囱（22），用以排出多余干燥气。进一步的，为确保特殊工况时的冷却效果，设置了变频冷却风机（15）与供风支路连接，作为一种调整措施，在需要时鼓入一定量的新鲜空气。
本发明所提供的装置的冷却风经由沿冷却冷却段环形均匀布置的上部和外部供风系统进入冷却装置内，从而在冷却装置内形成自外向内、自下而上的冷却气流，并与自上而下的高温物料逆流热交换；通过圆锥体料仓中的供风装置进入的冷却风，穿过风帽、内风管的百叶窗，从冷却段中心向四周、自下而上，对冷却段中心冷却不充分不均匀的物料再次进行充分冷却，对所有物料再次强化冷却，保证所有物料冷却充分而均匀。余热回收及串级循环利用系统可以将获得的高温热风先用于余热蒸汽发电和ORC有机朗肯发电，或预热煤气等用途，出来的低温废气作为循环冷却风回用于冷却装置以提高热风温度，剩余部分可用于助燃风和工艺干燥。
作为一项优选的方案，所述出风管（3）沿锥斜面水平方向等间隔布置，数量为3~6；所述出风管（3）与冷却段中轴线呈现50~70°夹角。进一步优选，所述出风管数量为4，出风管（3）与冷却段中轴线呈现65°夹角。
作为一项优选的方案，所述进风口（5）沿冷却段（4）水平方向等间隔布置，数量为3~6。进一步优选，所述进风口（5）的数量为4。
作为一项优选的方案，所述进风口（5）与环绕冷却装置的配风管（6）通过连接管（7）相连通，进风口处安装有百叶风口。
作为一项优选的方案，所述配风管（6）另一端与ORC低温电机组（18）供风支路相连通。
作为一项优选的方案，所述支撑管（9）的一端与ORC低温电机组（18）供风支路相连通，另一端封装法兰透明检修孔（8）；内风管（13）和风帽（14）表面开设有开口斜向下30~50°的百叶风口（28），风帽的顶角为25~40°。进一步优选，所述内风管和风帽表面开设有开口斜向下45°的百叶风口（28），风帽的顶角为30°。内风管及风帽采用高强耐磨耐热的合金钢制作，安装于温度较低的冷却段中下部，同时采取外向送风冷却方式，进入的洁净冷风先冷却内风管和风帽，避免含尘高温气流冲刷，防止受热变形，减少磨损。
作为一项优选的方案，所述内风管（13）的正下方所对应的支撑管（9）底部安装有自动排灰系统（10），避免物料粉尘堆积。自动排灰系统可以将从风帽、内风管落入的物料自动检测并及时排出，防止在支撑管内沉积、堵塞。采取保温隔热耐磨措施，降低热损失，提高热回收利用率，避免构件受热变形，减少磨损，提高运行可靠性。
自动排灰系统的内部安装有积灰触发器和电动排灰阀，触发器和送风管蝶阀、电动排灰阀连锁控制，也可通过人工调控。当积灰达到设定高度时触发器自动启动，并将信号同时传递至排灰阀和下部送风罐蝶阀的连锁控制箱，自动关停送风管蝶阀、开启排灰阀，达到设定的开启时间后自动关闭排灰阀和自动开启送风管蝶阀。
作为一项优选的方案，所述圆锥体料仓（11）的倾角为60~80°，料仓底部安装法兰密封排料阀（27），将冷却物料分批排出。进一步优选，所述圆锥体料仓（11）的倾角为70°。为克服漏斗效应，确保炉体料层下料均匀，采取n×n矩阵式设置多组排料系统的排料方法，根据冷却冷却段冷却断面大小，n的取值一般为1、2和3。
作为一项优选的方案，所述受料槽（1）、料封管（2）、多管除尘器（23）、出风管（3）和余热回收利用系统的连接管道内部布设锚固网，浇筑保温层A。
作为一项优选的方案，所述冷却段（4）内部铺设轻质保温砖和耐磨耐热高铝砌筑的复合砌砖层B。
作为一项优选的方案，所述冷却段（4）、出风管（3）和余热回收利用系统的连接管道外部包裹岩棉保温层，并覆盖镀锌铁皮保护层。
作为一项优选的方案，所述受料槽（1）顶端沿口处设有水封槽，水封槽上覆盖有保温石棉板的封盖板（24）。
作为一项优选的方案，所述支撑管（9）上表面沿支撑管轴向平行焊接2~4行防磨隔板（29）。
作为一项优选的方案，所述受料槽（1）通过卷扬运输机（25）进料或直接安装于生产炉窑下部并密封连接。
作为一项优选的方案，所述冷却装置顶部还安装有封闭除尘装置（26），将受料槽（1）和卷扬运输机（25）机头完全密封包裹，避免进料时粉尘泄露。
为确保物料充分均匀冷却和较高的热风温度，本发明在各段管路上设有电动蝶阀可及时调节入炉的循环风量，平衡鼓入和排出的风量，排放掉多余的低温废气。
本发明还提供了一种高温物料快速冷却及余热在线回收装置的使用方法，将高温物料通过卷扬运输机（25）运送至冷却装置顶部，卸入受料槽（1）中，开启循环风机（20），冷却风通过进风口（5）和内风管（13）进入窑内，与高温物料热量交换后得到的热风通过出风管（3）进入余热回收系统，高温物料经冷却后通过圆锥体料仓（11）底部的排料阀（27）排出；当该回收装置置于生产炉下部且直接密闭连接时，生产炉内的高温物料依靠自身重力能够自动进入该装置内，无需要设置卷扬运输机（25）和封盖板（24），料封管（2）的高度降低或直接取消。
作为一项优选的方案，所述高温物料的进窑温度为400~1000℃，进窑速率为200~500t/h，出窑温度为100~120℃。
作为一项优选的方案，所述冷却风的风料比为1200~1500m3/t，进窑温度为60~80℃，出窑温度为350~550℃。
作为一项优选的方案，所述热风经过多管旋风除尘器（23）净化除尘后以温度为300~500℃进入余热锅炉发电机组（19）发电，再以180~230℃的中低温热风进入ORC低温发电机组（18）发电，自发电机组出来的废热气冷却至温度为60~80℃，再次进入冷却装置循环使用。
相对于现有技术，本发明的有益技术效果为：
1）本发明所提供的冷却装置采用上下送风、里外送风、风量可调的方式，实现高温物料高效均匀冷却，冷却效果好，设备热负荷低、不受高尘高温气流冲刷磨损，提高设备运行可靠性；设计科学合理的耐磨保温隔热措施，降低散热损失，提高显热回收利用率，避免构件受热变形，减少构件磨损，提高设备稳定性。
2）本发明所提供的技术方案中，冷却物料所回收的热风采取串级循环利用，高温热风用于发电回收能量，当高温热风温度下降至60~80℃时，大部分作为冷却风循环进入冷却装置，少量可作为干燥风用于物料干燥或生产炉窑助燃风。
3）本发明所提供余热回收装置利用多级串联循环工艺，将高温物料热量以空气为媒介进行多级发电，所得电力不仅可满足冷却风循环系统使用，还可以进行电力外供，系统整体结构简单，传动运转设备较少，便于制造安装，可大幅度降低设备投资和设备故障率，节约能耗和运维费用，设备运行效率高，低碳环保。
4）本发明所提供的技术方案中，所述冷却装置还提供了风量及时调节措施和矩阵式、单点灵活的排料操作方法，能很好的适应工况变化，克服中心漏斗效应和边沿滞料问题，确保装置高效稳定运行，物料冷却均匀和热量充分回收。
附图说明
图1为本发明实施例1中所提供的高温物料快速冷却及余热在线回收装置示意图；
图2为本发明实施例1中所提供的冷却装置示意图；
图3为本发明实施例1中冷却装置内风管及风帽结构示意图；
图4为本发明实施例1中冷却装置支撑管防磨示意图；
图5为本发明实施例1中冷却装置出风管结构示意图；
图1~5中，1-受料槽，2-料封管，3-出风管，4-冷却段，5-进风口，6-配风管，7-连接管，8-透明检修孔，9-支撑管，10-自动排灰系统，11-圆锥体料仓，12-圈梁，13-内风管，14-风帽，15-变频冷却风机，16-供风支路，17-电动蝶阀，18-ORC低温发电机组，19-余热锅炉发电机组，20-循环风机，21-袋式除尘器，22-排气囱，23-多管旋风除尘器，24-封盖板，25-卷扬运输机，26-封闭除尘装置，27-排料阀，28-百叶风口，29-防磨隔板。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，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获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
如图1和图2所示，一种块状粒状高温物料高效冷却与余热回收方法及装置，包括：受料排料系统、高效节能冷却装置、上部/外部供风系统、下部/内部供风系统、余热回收与串级循环利用系统、自动排灰系统、耐磨保温隔热措施等。
实施例1
本实施案例为炉外独立冷却装置，每小时400吨、温度高达700℃的高温物料由卷扬运输机25运输至冷却装置顶部，卸入受料槽1。料封管2与受料槽1与冷却冷却段4焊接在一起，在冷却段4的上部锥体中部等间隔焊接四只出风管3，出风管3为天圆地方形状，向上倾角为65°（见附图5），在炉体中下部的沿炉身周围安装4组上部/外部供风装置，每组包括一支配风管6、四支百叶窗式进风口5、四支连接管7，进风口5与环绕冷却装置的外部配风管6相联接，配风管6一侧通过连接管7与进风口5连接，另一侧与供风支路16连接，通过供风支路16与变频冷却风机15和变频循环风机20联接。各风路上均安装电动蝶阀17。在冷却装置下部圆堆体料仓11的中间位置安装下部/内部供风装置，包括一支水平送风管即支撑管9、内风管13、风帽14。支撑管9与冷却装置连接处连续焊接，两端安装在冷却段下部的圈梁12上。支撑管9是采用高强耐磨耐热合金钢制作的圆管，一端与供风系统联接，另一端用法兰和透明耐热玻璃封堵，作为观察及检修孔8。内风管13为直径1.5m、中上部开有百叶窗式进风口28的圆筒体，风帽14为底部直径1.5m的圆堆体。在支撑管中段上部开挖与内风管13等直径的孔口、并与内风管13在冷却装置内连续焊接在一起。内风管13与风帽14（见附图3）焊接在一起。为确保物料下料顺畅和减少磨损，风帽14采取30°的尖顶角。在内风管13和风帽14中上段的外周平行开设若干层高度15mm、斜向下45°的百叶窗式进风口28。在内风管正对的支撑管9底部安装自动排灰系统10，包括一支长约0.8m的排灰管，排灰管内安装自动排灰阀。冷却冷却段下部设置一个圆锥体料仓11，为克服漏斗效应对均匀下料的影响，该料仓采取70°的大倾角设计。圆锥体料仓11底部用法兰联接一件密封排料阀27，将冷却后的物料排出。
为保证良好的耐磨隔热保温效果，根据不同部位的工况条件采用不同的耐磨保温隔热措施方法。在受料槽、料封管、多管除尘器的内部及出风管和热风管弯头及迎风面内部，采取焊接锚钉、布设锚固网，浇筑10cm厚的耐磨保温隔热浇筑层A；冷却段内耐磨保温隔热采用轻质保温砖、耐磨耐热高铝砖砌筑的复合砌砖层B；冷却段、出风管、热风管道及多管旋风除尘器外部包敷10cm厚的岩棉保温层，保护层采用镀锌铁皮，检测外表面温度小于60℃。水封盖板24内部敷设保温隔热的石棉板C。支撑管、内风管、风帽、排灰管等窑内构件全部采用厚度12mm的高强耐磨耐热钢制作。冷却装置内支撑管段的上表面沿轴向平行焊接若干行防磨隔板29，防磨隔板材质为高强耐磨耐热合金钢，每块防磨间隔板厚度10mm、高度10cm、长0.6~0.8m。冷却风和循环低温废气经过上部/外部供风装置的百叶窗进风口28鼓入冷却装置内与窑内自上而下移动的高温物料进行逆流热交换，为确保料层中心的物料充分均匀冷却，另有部分冷却风经过下部/内部供风装置鼓入冷却装置内，进一步强化冷却。按风料比1200~1500m3/t、风量40~45万m3/h、冷却断面采取1.5m/s风速设计，冷却后的物料在100~120℃。从窑内通过四只出风管4出来的高温热风，温度达到380~420℃，通过热风管、进入多管旋风除尘器23。在循环风机20的驱动下，除尘净化后的高温热风进入余热锅炉发电19。从余热锅炉出来的180~230℃中低温热风进入ORC低温发电机组18，利用余热发电，发电结束所产生的温度为60~80℃低温气体，大部分作为冷却风通过供风系统鼓入冷却装置内，实现循环利用；少部分低温废气作为工艺干燥用风。在冷却风供风管路和热风管路上安装电动蝶阀17，调节各支管的冷却风量和循环风量，平衡鼓入和排出的风量。为排放掉多余的低温废气，设置了覆膜袋式除尘器21和排气囱22，确保废气达标排放。为防止气流从受料槽1溢出，在受料槽上部加装了水封盖板24，水封高度0.3m。为解决卷扬运输机25卸料入窑过程产生的扬尘，对炉窑顶部和卷扬运输机头部整体封闭除尘，安装封闭除尘装置26，确保无粉尘外溢。
该高温物料快速冷却及余热在线回收装置及其使用方法，设备结构简单、维护量小，运行成本低，实现设施运行稳定高效、节能环保，物料下料均匀，冷却均匀；物料余热回收率为92%，是常规冷却装置余热回收率30%的三倍；吨矿发电量为38kW·h，约是常规冷却装置吨发电量15~20kW·h的一倍；该装置系统漏风量基本为0，无扬尘污染，常规冷却装置系统漏风率高达30%以上，现场扬尘污染严重；该装置吨矿用风量、耗电量相较于常规冷却装置分别节省40%和30%。
尽管通过参考附图并结合优选实施例的方式对本发明进行了详细描述，但本发明并不限于此。在不脱离本发明的精神和实质的前提下，本领域普通技术人员可以对本发明的实施例进行各种等效的修改或替换，而这些修改或替换都应在本发明的涵盖范围内/任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种高温物料快速冷却及余热在线回收装置，其特征在于：包括立式冷却装置和余热回收利用系统；所述立式冷却装置从上到下依次密封连接受料槽（1）、料封管（2）、冷却段（4）和圆锥体料仓（11）；所述冷却段（4）与封料管相连接的锥斜面上开设有出风管（3），冷却段中部设有进风口（5）；所述圆锥体料仓中部设置一供风装置，包括水平贯通送风管，沿冷却段中轴线方向连通送风管（9）的内风管（13）和连接内风管（13）开口处的锥形风帽（14）；
所述余热回收利用系统包括余热锅炉发电机组（19）和ORC低温发电机组（18），出风管（3）、多管旋风除尘器（23）、循环风机（20）、余热锅炉发电机组（19）和ORC低温发电机组（18）依次串联，ORC低温发电机组另一端分出供风支路（16）和干燥支路，其中供风支路与进风口（5）和水平贯通进风管并联连通，干燥支路上设有串联连接的袋式除尘器（21）和排气囱（22），用以排出多余干燥气；
所述受料槽（1）、料封管（2）、多管旋风除尘器（23）、出风管（3）和余热回收利用系统的连接管道内部布设锚固网，浇筑保温层A；所述冷却段（4）内部铺设轻质保温砖和耐磨耐热高铝砌筑的复合砌砖层B；所述冷却段（4）、出风管（3）和余热回收利用系统的连接管道外部包裹岩棉保温层，并覆盖镀锌铁皮保护层；所述受料槽（1）顶端沿口处设有水封槽，水封槽上覆盖封盖板（24），封盖板（24）内部敷设石棉板保温隔热层C；
支撑管（9）上表面沿支撑管轴向平行焊接2~4行防磨隔板（29）；所述受料槽（1）通过卷扬运输机（25）进料；所述冷却装置顶部还安装有封闭除尘装置（26），将受料槽（1）和卷扬运输机（25）机头完全密封包裹，避免进料时粉尘泄露。
2.根据权利要求1所述的一种高温物料快速冷却及余热在线回收装置，其特征在于：所述出风管（3）沿锥斜面水平方向等间隔布置，数量为3~6；所述出风管（3）与冷却段中轴线呈现50~70°夹角。
3.根据权利要求1所述的一种高温物料快速冷却及余热在线回收装置，其特征在于：所述进风口（5）沿冷却段（4）水平方向等间隔布置，数量为3~6；所述进风口（5）与环绕冷却装置的配风管（6）通过连接管（7）相连通，进风口处安装有百叶风口；所述配风管（6）另一端与ORC低温发电机组（18）供风支路相连通。
4.根据权利要求1所述的一种高温物料快速冷却及余热在线回收装置，其特征在于：所述支撑管（9）的一端与ORC低温发电机组（18）供风支路相连通，另一端封装法兰透明检修孔（8）；内风管（13）和风帽（14）表面开设有开口斜向下30~50°的百叶风口（28），风帽的顶角为25~40°；所述内风管（13）的正下方所对应的支撑管（9）底部安装有自动排灰系统（10），避免物料粉尘堆积。
5.根据权利要求1所述的一种高温物料快速冷却及余热在线回收装置，其特征在于：所述圆锥体料仓（11）的倾角为60~80°，料仓底部安装法兰密封排料阀（27），将冷却物料分批排出。
6.权利要求1~5任一项所述的一种高温物料快速冷却及余热在线回收装置的使用方法，其特征在于：将高温物料通过卷扬运输机（25）运送至冷却装置顶部，卸入受料槽（1）中，开启循环风机（20），冷风通过进风口（5）和内风管（13）进入窑内，与高温物料热量交换后得到的热风通过出风管（3）进入余热回收系统，高温物料经冷却后通过圆锥体料仓（11）底部的排料阀（27）排出；当该回收装置置于生产炉下部且直接密闭连接时，生产炉内的高温物料依靠自身重力能够自动进入该装置内，无需要设置卷扬运输机（25）和封盖板（24），料封管（2）的高度降低或直接取消。
7.根据权利要求6所述的一种高温物料快速冷却及余热在线回收装置的使用方法，其特征在于：所述高温物料的进窑温度为400~1000℃，进窑速率为200~500t/h，出窑温度为100~120℃；冷却风的风料比为1200~1500m3/t，进窑温度为60~80℃，出窑温度为350~550℃。
8.根据权利要求6所述的一种高温物料快速冷却及余热在线回收装置的使用方法，其特征在于：所述热风经过多管旋风除尘器（23）净化除尘后以温度为300~500℃进入余热锅炉发电机组（19）发电，再以180~230℃的中低温热风进入ORC低温发电机组（18）发电，发电结束后，热风冷却至温度为60~80℃，再次进入冷却装置循环使用。
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