CN1888082A - 液态高炉渣热量回收装置及方法 - Google Patents

Abstract

液态高炉渣热量回收装置，包括密闭容器、液渣浇口、粒化装置和冷却气体喷吹装置；液渣浇口设于圆筒型密闭容器顶部；圆筒型密闭容器内，液渣浇口的下部设有由电机及传动系统带动的粒化装置；圆筒型密闭容器顶部设有出气口。其热量回收方法是将液态高炉渣通过液渣浇口通入圆筒型密闭容器内；由粒化装置将液渣粒化成较小的颗粒；高温粒渣在流态化逐渐下落的过程中，与冷却气体进行热交换；经过热交换的压缩空气或氮气从圆筒型密闭容器顶部的出气口排出，进行再利用。采用本发明可在较短的时间范围内，将在液渣粒化成较小的颗粒的过程和随后的高温粒渣在流态化逐渐下落的过程中，液渣中所含有的热量在密闭容器内能够有效地与冷却气体进行热交换。

Description

液态高炉渣热量回收装置及方法

技术领域

本发明涉及钢铁冶金过程节能、二次能源的回收利用技术，具体涉及一种液态高炉渣热量回收装置及方法。

背景技术

钢铁工业是一个能源和资源消耗巨大的行业。在炼铁过程中，消耗大量焦炭等的热量进入铁水和钢液、煤气或烟气、液态高炉渣中。其中液态渣所含有的物理热占有的比例较大。对高温液态高炉渣，由于温度高，积存的热量大，其物理热的利用是目前钢铁企业最重要的节能方向之一。对冶金二次资源和能源进行充分和高附加值的利用，是冶金工业可持续发展的关键之一，也是降低环境污染的有效措施^[1]。

以2002年年产400万吨钢的济南钢铁公司为例，其排放的高炉渣72万吨，出渣时液态高炉渣的温度为1450℃左右，其可回收的余热每年达4.28万吨标准煤。可见，高温液态高炉渣中含有大量的能量。但是由于高炉渣的数量最大，出渣的时间短、出渣速度大，热量回收的难度较大。

目前，国内外对高温渣热量利用的研究主要集中在燃煤锅炉的高温灰渣等方面，几乎没有高温液态高炉渣热量利用方面的文献发表^[2]。对燃煤电厂等用煤作燃料的锅炉燃烧过程所排放的高温灰渣，国内刚刚开始进行风(空气)等冷却和热量回收技术的研究。国内外的研究主要集中在灰渣的风冷、风或烟气和水联合冷却、冷渣器的设计和实验研究、数值仿真及如何提高锅炉的热效率等方面^[3-8]。也可以用向前推进的螺旋叶轴以及壳体夹套内的冷却水带走渣的热量，并回收冷却水带走的热来完成对渣中热量的回收^[9]。

在炼铁炼钢过程产生的冶金渣热量的利用方面，研究表明高温液态的高炉渣可作为热源，可用于煤的气化^[10]。可对液态渣在电炉内的流动和传热进行三维数值模拟研究，以探讨电炉冶炼的热效率和热量利用^[11]。由于液态钢铁渣含有大量的能源，可用熔盐介质进行回收其热量^[12]。

目前，在冶金企业中，回收热量唯一成功的例子是干法熄焦。此法普遍采用的是用惰性气体(CO₂、N₂)作为吸收炽热焦炭的介质。即在一个密闭装置里，大约经过2.5h的冷却，N₂将1000℃左右的高温焦炭冷却到250℃左右，再由废热锅炉回收提高了温度的惰性气体的热量。经降温和除尘后的气体，继续循环用于干法熄焦。

而我国高炉渣全部采用水淬，还没有采用空冷(或惰性气体冷却)的企业；对转炉钢渣有2-3个厂家进行气碎，但没有对液态炉渣的大量热量进行回收利用。并且炉渣采用水淬，将耗费大量的水量，其水渣比在8-15∶1左右。国外(主要是日本)在转炉钢渣方面有风冷方法的研究，并能同时进行热量的回收(冷却的主要目的是渣的粒化)，但其技术没有公开；对高炉渣还未开展相关的研究工作。

由于液态高炉渣能量利用存在相当的难度和其它方面的原因，从国内外已发表的文献和已申报的专利看，对高温炉渣显热的利用，国内还没有开展此方面的研究工作，没有成熟的和可资借鉴的技术；国外对此方面的研究也未见相关报道。即在世界范围内，对高炉炼铁产生的高温液态高炉渣含有的物理热和相变热等均没有有效的工业化回收方法。对液态高炉渣的热量回收，存在两个关键问题：一是液渣的粒化；二是如何最有效地进行高温炉渣与冷却气体的热交换，使回收的热效率最高。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种液态高炉渣热量回收装置，以达到有效地回收利用高温液态高炉渣物理热的目的。

本发明的另一个目的是提供使用所述装置回收液态高炉渣热量的方法。

本发明解决了液渣热量回收的两个关键问题：一是液渣的粒化；二是如何最有效地进行高温炉渣与冷却气体的热交换，使回收的热效率最高。

本发明的目的是这样实现的：液态高炉渣热量回收装置，其特征在于主要由圆筒型密闭容器、液渣浇口、粒化装置、冷却气体喷吹装置、粒渣的密封和清渣装置组成；

液渣浇口设于密闭容器顶部，浇口的外沿与密闭容器间密封；圆筒型密闭容器内，液渣浇口的下部设有由电机及传动系统带动的粒化装置；圆筒型密闭容器顶部设有出气口；所述粒化装置采用罩杯式粒化装置或轮辐式粒化装置，通过高速旋转和离心力的作用，将液态高炉渣沿粒化装置上部甩出、碰撞破碎；

所述粒化装置为轮辐式圆盘或罩杯式圆盘结构，中心部位为实心圆盘或罩杯；圆盘或罩杯四周呈辐射状往外设置菱条；圆盘或罩杯在整个轮辐菱条中心往下凹；圆盘或罩杯的底部通过传动系统与电机连接；所述轮辐菱条的断面为三角形，菱条上间隔横向和向上布置5-7个刺。

冷却气体喷吹装置成环状设于密闭容器的圆筒锥形部分的下部靠近存放被冷却后粒渣的位置，气体从成环状的气体喷吹装置喷出；所述气体喷吹装置是在密闭容器的内部壁面设置的环形耐热钢管，在环形钢管的同一水平截面的不同角度上加工小孔，两个相邻孔的角度为30度，最中间的孔的角度是垂直向上的；采用压缩空气对高温液态高炉渣和粒化后的渣进行冷却。

密封和清渣装置设于密闭容器的底部。

所述密闭容器上、下部分做成锥筒体，上部的锥筒体尺寸应相对下部较短；用耐热钢板制作，中间可通水冷却或直接采用耐火材料内衬。

所述密封和清渣装置为上、下两块重力锤平衡绞链结构的钢板开关，上、下钢板开关之间为下一个密封箱；上、下两块钢板的开和关设为相反。

液态高炉渣热量回收方法，其特征在于包括如下步骤：

1)将液态高炉渣通过液渣浇口流入圆筒型密闭容器内；

2)由位于密闭装置上方的粒化装置将液渣粒化成较小的颗粒；

3)液渣在粒化过程中、以及高温粒渣在流态化逐渐下落的过程中，与冷却气体进行热交换；

4)经过热交换的高温气体从圆筒型密闭容器顶部的出气口排出，采用有关方法对高温气体的热量进行回收利用。

采用本发明具有如下优点：

1、采用本发明可在较短的时间范围内，将在液渣粒化成较小的颗粒的过程和随后的高温粒渣在流态化逐渐下落的过程中，液渣中所含有的热量能够有效地与冷却气体进行热交换。从液渣被粒化、高温粒渣逐渐被冷却的过程中，通过本发明的装置，使粒化的渣的粒度比较细小；使高温粒渣在密闭容器内的停留时间比较长(密闭装置的筒体高度较高、粒渣在容器内尽可能实现流态化)，从而保证液态高炉渣与冷却气体(一般采用空气或氮气)间热交换的有效性；从而能够有效回收液态高炉渣含有的热量。

2、在较短的时间范围内使液渣粒化成较小的颗粒，是保证回收液渣热量效果的关键之一。采用本发明装置能够在较短的时间范围内获得比较均匀、细小的颗粒渣。颗粒越细，渣与气体进行有效热交换的时间就越短，颗粒渣内部的热量就越容易传出到颗粒的表面而与气体进行热交换。颗粒越细小，颗粒被急冷的速度就越快，颗粒渣的质量(包括强度、活性等指标。强度越高；粒渣储存的表面能越大，活性越好)就越好。

3、本发明采用气冷技术冷却液态高炉渣，经热交换后的高温气体用作余热锅炉发电、用于热风炉等，气体经补充一部分新的气体后循环对高炉渣进行冷却。本发明能回收大量的能源，同时将液态高炉渣等的冷却由水冷改为气冷，显著节省冷却水量，可节约大量的水资源；可消除冷却水的二次污染，保证冷却后渣的物化性质与水淬的渣相似或更好，并可在国内各冶金企业推广应用。

附图说明

图1是本发明液态高炉渣热量回收装置的结构示意图；

图2是图1的A-A剖视图；

图3是本发明中冷却气体喷吹装置结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，液态高炉渣热量回收装置，主要由圆筒型密闭容器1、液渣浇口2、粒化装置3、冷却气体喷吹装置4、粒渣的密封和清渣装置5组成；

液渣浇口2设于圆筒型密闭容器1顶部，浇口的外沿与密闭容器间密封；圆筒型密闭容器1内，液渣浇口2的下部设有由电机及传动系统7带动的粒化装置3；圆筒型密闭容器1顶部设有出气口6，下部侧壁设有进气口9。

图中，8是设置粒化装置3及传动系统7的安装架，10是收渣槽，11是电动机。

粒化装置3采用轮辐式粒化装置或罩杯式粒化装置均可，通过高速旋转和离心力的作用，将液态高炉渣沿粒化装置上部甩出、碰撞破碎。同时参见图2，粒化装置3为轮辐式粒化装置，其轮辐的中心部位为实心圆盘12，圆盘12四周呈辐射状往外设置菱条13；相邻两菱条13之间留有渣粒通过的缝隙，圆盘12在整个轮辐菱条13中心下凹；圆盘12的底部通过传动系统7与电机11连接；圆盘的外沿设置挡板14，其主要目的是防止粒化后的高温渣打向容器的内壁，而与壁面粘连。实心圆盘12到轮辐部分光滑过渡。这样设计的目的有两个：一是对下部转轴进行保护，避免液渣或高温粒渣对转轴的损坏；二是通过旋转，与实心圆盘和轮辐在同一个水平位置的结构比较，可以更好地破碎液渣。

轮辐部分设置数十根菱条13，菱条的断面尺寸是三角形的，菱条呈辐射状往外布置，菱条上间隔横向和向上布置5-7个刺15，以加强破碎作用；刺的长度为5mm左右为宜。

参见图3，冷却气体喷吹装置4为环状，设于密闭容器1的圆筒锥形部分的下部靠近存放被冷却后粒渣的位置，气体从成环状的气体喷吹装置4喷出。

密封和清渣装置5设于密闭容器1的底部；所述密封和清渣装置5为上、下两块重力锤平衡绞链结构的钢板开关，上、下钢板开关之间为下一个密封箱；箱的最底部钢板的结构和功能与上面储存渣粒的活动钢板完全一样；上、下两块钢板的开和关自动相反。

液态高炉渣热量的回收方法，其特征在于包括如下步骤：

1)将液态高炉渣通过液渣浇口2流入圆筒型密闭容器1内；

2)位于密闭装置上方的粒化装置3高速旋转和离心力作用，将液渣浇口2流出的液渣粒化成较小的颗粒；

3)液渣在粒化过程中、以及高温粒渣在流态化逐渐下落的过程中，与由冷却气体喷吹装置4进入的冷却气体进行热交换；

4)经过热交换的高温气体从圆筒型密闭容器1顶部的出气口6排出，采用有关方法对高温气体的热量进行回收利用。

(1)密闭容器

图1给出了密闭容器本体的基本形状。

设备(容器)的密封壳体材料：密封壳体用耐热钢板制作，中间可通水冷却，或直接采用耐火材料内衬。使用耐火材料内衬，可起到绝热的作用，提高气体热交换的效率。但采用耐火材料内衬要注意防止粒化后温度还较高的渣与内衬粘结的问题，对粘结问题可采用涂覆的方法解决，粘结问题也可通过粒化设备的结构进行控制。

密封壳体的形状：容器的中间做成一个圆筒型。为了使粒化后的高温渣在下落过程中有充分的冷却(延长冷却时间)，筒体要适当长一些。密封壳体的上下部分做成锥筒体，以便于密封和便于下部储存冷却后的粒渣。上部的锥筒体尺寸应相对短一些。

(2)冷却气体喷吹

采用压缩空气或氮气对高温液态高炉渣和粒化后的渣进行冷却。

气体的进入位置：从密封容器的底部进入。进入的方式和均匀性对渣的冷却很重要。气体的进入位置应该在最底部靠上一些，即在锥形圆筒的下部靠近存粒渣的位置。这样，气体冷却的距离可达到最长。

气体喷吹装置的结构：在密闭容器的内部壁面设置一环形耐热钢管。为保证气流在上升过程中的均匀性，在环形钢管上的同一水平截面的不同角度上加工直径1mm左右的小孔三个，两个相邻孔的角度为30度，最中间的孔的角度是垂直向上的。从整个环形钢管看，为3排小孔。3排小孔可以错开间隔加工。注意小孔的直径不能过大。此种方案结构简单，维护方便，使用成本低。

底部气体的压力和流量：气体的压力不能太低，太低其流量就小，可能达不到充分冷却的效果。压力也不能太高，太高使气体喷射的速度过高，气体与高温渣粒接触的时间过短，不利于热量的交换；并且压力过高时，气体的流量也会增大，可能使整个气体的出口温度降低，也不利于回收气体中所含的热能。因此，气体的压力有一合适值。气体的流量也有一个合适的值，不能太大和太小。

底部压力的确定还应考虑气体从底部入口处到设备顶部气体的出口位置压力的损失情况。如果没有抽风装置，考虑压力损失后气体能够正常地从设备的顶部逸出。如果有抽风装置，底部气体的压力可以适当地降低。

抽风和设备底部的供气还要考虑获得热量后的气体出口流速不能太大，否则将可能有较多的细小渣粒随气体逸出密封装置之外。

(3)液渣浇口

浇口设置：在密闭容器(设备)的最上部设置一漏斗型浇口。

浇口下部的圆形孔的大小要能够满足高炉渣出渣的需要。浇口的容积要大一些，设备运行时最好使浇口的底部有一定液位的液渣存在，这样可以起到密封作用，使从浇口处没有空气进入(隔绝空气)。因为在抽风的情况下，浇口处存在一定程度的负压。

浇口的材料可用钢板和耐火材料制作。外表为钢板，内部为耐火材料。耐火材料可用镁砂成型。

浇口的外沿与密闭容器间要有良好的密封性。

试验前，要用煤气对浇口进行预热，以防止液渣在浇口内凝固。

(4)粒渣的清渣和密封

装置下部的清渣和密封：密封装置下部的密封问题非常重要。如果有漏气情况存在，将使渣粒特别是细小的渣粒很难在设备的下部沉积；并且还可能使气体带出密闭设备的渣粒增多。

密封和清渣装置：将密封设备最底部的钢板设计成用重力锤平衡的、绞链结构的密封装置，或其它方式的密封装置。当粒渣达到一定的重量时，钢板可以沿绞链往下运动而打开灰斗。在这块钢板下部再做一个密封箱，箱的最底部钢板的结构和功能与上面储存渣粒的活动钢板完全一样。

上、下两块钢板的开和关是自动的。密封主要是通过渣粒在上下灰斗的储存来隔绝空气，实现密封作用的；而上下两块活动钢板由于所储存的渣粒的数量不同，一般不可能同时打开。这样就实现了密封的功能。

最下面的灰斗放出的渣粒，通过一定的方式如管道、或渣车运送至堆渣场。

(5)粒化设备及传动系统

粒化设备的电机：采用电动机供给粒化设备的动能。电动机放于密闭容器外部的侧面。要注意保持电动机附近环境的温度较低。

传动系统：由于是高温状态，对传动系统采用电动机带动齿轮传动，再由齿轮传动带动粒化设备转动。

两个齿轮传动系统部分可以放在密闭容器内部。如放在内部，则传动系统部分可以放在密闭容器的中部、紧接粒化设备的下部位置处。这样，传动系统与粒化装置间的转动轴的长度较短，设备粒化时转动平稳。这样处理的缺点是：齿轮传动部分在容器的内部，所承受的温度很高，其寿命可能会受到较大的影响。这种情况下，对齿轮传动部分一定要有起保护作用的密闭外壳，以降低传动系统的温度和防止温度较高的粒渣掉入传动系统上而破坏系统。但是即使有密闭外壳，传动系统部分的温度可能仍然较高，设备长期运行其润滑和寿命可能受较大影响。另外，还要注意电机与齿轮传动之间的横向转轴与密闭容器间的密封问题，这可以通过对转轴外的一个保护管(保护管不转动)来解决。

两个齿轮传动系统部分可以放在密闭容器灰斗以下的外部。这一方案的优点是：传统系统的寿命大大提高，所承受的温度较低。便于对传动设备进行维护。缺点是：齿轮与粒化设备间的垂直转轴相当长，粒化设备运转时，由于离心力的作用其平稳性可能存在一定的问题。这时可以在转轴的外壳或外套上(外壳不转动)距离粒化设备的下端处，在外套与密封壳体之间连接一个十字形的钢筋加固，来保持粒化设备转动的平稳性。

转轴的直径：根据与电机功率的配套而确定。

轴的润滑：在高温状态下，用油进行轴的润滑将存在很多困难。此时，可以采用更耐高温的石墨进行润滑。采用石墨润滑后，仍然需要对轴及轴承进行密封及隔热。

(6)冷却气体与炉渣热量交换的有效性

对热量交换的有效性，主要包括：

A.炉渣粒度大小。粒度越细，渣粒与冷却气体进行热交换的能力就越大，回收热量的效率就越高。但粒度也不能太细，否则渣粒有被气流带出密闭容器的危险。在生产试验中，应该通过转速等方法参数的优化、以及粒化装置的选择来控制渣粒的大小。

B.冷却气体的方法和设备参数。冷却气体的流量(气渣比)、进气压力、进气的喷口型式及在密封设备中的布置和气体在容器中的均匀性、气体的出口压力(是否抽气)等对气体冷却液渣的效率有很大的影响。

C.渣在密闭容器内的停留时间。渣粒在容器内停留时间的长短是保证热交换率的关键之一。密闭容器的高度要较高；粒渣在密闭容器内。通过喷吹气体的分布和压力的控制要尽量实现流态化，以增加粒渣在容器内的停留时间。

本发明涉及液态高炉渣的热量回收主要是通过液渣在一个密闭容器内粒化和与冷却气体进行热交换进行的。热交换后对高温气体的热量利用目前已有比较成熟的方法，不在本发明专利的内容范围内。

本发明装置及其相关技术，可以在国内外相关企业的高炉的排渣沟出口附近建设相关装置，实现有效地回收液态高炉渣所含有的相变热和物理热，热量回收后的粒渣的质量与现有的高炉炉前水冲渣的质量相当或更好。

由于我国目前的钢产量约4.0亿吨，占世界钢产量的40％左右，产生的高炉渣的数量很大，因此本专利发明具有很好的应用前景，具有良好的环境效益、社会效益和一定的经济效益。

Claims (6)

1、液态高炉渣热量回收装置，其特征在于主要由圆筒型密闭容器(1)、液渣浇口(2)、粒化装置(3)、冷却气体喷吹装置(4)、粒渣的密封和清渣装置(5)组成；

液渣浇口(2)设于密闭容器(1)顶部，浇口的外沿与密闭容器间密封；圆筒型密闭容器(1)内，液渣浇口(2)的下部设有由电机及传动系统(7)带动的粒化装置(3)；圆筒型密闭容器(1)顶部设有出气口(6)；

冷却气体喷吹装置(4)成环状设于密闭容器(1)的圆筒锥形部分的下部靠近存放被冷却后粒渣的位置，气体从成环状的气体喷吹装置喷出；

密封和清渣装置(5)设于密闭容器(1)的底部。

2、根据权利要求1所述的液态高炉渣热量回收装置，其特征在于所述密闭容器(1)上、下部分做成锥筒体，上部的锥筒体尺寸应相对下部较短；用耐热钢板制作，中间可通水冷却或直接采用耐火材料内衬。

3、根据权利要求1所述的液态高炉渣热量回收装置，其特征在于所述粒化装置(3)为轮辐式圆盘或罩杯式圆盘结构，中心部位为实心圆盘或罩杯；圆盘或罩杯四周呈辐射状往外设置菱条(13)；圆盘或罩杯在整个轮辐菱条(13)中往下凹；圆盘或罩杯的底部通过传动系统与电机连接；所述轮辐菱条的断面为三角形，菱条上间隔横向和向上布置刺。

4、根据权利要求1所述的液态高炉渣热量回收装置，其特征在于所述气体喷吹装置(4)是在密闭容器的内部壁面设置的环形耐热钢管，在环形钢管的同一水平截面的不同角度上加工小孔，两个相邻孔的角度为30度，最中间的孔的角度是垂直向上的。

5、根据权利要求1所述的液态高炉渣热量回收装置，其特征在于所述密封和清渣装置(5)设于密闭容器(1)的底部；所述密封和清渣装置(5)为上、下两块重力锤平衡绞链结构的钢板开关，上、下钢板开关之间为下一个密封箱；上、下两块钢板的开和关设为相反。

6、液态高炉渣热量回收方法，其特征在于包括如下步骤：

1)将液态高炉渣通过液渣浇口(2)流入圆筒型密闭容器(1)内；

2)由位于密闭装置上方的粒化装置(3)将液渣粒化成较小的颗粒；

3)液渣在粒化过程中、以及高温粒渣在流态化逐渐下落的过程中，与冷却气体进行热交换；

4)经过热交换的高温气体从圆筒型密闭容器(1)顶部的出气口(6)排出，对高温气体的热量进行回收利用。

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