CN101871025A - 冶金熔渣干式处理装置及其处理方法 - Google Patents

冶金熔渣干式处理装置及其处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种冶金熔渣干式处理装置以及熔渣干式处理方法，处理装置包括：熔渣导入单元和处理炉，处理炉包括：粒化冷却喷嘴；用于热渣粒二次冷却的多段流化床装置；位于多段流化床顶层流化板附近事故检修用的排渣管；位于多段流化床下方排料出口的旋转密封阀；在处理炉内，熔渣的快速粒化和冷却在炉身上部鼓肚区内完成，落下的热渣粒的二次冷却通过与从多段流化床出来的上升的气体进行逆流热交换并在多段流化床内进行多段循环热交换完成，从而实现熔渣的快速粒化和冷却以及热渣粒的二次冷却在同一处理炉内连续地完成。该干式处理装置减少了***的热损失，提高了熔渣显热的总回收效率，而且由于降低了占地面积，提高了该干式处理装置在主体冶炼设备附近布置安装的可行性。

Description

冶金熔渣干式处理装置及其处理方法
技术领域
本发明涉及一种冶金熔渣干式处理装置，其用于对冶金熔渣进行粒化冷却处理以达到回收利用熔渣中显热的目的。另外，本发明还涉及一种冶金熔渣干式处理方法。
背景技术
现有冶金过程产生的大量熔渣通常采用水淬工艺来处理，除需要消耗大量宝贵的水资源外，熔渣中的显热大部分随着水的蒸发而散失，所以熔渣中的显热基本上没有得到回收利用。为了回收利用高温熔渣中的显热，并避免水资源的浪费，80年代以来人们开始研究熔渣的各种干式处理工艺。由于冶金熔渣的导热率很低(＜1W/mk)，为提高显热回收效率并保证处理后炉渣的玻璃化率满足作为水泥原料的要求，首先必须将熔渣破碎成微小液滴以增加传热表面积实现快速冷凝，熔渣液滴或固态颗粒的余热通过热辐射或热传导的方式被回收利用。根据粒化方法的不同，干式工艺可分为风淬粒化法、转鼓粒化法和离心粒化法。
风淬粒化法
20世纪80年代，日本六大钢铁公司(新日铁、NKK、川崎制铁、住友金属工业、神户制钢所、日新制铁)联合研究开发了风淬法高炉熔渣显热回收技术，先后进行了基础实验和大规模实验工厂的试验。其工艺流程为：将1400～1600℃的高炉熔渣通过渣沟导入一卧式风洞的造粒区域，当熔渣从渣沟末端流出时，被从下部鼓风机喷出的高速空气流吹散、粒化，渣粒子的大部分在与风洞内壁或在风洞内设置的水冷分散板撞击后，以大约1050℃的温度落入风洞下部。在落下的过程中，炉渣被从风洞下部吹入的空气进一步冷却，之后以大约800℃的温度被排出风洞之外，利用热筛分机将渣粒子中的大粒径粒子分离除去，将筛下渣粒子送入热料仓进行收集，然后在二次换热器的多段流化床中将渣粒冷却到大约150℃，在风洞和二次换热器中，冷却空气与炉渣换热获得的显热可用作产生蒸汽或发电。以上工艺最终未能工业化，一是因为总的热回收效率只有约62％。由于在卧式风洞和二次换热器之间还有热筛分机和机械输送***，加上风洞部分内壁和分散板均采用水冷方式，***本身热损失大；二是因为粒化冷却风洞采用卧式结构，因此设备庞大，在很多高炉现场布置安装的可行性低。
转鼓粒化法
转鼓干式粒化法也是由日本人于上世纪70、80年代提出的，分为单鼓和双鼓两种形式。单鼓粒化或单轮粒化法的工艺是：熔渣下落至旋转滚轮表面被甩出并粒化，送入固体介质流化床与空气和介质充分换热并冷却，换热后的空气被送到余热锅炉回收热量。双鼓或转鼓粒化法的工艺是：液渣通过转鼓表面冷却为渣膜，鼓内介质吸热后变成蒸汽，经热交换器冷却后循环使用，回收热量用于蒸汽透平发电。以上工艺也没有工业化，对单鼓粒化来说，一是因为在单鼓熔渣粒化后的冷却速度太慢，所以玻璃化率达不到作为水泥掺和料的要求(＞95％)，成品渣只能用作附加值很低的混凝土骨料。双鼓粒化虽然解决了玻璃化率的问题，但由于热渣粒的余热未能充分回收，所以熔渣显热的总回收率不到40％；二是该工艺使用的转轮长时间在高温恶劣的环境下工作，即便有介质冷却保护，其维护和运行成本都很高；三是热回收效率低(单鼓粒化约为60％，双鼓粒化为40％)，如考虑余热锅炉和发电设备的投资，投资回报的时间太长。
离心粒化法
上世纪80年代，日本人和英国人分别提出离心盘和离心杯粒化的概念，其工艺是将熔渣通过渣槽流入到转盘或转杯中进行粒化形成飞行的液滴，液滴经快速冷却并凝固，收集的热渣粒在经过两级流化床时进一步冷却，安装在流化床上的锅炉管通过热交换，收集渣中的余热，产生热空气或蒸汽。最近，在澳大利亚联邦科工组织(CISRO)和钢铁企业的资助下，离心盘粒化工艺得到了进一步的研究并建立了最大渣处理量为5kg/min的中试工厂，其工艺为将熔渣流入一采用离心盘的干式粒化器粒化生成细小的液滴，经快速冷却至900℃得到的热渣粒经收集在热交换器内进一步冷却以回收相应的余热，最终排渣温度为25～50℃，出口处热空气温度据称可达到600℃。离心粒化法迄今未能实现工业化的原因是所采用的离心盘或离心杯属于易损易耗的机械运动部件，长时间在高温恶劣的环境下工作，即便使用水冷，其可靠性很难达到与主体冶炼设备同步检修的要求，而且维护和运行成本都较高。由于冶金工厂主体冶炼设备生产的连续性，而且熔渣的排放具有量大、间隙短的特点，干式处理装置至少要有与主体冶炼设备同样的可靠性才具备工业化应用的基础。
发明内容
本发明的目的是针对现已研究的风淬粒化法干式处理装置存在的热回收效率低而且设备占地面积大的缺点，通过更合理的干式处理装置和处理方法，提高熔渣显热的回收效率并降低设备的占地面积。
本发明一方面提出了一种冶金熔渣干式处理装置，包括：用于使高温熔渣粒化、冷却并获得高温空气的处理炉；用于将高温熔渣导入到所述处理炉中的熔渣导入单元，其中所述处理炉包括：炉体，其包括：采用竖式罐体结构的炉身以及将来自所述熔渣导入单元的高温熔渣导入到所述处理炉炉身中部的熔渣入口，处理炉的熔渣入口上方的炉身为鼓肚状；粒化和冷却喷嘴，位于所述熔渣入口的下方并且围绕所述熔渣入口，从该粒化和冷却喷嘴吹出的高速空气流将以渣帘形式进入处理炉的熔渣吹向处理炉的上部炉身内以形成热渣喷泉，熔渣被快速粒化成热渣粒并且将热渣粒的表面冷却至不发生粘结的温度，从而在该处理炉的上部炉身内完成熔渣的快速粒化和冷却过程；多段流化床装置，其位于处理炉的下部，从处理炉的上部落下的热渣粒与从下部多段流化床出来的上升气体进行逆流热交换，并在多段流化床内完成多段循环热交换，从而在该处理炉内完成热渣粒的二次冷却。其中，熔渣的快速粒化和冷却以及热渣粒的二次冷却在所述同一处理炉内连续地完成。在一种具体实施方式中，所述处理炉为竖式结构。
优选地，所述冶金熔渣干式处理装置还包括第一鼓风机，用于为粒化和冷却喷嘴提供压缩空气以将熔渣快速粒化和冷却。
优选地，所述冶金熔渣干式处理装置还包括第二鼓风机，用于向多段流化床的下部提供用于热渣粒二次冷却用的压缩空气。
优选地，所述冶金熔渣干式处理装置还包括位于顶层流化板附近事故检修用的排渣管，在排渣管的垂直段配有两道水冷闸板阀。
优选地，所述冶金熔渣干式处理装置还包括位于多段流化床下方冷却渣粒出口位置的旋转密封阀，用于将冷却后的渣粒排出。
优选地，所述冶金熔渣干式处理装置还包括高温气体烟道，位于处理炉顶部，熔渣粒化冷却得到的高温气体与热渣粒二次冷却得到的高温气体在处理炉上部混合后通过所述高温气体烟道排出。
优选地，所述熔渣导入单元包括：渣罐，用于容纳高温熔渣；以及覆盖有保温盖板的渣槽，位于所述渣罐的下部，并且导引高温熔渣流动以渣帘形式进入所述处理炉炉身中部的熔渣入口中。
本发明另一方面提出了一种冶金熔渣干式处理方法，包括：(a)：将高温熔渣导引进入处理炉中；(b)：由粒化冷却喷嘴吹出的高速空气流将进入处理炉的高温熔渣吹向处理炉的上部炉身以形成热渣喷泉，熔渣被快速粒化成热渣粒并且热渣粒被冷却至表面不发生粘结的温度；(c)：使上述步骤(b)产生的热渣粒在下落过程与从下部多段流化床出来的上升气流进行逆流热交换，并在多段流化床内完成多段循环热交换，以完成热渣粒的二次冷却。其中，熔渣的快速粒化和冷却步骤(b)以及热渣粒的二次冷却步骤(c)在所述同一处理炉内连续地完成。
优选地，还包括步骤(d)：经上述步骤(b)和步骤(c)分别产生的高温气体在处理炉上部混合并从顶部烟道排出。
和现有冶金熔渣干式处理装置及处理方法比较，本发明提出的装置具有以下显著的优点和效果。
熔渣以渣帘形式进入粒化区有利于被粒化冷却喷嘴吹出的高速空气流充分粒化和快速冷却，而且空气流将熔渣向炉身上部喷吹不仅延长了产生的热渣粒与气流的热交换时间以保证热渣粒充分冷却至表面不粘结的温度，还可以利用粒化区以下的空间将落下的热渣粒以多段流化床的形式进行二次冷却，从而在同一炉内实现熔渣的快速粒化冷却和热渣粒的二次冷却，避免了熔渣在快速粒化和冷却后还需要单独的二次热交换装置以及相应的热渣粒输送***，最大限度地减少了***的热损失，预计的热回收效率可达到80％，与目前成熟的干熄焦装置水平相当。
本发明提出将熔渣用高速空气流向炉身上部喷吹的方法，不仅从工艺上有效地将熔渣的快速粒化和冷却与二次冷却过程在同一炉内不同区域分别完成，具体地，熔渣的快速粒化速冷却发生在处理炉的鼓肚状的上部炉身而二次冷却过程发生在处理炉的下部，并且克服了工业上实际渣沟距离地面高度的限制，通过利用渣沟线以上的空间使得干法处理装置的设计更加合理，降低了设备对占地面积的要求，提高了整个装置在工业现场安装的可行性。
附图说明
图1是说明本发明的冶金熔渣干式处理装置的结构和操作方法的一种具体实施方式的示意图。
图2是显示本发明的冶金熔渣干式处理方法的一种具体实施方式的流程图。
具体实施方式
结合附图并参照本发明的优选实施例，本领域的技术人员能更好地理解本申请的进一步的公开、目的、优点和方面，所给出的这些附图和实施例只是为了说明的目的，而不是对发明的保护范围进行限制。
下面结合附图详细说明本发明的示例性实施例。附图中相同的附图标记表示相同的部件。如图1所示，本发明提出一种冶金熔渣干式处理装置，包括：用于使高温熔渣粒化、冷却并获得高温空气的处理炉1；以及用于将高温熔渣导入到处理炉1中的熔渣导入单元2、3。其中所述处理炉1包括：炉体9，其包括：采用竖式罐体结构的炉身以及将来自熔渣导入单元的高温熔渣导入到处理炉的炉身中部的熔渣入口，处理炉的熔渣入口上方的炉身为鼓肚状；粒化和冷却喷嘴4，位于熔渣入口的下方并且围绕熔渣入口，从该粒化和冷却喷嘴吹出的高速空气流将以渣帘形式进入处理炉的熔渣吹向处理炉的上部炉身内以形成热渣喷泉，熔渣被快速粒化成热渣粒并且热渣粒被冷却至表面不发生粘结的温度，从而在该处理炉1的上部炉身内完成熔渣的快速粒化和冷却过程；多段流化床装置6，位于处理炉的下部，从处理炉的上部炉身落下的热渣粒与从下部多段流化床出来的上升气体进行逆流热交换，并在多段流化床内完成多段循环热交换，从而在该处理炉1内完成热渣粒的二次冷却。根据本发明的冶金熔渣干式处理装置，熔渣的快速粒化和冷却以及热渣粒的二次冷却在同一处理炉内连续地完成。
如图1所示，熔渣导入单元包括：渣罐2，用于容纳高温熔渣；以及渣槽3，位于渣罐的下部，并且导引高温熔渣流动以渣帘形式进入处理炉的熔渣入口中。在上述实施例中，该装置采用了一个渣罐，但本发明不仅限于此。例如为保证向处理炉1连续稳定地提供熔渣，可以采用一备一用两个渣罐。在一种优选实施例中，渣槽3覆盖有保温盖板。
在上述实施方式中，参见图1，本发明冶金熔渣干式处理装置还包括第一鼓风机5，用于为粒化和冷却喷嘴提供压缩空气以将熔渣快速粒化和冷却，以及第二鼓风机7，用于向多段流化床的下部提供用于热渣粒二次冷却用的压缩空气。优选地，该装置还包括位于顶层流化板附近事故检修用的排渣管8，在排渣管的垂直段配有两道水冷闸板阀。参见图1，该装置还包括位于多段流化床下方冷却渣粒出口位置的旋转密封阀11，用于将冷却后的渣粒排出。
再次参见图1，该装置还包括高温气体烟道11，位于处理炉顶部，熔渣粒化冷却得到的高温气体与热渣粒二次冷却得到的高温气体在处理炉上部混合后通过高温气体烟道11排出。高温气体烟道11排出的气体送往后续的除尘***12处理成为可利用的高质量热源。除尘***可根据高温气体的用途进行相应的优选设计。例如，如高温气体用于与余热锅炉换热产生蒸汽，采用旋风除尘的方式即可满足此用途的要求。
下面参照附图2详细说明使用上述装置的冶金熔渣的干式处理方法。如图2所示，根据本发明的冶金熔渣干式处理方法，一种优选的实施方式包括下述步骤：(a)：将高温熔渣导引进入处理炉1中；(b)：由粒化冷却喷嘴4吹出的高速空气流将进入处理炉1的高温熔渣吹向处理炉的上部炉身以形成热渣喷泉，熔渣快速粒化成热渣粒并且热渣粒被冷却至表面不发生粘结的温度；(c)：使上述步骤(b)产生的热渣粒在下落过程与下部多段流化床出来的上升气流进行逆流热交换，并在多段流化床内进行多段循环热交换，以完成热渣粒的二次冷却。其中熔渣的快速粒化和冷却以及热渣粒的二次冷却在同一处理炉内连续地完成。优选地，该方法还包括步骤(d)：经上述步骤(b)和步骤(c)分别产生的高温气体在处理炉上部混合并从顶部烟道排出。高温气体烟道11排出的气体送往后续的除尘***12处理成为可利用的高质量热源。除尘***可根据高温气体的用途进行相应的优选设计。例如，如高温气体用于与余热锅炉换热产生蒸汽，采用旋风除尘的方式即可满足此用途的要求。
上述的处理方法可以采用如前所述的处理装置来实现。例如，上述高温炉渣导入步骤包括将容纳在渣罐2中的高温熔渣经过位于渣罐下部的渣槽3以渣帘形式导引进入处理炉1。另外，优选地，以多段流化床形式进行多段逆流热交换之前，还包括经过耐热振动筛以去除大颗粒渣的步骤。
参见图2，通过第一鼓风机5，向粒化和冷却喷嘴提供压缩空气以将熔渣快速粒化和冷却。通过第二鼓风机7，向多段流化床的下部提供用于热渣粒二次冷却用的压缩空气。通过位于多段流化床下方冷却渣粒出口位置的旋转密封阀10，将冷却后的渣粒排出。
由于熔渣的快速粒化和冷却在处理炉内鼓肚区完成，落下的热渣粒的二次冷却通过与多段流化床出来上升的气流进行逆流热交换并在多段流化床内进行多段循环热交换完成，从而实现熔渣的快速粒化冷却和热渣粒的二次冷却的步骤都在同一处理炉内连续地完成，不需要将热渣粒输送到另一单独的二次热交换器这一中间环节，最大限度地减少了***的热损失，提高了熔渣显热的总回收效率。此外，处理炉采用竖式结构，还降低了设备的占地面积，提高了干式处理装置在主体冶炼设备附近安装的可行性。
尽管对本发明的典型实施例进行了说明，但是显然普通技术人员可以理解，在不背离本发明的精神和原理的情况下可以进行改变，其范围在权利要求书以及其等同物中进行了限定。

Claims (9)

1.一种冶金熔渣干式处理装置，包括：
用于使高温熔渣粒化、冷却并获得高温空气的处理炉(1)；
用于将高温熔渣导入到所述处理炉(1)中的熔渣导入单元(2，3)，其中所述处理炉(1)包括：
炉体(9)，其包括：采用竖式罐体结构的炉身以及将来自所述熔渣导入单元的高温熔渣导入到位于所述处理炉炉身中部的熔渣入口，其中，所述处理炉的熔渣入口上方的炉身为鼓肚状；
粒化和冷却喷嘴(4)，位于所述熔渣入口的下方并且围绕所述熔渣入口，从该粒化和冷却喷嘴吹出的高速空气流将以渣帘形式进入处理炉的熔渣吹向处理炉的上部炉身内以形成热渣喷泉，熔渣被快速粒化成热渣粒并且热渣粒被冷却至表面不发生粘结的温度，从而在该处理炉(1)的上部炉身内完成熔渣的快速粒化和冷却过程；
多段流化床装置(6)，位于处理炉的下部，从处理炉的上部炉身落下的热渣粒与从所述多段流化床出来的上升气体进行逆流热交换，并在多段流化床内完成多段循环热交换，从而在该处理炉(1)内完成热渣粒的二次冷却；
其中，熔渣的快速粒化和冷却以及热渣粒的二次冷却在所述同一处理炉内连续地完成。
2.根据权利要求1所述的冶金熔渣干式处理装置，其特征在于，还包括第一鼓风机(5)，用于为粒化和冷却喷嘴提供压缩空气以将熔渣快速粒化和冷却。
3.根据权利要求1所述的冶金熔渣干式处理装置，其特征在于，还包括第二鼓风机(7)，用于向所述多段流化床的下部提供用于热渣粒二次冷却用的压缩空气。
4.根据权利要求1所述的冶金熔渣干式处理装置，其特征在于，还包括位于顶层流化板附近事故检修用的排渣管(8)，在排渣管的垂直段配有两道水冷闸板阀。
5.根据权利要求1所述的冶金熔渣干式处理装置，其特征在于，还包括位于多段流化床下方冷却渣粒出口位置的旋转密封阀(10)，用于将冷却后的渣粒排出。
6.根据权利要求1所述的冶金熔渣干式处理装置，其特征在于，还包括高温气体烟道(11)，位于处理炉顶部，熔渣粒化冷却得到的高温气体与热渣粒二次冷却得到的高温气体在处理炉上部混合后通过所述高温气体烟道排出。
7.根据权利要求1所述的冶金熔渣干式处理装置，其特征在于，所述熔渣导入单元包括：渣罐，用于容纳高温熔渣；以及覆盖有保温盖板的渣槽，位于所述渣罐的下部，并且导引高温熔渣流动以渣帘形式进入所述处理炉炉身中部的熔渣入口中。
8.一种冶金熔渣干式处理方法，包括以下步骤：
(a)：将高温熔渣导引进入处理炉(1)中；
(b)：由粒化冷却喷嘴(4)吹出的高速空气流将进入处理炉(1)的高温熔渣吹向处理炉的上部炉身以形成热渣喷泉，熔渣被快速粒化成热渣粒并且热渣粒被冷却至表面不发生粘结的温度；
(c)：使上述步骤(b)产生的热渣粒在下落过程与从多段流化床出来的上升气流进行逆流热交换，并在多段流化床内进行多段循环热交换，以完成热渣粒的二次冷却。其中，熔渣的快速粒化和冷却步骤(b)以及热渣粒的二次冷却步骤(c)在所述同一处理炉内连续地完成。
9.根据权利要求8所述的冶金熔渣干式处理方法，其特征在于，还包括步骤：
(d)：经上述步骤(b)和步骤(c)分别产生的高温气体在处理炉上部混合并从顶部烟道排出。
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