CN102766706A - 一种高炉渣余热煤气化*** - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高炉渣余热煤气化***，该***包括煤气化***及其辅助***，所述煤气化***包括渣粒化***、煤粉喷吹***、水雾喷吹***，所述辅助***包括煤气收集***、水淬***、水净化***、冷却壁***，其中以渣粒化***为中心向上连接煤气收集***，向下连接水淬***和水净化***，周围连接煤粉喷吹***、水雾喷吹***以及冷却壁***。本发明实现了高炉渣的综合利用，既将高炉渣热量用于煤气化保证了高炉渣热量的有效利用，同时又将高炉渣充分粒化并加以冷却，为高炉渣颗粒的进一步应用提供可能，也为炼铁***节能减排开拓了一条新的路径。

Description

一种高炉渣余热煤气化***
技术领域
本发明属于高炉渣的综合利用领域，特别涉及一种高炉渣余热煤气化***。
背景技术
自从1995年中国生铁产量突破1亿吨以来，中国的钢铁产量突飞猛进的发展，2006年创造了4.1878亿吨粗钢和4.0416亿吨生铁的记录。近几年来，虽然受到金融危机的影响而使我国钢铁产量的增长速率减缓，但是整体上还是上升趋势。如此大的钢铁产量无疑需要消耗大量的能源和资源，也会产生大量的废弃物和污染物。如何降低能耗、节省成本、回收资源成为钢铁行业亟待解决的重大问题。
目前，我国炼铁行业仍然以高炉炼铁为主，高炉炼铁消耗铁矿石、焦炭、煤等资源和能源产生铁水、高炉渣、高炉煤气等产品或副产品。在高炉炼铁的产物中，高炉渣占着重大的比例。按我国目前年产超过5亿吨的生铁量计算，产生的高炉渣量超过1.5亿吨，数量是相当巨大的，这些高炉渣如果不经过很好的处理，将成为一种固体废弃物堆放，这不仅占用大量的土地面积，而且会造成很大的环境污染。另外，高炉渣中含有丰富的热量，以渣中显热为1797.4kJ/kg计算，一年排出的炉渣中含有的热量高达2.7×1014kJ，相当于920万吨标准煤。这些热量如果得不到回收利用，将是一种严重的浪费。
对高炉渣的处理，传统的方法是采用干渣坑自然冷却处理，这不仅造成渣中能量的白白浪费，而且冷却下来的渣块在进行深层次处理和应用时也存在很大的难度。在现有阶段，对高炉渣处理的思路仍然不外乎从能量回收和高炉渣本体利用两方面考虑，鉴于传统处理方式的种种弊端，现在人们已开发出比较有效而实用的高炉渣处理方法，主要为水淬处理和干渣粒化处理。
高炉渣的水淬处理方法比较多，包括底滤法（OCP）、因巴法（INBA）、图拉法（TYNA）、拉萨法（RASA）、明特克法（MTC）等，水淬处理可以实现高炉渣的充分冷却，使高炉渣冷态化过程中充分玻璃化，可以进一步用作水泥原料，从而实现高炉渣渣体的应用。
在高炉渣的水淬处理方法中，底滤法的工艺流程为：高炉渣在冲制箱内由多孔喷头喷射的高压水进行水淬后，水淬渣流经粒化槽进入沉渣池。沉渣池中的水渣由抓斗抓出堆放在干渣场继续脱水，沉渣池内的水及悬浮物由分配渠流入过滤池。过滤池内铺设砾石过滤层，并设型钢保护。过滤后的冲渣水经集水管由泵加压送入冷却塔冷却后重复使用。
因巴法的工艺流程为：与铁水分离后的炉渣，经渣沟进入炉渣粒化区，吹制箱内的高速水流使其水淬粒化，经水渣槽进一步粒化和缓冲之后，流入转鼓内的水渣分配器，被均匀分配到转鼓过滤器中。在转鼓下半周滤去部分水后，被叶片刮带，随筒边旋转边自然脱水；转至转鼓上半周时，渣落至深入鼓内的皮带上，经此皮带和分配皮带送至成品槽贮存，装车外运。
图拉法的主要过程包括炉渣粒化和冷却、水渣脱水、水渣输送和外运以及冲渣水循环等。炉渣经渣沟流嘴落至高速旋转的粒化轮上，被机械破碎、粒化，粒化后的炉渣颗粒在空中被水冷却、水淬；渣粒在呈抛物线运动中，撞击挡渣板被二次破碎；渣水混合物落入脱水转鼓的下部，继续进行水淬冷却。
拉萨法的工艺过程为：高炉熔渣经吹制箱制成水渣，进入粗粒分离槽，沉降到底部的渣、水混合物经水渣泵和管道输送至脱水槽进行脱水，脱水后的渣由卡车运走，水则流进沉降槽；粗粒分离槽的水溢流到中继槽，含渣水经中继泵送到沉降槽，底部由排泥泵将渣送到脱水槽脱水；沉降槽的水溢流到温水槽，经冷却泵送到冷却塔冷却后进入给水槽；给水槽的水由给水泵送到吹制箱吹渣。
明特克法的核心设备由一台特殊设计和制造的螺旋输送机和一台过滤器组成。螺旋输送机呈20°倾角安装在水渣池内，随着螺旋输送机的转动，其螺旋叶片将水渣池底部的水渣向上输送，水则靠重力和渣的翻动挤压两重作用向下回流，从而达到渣水分离和脱水的目的。水渣经脱水，离开螺旋输送机的U型槽后，通过皮带***输送至水渣堆场；冲渣水经浊水渣池溢流口进入过滤器过滤成净水后，进入水循环***循环使用。
几种水渣处理方法对于高炉渣渣体的处理都是有一定作用的，它相对比较有效的实现了高炉渣的粒化与冷却，使高炉渣的深层次应用得到发挥。但是，水渣处理方法耗水量大，基建消耗都比较大，而且从热量回收上讲，几种渣处理都未能很好的实现；由于水渣处理方法的过程是用水作为冷却剂，所以高炉渣的热能都富含到了水中，部分高炉渣水淬处理方法利用这些热能供暖或者将这些水循环利用，这在一定程度上回收了一部分热量，也节约了资源。但是，利用热水来回收热量的能力是有限的，而产生的蒸汽又直接排入大气，使其中的热量白白浪费，因此可以说高炉渣水淬处理方法并未真正的实现高炉渣显热的利用。另一方面，根据几种渣处理方法的原理以及设备特点来看，即使在原有基础上进行改进，也不能很好的将高炉渣中的热能真正的固化下来从而实现热能的回收利用，从这一点看，高炉渣水淬处理方法也不能实现高炉渣显热的利用。
关于高炉渣热量的利用比较好的方法就是干式粒化法，它以空气为冷却介质，在利用粒化设备实现渣的粒化的同时，将渣中热量充分转移到空气中，然后用热空气进行发电或者直接用于热风炉或者高炉，从而在很大程度上回收了渣中的热量。
目前已有许多种高炉渣的干式粒化法处理过程，其中，英国Kvaerner Metals公司发明了干式粒化高炉渣热回收法，其所使用的粒化器是用一个由电动机带动的告诉旋转的中心下凹的盘子，液态渣由渣沟流入到盘子中心，盘子在速度一定时（1500r/min），液渣在离心力作用下飞出盘沿而被粒化。液渣在飞行的同时与空气进行热交换至凝固，然后渣粒继续下落到底部流化床中进一步进行热交换，从设备顶部回收热空气。
英国Pickering S.J.等人设计发明了熔融高炉渣粒化设备，其工艺流程为：液态高炉渣粒从罩杯中甩出，通过与下部流化床上来的空气和水冷却壁间的换热，渣得到了初步冷却（可回收约14％的热量）；高炉渣进而打在容器内壁上，与水冷壁进行热交换（可回收23％的热量）；从内壁反弹回来的高炉渣粒进入到一级流化床内，并与通过流化床的空气和位于床层内的换热管间热交换冷却（可回收约43％的热量）；一级流化床受热快速膨胀，热渣进入二级流化床，并且进行最后的热交换（可回收约20％的热量）。该套完整的设备能够回收液态高炉渣中60％的热量，日处理渣可达7700t，粒化渣为粒度小于2mm的玻璃态渣，可以用作水泥原料。
乌克兰设计了“连铸连轧”式干式粒化和余热回收工艺，其工艺流程为：渣灌车给渣池供渣，液态渣从供渣嘴连续流到水冷轧辊之间，再进入链式输送机，输送机下部通入冷空气，渣的热量传给冷空气和膜式水冷壁，冷却后的渣在碎渣机中破碎，软水经轧辊吸热后由水泵压到省煤器再进入汽包，然后饱和水经循环泵压入膜式水冷壁，加热汽化后回到汽包，从汽包出来的饱和蒸汽进入过热器，成为过热蒸汽。
日本石川岛播磨重工业公司和住友金属公司研制的转鼓粒化法，渣流由中间包流出，冲击转筒中心表面，渣粒被抛到转筒周围的流化砂床上被流化风冷却到凝固为止。渣粒从流化砂中筛出进入冷却器中进一步冷却到适于卸载的温度。渣粒可作混凝土骨料、冷却风、流化风加热后进入余热锅炉产生蒸汽发电，风再循环使用。
以上各种高炉渣干式粒化法虽然在一定程度上可以达到回收热量的效果，但是由于其设备复杂，操作有难度，故而应用并不是十分广泛。
此外，我国学者也提出化学法处理高炉渣，即将高炉渣的热量用作某些化学反应所需要的热量，从而达到即回收了高炉渣中的热量又促进了某些化学反应（如利用甲烷制氢的反应以及煤气化反应）的进行，得到富含热值而且具有还原性的气体。
现有东北大学200910012471.3专利和200910012470.9专利公开了两种高炉渣的煤气化***和方法，这两种方法均采用将高炉渣放入熔渣气化炉中，从底部以及顶部喷吹煤粉和气化剂在熔渣气化炉内进行气化反应，然后高温的熔渣从熔渣出口流出进入炉渣收集器，在收集器内实现干法粒化。专利200910012470.9在炉渣收集器内进行二次煤气化，进一步吸收渣中的热量。这两种方法对于炉渣高温段的热量吸收是有效的，但是高温段需要将渣汇集到一起，这就要保证渣的连续性。在低温段，由于热量不足，进一步进行煤气化则不够充分。对于既要充分利用渣中的热量，又要实现渣的粒化和冷却进行，则需要综合各个工艺进行设计。
发明内容
本发明在于利用煤气化原理、高炉渣水淬法处理以及干式粒化法处理工艺进行热量回收以及高炉渣渣体的冷却，根本目的是利用煤气化反应进行高炉渣热量回收，进而实现高炉渣的综合处理与应用。为了克服已有的煤气化法利用高炉渣热量的不足，本发明将高炉渣的粒化、水气化、煤气化以及渣粒处理综合在一起。既实现将渣中的热量转化到煤气之中，又保证渣充分冷却，热量充分利用，对高炉渣的综合处理能力强。
本发明提供一种高炉渣余热煤气化***，该***包括煤气化***及其辅助***，所述煤气化***包括渣粒化***、煤粉喷吹***、水雾喷吹***，所述辅助***包括煤气收集***、水淬***、水净化***、冷却壁***，其中以渣粒化***为中心向上连接煤气收集***，向下连接水淬***和水净化***，周围连接煤粉喷吹***、水雾喷吹***以及冷却壁***。
进一步地，所述渣粒化***包括转盘、电机以及粒渣收集器，转盘在电机的带动下可以旋转，旋转速度设定在1000～5000r/min，炉渣落到高速旋转的转盘上，向外做离心抛物运动，实现渣的充分粒化，粒化后的渣落到粒渣收集器13里面。
进一步地，所述煤粉喷吹***主要是实现煤粉的喷吹，煤粉喷吹***包括给煤机、风机、煤粉输送管道以及氧煤枪，由风机向煤粉输送管道鼓入空气，以空气为载体将给煤机供给的煤粉由氧煤枪喷入渣粒收集器内，氧煤枪喷头与转盘下沿相平，与水平方向呈20～30°夹角。氧煤枪在渣粒收集器一周设定4～8个，可以根据炉渣情况可以调节喷煤量。
进一步地，水雾喷吹***包括水泵、水管和雾化喷枪，利用水泵将水压入水管，将水经雾化喷枪转化为雾化水；所述水雾喷吹***连接冷却壁***，水雾化喷枪位于氧煤枪上侧，与氧煤枪之间的距离为渣粒收集器直径的一半，与水平方向呈向下25～35°，水雾化喷枪的个数同氧煤枪的个数一致。
进一步地，所述煤气收集***包括煤气出口、热交换器、煤气除尘装置、煤气罐，当产生的高温煤气从煤气出口流出后经过热交换器，实现热量交换，然后经过除尘装置除尘，最后收集到煤气罐中。
进一步地，水淬***和水净化***连接渣粒化***底部，其中水淬***由水淬喷口、水池、转鼓、皮带组成；当高炉渣在渣粒化***充分粒化而且被吸收一部分热量之后，经出渣口流出，出渣口设计成两者锥台相连接的形式，在出渣口附近设计水淬喷口，喷出的高压水封住出渣口，在粒渣落下时，水流将渣充分冷却并且进一步粒化；之后高炉渣落入水池中，在水池冲将渣冲到转鼓上，在转鼓旋转作用下脱水，脱去水的高炉渣落入皮带上外运。在水淬***之后设定水净化***，将水净化后作进一步利用。
进一步地，所述冷却壁***从整个装置底部开始向上绕粒渣收集器一周，冷却壁起到冷却渣粒防止粒渣粘结以及吸收部分热量的作用。
本发明的有益效果是实现了高炉渣的综合利用，既将高炉渣热量用于煤气化保证了高炉渣热量的有效利用，同时又将高炉渣充分粒化并加以冷却，为高炉渣颗粒的进一步应用提供可能，也为炼铁***节能减排开拓了一条新的路径。
附图说明：
图1是本发明中的高炉渣余热煤气化***结构示意图。
具体实施方式
参见附图1，本发明提供了一种高炉渣余热煤气化***，该***包括煤气化***及其辅助***，其中前者包括渣粒化***、煤粉喷吹***、水雾喷吹***，后者包括煤气收集***、水淬***、水净化***、冷却壁***。其中以渣粒化***为中心向上连接煤气收集***，向下连接水淬***和水净化***，周围连接煤粉喷吹***、水雾喷吹***以及冷却壁***。
本发明实现了渣的粒化。高炉渣经主渣沟流出，经溜槽11直接进入煤气化***内部，首先经渣粒化***粒化，其中渣粒化***包括转盘12、电机15以及粒渣收集器13，转盘12在电机15的带动下可以旋转，旋转速度设定在1000～5000r/min，炉渣落到高速旋转的转盘12上，向外做离心抛物运动，实现渣的充分粒化，粒化后的渣落到粒渣收集器13里面。
本发明实现水煤气反应的发生，主要表现在煤粉喷吹***、水雾喷吹***和煤气收集***的共同作用。煤粉喷吹***主要是实现煤粉的喷吹，煤粉喷吹***包括给煤机、风机、煤粉输送管道（图中未示出）以及氧煤枪5，由风机向煤粉输送管道鼓入空气，以空气为载体将给煤机供给的煤粉由氧煤枪5喷入渣粒收集器内。氧煤枪5喷头与转盘12下沿相平，与水平方向呈20～30°夹角。氧煤枪5在渣粒收集器一周设定4～8个，可以根据炉渣情况可以调节喷煤量。
水雾喷吹***主要作用是喷入雾化水，使其在与高炉渣接触时能迅速气化，产生的水蒸气作为煤气化的气化剂。水雾喷吹***包括水泵、水管（图中未示出）和雾化喷枪6，利用水泵将水压入水管，将水经雾化喷枪6转化为雾化水。水雾喷吹***连接冷却壁***，水雾化喷枪6位于氧煤枪5上侧，与氧煤枪之间的距离为渣粒收集器直径的一半，与水平方向呈向下25～35°。水雾化喷枪的个数同氧煤枪的个数一致。
煤气收集***的作用主要在于收集到煤气化***产生的煤气，并对煤气进行热量回收和除尘等初步处理。煤气收集***包括煤气出口10、热交换器9、煤气除尘装置7、煤气罐8。当产生的高温煤气从煤气出口10流出后经过热交换器9，实现热量交换，然后经过除尘装置7除尘，最后收集到煤气罐8中。
本发明实现渣的水淬处理与废水的净化处理。水淬***和水净化***1连接渣粒化***底部，水淬***由水淬喷口14、水池16、转鼓3、皮带2组成。当高炉渣在渣粒化***充分粒化而且被吸收一部分热量之后，经出渣口流出，出渣口设计成两者锥台相连接的形式，在出渣口附近设计水淬喷口14，喷出的高压水封住出渣口，在粒渣落下时，水流将渣充分冷却并且进一步粒化。之后高炉渣落入水池中，在水池冲将渣冲到转鼓3上，在转鼓3旋转作用下脱水，脱去水的高炉渣落入皮带2上外运。在水淬***之后设定水净化***1，将水净化后作进一步利用。
本发明实现水资源的循环利用。主要表现在冷却壁***和水雾化***之间的相通，实现水***的联接。冷却壁***从整个装置底部开始向上绕粒渣收集器一周，冷却壁4起到冷却渣粒防止粒渣粘结以及吸收部分热量的作用。由冷却壁***出水口排出的水作为水雾化***喷入水的来源，从而实现了水的循环，不仅节省了水资源而且也可减少热量损失。
综上，该***在于利用高炉渣的热量实现水气化和煤气化过程的同时进行，还涉及到渣的急速冷却和后续处理过程。
本发明的工作原理是：高炉渣经主渣沟流出，经溜槽直接进入煤气化***内部，首先经渣粒化***粒化，该***包括包括转盘、电机以及粒渣收集器，转盘在电机的带动下可以旋转，旋转速度设定在1000～5000r/min，炉渣经溜槽落到高速旋转的转盘上，向外做离心抛物运动，实现渣的充分粒化，粒化后的渣落到粒渣收集器里面。
与此同时，煤粉由煤粉喷吹***吹入，结合高炉氧煤枪的工作原理，以空气为载体将煤粉由氧煤枪喷入粒渣收集器内部。氧煤枪喷头与转盘下沿相平，与水平方向呈20～30°夹角。对于气化剂则选择水蒸气，水蒸气的产生由水雾化***喷入雾化水，遇热的高炉渣吸收渣中热量气化而产生。水雾化喷枪位于氧煤枪上侧，与水平方向呈向下25～35°。水雾化***喷入的水不仅为煤气化提供气化剂，而且也起到吸收上升煤气热量，粘附未反应煤粉的作用，实现煤气化效率的最大化。
喷入煤气化***内的煤粉与气化的水蒸气，以高炉渣中热量为介质发生水煤气反应，产生水蒸气。这个过程中主要的反应为：
H2O(I)=H2O(g)-40.55kJ/mol
C+1/2O2=CO+118.3kJ/mol
C+H2O(g)=CO+H2-118.74kJ/mol
在煤气化***内反应产生的高温煤气，从煤气出口流出，经过热交换器，实现热量交换，然后经过除尘装置除尘，最后收集到煤气罐中。
经粒化的高炉渣则经出渣口排出，沿出渣口一周设计几排密排的喷头，喷头高速喷出水流，密封出渣口，从而使渣在向下落时被水冷却，同时也可起到一定的粒化作用。进一步粒化的高炉渣以及高压喷头喷出的水均落入水池中，在水池中进一步冷却，同时，渣粒转移到转鼓内，在转鼓内脱水后落入皮带中运输出去。冷却水则经水池底部流入水净化***1，在水净化***内经过净化，可以进一步应用。
在整个***设计冷却壁***，冷却壁***从整个装置底部开始向上绕粒渣收集器一周，起到冷却渣粒防止粒渣粘结以及吸收部分热量的作用。由冷却壁***出水口排出的水作为水雾化***喷入水的来源，从而实现了水的循环，不仅节省了水资源而且也可减少热量损失。
整个***循环进行，得到具有一定热值的煤气、经粒化并充分冷却的高炉渣粒以及净化处理过并富含热量的水。

Claims (7)

1.一种高炉渣余热煤气化***，该***包括煤气化***及其辅助***，其特征在于，所述煤气化***包括渣粒化***、煤粉喷吹***、水雾喷吹***，所述辅助***包括煤气收集***、水淬***、水净化***、冷却壁***，其中以渣粒化***为中心向上连接煤气收集***，向下连接水淬***和水净化***，周围连接煤粉喷吹***、水雾喷吹***以及冷却壁***。
2.根据权利要求1所述的煤气化***，其特征在于，所述渣粒化***包括转盘（12）、电机（15）以及粒渣收集器（13），转盘（12）在电机（15）的带动下可以旋转，旋转速度设定在1000~5000r/min，炉渣落到高速旋转的转盘（12）上，向外做离心抛物运动，实现渣的充分粒化，粒化后的渣落到粒渣收集器（13）里面。
3.根据权利要求1所述的煤气化***，所述煤粉喷吹***主要是实现煤粉的喷吹，煤粉喷吹***包括给煤机、风机、煤粉输送管道以及氧煤枪（5），由风机向煤粉输送管道鼓入空气，以空气为载体将给煤机供给的煤粉由氧煤枪（5）喷入渣粒收集器内，氧煤枪（5）喷头与转盘（12）下沿相平，与水平方向呈20~30°夹角，氧煤枪（5）在渣粒收集器一周设定4~8个，可以根据炉渣情况可以调节喷煤量。
4.根据权利要求1所述的煤气化***，水雾喷吹***包括水泵、水管和雾化喷枪（6），利用水泵将水压入水管，将水经雾化喷枪（6）转化为雾化水；所述水雾喷吹***连接冷却壁***，水雾化喷枪（6）位于氧煤枪（5）上侧，与氧煤枪之间的距离为渣粒收集器直径的一半，与水平方向呈向下25~35°，水雾化喷枪的个数同氧煤枪的个数一致。
5.根据权利要求1所述的煤气化***，其特征在于，所述煤气收集***包括煤气出口（10）、热交换器（9）、煤气除尘装置（7）、煤气罐（8），当产生的高温煤气从煤气出口（10）流出后经过热交换器（9），实现热量交换，然后经过除尘装置（7）除尘，最后收集到煤气罐（8）中。
6.根据权利要求1所述的煤气化***，其特征在于，水淬***和水净化***（1）连接渣粒化***底部，其中水淬***由水淬喷口（14）、水池（16）、转鼓（3）、皮带（2）组成；当高炉渣在渣粒化***充分粒化而且被吸收一部分热量之后，经出渣口流出，出渣口设计成两者锥台相连接的形式，在出渣口附近设计水淬喷口（14），喷出的高压水封住出渣口，在粒渣落下时，水流将渣充分冷却并且进一步粒化；之后高炉渣落入水池中，在水池冲将渣冲到转鼓（3）上，在转鼓（3）旋转作用下脱水，脱去水的高炉渣落入皮带（2）上外运，在水淬***之后设定水净化***（1），将水净化后作进一步利用。
7.根据权利要求1所述的煤气化***，其特征在于，所述冷却壁***从整个装置底部开始向上绕粒渣收集器一周，冷却壁（4）起到冷却渣粒防止粒渣粘结以及吸收部分热量的作用。
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