CN112146446B - 基于多介质耦合的高炉熔渣粒化换热装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多介质耦合的高炉熔渣粒化换热装置，包括熔渣粒化组件、渣粒输送组件、余热回收组件和尾气处理组件；所述的熔渣粒化组件包括渣沟（1）、中间包（2）、旋转粒化机构（4）、粒化腔（7）和鼓风***（9），所述的渣粒输送组件包括环冷机（8）、鼓风***（9）、高温输送机（10）、钢球（11）、第一斗提机（12）、换热器（13）、输送机（14）、第二斗提机（16）和粒渣料仓（17），所述的余热回收组件的进气端口连接到熔渣粒化组件和渣粒输送组件的出气端口，尾气处理组件连接到余热回收组件的出气端口。本发明能实现高炉熔渣的干式粒化，延长粒化器转盘的寿命，处理能力大，且热能回收利用率高。

Description

基于多介质耦合的高炉熔渣粒化换热装置

技术领域

本发明涉及一种冶金熔渣处理设备，尤其涉及一种基于多介质耦合的高炉熔渣粒化换热装置。

背景技术

高炉渣是高炉炼铁的主要副产物，每冶炼1吨铁水大约产生350公斤的高炉熔渣。高炉熔渣的温度在1450℃～1550℃，吨渣携带的显热相当于57kg标准煤的发热量，是有较高回收价值的高品位余热资源。目前高炉熔渣的处理多采用水淬工艺，熔渣被冲制成水渣，高品位的显热随之转移到80℃左右的水渣和废水中，回收利用价值大大降低，且每处理1吨熔渣需要消耗0.4～0.5吨水、同时排放大量富含H₂S、SO₂等污染物的废蒸汽。在后续资源化利用（如微粉化）时，还需要将水渣中8～15%的水分烘干，吨渣又需要消耗1200m³的500℃的热风。因此，干法处理将是有效回收利用高炉熔渣显热、减少环境污染的有效手段。

由于高炉熔渣导热系数低、粘度具有随温度降低而急剧升高的特性，造成高炉熔渣的换热慢，余热回收难度高。因此，快速、高效回收高炉熔渣显热的前提是将高炉熔渣快速颗粒化，增加换热面积，提高传热效率。熔渣颗粒的快速冷却不仅为回收热量创造条件，同时可以保持冷却后渣粒的玻璃体含量和活性能够达到矿渣微粉原料的要求，维持现有炉渣资源化途径的畅通。

目前，熔渣快速干式粒化的工艺主要有：风碎法、球冷法和离心粒化法。风碎法因风量大、噪音大、回收的热能品质比较低而未能推广应用。PW公司开发的球冷工艺，即利用铸铁机承接熔渣、再注入钢球将其快速冷却，随后回收热量并进行渣和钢球的破碎分离，将分离后的钢球重新输送到高炉排渣沟附近循环利用，该技术动力消耗和设备损耗较大，但处理能力大，目前正在进行工业试验。

离心粒化法作为高炉熔渣的主流干式粒化工艺，主要采用转碟或转杯为粒化器，利用离心力将熔渣分散、碎裂成细小的熔滴并增大比表面积以便快速冷却，保持冷却后渣粒的玻璃体含量和活性能够达到矿渣微粉原料的要求。目前，西门子-VAI、澳大利亚澳大利亚联邦科学与工业研究组织（CSIRO）、瑞典国家冶金研究院（Swerea MEFOS）、POSCO、北京钢铁研究总院、东北大学、重庆大学、青岛理工、重庆赛迪等也都开展了干式粒化的研发工作，但在实验过程中存在炉渣结壳、粒化渣粒度不均匀以及产生渣棉等问题，有待进一步开展研究改进。

中国发明专利ZL201410755689.9公开了一种高温熔渣余热回收***及其回收方法，包括熔渣输送单元、熔渣粒化单元及余热回收单元；熔渣输送单元主要由渣罐及天车组成；熔渣粒化单元主要由转杯、旋转装置、粒化冷却装置及渣粒收集冷却装置组成，粒化冷却装置设置在转杯与旋转装置***，渣粒收集冷却装置设置在粒化冷却装置***；余热回收单元为余热锅炉，余热锅炉中渣粒进口端的换热管叉排顺流设置，渣粒出口端的换热管叉排逆流设置。该发明专利虽然实现了高温熔渣处理与生产***的无缝链接，适用于工业化生产运行；但熔渣用渣罐远距离输送容易降温，需要另外的补热，且粒化盘钢结构内衬耐材容易被熔渣冲蚀，表面凸凹不平后会导致熔渣在盘表面分摊不匀，液膜厚薄不均，可能导致粒化后的渣粒粒径波动大，甚至无法粒化。

中国发明专利ZL201010128750.9公开了一种液态高炉渣粒化装置，包括浇口、粒化器、一级转盘、水嘴、二级转盘、驱动装置、中心输水管、渣斗和排气管；浇口设置在粒化器上端中部,粒化器上半部份采用水冷壁结构，下半部分收缩形成渣斗；一级转盘、水嘴、二级转盘、驱动装置和中心输水管均设置在粒化器内部中心线上；二级转盘直径大于一级转盘；水嘴位于一级转盘和二级转盘之间，出口方向指向二级转盘上表面；中心输水管设置在转盘中心，上部与水嘴相连；粒化器侧壁接有排气管。该发明专利利用离心力和水膜***力的作用将液态高炉渣破碎凝固成固体颗粒，虽然增强了粒化效果，但降低了粒化装置动力消耗和设备投资，水力破碎熔渣影响余热回收利用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于多介质耦合的高炉熔渣粒化换热装置，能实现高炉熔渣的干式粒化，延长粒化器转盘的寿命，处理能力大，且热能回收利用率高。

本发明是这样实现的：

一种基于多介质耦合的高炉熔渣粒化换热装置，包括熔渣粒化组件、渣粒输送组件、余热回收组件和尾气处理组件；

所述的熔渣粒化组件包括渣沟、中间包、旋转粒化机构、粒化腔和鼓风***，旋转粒化机构包括粒化器凸起、转盘、转动电机、喷枪固定机构、喷枪和转轴，转盘安装在转轴上并与转轴经转动电机控制同步转动，粒化器凸起与喷枪的上端部连接，且粒化器凸起内部设有若干条气体通道，转盘位于粒化器凸起的下方，喷枪通过喷枪固定机构固定在转轴内的中心部位，粒化器凸起和喷枪固定不转动；熔渣通过渣沟经中间包形成熔渣流股进入粒化腔内，并落在粒化器凸起上，熔渣流股通过由喷枪喷入并经气体通道喷出的高压气体辅助作用下分散成液滴；鼓风***设置在粒化腔的底部并向粒化腔内鼓入空气，使液滴冷却形成固态的渣粒；

所述的渣粒输送组件包括环冷机、鼓风***、高温输送机、钢球、第一斗提机、换热器、输送机、第二斗提机和渣粒料仓；环冷机置于粒化腔的下部并设有出渣口，收集粒化下来的固态高温的渣粒并分配冷却气体，环冷机的出渣口将接收的固态且高温的渣粒均匀的送到高温输送机上，高温输送机的出料端通过第一斗提机连接到换热器的顶部入料口，鼓风***连接到环冷机和换热器的底部进气口；钢球通过设置在高温输送机上方的钢球贮仓输出到高温输送机上并与渣粒接触换热；换热器的底部出料口通过输送机经第二斗提机连接到渣粒料仓的顶部入口；

所述的余热回收组件的进气端口连接到熔渣粒化组件和渣粒输送组件的出气端口，尾气处理组件连接到余热回收组件的出气端口。

所述的余热回收组件包括旋流除尘器、锅炉和发电机，旋流除尘器的输入端连接在粒化腔和换热器的顶部出气口上，旋流除尘器的输出端接入锅炉并通过发电机发电。

所述的尾气处理组件包括深度净化器、风机和烟囱，深度净化器的进气口与余热回收组件的锅炉的出气口连接，深度净化器的出气口通过风机连接到鼓风***和烟囱。

所述的渣粒输送组件还包括渣铁分离器，渣铁分离器的输入端位于输送机的上方并分离钢球和渣粒，渣铁分离器的输入端连接到钢球贮仓。

所述的粒化腔的中部为水套结构，熔渣液滴与粒化腔的水套结构内壁撞击，位于水套结构下部的粒化腔为上宽下窄的斗状结构。

所述的粒化腔内设有环缝结构，环冷机与环缝结构相衔接，环冷机呈环形设置在粒化腔的底部，环冷机的出渣口与高温输送机的输入端相接。

所述的粒化器凸起为锥形结构，若干个气体通道沿粒化器凸起的径向设置，粒化器凸起通过螺纹结构固定在喷枪的顶端。

所述的转盘为平面盘状结构。

所述的转盘为中部平直且边缘弧形上翘的盘状结构。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

1、本发明通过旋转粒化机构分流熔渣，并利用气体通道进一步分散熔渣膜，加速熔渣膜的离心速度，同时又能冷却吹扫转盘表面，达到较好的粒化效果。

2、本发明的高温渣粒通过钢球和换热器进行两次换热冷却，并通过筛分装置与钢球分离，使收集的渣粒能定时、定量的送用户，钢球能回收参与新的换热循环。

3、本发明产生的高温气体可用于发电或并入管网以供其他热力用户，而低温尾气可在净化后排放或循环回鼓风***和换热器二次利用，实现热能的充分利用。

本发明能实现高炉熔渣的干式粒化，具有较好的粒化效果，延长粒化器转盘的寿命，处理能力大，且热能回收利用率高，可应用于各种大小型号的高炉渣处理领域，应用、推广前景广阔。

附图说明

图1是本发明基于多介质耦合的高炉熔渣粒化换热装置的剖视图；

图2是本发明基于多介质耦合的高炉熔渣粒化换热装置中旋转粒化机构的剖视图；

图3是图2中 B-B面的剖视图。

图中，1渣沟，2中间包，3熔渣流股，4旋转粒化机构，41粒化器凸起，411气体通道，42转盘，43转动电机，44喷枪固定机构，45喷枪，46转轴，47轴承， 6渣粒，7粒化腔，8环冷机，9鼓风***，10高温输送机，11钢球，12第一斗提机，13换热器，14输送机，15渣铁分离器，16第二斗提机，17渣粒 料仓，18旋流除尘器，19锅炉，20发电机，21深度净化器，22风机，23烟囱。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

请参见附图1，一种基于多介质耦合的高炉熔渣粒化换热装置，包括熔渣粒化组件、渣粒输送组件、余热回收组件和尾气处理组件。

所述的熔渣粒化组件包括渣沟1、中间包2、旋转粒化机构4、粒化腔7和鼓风***9，请参见附图2和附图3，旋转粒化机构4包括粒化器凸起41、转盘42、转动电机43、喷枪固定机构44、喷枪45和转轴46，转盘42同轴安装在转轴46的顶部并与转轴46经转动电机43控制同步转动，粒化器凸起41与喷枪45的上端部连接，且粒化器凸起41内部设有若干条气体通道411，转盘42位于粒化器凸起41的下方，喷枪45通过喷枪固定机构44固定在转轴46内的中心部位，粒化器凸起41和喷枪45固定不转动，喷枪45的底部通过喷枪固定机构44固定在转轴46的下方，起到定位和约束喷枪45的作用；熔渣通过渣沟1经中间包2形成熔渣流股3进入粒化腔7内，并落在粒化器凸起41上，熔渣流股3通过喷枪45喷入并经气体通道411喷出的高压气体辅助作用下分散成液滴；鼓风***9设置在粒化腔7的底部并向粒化腔7内鼓入空气，使液滴冷却形成固态的渣粒6。

所述的渣粒输送组件包括环冷机8、鼓风***9、高温输送机10、钢球11、第一斗提机12、换热器13、输送机14、第二斗提机16和渣粒 料仓17；环冷机（8）置于粒化腔7的狭缝下部并设有出渣口，承接粒化腔7中冷却、收集下来的固态高温的渣粒 6，环冷机8的出渣口将接收的固态的渣粒6均匀的送到高温输送机10上，高温输送机10的一端设置在环冷机8的出渣口下方并输送固态且高温的渣粒6，高温输送机10的出料端通过第一斗提机12连接到换热器13的顶部入料口，鼓风***9连接到环冷机8和换热器13的底部进气口；钢球11通过设置在高温输送机10上方的钢球贮仓输出到高温输送机10上并与渣粒6接触换热；换热器13的底部出料口通过输送机14经第二斗提机16连接到渣粒料仓17的顶部入口。

所述的余热回收组件的进气端口连接到熔渣粒化组件和渣粒输送组件的出气端口，尾气处理组件连接到余热回收组件的出气端口。

所述的余热回收组件包括旋流除尘器18、锅炉19和发电机20，旋流除尘器18的输入端连接在粒化腔7和换热器13的顶部出气口上，旋流除尘器18的输出端接入锅炉19并通过发电机20发电，实现热能的充分利用。

所述的尾气处理组件包括深度净化器21、风机22和烟囱23，深度净化器21的进气口与锅炉19的出气口连接，深度净化器21的出气口通过风机22连接到鼓风***9和烟囱23，达到排放标准的尾气可通过烟囱23排放，或返回鼓风***9和换热器13进行循环利用。

所述的渣粒输送组件还包括渣铁分离器15，渣铁分离器15的输入端位于输送机14的上方并分离钢球11和渣粒6，渣铁分离器15的输出端连接到钢球贮仓，便于渣粒6的收集和钢球11的循环利用。渣铁分离器15可采用吸铁器或振动筛等。

所述的粒化腔7的中部为水套结构，渣粒6与粒化腔7的水套结构内壁撞击，位于水套结构下部的粒化腔7为上宽下窄的斗状结构，有利于渣粒6触壁时的冷却和冷却后渣粒6的收集。

所述的粒化腔7的下部收渣部位收缩为环缝结构，环冷机8呈环形设置在粒化腔7的底部并环缝结构相衔接，环冷机8的出渣口与高温输送机10的输入端相接，渣粒6在重力和从环冷机8环缝结构缝隙内上升的冷却空气产生的浮力的共同作用下落入环冷机8上表面，被环冷机8收集后送入高温输送机10。

所述的转轴46通过一对轴承47与粒化腔7相对固定，轴承47位于粒化腔7的下端中部，确保转轴46能在竖直方向上顺畅转动，避免与粒化腔7之间相互磨损。

所述的粒化器凸起41为锥形结构，若干个气体通道411沿粒化器凸起41的径向设置，粒化器凸起41通过螺纹结构固定在喷枪45的顶端，确保厚液膜能被转盘42摊薄。

所述的转盘42为平面盘状结构，也可以是中部平直且边缘弧形上翘的盘状结构，使厚液膜在离心力的作用下能沿转盘42的边沿飞出，厚液膜的面积变大，液膜变薄，从而能在脱离转盘42时分割成液线和液滴，有利于渣粒6的形成。

实施例1：

请参见附图1至附图3，一种基于多介质耦合的高炉熔渣粒化换热装置，包括熔渣粒化组件、渣粒输送组件、余热回收组件和尾气处理组件。熔渣粒化组件用于熔渣的输送和粒化，主要包括输送熔渣的渣沟1或渣包、带控流机构的中间包2、旋转粒化机构4、粒化腔7和鼓风***9。渣粒输送组件用于高温渣粒和低温尾渣的输送，主要包括环冷机8、高温输送机10、钢球11、第一斗提机12、换热器13、输送机14、渣铁分离器15、第二斗提机16和渣粒 料仓17。余热回收组件用于渣粒 与空气和钢球11的热交换后的热量回收，主要包括旋流除尘器18、锅炉19和发电机20。尾气处理组件用于尾气的净化和排放，主要包括深度净化器21、风机22和烟囱23。

当高炉熔渣从高炉的渣沟1流出后，直接导入中间包2中，中间包2的有效容积3-5m³，对接收的熔渣进行缓冲并通过塞棒控流机构控制熔渣流股3的流量相对稳定，如1-2吨/分钟。熔渣流股3直接流到旋转粒化装置4的粒化器凸起41上，熔渣流股3被粒化器凸起41分散成厚液膜，该厚液膜在重力和上部熔渣的持续推动下，沿着粒化器凸起41的外表面分散到高速旋转的转盘（粒化盘）42的上表面，实现熔渣流股3的初步摊薄。落在转盘42上表面的熔渣液膜在转盘42离心力和由喷枪45吹入压缩空气的合力作用下，快速沿转盘42的径向飞出，面积变大，液膜变薄（液膜摊薄过程），当液膜脱离转盘42边沿时，液膜首先被分割成无数的液线，后在表面张力作用下液线被分割成无数的小液滴，小液滴在飞向粒化腔7内壁的过程中被鼓风***9鼓入的低温空气换热冷却成固态或表面凝固的渣粒6，渣粒6撞到粒化腔7的内壁上被再次冷却，渣粒6失去粘性，反弹并被收集到下部的环冷机8上，被下部鼓风***9吹入的空气继续冷却并输送到高温输送机10上，渣粒6在高温输送机10上与从钢球贮仓内输入的钢球11相混合，然后经第一斗提机12从上部送入换热器13内，渣粒6和钢球11在接触输送过程中进行热量交换，然后在换热器13内与从下部进来的低温气体逆向换热，冷却降温后的钢球11和渣粒6以移动床形式从换热器13的下部定量送出，其中，渣粒6经第二斗提机16送到临时的渣粒 料仓17内，作为高品质建材原料待运出厂，钢球11在输送机14上被吸铁器（渣铁分离器15）分离出来，送回钢球贮仓继续参与热交换。粒化腔7和换热器13内出来的高温气体汇聚后经过旋流除尘器18初步净化后进入锅炉19，产生的蒸汽并入管网或驱动发电机20发电并网。换热降温后的尾气由深度净化器21净化处理，达到排放标准后由风机22抽出，通过烟囱23达标排放，一部分返回鼓风***9循环利用。

优选的，粒化器凸起41可采用耐热钢材质制成，粒化器凸起41通过螺纹与喷枪45连接，粒化器凸起41上设置3-6个气体通道411，在本实施例中，气体通道411均匀设置5个，喷枪45喷入的高压气体首先吹到粒化器凸起41下表面，对粒化器凸起41进行冷却，然后沿着气体通道411切到转盘42上表面，起到辅助粒化熔渣的作用。转盘42上表面呈凹面，直径为200-800mm，转速为500-3000rpm，视处理熔渣的能力而定，转盘42可采用耐热钢材质，通过螺纹或键连结方式固定在转轴46上。转轴46为空腔结构，通过一对轴承47竖直固定，并由电机43所在的传动机构提供动力，灵活旋转。喷枪45竖直插在转轴46的空腔内，由喷枪固定机构44定位和约束。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定发明的保护范围，因此，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于多介质耦合的高炉熔渣粒化换热装置，其特征是：包括熔渣粒化组件、渣粒输送组件、余热回收组件和尾气处理组件；

所述的熔渣粒化组件包括渣沟（1）、中间包（2）、旋转粒化机构（4）、粒化腔（7）和鼓风***（9），旋转粒化机构（4）包括粒化器凸起（41）、转盘（42）、转动电机（43）、喷枪固定机构（44）、喷枪（45）和转轴（46），转盘（42）安装在转轴（46）上并与转轴（46）经转动电机（43）控制同步转动，粒化器凸起（41）与喷枪（45）的上端部连接，且粒化器凸起（41）内部设有若干条气体通道（411），转盘（42）位于粒化器凸起（41）的下方，喷枪（45）通过喷枪固定机构（44）固定在转轴（46）内的中心部位，粒化器凸起（41）和喷枪（45）固定不转动；熔渣通过渣沟（1）经中间包（2）形成熔渣流股（3）进入粒化腔（7）内，并落在粒化器凸起（41）上，熔渣流股（3）通过由喷枪（45）喷入并经气体通道（411）喷出的高压气体分散成液滴；鼓风***（9）设置在粒化腔（7）的底部并向粒化腔（7）内鼓入空气，使液滴冷却形成固态的渣粒（6）；

所述的渣粒输送组件包括环冷机（8）、鼓风***（9）、高温输送机（10）、钢球（11）、第一斗提机（12）、换热器（13）、输送机（14）、第二斗提机（16）和渣粒 料仓（17）；环冷机（8）置于粒化腔（7）的下部并设有出渣口，环冷机（8）的出渣口将接收的固态的渣粒（6）均匀的送到高温输送机（10）上，高温输送机（10）的出料端通过第一斗提机（12）连接到换热器（13）的顶部入料口，鼓风***（9）连接到环冷机（8）和换热器（13）的底部进气口；钢球（11）通过设置在高温输送机（10）上方的钢球贮仓输出到高温输送机（10）上并与渣粒（6）接触换热；换热器（13）的底部出料口通过输送机（14）经第二斗提机（16）连接到渣粒 料仓（17）的顶部入口；

所述的余热回收组件的进气端口连接到熔渣粒化组件和渣粒输送组件的出气端口，尾气处理组件连接到余热回收组件的出气端口。

2.根据权利要求1所述的基于多介质耦合的高炉熔渣粒化换热装置，其特征是：所述的余热回收组件包括旋流除尘器（18）、锅炉（19）和发电机（20），旋流除尘器（18）的输入端连接在粒化腔（7）和换热器（13）的顶部出气口上，旋流除尘器（18）的输出端接入锅炉（19）并通过发电机（20）发电。

3.根据权利要求1所述的基于多介质耦合的高炉熔渣粒化换热装置，其特征是：所述的尾气处理组件包括深度净化器（21）、风机（22）和烟囱（23），深度净化器（21）的进气口与余热回收组件的锅炉（19）的出气口连接，深度净化器（21）的出气口通过风机（22）连接到鼓风***（9）和烟囱（23）。

4.根据权利要求1所述的基于多介质耦合的高炉熔渣粒化换热装置，其特征是：所述的渣粒输送组件还包括渣铁分离器（15），渣铁分离器（15）的输入端位于输送机（14）的上方并分离钢球（11）和渣粒（6），渣铁分离器（15）的输出端连接到钢球贮仓。

5.根据权利要求1所述的基于多介质耦合的高炉熔渣粒化换热装置，其特征是：所述的粒化腔（7）的中部为水套结构，熔渣液滴与粒化腔（7）的水套结构内壁撞击，位于水套结构下部的粒化腔（7）为上宽下窄的斗状结构。

6.根据权利要求5所述的基于多介质耦合的高炉熔渣粒化换热装置，其特征是：所述的粒化腔（7）内设有环缝结构，环冷机（8）与环缝结构相衔接，环冷机（8）呈环形设置在粒化腔（7）的底部，环冷机（8）的出渣口与高温输送机（10）的输入端相接。

7.根据权利要求1所述的基于多介质耦合的高炉熔渣粒化换热装置，其特征是：所述的粒化器凸起（41）为锥形结构，若干个气体通道（411）沿粒化器凸起（41）的径向设置，粒化器凸起（41）通过螺纹结构固定在喷枪（45）的顶端。

8.根据权利要求1所述的基于多介质耦合的高炉熔渣粒化换热装置，其特征是：所述的转盘（42）为平面盘状结构。

9.根据权利要求1所述的基于多介质耦合的高炉熔渣粒化换热装置，其特征是：所述的转盘（42）为中部平直且边缘弧形上翘的盘状结构。

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