CN201400690Y - 一种用于液态熔渣进行粒化的超音速气体喷嘴 - Google Patents

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韩志杰
邢宏伟
胡长庆
龙跃
张玉柱
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Abstract

一种用于液态熔渣进行粒化的超音速气体喷嘴，属冶金设备技术领域，用于提高气淬粒化喷嘴出口气体射流速度，从而提高冶金渣的余热回收效率，其技术方案是：它由喷嘴体、喷孔、喷嘴腔室、连接管组成，喷孔由10～30个拉瓦尔型气体喷孔组成。由于每个喷孔出口的气体都为超音速射流，具有很强的冲击动能，渣滴粒度可降至1mm以下，从而提高气－液和气－固的换热效率；相邻喷孔的间距为3～10mm，气体喷孔的超音速射流在100～300mm距离内融合在一起，从而保证作用于液态渣流的超音速气体流股保持稳定；每个喷孔出口的气体都为超音速射流温度都在－100℃以下，从而提高了气液之间的温度梯度，提高了渣滴的冷却强度。

Description

一种用于液态熔渣进行粒化的超音速气体喷嘴
技术领域
本实用新型涉及一种用于粒化液态冶金渣的超音速气体喷嘴，属冶金设备技术领域。
背景技术
高炉渣和钢渣具有很高的温度(1450～1650℃)，属于高品质的余热资源，具有很高的回收价值。但目前，国内外冶金渣多以水淬法和热泼法为主，热量无法回收利用。冶金渣显热回收过程中需要考虑以下问题：
第一，液态和固态渣的导热率相对较低，给回收熔渣显热增加了困难。在液态渣的液相阶段，其热导率λ为0.1～0.3W/(m·K)。冶金渣凝固后会形成两类固相——玻璃相和晶体相，玻璃相的热导率λ为1～2W/(m·K)，晶体相热导率λ约为7W/(m·K)。因此无论采取何种介质将渣中显热提取出来都是相当困难的；
第二，液态熔渣的冷却强度决定着冶金渣的综合利用。由于冶金渣属于硅酸盐体系，凝固后存在玻璃相和晶体相，冷却强度较低时形成晶体相，水化活性较低；冷却强度较高时形成非晶相或玻璃相，水化活性较高，适于其高效资源化利用。因此如何保证低热导率的液态冶金渣得到很高的冷却强度进行换热并凝固，是对冶金渣进行高效资源化利用的保证。
第三，液态冶金渣粒化后的粒径对余热回收及其资源化影响显著。在冶金渣热导率一定的前提下，为了提高液态和固态冶金渣渣粒的换热强度，必须将冶金渣粒度降低，以提高其换热面积。很明显，对液态冶金渣进行粒化要比固态冶金渣的细磨更节能、效率更高。因此如何将液态冶金渣进行粒化是对冶金渣进行高效资源化的前提。
目前将液态冶金渣进行干法粒化的工艺主要包括两大类：一类是气淬法，另一类为离心粒化法。70年代末期，日本开始研究风淬法处理高炉渣新工艺，其工艺为：冶金渣从盛渣桶倒出，由空气射流破碎成渣粒后吹入罩式锅炉，渣粒被传送装置排出。在罩式锅炉内，液态渣滴通过辐射和对流方式、高温固体渣粒通过传导和对流方式将热量传递给锅炉管，由此可回收40％～45％的炉渣热量。1985～1987年中冶集团建筑研究总院与马钢钢研所在马钢进行了钢渣风淬粒化工艺试验，热熔钢渣被压缩空气击碎落入水中，取得了成功，后在成都钢铁厂和重钢应用。英国、澳大利亚等也进行过离心粒化(转杯或转碟法)法处理高炉渣的相关研究，其工艺为：采用一个高速旋转的中心略凹的盘子作为粒化器，液态渣通过渣沟或管道注入到盘子中心，盘子在电动机的带动下连续地旋转，当盘子旋转速度达到一定时，液渣由于离心力的作用从盘沿飞出，粒化成粒。液态渣粒在飞行过程中与空气进行热交换至凝固。凝固后的冶金渣继续下落到设备底部，在底部设一个流化床，在流化床内的渣粒进一步与空气进行热交换，热空气从设备顶部回收。
在风淬法半工业试验和现有风淬工艺过程中，空气射流通过气体粒化喷嘴实现，目前应用的气淬粒化喷嘴都是直孔型，通过高压空气在喷嘴出口形成射流而将冶金渣击碎。例如，马鞍山钢铁公司的发明专利88211276.7和成都钢铁公司的实用新型专利ZL93239693.3中所使用的雾化器喷嘴，喷口都设计为直孔型，雾化器喷孔布置方式和喷孔角度也进行了设计，喷孔布置方式主要有多排矩阵形、狭缝型、“H”型、槽型和“U”型等五种布置形式，利用高压空气在雾化器出口形成射流。此外，这些专利所指雾化器喷嘴在生产实践中，也确定了粒化器的最佳安装位置和粒化器与流渣槽的相对位置，保持对渣流一定的冲击深度进行液渣粒化，最终达到将具有一定黏度的液渣进行安全粒化的目标。但现有直孔型气淬粒化喷嘴出口气体射流速度相对较低，对渣流的冲击力较小、对液渣的冷却强度较低，因此探索超音速气体射流对液渣粒化具有非常重要的意义。
众所周知，拉瓦尔(Laval)喷嘴可提供低温的超音速气体射流，其基本原理是高压气体通过收缩段加速，到达喉口时气体流速可达音速，进入扩张段后气体进一步加速，从而形成超音速气体射流，转炉炼钢使用的氧枪也都利用了拉瓦尔型气体喷嘴的这一特性。拉瓦尔喷嘴出口气体射流的温度很低，其温度与设计的拉瓦尔喷嘴的马赫数有关，马赫数越大，出口气体的温度也就越低。因此，拉瓦尔型喷嘴恰好为液渣粒化提供温度较低、动能很大的超音速气体射流，超音速射流可使液渣粒化后形成粒度更小的渣粒，为气-液和气-固换热创造了优良的条件，此外超音速气体射流的低温性能也为渣滴的快速凝固成壳创造条件。
发明内容
本实用新型所要解决的技术问题是提供一种气淬粒化喷嘴出口气体射流速度高、对渣流的冲击力大、对液渣的冷却强度高、从而能够提高冶金渣的余热回收效率的用于液态熔渣进行粒化的超音速气体喷嘴。
解决上述技术问题的技术方案是：
一种用于液态熔渣进行粒化的超音速气体喷嘴，它由喷嘴体、喷孔、喷嘴腔室、连接管组成，喷孔分布于喷嘴体前部，喷嘴腔室在喷嘴体的中部，连接管一端与喷嘴腔室相连接，另一端与高压气体相连接，其改进之处是，所述的喷孔由10～30个拉瓦尔型气体喷孔组成，每个气体喷孔包括收缩段、喉口和扩张段，它们在喷嘴体中整齐排列。
上述用于液态熔渣进行粒化的超音速气体喷嘴，所述的多个拉瓦尔型气体喷孔以水平形状、“U”型形状或“H”型形状排列，
上述用于液态熔渣进行粒化的超音速气体喷嘴，所述相邻的拉瓦尔气体喷孔之间的距离为3～10mm。
本实用新型具有以下优点：
(1)每个喷孔出口的气体都为超音速射流，具有很强的冲击动能，可将液态熔渣破碎成粒度更小的渣滴，渣滴粒度可降至1mm以下，从而提高气-液和气-固的换热效率，从而提高渣滴的冷却强度；
(2)拉瓦尔型气体喷孔呈水平、“U”型和“H”型布置，使出口超音速射流形成矩形、“U”型和“H”型流股，包住从流渣槽流出的渣流而将其全部粒化；
(3)根据拉瓦尔喷嘴的特性，相邻喷孔的气体射流出口间距在3～10mm时，气体喷孔的超音速射流在100～300mm距离内融合在一起，从而保证作用于液态渣流的超音速气体流股保持稳定；
(4)每个喷孔出口的气体都为超音速射流温度都在-100℃以下，从而提高了气液之间的温度梯度，提高渣滴的冷却强度；
(5)超音速射流的扩张角较小，渣粒飞行以及下落后的集中度高，可减小渣粒的收集范围，渣粒散落的宽度比普通气体喷嘴粒化后渣粒散落的宽度减小1/3；
(6)本超音速喷嘴可独立加工，加工工艺简单，安装拆卸方便。
附图说明
图1是本实用新型的结构示意图；
图2、3、4、5、6、7是几种拉瓦尔型气体喷孔排列形状图。
图中标记如下：喷嘴体1、喷孔2、喷嘴腔室3、连接管4
具体实施方式
图1为一种用于粒化液态冶金渣的超音速气体喷嘴结构示意图。图中显示，喷孔分布于喷嘴体1的前部；喷嘴腔室3是高压气体缓冲和稳定空间，在喷嘴体1的中部；连接管4一端与喷嘴腔室3相连接，另一端与高压气体相连接；喷孔2为拉瓦尔型气体喷孔，每个拉瓦尔气体喷孔包括收缩段、喉口和扩张段。本实用新型的拉瓦尔喷孔的设计参数：马赫数M＝1.75，压力0.55MPa，工作压力0.50～0.65MPa，喉口直径5.5mm，出口直径6.5mm。
图2、3、4、5、6、7是本实用新型的几种拉瓦尔喷孔排列形状示意图，图中相邻气体喷孔的间距为3～10mm。
图2的拉瓦尔喷孔呈单层水平布设；图3的拉瓦尔喷孔呈双层水平布设；图4的拉瓦尔喷孔呈单层U型布设；图5的拉瓦尔喷孔呈双层U型布设；图6的拉瓦尔喷孔呈单层H型布设；图7的拉瓦尔喷孔呈双层H型布设。
本实用新型的一个实施例的参数为：喷嘴体1水平宽度300mm、高度130mm、拉瓦尔喷孔2间距5mm、连接管4内径102mm。
本实用新型在工作时，喷嘴体1置于流渣槽正下方，气淬喷嘴出口距流渣槽出口垂直距离为300mm，距渣流的水平距离300mm。
利用该超音速喷嘴对液态冶金渣进行粒化时，首先打开气体喷嘴形成超音速气体射流，继而打开流渣槽出口形成渣流，渣流与超音速射流接触后，即可被击碎，粒化成1mm以下的液态渣滴，气体消耗量为20～30Nm3/t渣。
该喷嘴提供的超音速射流的扩张角较小，粒化后的渣粒飞行以及下落后的集中度高，渣粒下落高度为2m，渣粒飞行距离在6m时，扩张宽度在4m以内，下落后渣粒完全固化成壳，没有出现颗粒之间的粘结现象。说明利用该超音速气体喷嘴对液态冶金渣进行粒化时，可得到粒度更小的渣滴，液渣与射流气体之间的换热效率较高，可在较短的时间内凝结成壳，同时渣粒飞行的集中度高，便于对粒化渣粒的收集。

Claims (5)

1.一种用于液态熔渣进行粒化的超音速气体喷嘴，它由喷嘴体[1]、喷孔[2]、喷嘴腔室[3]、连接管[4]组成，喷孔[2]分布于喷嘴体[1]的前部，喷嘴腔室[3]在喷嘴体[1]的中部，连接管[4]一端与喷嘴腔室[3]相连接，另一端与高压气体相连接，其特征在于：所述的喷孔[2]由10～30个拉瓦尔型气体喷孔组成，每个气体喷孔包括收缩段、喉口和扩张段，它们在喷嘴体[1]中整齐排列。
2.根据权利要求1所述的用于液态熔渣进行粒化的超音速气体喷嘴，其特征在于：所述的拉瓦尔型气体喷孔以水平形状排列。
3.根据权利要求1所述的用于液态熔渣进行粒化的超音速气体喷嘴，其特征在于：所述拉瓦尔型气体喷孔以U型形状排列。
4.根据权利要求1所述的用于液态熔渣进行粒化的超音速气体喷嘴，其特征在于：所述拉瓦尔型气体喷孔以H型形状排列。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的用于液态熔渣进行粒化的超音速气体喷嘴，其特征在于：相邻的拉瓦尔气体喷孔之间的距离为3～10mm。
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