專利名稱：一種高溫物料物理熱回收工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及熔融態(tài)高溫物料物理熱回收領(lǐng)域。以冶金過程為例，鋼渣或高爐渣溫度至少1400°C，帶有大量物理熱。利用冶金過程的間歇操作特性，建立隧道式鍋爐，將熔融渣物理顯熱轉(zhuǎn)化成較高品位能量用于發(fā)電或其他工藝過程的熱源。
背景技術(shù)：
中國(guó)鋼鐵總產(chǎn)量達(dá)到五億噸左右時(shí)(2007 2008)，年產(chǎn)冶金渣達(dá)一億多噸。預(yù)計(jì) 2009年中國(guó)粗鋼產(chǎn)量將達(dá)到5. 75億噸，接近全球粗鋼產(chǎn)量的一半。如果按照1500°C鋼渣冷卻到300°C計(jì)算，1.5億噸鋼渣含有的熱量相當(dāng)于5248. 53t標(biāo)準(zhǔn)煤，相當(dāng)于一個(gè)中小型煤礦的可采儲(chǔ)量或若干個(gè)大型煤礦年產(chǎn)量之和。冶金行業(yè)中，冶金渣利用主要是回收冶金渣中的物質(zhì)資源，而冶金渣攜帶的能量幾乎沒有回收。高爐爐渣出爐通常是斷續(xù)出渣，其熱能的回收利用存在很大難度。常見的高爐渣經(jīng)水淬處理只能回收爐渣10%的熱量，其余90%的熱量只能白白浪費(fèi)。國(guó)內(nèi)外對(duì)高爐渣干式粒化處理研究已經(jīng)出現(xiàn)中試裝置，報(bào)道的效果較好。在Elsevier SDOL電子期刊全文庫(kù)進(jìn)行文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，用Slag為關(guān)鍵詞檢索出現(xiàn)19，281條結(jié)果，用11~0皿11(1 Steel Slag為關(guān)鍵詞在搜索結(jié)果中檢索出現(xiàn)5，042條結(jié)果， 用Heat Recovery為關(guān)鍵詞在搜索結(jié)果中檢索出現(xiàn)1，072條結(jié)果。絕大多數(shù)文獻(xiàn)是關(guān)于基礎(chǔ)理論及其實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方面的研究，能夠反映冶金渣物理熱回收利用的文獻(xiàn)，以意大利人 G. BISIO撰寫的 ENERGY RECOVERY FROM MOLTEN SLAG ANDEXPLOITATION OF THE RECOVERED ENERGY (Energy Vol. 22，No. 5，pp. 501-509，1997)最適合檢索要求。在 CNKI (CNKI 中國(guó)期刊全文庫(kù))上用冶金渣為主題詞檢索，出現(xiàn)183篇文獻(xiàn)，絕大多數(shù)以循環(huán)經(jīng)濟(jì)、資源綜合利用角度研究冶金渣利用，涉及冶金渣物理熱回收利用的文獻(xiàn)不足10篇。中國(guó)知識(shí)產(chǎn)權(quán)局網(wǎng)站以“冶金渣”和“熱”為主題詞檢索發(fā)現(xiàn)7個(gè)發(fā)明專利，9個(gè)實(shí)用新型。除掉一些工藝性或結(jié)構(gòu)性的專利外，與熱量回收有關(guān)的專利共有4個(gè)200410154165. 3滾筒法高黏度熔態(tài)爐渣的處理方法200710168881. 8 一種熱態(tài)轉(zhuǎn)爐煉鋼渣的噴水方式及冷卻方法200720021048. 6冶金渣顯熱利用裝置200810135081. 3鋼包渣熱態(tài)處理的工藝方法鋼渣廢熱回收領(lǐng)域已經(jīng)出現(xiàn)中試水平的裝置包括德國(guó)(Merotec pilot plant、 Thyssen Stahl 和 RWTH)技術(shù)、日本(Nippon Kokan 和 Mitsubishi 公司、Kawasaki 鋼廠) 技術(shù)以及俄羅斯(烏拉爾鋼鐵研究院)技術(shù)等等。上述文獻(xiàn)和專利似乎表明，1.上世紀(jì)最后10年間，鋼渣廢熱回收曾引起關(guān)注。 2.最近十多年間，這個(gè)領(lǐng)域的研究，至少在工業(yè)實(shí)踐上，幾乎是停滯不前的。3.由于能源和經(jīng)濟(jì)原因，鋼渣物理顯熱再度弓丨起人們關(guān)注，但目前還缺少一項(xiàng)可行的技術(shù)措施。從技術(shù)角度上，冶金渣(高溫物料)物理熱回收主要集中在兩個(gè)方面。1、普通式余熱回收。該法是先將液態(tài)高爐渣倒入一傾斜的渣溝里，液渣在渣溝末端流出時(shí)與下部出來的高速空氣流接觸，渣溫從1550°C降到1000°C并被?；筮M(jìn)入熱交換器，然后在熱交換器內(nèi)渣冷卻到300°C，熱量得到回收。該法可以回收熱量40% -45%。 但相對(duì)流化床式還是偏低，且處理后渣粒度不均勻。2、流化床式熱回收。流化床式回收法分為常規(guī)干式粒化法和熔融高爐渣?；▋深悾笳咻^為成熟，回收率可達(dá)70%。其核心設(shè)備是熔融高爐渣?；O(shè)備，回收熱過程是 1)液態(tài)高爐渣粒從罩杯中甩出，通過與下部流化床上來的空氣和水冷壁間的換熱，完成回收約14%熱量；幻高爐渣進(jìn)而打在容器內(nèi)壁，與水冷壁進(jìn)行熱交換，完成回收約23%熱量； 3)內(nèi)壁反彈回來的高爐渣粒進(jìn)入到一級(jí)流化床內(nèi)，并與通過流化床的空氣和位于床層內(nèi)的換熱管間熱交換冷卻，完成回收約43%熱量；4) 一級(jí)流化床受熱快速膨脹，熱渣進(jìn)入到二級(jí)流化床，節(jié)能型熱交換，完成回收約20%熱量。該法日處理渣約7700t，過程中完全無(wú)水參與，節(jié)約了水資源，且渣粒均勻(小于2mm)，適宜制造水泥。戴曉天等Q008)認(rèn)為，熔渣的余熱是鋼鐵企業(yè)中唯一沒有被利用的二次能源，……近年來除了離心?；夹g(shù)還有人研究外，其它干式粒化工藝都未見后續(xù)報(bào)道。馮向鵬等Q008)認(rèn)為在冶金渣的顯熱回收利用方面，全球范圍內(nèi)均未出現(xiàn)應(yīng)用實(shí)例，主要原因仍然在于技術(shù)不成熟。從物理學(xué)角度看，冶金渣(高溫物料)物理熱回收介質(zhì)是風(fēng)(空氣)和水，即所謂的風(fēng)淬和水淬。熱量回收的結(jié)果都是熔融渣變成了具有一定溫度的顆粒物。無(wú)論風(fēng)淬還是水淬，熔融渣物理熱回收受制于兩個(gè)方面。一個(gè)是熔融渣表面熱量散失速率，一個(gè)是熔融渣內(nèi)部熱量向其表面?zhèn)鲗?dǎo)的速率。由于熔融渣溫度很高，向外散失熱量可以通過輻射熱的方式進(jìn)行。根據(jù)輻射傳熱原理，輻射傳熱量是溫度的四次方的函數(shù)，根據(jù)這一特性設(shè)計(jì)隧道鍋爐的第一段，即以吸收熔融渣高溫輻射熱量為主的輻射傳熱室。當(dāng)熔融渣表面溫度降低到一定程度后，在熔融渣內(nèi)部會(huì)形成較大的溫度梯度。這種溫度梯度，一方面可能造成熔融渣表面固化出現(xiàn)裂紋，一方面鋼渣內(nèi)部導(dǎo)熱將提高渣表面溫度。但這種依靠?jī)?nèi)部導(dǎo)熱對(duì)表面溫度的提升是有限的。繼續(xù)單獨(dú)依靠輻射傳熱回收能量可能有限，此時(shí)適度增加對(duì)流傳熱，形成隧道鍋爐的第二段，即輻射傳熱和對(duì)流傳熱并重的傳熱室。由于鋼渣的導(dǎo)熱系數(shù)低，在有限時(shí)間內(nèi)(一個(gè)煉鋼周期)不可能全部回收熔融渣熱量。即使渣表面溫度已經(jīng)較低，渣內(nèi)部仍會(huì)存在大量物理熱。為在短時(shí)間內(nèi)回收絕大多數(shù)熱量，利用水淬技術(shù)實(shí)現(xiàn)最大可能的能量回收。即隧道鍋爐的第三段，熱量直接提取的水淬室。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在回收液態(tài)熔融渣的物理熱。由生產(chǎn)過程出來的熔融液態(tài)渣首先被鋪成片狀，利用其高溫特性設(shè)置輻射受熱面回收高溫?zé)?，形成吸熱的第一個(gè)階段；當(dāng)表面溫度降到一定數(shù)值后，由于熔融液態(tài)渣的比熱很小，其內(nèi)部仍存在很多熱量，依靠導(dǎo)熱效應(yīng)氣表面溫度會(huì)有一定程度的回收，但輻射力已降落較大。此時(shí)采用引風(fēng)機(jī)引進(jìn)流動(dòng)空氣，利用高效傳熱元件(如熱管)吸收氣體對(duì)流熱量和部分輻射熱量形成吸熱的第二階段；引風(fēng)機(jī)抽出的熱風(fēng)經(jīng)過常規(guī)對(duì)流傳熱裝置降溫到引風(fēng)機(jī)可以承受的溫度，這部分采用的都是常規(guī)技術(shù)。吸熱的第三階段是將已經(jīng)基本固化(至少是外表固化)的渣送進(jìn)可以承受一定壓力的水淬室，逐次向渣體噴射冷水將已經(jīng)出現(xiàn)裂紋的渣體炸裂成粉體。后續(xù)可以外接滾筒冷渣機(jī)繼續(xù)回收物理熱(滾筒冷渣機(jī)不包含在本申請(qǐng)中)。吸熱工質(zhì)采用軟化水，隧道鍋爐第二階段(傳熱室21)出來的熱風(fēng)通過高效廢熱鍋爐(如熱管式)吸熱第二次提升軟化水溫度，加熱后的軟化水進(jìn)入隧道鍋爐的第二段，即對(duì)流與輻射并重的傳熱室21，繼續(xù)進(jìn)行第三次加熱。此后，軟化水進(jìn)入隧道鍋爐的第一段， 既輻射傳熱室，進(jìn)行第四次加熱。取決于隧道鍋爐的工作壓力，經(jīng)過多次加熱的軟化水可以形成高溫?zé)崴蛑械蛪赫羝?。軟化水的第一次加熱是水淬冶金渣后，即冶金渣廢熱回收的最后階段，生成的水蒸汽對(duì)軟化水的加熱。吸熱空氣視隧道鍋爐工作條件，既可以經(jīng)輻射室20、傳熱室21、出口 22、高效換熱裝置沈、引風(fēng)機(jī)27后排入大氣，也可以不經(jīng)輻射室而由進(jìn)口 25進(jìn)入傳熱室21，再經(jīng)出口 22、高效換熱裝置沈、引風(fēng)機(jī)27后排入大氣。


圖1是本回收液態(tài)熔融渣的物理熱裝置的主視圖；從物理熱回收過程看，本發(fā)明主要由四部分組成。熔融高溫液態(tài)渣經(jīng)過這四部分后成為低溫固態(tài)粉體。第一部分是熔融渣傾倒過程，渣罐1將熔融渣倒入渣槽2內(nèi)導(dǎo)入到渣車4中形成片狀熔融高溫渣3。第二部分是以吸收輻射熱為主的輻射室20，由于溫度高(溫度水平相當(dāng)于鍋爐爐膛內(nèi)燃燒溫度)， 吸收的熱量比較多；輻射室中布置有吸收輻射熱量的吸熱管束6 ；第三部分是以輻射和對(duì)流傳熱并重的傳熱室21，傳熱室21中布置高效傳熱元件9。高效傳熱元件9吸收來自渣車的輻射熱量和來自主輻射室20的熱風(fēng)或冷風(fēng)進(jìn)口 25的空氣進(jìn)行對(duì)流換熱，換熱后的空氣由引風(fēng)機(jī)從空氣出口 22抽走(圖2)，后面接高效換熱裝置沈。渣車進(jìn)入該傳熱室后需要一段時(shí)間提升渣表面溫度，高溫渣在較低溫度下實(shí)現(xiàn)新的熱平衡。第四部分是直接提取高溫渣熱量的水淬室23。渣車進(jìn)入水淬室后，冷卻水由噴水管M漸次射入，主要目的是將在前兩個(gè)傳熱室中已經(jīng)固化的渣炸裂形成粉體，將其中蘊(yùn)含的熱量更多地釋放出來。水淬室 23由壓力容器17、可移動(dòng)的密封門14和18以及定壓閥15和安全閥16以及排水裝置27 構(gòu)成。來自給水管10的軟化水直接進(jìn)入軟化水箱12由給水泵11打進(jìn)位于傳熱室21上的集熱水包8吸收來自高效傳熱元件9傳過來熱量，經(jīng)過連接管7進(jìn)入位于主輻射室20上的汽包5連同吸熱管束6 —起生產(chǎn)蒸汽供用戶使用。水淬室23產(chǎn)生的水蒸氣經(jīng)定壓閥15 引出后，一部分用來加熱軟化水箱12中的軟化水，提高裝置熱效率，其余蒸汽進(jìn)入儲(chǔ)汽罐 13備用。以上陳述見圖1和圖2。圖2是圖1的俯視圖，給出隧道鍋爐各組成部分的相對(duì)關(guān)系。中心線上從左向右依次是渣包1、渣槽2、渣車4、輻射室20、傳熱室21、水淬室23。圖3是圖1的A-A剖圖。給出了輻射受熱面6、渣車4、汽包5之間的相對(duì)位置。輻射受熱面6接受來自連接管7的水或汽水混合物，吸熱后經(jīng)輻射受熱管束上升進(jìn)入汽包5， 成為具有一定火用值的蒸汽。圖4是圖1傳熱室的B-B剖圖。高效傳熱元件9吸收部分凝固的熔融液態(tài)渣熱量被傳熱工質(zhì)(水)將其送到集熱水包8，對(duì)流空氣流過高溫渣表面冷卻高溫渣。圖5是圖1中的水淬室23的剖面圖。高溫渣車進(jìn)入水淬室后，可移動(dòng)的密封門14 和18關(guān)閉。噴水管M啟動(dòng)，噴水冷卻熔渣。噴水操作程序按照熔渣溫度、導(dǎo)熱系數(shù)、粉體化特征確定噴水時(shí)間和間隔時(shí)間。噴水將熔渣炸成粉體，并將這部分熱量變成低壓蒸汽。本發(fā)明的最大優(yōu)點(diǎn)是最大限度地從熔融渣中提取火用，而不僅僅是提起熱量。提取的火用可以用于其他熱用戶或用于發(fā)電。本發(fā)明的第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)是不需要很大功率的造粒機(jī)構(gòu)。本發(fā)明的第三個(gè)優(yōu)點(diǎn)是不需要大功率的流化床鼓風(fēng)機(jī)。熔融渣在傾倒過程中在傾寫的渣車上形成片狀熔融渣，由于片狀熔渣薄，內(nèi)部?jī)?chǔ)存的熱量容易散發(fā)出來。特別是在水淬室中漸次噴水，將已經(jīng)出現(xiàn)的固態(tài)渣裂紋逐步擴(kuò)大形成粉體，散熱表面大大增加。
具體實(shí)施例方式渣車由金屬和保溫材料構(gòu)成本體，既可以固定在金屬車輪上在礦車軌道上行駛， 也可以采用在地滾輪上行駛。渣車有效容積為10/3. 35 = 2. 985立米，平均鋪渣厚度0. 3 米，渣車特征尺寸可確定為^iX 2. 5mX0. 6m。相應(yīng)過程的主要尺寸見表1。表1.主要回收過程的主要尺寸
權(quán)利要求
1.一種高溫物料物理熱回收工藝，其目的在于回收液態(tài)熔融渣的物理熱。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高溫物料物理熱回收工藝，其特征在于主要由五部分組成， 第一部分為熔融渣傾倒過程，第二部分為以吸收輻射熱為主的輻射傳熱過程，第三部分為以輻射和對(duì)流傳熱并重的傳熱過程，第四部分是直接提取高溫渣熱量的水淬過程，第五部分是第三部分獲得的熱風(fēng)熱量回收過程。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的熔融渣傾倒過程，其特征在于渣罐(1)將熔融渣倒入渣槽 (2)內(nèi)導(dǎo)入到渣車中形成片狀熔融高溫渣(3)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的輻射傳熱過程，其特征在于主體結(jié)構(gòu)為輻射室(20)，輻射室中布置有吸收輻射熱量的吸熱管束(6)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的輻射和對(duì)流傳熱并重的傳熱過程，其特征在于主體結(jié)構(gòu)為傳熱室(21)，傳熱室中布置高效傳熱元件(9)。高效傳熱元件(9)吸收來自渣車(4) 的輻射熱量和來自主輻射室00)的熱風(fēng)的對(duì)流換熱，換熱后的空氣由引風(fēng)機(jī)從空氣出口 (22)抽走，后面可接常規(guī)對(duì)流受熱面。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的水淬過程，其特征在于主體結(jié)構(gòu)為直接提取高溫渣熱量的水淬室0；3)。渣車進(jìn)入水淬室后，冷卻水由噴水管04)漸次射入，主要目的是將在前兩個(gè)傳熱室中已經(jīng)固化的渣炸裂形成粉體，將其中蘊(yùn)含的熱量更多地釋放出來。水淬室03)由壓力容器(17)、可移動(dòng)的密封門(14)和(18)以及定壓閥(15)和安全閥(16)組成。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的熱風(fēng)熱量回收過程，其特征在于在傳熱室21吸收熱量的熱風(fēng)與高溫傳熱元件26換熱，加熱工質(zhì)后經(jīng)引風(fēng)機(jī)排入大氣。
全文摘要
本發(fā)明旨在回收液態(tài)熔融渣的物理熱，可用于冶金過程的鋼渣或高爐渣余熱回收。發(fā)明利用冶金過程的間歇操作特性，建立隧道式鍋爐，將熔融渣物理顯熱轉(zhuǎn)化成較高品位能量熱源以用于發(fā)電或其他工藝過程。首先生產(chǎn)過程出來的熔融液態(tài)渣被鋪成片狀，利用其高溫特性設(shè)置輻射受熱面回收高溫?zé)?，形成吸熱第一個(gè)階段；當(dāng)表面溫度降到一定數(shù)值后，采用引風(fēng)機(jī)引進(jìn)流動(dòng)空氣，利用高效傳熱元件(如熱管)吸收氣體對(duì)流熱量和部分輻射熱量形成吸熱第二階段；將已經(jīng)基本固化(至少是外表固化)的渣送進(jìn)可以承受一定壓力的水淬室，逐次向渣體噴射冷水將已經(jīng)出現(xiàn)裂紋的渣體炸裂成粉體，冶金渣的后續(xù)冷卻外接滾筒冷渣機(jī)繼續(xù)回收物理熱形成吸熱第三階段。
文檔編號(hào)F22B1/04GK102200267SQ20101013272
公開日2011年9月28日 申請(qǐng)日期2010年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月26日
發(fā)明者劉柏謙, 王立剛 申請(qǐng)人:劉柏謙, 王立剛