本发明涉及液态高炉渣的余热回收系统及方法。
背景技术
液态高炉渣是高炉炼铁的副产品，其排出温度在1450℃以上。2017年，中国钢铁企业的液态高炉渣产量大约为2.45亿吨，其蕴含的热量相当于三峡水电站发电量的1.5倍。目前，液态高炉渣的处理方法主要采用水淬法，即用大量的水冲击液态高炉渣，使其快速冷却至80℃以下，并产生大量水蒸气。该方法不仅没有将液态高炉渣的热量进行回收，同时消耗大量的新水。液态高炉渣的硫与水发生反应生成硫化物，随蒸汽排入大气，恶化工作环境，威胁周边人群的生命安全。
随着环保与能源问题的日益突出，液态高炉渣的干法粒化及余热回收技术得到了广泛关注与积极研发，但尚未得到工业应用，其主要原因就是难于兼顾液态高炉渣的余热回收与渣粒的品质调控。由于水淬渣的急冷速度快，其玻璃体含量非常高，是生产水泥的优质材料，目前，绝大部分水淬渣都是用于生产矿渣水泥。所以，在回收液态高炉渣余热的同时，也要兼顾渣粒的品质，使余热回收后的液态高炉渣能够实现资源化利用。
由于液态高炉渣的玻璃转化温度在900～1100℃之间，所以在此温度范围内液态高炉渣的冷却速率要大于其临界冷却速率，保证炉渣具有较高的玻璃体含量。
技术实现要素：
(一)要解决的技术问题
本发明提供能够兼顾液态高炉渣的余热回收与渣粒品质的液态高炉渣的余热回收系统及方法。
(二)技术方案
本发明一方面提供一种液态高炉渣的余热回收系统，包括：主换热装置，主换热装置中具有工作腔，在工作腔的顶部连通有工作腔进料口和热风出口，底部连通有工作腔出料口；设于工作腔中的粒化器和驱动器，主换热装置的工作腔进料口对准粒化器的入口，驱动器与粒化器连接以驱动其旋转进行离心粒化；朝向工作腔中位于粒化器的下方区域喷气的喷气装置；设于工作腔中的过热器、蒸发器、预热器，过热器、蒸发器和预热器位于喷气装置的喷气区域的下方并由上至下依次排列；气液分离器，气液分离器具有入口、液体出口和气体出口，预热器具有供冷水进入的入口和供一级热水排出的出口，蒸发器具有供二级热水进入的入口和供气液混合物排出的出口，过热器具有供饱和蒸气进入的入口和供过热蒸气排出的出口，预热器的出口与气液分离器的入口连通，蒸发器的入口与气液分离器的液体出口连通，蒸发器的出口与气液分离器的入口连通，过热器的入口与气液分离器的气体出口连通。
根据本发明，还包括：换热器，换热器的热气进口与热风出口连通，换热器的热水出口与气液分离器的入口连通，以将换热器中的冷水与主换热装置排出的热风换热形成热水送入气液分离器，换热器的冷气出口与喷气装置连通，以将主换热装置排出的热风与换热器中的冷水换热形成的冷风送入喷气装置。
根据本发明，喷气装置包括冷气进气管、环形管和多个喷气管，环形管套设在主换热装置外，多个喷气管围绕环形管的中心线均匀布置；冷气进气管的入口与换热器的冷气出口连通，冷气进气管的出口与环形管连通，喷气管的入口与环形管连通，喷气管的出口伸入工作腔中以朝向工作腔中位于粒化器的下方区域喷气。
根据本发明，喷气管的出口朝向上方倾斜。
根据本发明，工作腔由上至下包括依次连通的粒化区、过渡区和换热区；粒化器位于粒化区中；过渡区的内壁由上至下向内倾斜；工作腔出料口与换热区连通，喷气装置朝向换热区喷气，过热器、蒸发器和预热器位于换热区中。
根据本发明，换热区的底部渐缩，工作腔出料口处设有控制其开度的工作腔出料口控制阀；主换热装置外壁包裹保温层；驱动器外侧固定有保护罩。
根据本发明，过热器、蒸发器和预热器均为管状，并且过热器、蒸发器和预热器为圆管、椭圆管、菱形管、三角形管和六边形管中的任一种。
根据本发明，气液分离器为汽包。
本发明另一方面提供一种利用上述任一项的余热回收系统对液态高炉渣进行余热回收的方法，包括：液态高炉渣经工作腔进料口注入粒化器中，由驱动器驱动旋转的粒化器中的液态高炉渣由于离心力的作用飞出粒化器并朝向工作腔的内壁运动，在此过程中液态高炉渣变为球形颗粒；球形颗粒碰到工作腔的内壁后向下运动与喷气装置的喷出的冷气换热，球形颗粒降温到800℃以下，其中，通过控制喷气装置的喷气速率来使球形颗粒的冷却速率大于液态高炉渣的临界冷却速率，冷气换热形成的热风从热风出口排出主换热装置；降温后的球形颗粒继续向下运动与过热器、蒸发器和预热器依次换热，冷却后的球形颗粒从工作腔出料口排出主换热装置，其中，预热器中的冷水与球形颗粒换热形成一级热水进入气液分离器，气液分离器中分离出的二级热水进入蒸发器，蒸发器中的二级热水与球形颗粒换热形成气液混合物进入气液分离器，气液分离器分离出的饱和蒸气进入过热器，过热器中的饱和空气与球形颗粒换热形成过热蒸气排出过热器。
(三)有益效果
本发明的余热回收系统以及利用上述余热回收系统进行余热回收的方法中，均能够将液态高炉渣粒化成球形颗粒，同时基于“温度对口，梯级利用”的理念，即采用喷气装置对高温的球形颗粒急冷，随后球形颗粒依次与设置的三组换热设备(过热器、蒸发器和预热器)换热，并结合球形颗粒增大了换热面积，既保证了获得高玻璃体含量的球形颗粒，又使得液态高炉渣的潜热及高温显热得到了全面回收利用，明显降低了企业的运营成本，增强了企业竞争力。
附图说明
图1为具体实施方式所提供的液态高炉渣的余热回收系统的结构示意图；
图2是图1中的喷气装置的俯视示意图；
图3是图2中的喷气装置的主视示意图；
图4至图8是图1中a-a截面的五种结构的局部截面图，示出了呈叉排排列的且分别呈圆形管、椭圆形管、六边形管、菱形管、三角形管的预热器、过热器、蒸发器。
【附图标记说明】
1：工作腔进料口；2：主换热装置；3：喷气管；4：环形管；5：蒸发器；6：过热器；7：预热器；8：工作腔出料口控制阀；9：泵；10：泵；11：气液分离器；12：换热区；13：过渡区；14：粒化区；15：驱动器；16：粒化器；17：热风出口；18：冷气进气管；19：循环风机；20：换热器；21：换热管；22：泵。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。本文所提及的“顶”、“底”、“下方”等方位名词以图1的定向为参照。本文中所提及的“冷”、“热”均为换热前后的相对概念。
参照图1，本实施例中提供一种液态高炉渣的余热回收系统，该余热回收系统主换热装置2、粒化器16、驱动器15、过热器5、蒸发器6、预热器7、气液分离器11、换热器20和喷气装置。
主换热装置2中具有工作腔，在工作腔的顶部连通有工作腔进料口1和热风出口17，底部连通有工作腔出料口。工作腔进料口1用于接收液态高炉渣，在本实施例中，可通过一注料管连通工作腔的顶部，该注料管的下部视为工作腔进料口1。
粒化器16和驱动器15设于工作腔中，粒化器16的顶面为一平面或顶面具有凹腔，粒化器16的底部与驱动器12连接。由此，粒化器16的上述平面的中间区域的上方或凹腔的敞口的中间部分为粒化器16的入口，平面边缘的外侧或凹腔的敞口的靠近外侧的环形区域(也即凹腔的敞口的边缘区域)为粒化物出口。主换热装置2的工作腔进料口1对准粒化器16的入口。驱动器15驱动粒化器16旋转以进行离心粒化，具体而言粒化器16中的液态高炉渣由于离心力的作用破碎成球形液滴飞出粒化器16并朝向工作腔的内壁运动(优选液态高炉渣的运动轨迹为水平朝向工作腔的内壁)。液态高炉渣在飞行的过程中其表面张力使其保持球形，并且在飞行过程中与工作腔内部气体(即从下面所述的喷气装置喷出的气体)换热使外壳逐渐坚硬凝固形成带液芯的球形颗粒。在图1中以圆形颗粒表示球形颗粒。
喷气装置朝向工作腔中位于粒化器16的下方区域喷气，也就是在粒化器16下方形成喷气区域，在粒化器16下方形成鼓泡床或者流化床。由此撞击工作腔内壁后的球形颗粒在重力的作用下下落，球形颗粒在下落过程中与喷气装置送入的冷气快速换热，即通过控制喷气装置的喷气速率(基本为高速喷气)来使球形颗粒的冷却速率大于液态高炉渣的临界冷却速率来实现快速换热，进而使得球形颗粒的温度快速降温至800℃以下，此时球形颗粒具有较高的玻璃体含量，具有较好的渣粒品质，在此过程中球形颗粒中的液芯也凝固为固体。而喷气装置喷出的冷气逐渐吸热形成热风向上运动，从热风出口17排出主换热装置2。
过热器5、蒸发器6、预热器7设于主换热装置2的工作腔中，并且过热器5、蒸发器6和预热器7位于喷气装置的喷气区域的下方且由上至下依次排列，由此球形颗粒下落至喷气区域下方后继续下落，并在此继续下落的过程中依次与过热器5、蒸发器6和预热器7换热，即依次与过热器5、蒸发器6和预热器7中的介质换热。预热器7具有供冷水进入的入口和供一级热水排出的出口，蒸发器6具有供二级热水进入的入口和供气液混合物排出的出口，过热器5具有供饱和蒸气进入的入口和供过热蒸气排出的出口。
气液分离器11用于实现气液分离。气液分离器11具有入口、液体出口和气体出口。
其中，预热器7的入口连通补给冷水管路，在该管路上设置泵9。预热器7的出口与气液分离器11的入口连通，预热器7中的补给的冷水经过预热器7时被预热器7从球形颗粒吸收的热量加热成一级热水，一级热水进入气液分离器11。预热器7的设置是为了降低主换热装置2排出的球形颗粒的温度，尽可能多的回收炉渣余热。
其中，蒸发器6的入口与气液分离器11的液体出口通过管路连通，该管路上设有泵10。蒸发器6的出口与气液分离器11的入口连通。气液分离器11中的二级热水(比一级热水的温度高)经过蒸发器6时被蒸发器6从球形颗粒吸收的热量加热，部分热水蒸发形成蒸汽，二级热水经蒸发器6形成气液混合物进入气液分离器11，气液混合物中的液体混入气液分离器11中原本的液体中形成二级热水。
其中，过热器5的入口与气液分离器11的气体出口连通。气液分离器11中分离出的饱和蒸气进入过热器5并经过过热器5时被过热器5从球形颗粒吸收的热量加热成过热蒸气，该过热蒸气排出过热器5可作为能源使用，例如用于发电或并入蒸汽管网等。
在本实施例中，经过与过热器5、蒸发器6、预热器7换热的冷却的球形颗粒从工作腔出料口排出主换热装置2进行收集，打包运往水泥生产厂，此时球形颗粒的温度在50℃以下。
由此，本实施例的余热回收系统能够将液态高炉渣粒化成球形颗粒，同时基于“温度对口，梯级利用”的理念，即采用喷气装置对高温的球形颗粒急冷，随后球形颗粒依次与设置的三组换热设备换热(即中温颗粒与过热器和蒸发器内的水直接换热生产蒸汽，低温颗粒与补给进入余热器的水换热的方式)，并结合球形颗粒增大了换热面积，既保证了获得高玻璃体含量的球形颗粒，又使得液态高炉渣的潜热及高温显热得到了全面回收利用，明显降低了企业的运营成本，增强了企业竞争力。另外，该系统采用高温球形颗粒与设于工作腔内的蒸发器6内的水直接换热生产蒸汽的方式，避免了采用生产热空气进入余热锅炉生产蒸汽这种方式的动力消耗与能量损耗，能够更高效地回收液态高炉渣的余热，大幅降低能耗，提升企业竞争力。
进一步，在本实施例中，换热器20的冷水入口连接用于补给冷水的管路，该管路上设有泵22。换热器20的热气进口与主换热装置2的热风出口17通过热风管道连通，换热器20的热水出口与气液分离器11的入口连通，以将换热器20中的冷水与主换热装置2排出的热风换热形成的热水送入气液分离器11作为补给水。而换热器20的冷气出口与喷气装置连通，以将冷水与主换热装置2排出的热风换热形成的冷风送入喷气装置循环使用。如此设置，不仅对球形颗粒进行了急冷，换热器20也进行了热量回收，喷气装置、过热器5、蒸发器6、预热器7和换热器20的配合，实现了不同能级的余热全回收。优选地，换热器20为余热锅炉，在换热器20中设有换热管21，冷水进入换热管21并随着流动变为热水。
结合图2和图3，在本实施例中，喷气装置包括冷气进气管18、环形管4和多个喷气管3，环形管4套设在主换热装置2外，多个喷气管3围绕环形管4的中心线均匀布置。冷气进气管18的入口与换热器20的冷气出口连通，冷气进气管18的出口与环形管4连通，喷气管3的入口与环形管4连通，喷气管3的出口伸入工作腔中以朝向工作腔中位于粒化器16的下方区域喷气，优选的，喷气管3的出口朝向上方倾斜。
由此，换热器20的冷气经冷气进气管18、环形管4、喷气管3进入工作腔。在冷气进气管18上设有循环风机19用于进行冷气循环，如此对冷气的循环使用可以节约能源，减少成本。
在本实施例中，过热器5、蒸发器6和预热器7均为管状，排列方式可以分为顺排排列和叉排排列(图4至图8中均为叉排排列)。参照图4至图8，管状过热器5、蒸发器6和预热器7可为圆管(图4)、椭圆管(图5)、六边形管(图6)、菱形管(图7)和三角形管(图8)中的任一种。并且从图4至图8中可以看出，无论是管状的过热器5的管截面形状为何种，在工作腔的内壁上规律地固定有实心的柱体(该柱体在图中以斜线标注出，该柱体的截面形状为半个过热器5的管截面形状)，来保证排列方式的规律性，进而保证颗粒在所有位置的流动形态基本一致，消除了颗粒流动的附壁效应。
进一步，在本实施例中，气液分离器11为汽包。
进一步，参照图1，在本实施例中，工作腔由上至下包括依次连通的粒化区14、过渡区13和换热区12。粒化区14为圆柱形，粒化器16位于粒化区14中，热风出口17与粒化区14连通。过渡区13的内壁由上至下向内倾斜呈圆锥形，喷气装置朝向换热区12喷气，即喷气管3的出口与换热区12连通。工作腔出料口与换热区12连通，并且过热器5、蒸发器6和预热器7位于换热区12中，换热区12的底部渐缩呈圆锥形，工作腔出料口处设置控制其开度的工作腔出料口控制阀8。
主换热装置2外部包裹保温材料形成保温层(参照图中示出的主换热装置保温层)，以减少高温颗粒的散热损失。
粒化器16由不锈钢加工而成，底部直接与驱动器15连接，在驱动器15的外侧固定有保护罩。本实施例中粒化器16优选为杯型，粒化器16的最大外径为50-400mm。粒化器16的转速为100rpm～2000rpm，获得的球形颗粒直径大于0且小于等于5mm。
进一步，上述各控制阀均为电动的。
综上，利用上述余热回收系统对液态高炉渣进行余热回收的方法包括如下步骤：
s1、液态高炉渣经工作腔进料口1注入粒化器16中(优选此时粒化器16已经由驱动器15驱动旋转)；
s2、由驱动器15驱动旋转的粒化器16中的液态高炉渣由于离心力的作用飞出粒化器16并朝向工作腔的内壁运动，在此过程中液态高炉渣变为球形颗粒；
s3、球形颗粒碰到工作腔的内壁后向下运动与喷气装置的喷出的冷气换热，球形颗粒降温到800℃以下，其中，通过控制喷气装置的喷气速率(基本为高速喷气)来使球形颗粒的冷却速率大于液态高炉渣的临界冷却速率，冷气换热形成的热风从热风出口17排出主换热装置至换热器20；
s4、降温后的球形颗粒继续向下运动与过热器5、蒸发器6和预热器7依次换热，冷却后的球形颗粒从工作腔出料口排出主换热装置2。其中，预热器7中的冷水与球形颗粒换热形成一级热水进入气液分离器11，气液分离器11中分离出的二级热水进入蒸发器6，蒸发器6中的二级热水与球形颗粒换热形成气液混合物进入气液分离器11，气液分离器11分离出的饱和蒸气进入过热器5，过热器5中的饱和空气与球形颗粒换热形成过热蒸气排出过热器5。其中，热风在换热器20与冷水换热形成冷气送入喷气装置循环利用，换热器20中补给的冷水吸热形成热水送入气液分离器11。
由此，利用上述余热回收系统进行余热回收的方法能够将液态高炉渣粒化成球形颗粒，由此，本实施例的余热回收系统能够将液态高炉渣粒化成球形颗粒，同时基于“温度对口，梯级利用”的理念，即采用喷气装置对高温的球形颗粒急冷，随后球形颗粒依次与设置的三组换热设备换热(即中温颗粒与过热器和蒸发器内的水直接换热生产蒸汽，低温颗粒与补给进入余热器的水换热的方式)，并结合球形颗粒增大了换热面积，既保证了获得高玻璃体含量的球形颗粒，又使得液态高炉渣的潜热及高温显热得到了全面回收利用，明显降低了企业的运营成本，增强了企业竞争力。此外，冷却后的球形颗粒不会存在对铁质收集器构成污染的问题，可进行无污染处理，例如，球形颗粒可流入包装袋进行打包、外运。
需要理解的是，以上对本发明的具体实施例进行的描述只是为了说明本发明的技术路线和特点，其目的在于让本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，但本发明并不限于上述特定实施方式。凡是在本发明权利要求的范围内做出的各种变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。