一种高温渣余热利用方法和系统与流程

本发明涉及一种高温渣余热利用方法和系统，属于化工余热回收利用技术领域。

背景技术：

火力发电厂锅炉、炼铁高炉、硅热法还原金属镁、铝热法还原金属钙等冶金、能源行业排放的高温渣、还原渣等，最高温度可达1600℃，携带了大量的显热，如果不对该余热进行回收利用或回收利用不当，会造成能源的极度浪费。以硅热法还原金属镁为例，每生产1吨金属镁，大约产生5.5吨还原镁渣，还原镁渣离开还原罐时温度约1200℃左右。江西理工大学陈金清教授等计算，再1200~25℃这个温度区间，还原镁渣的比热容为871j/kg*℃左右，即，每生产1吨金属镁所产生的还原镁渣，从1200℃冷却到25℃，所释放的显热相当于燃烧约192.5kg标煤所释放的热量。我国目前硅热法炼镁年产按90万吨计算，还原镁渣余热利用回收率按60%计算，回收利用的余热相当于约10.5万吨标煤燃烧释放的热量，同时减少了二氧化碳、二氧化硫、粉尘等有害物质的排放，既有着巨大的经济价值，又有着很大的社会和环保价值。

目前行业内对于还原镁渣的处理，一种是通过冷渣机，利用冷却水对热的还原镁渣进行喷淋冷却，同时产生少量的热水与水蒸气。其缺点在于，冷渣机属于半开放运动式系统，难以实现系统的密封，热水分离、水蒸气的收集难以实现，且可利用价值不高。另一种是通过余热锅炉，缺点是该设备为静态传热，传热效率低、处理能力有限。第三种是列管式换热器，利用重力使还原镁渣自上而下的下落，在下落过程中通过列管式换热器，加热换热器中的工质水，缺点是由于还原镁渣的导热性较差，当列管间距较大时，导热程大、热利用率低，而当列管间距较小时，渣的流动性差，容易“噎住”，另外高温还原渣有一定的粘结性，长时间运行后，容易出现渍管但难以清理。

对于火力发电厂高温渣，目前常见的处理方式，一种是通过循环冷却水冷却渣，循环水将渣余热带入冷却塔排入大气，虽然解决了渣快速冷却的问题，但是，渣热量没能有效利用，影响锅炉热效率，而且循环水的争锋也造成水资源在一定程度上的浪费，同时对环境也造成热污染。第二种是采用流化床冷渣器，通过流化介质（空气或低温烟气）对高温渣进行冷却后，低温渣排入除渣系统，受热的流化介质携带少量细颗粒由回风管送回炉膛。

高炉熔渣在高温时为液态，在释放显热过程中，逐渐冷却，会发生相变、凝固，如果直接通过换热器进行热量回收，会凝固、粘接到换热器上，所以先往往通过提前造粒以得到固态颗粒或薄片，在进行余热回收。冶铁高炉熔渣显热回收的典型工艺有，中国科学院过程工程研究院徐永通等在《高炉熔渣干式显热回收技术研究进展》一文介绍了：冷却转鼓法熔渣薄片状固化工艺、连铸连轧法熔渣平板状固化工艺、机械搅拌法熔渣造粒工艺、旋转滚筒法熔渣粒化工艺、merotec熔渣粒化工艺、风碎法高炉熔渣显热回收工艺、旋转杯粒化熔渣显热回收技术等几种典型的高炉熔渣显热回收工艺，均有着各自的不足。例如余热回收系统复杂、工艺复杂控制困难等。利用高温熔渣造粒过程，回使一部分从液态到固态的显热与相变热散失。

技术实现要素：

本发明克服上述现有技术的不足，提供了一种高温渣余热利用方法和系统，本方法和系统余热利用率高、设备结构简单可靠、工艺控制简单方便，并且弥补了某些高温渣，例如金属镁还原渣、金属钙还原渣，导热性差导致余热利用困难的不足。

本发明采用以下技术方案实现：

一种高温渣余热利用方法，使用工质萃取高温渣携带的显热，并进萃取到的余热输送至用热单位进行利用，包括以下步骤：

1）从高温渣仓出来的高温渣在喂渣口用冷却水套初冷却；

2）经过初冷却的高温渣进入萃热仓，与萃热仓内的工质或萃热媒介混合，高温渣与工质或萃热媒介发生热交换，工质或萃热媒介吸收的热量输送至用热单位进行利用，高温渣降温成为低温渣，所述工质或萃热媒介循环使用；

3）热交换后的低温渣与工质进行两级或多级沉淀分离，低温渣排出，工质进入工质储槽，再泵入萃热仓进行下次萃热使用；

4）所述工质进入萃热仓之前先进行预热，所述预热通过步骤3）热交换后的第一级和第二级分离产生的工质实现。

所述高温渣不溶或微溶于工质或萃热媒介，并且工质或萃热媒介与渣的接触不影响渣的后续使用，易于实现萃热媒介或工质与渣的分离。

所述工质萃取高温渣携带的显热的方法为直接萃取法或间接萃取法。

所述直接萃取法为工质直接与高温渣接触，萃取高温渣中的热量至温度平衡，实现对高温渣的余热回收，工艺路线包含但不限于以下进行的工序：工质与高温渣混合萃热、工质与渣分离、工质循环、渣排出、工质预热。

所述间接萃取法为通过工质与高温渣接触，萃取高温渣所携带显热，再利用高温工质对萃热媒介进行预加热，实现高温渣的余热回收；工艺路线包含但不限于以下依次进行的工序：

工质与高温渣的混合萃热、受热工质与媒介的热交换、萃热媒介循环、萃热媒介与工质的分离、渣排出、工质预热、萃热媒介预热。

所述萃热媒介为水。

一种高温渣余热利用系统，包括高温渣仓、萃热仓、沉淀池、工质储存池；所述高温渣仓底部设置喂渣口，所述喂渣口连接萃热仓的进渣口，所述萃热仓上部设置高压工质进口，所述高压工质进口连接工质储存池，所述萃热仓底部设置排渣口，所述排渣口连接沉淀池，所述沉淀池连接工质储存池；所述排渣口设置有排渣器；

所述高温渣仓通过耐火材料砌筑而成，所述喂渣口内设置喂渣器，所述喂渣口外壁设置有冷却水套，冷却水套内设置循环冷却水；

所述萃热仓内设置有高温渣余热的萃热媒介或工质，所述回收余热后的萃热媒介或工质通往用热单位；

所述沉淀池为一级或多级沉淀池，所述沉淀池底部设置有冷渣出口，顶部设置溢流口，所述溢流口连接工质储存池；

所述工质储存池上部设置通过工质输出管道和高压泵连接所述萃热仓的高压工质进口，所述工质储存池还设置有工质补充管道。

优选的，所述萃热仓包括顶部进渣口、位于进渣口下部的主换热器、高压工质进口、位于下部的萃热区域和底部排渣口，所述主换热器包括循环水进口和循环水出口，所述循环水进口连接冷却水出口，所述循环水出口连接用热单位，所述萃热仓上部设置一到多个高压工质进口，所述高压工质进口设置于主换热器上部；所述冷却水套下部设置冷却水进口，上部设置冷却水出口，所述冷却水进口通过高压水泵连接储水箱；所述用热单位的热水进口连接循环水出口，冷水出口连接储水箱，所述储水箱还设置有补水管。

优选的，所述萃热仓包括顶部进渣口、位于上部的蒸气区域、蒸汽出口、挡渣板和位于下部的萃热区域，所述萃热仓顶部设置进渣口，所述进渣口设置有进渣管，所述萃热仓上部设置蒸汽出口，萃热仓上部的蒸汽区域内设置挡渣板，所述挡渣板位于进渣管出口与蒸汽出口之间，所述萃热仓上部设置一到多个高压工质进口，所述高压工质进口设置于进渣管出口上部，所述高压工质进口设置有高压喷头，所述萃热仓底部的排渣口设置有排渣器；所述用热单位的热进口连接蒸汽出口，冷出口连接工质储存池。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明采用萃热法进行高温渣余热利用，所述萃热法是指使用工质萃取高温渣携带的显热，并进萃取到的余热输送至用热单位进行利用的方法，所述萃热是指使用工质或其他媒介对高温渣的热量萃取出来的操作。本发明通过工质或萃热媒介与高温渣的直接接触萃取其中所携带的显热，一者解决了由于渣导热性差而引起的预热回收效率低的问题；再者解决了高温熔渣造粒导致相变热浪费、不造粒无法有效回收热量的问题。提高了高温渣所携带显热的回收利用效率。

附图说明

图1为直接萃热法工艺路线图。

图2为直接萃热法余热回收利用系统结构示意图。

图3为间接萃热法工艺路线图。

图4为间接萃热法余热回收利用系统结构示意图。

图中，高温渣仓1、喂渣口2、萃热仓3、一级沉淀池4、工质储存池5、喂渣器6、进渣口7、蒸汽出口8、高压工质进口9、排渣口10、用热单位11、冷工质出口12、工质储存池13、排渣器14、二级沉淀池15、蒸气区域16、挡渣板17、萃热区域18、进渣管19、冷渣出口22、工质输出管道23、高压泵24、工质补充管道25、过滤装置26、测温装置27、换热器28、冷却水套29、冷却水进口291、冷却水出口292、压力传感器31、泄压安全阀32、高压水泵40、储水箱41、主换热器42、循环水进口421、循环水出口422、补水管44、工质50、渣52。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明做进一步说明：

所谓萃热法，即通过萃热媒介或工质直接与高温渣接触，萃取高温渣所携带的显热后，萃热媒介或工质与冷却后的渣分离，通过受热的萃热介质加热工质或直接受热的工质进入用热单位。

1.本发明一种高温渣余热利用方法，使用工质萃取高温渣携带的显热，并进萃取到的余热输送至用热单位进行利用，包括以下步骤：

1）从高温渣仓出来的高温渣在喂渣口用冷却水套初冷却；

2）经过初冷却的高温渣进入萃热仓，与萃热仓内的工质或萃热媒介混合，高温渣与工质或萃热媒介发生热交换，工质或萃热媒介吸收的热量输送至用热单位进行利用，高温渣降温成为低温渣，所述工质或萃热媒介循环使用；

3）热交换后的低温渣与工质进行两级或多级沉淀分离，低温渣排出，工质进入工质储槽，再泵入萃热仓进行下次萃热使用；

4）所述工质进入萃热仓之前先进行预热，所述预热通过步骤3）热交换后的第一级和第二级分离产生的工质实现。

所述高温渣不溶或微溶于工质或萃热媒介，并且工质或萃热媒介与渣的接触不影响渣的后续使用，易于实现萃热媒介或工质与渣的分离。

所述工质萃取高温渣携带的显热的方法为直接萃取法或间接萃取法。

所述直接萃取法为工质直接与高温渣接触，萃取高温渣中的热量至温度平衡，二者的分离后，受热的工质通过工质循环系统进入用热单位供热。实现对高温渣的余热回收，工艺路线包含但不限于以下工序：工质与高温渣混合萃热、工质与渣分离、工质循环、渣排出、工质预热。

所述间接萃取法为通过工质与高温渣接触，萃取高温渣所携带显热，再利用高温工质对萃热媒介进行预加热，受热的萃热媒介通过工质循环系统进入用热单位供热。实现高温渣的余热回收；工艺路线包含但不限于以下依次工序：

工质与高温渣的混合萃热、受热工质与媒介的热交换、萃热媒介循环、萃热媒介与工质的分离、渣排出、工质预热、萃热媒介预热。

所述萃热媒介为水。

2.一种高温渣余热利用系统，包括高温渣仓、萃热仓、沉淀池、工质储存池；所述高温渣仓底部设置喂渣口，所述喂渣口连接萃热仓的进渣口，所述萃热仓上部设置高压工质进口，所述高压工质进口连接工质储存池，所述萃热仓底部设置排渣口，所述排渣口连接沉淀池，所述沉淀池连接工质储存池；所述排渣口设置有排渣器；

所述高温渣仓通过耐火材料砌筑而成，所述喂渣口内设置喂渣器，所述喂渣口外壁设置有冷却水套，冷却水套内设置循环冷却水；

所述萃热仓内设置有高温渣余热的萃热媒介或工质，所述回收余热后的萃热媒介或工质通往用热单位；

所述沉淀池为一级或多级沉淀池，所述沉淀池底部设置有冷渣出口，顶部设置溢流口，所述溢流口连接工质储存池；

所述工质储存池上部设置通过工质输出管道和高压泵连接所述萃热仓的高压工质进口，所述工质储存池还设置有工质补充管道。

3.间接萃热的高温渣余热回收利用系统中，

一种高温渣余热利用系统，包括高温渣仓1、萃热仓3、沉淀池、工质储存池5；

所述高温渣仓底部设置喂渣口2，所述喂渣口2连接萃热仓的进渣口7，所述萃热仓3上部设置高压工质进口9，所述高压工质进口9连接工质储存池5，所述萃热仓3底部设置排渣口10，所述排渣口10连接沉淀池，所述沉淀池连接工质储存池5；

所述高温渣仓1通过耐火材料砌筑而成，所述喂渣口2内设置喂渣器6，所述喂渣口2外壁设置有冷却水套29，冷却水套内设置循环冷却水，所述冷却水套29下部设置冷却水进口291，上部设置冷却水出口292，所述冷却水进口291通过高压水泵40连接储水箱41；

所述萃热仓3包括顶部进渣口7、位于进渣口7下部的主换热器42、高压工质进口9、位于下部的萃热区域18和底部排渣口10，所述主换热器42包括循环水进口421和循环水出口422，所述循环水进口421连接冷却水出口292，所述循环水出口422连接用热单位11，所述萃热仓3上部设置一到多个高压工质进口9，所述高压工质进口9设置于主换热器42上部；所述排渣口10设置有排渣器14；排渣器与萃热仓下部出渣口连接，用于排渣的同时，又可以实现萃热仓的密封保压。

所述工质储存池5上部设置通过工质输出管道23和高压泵24连接所述萃热仓3的高压工质进口9，所述工质储存池5还设置有工质补充管道25；

工质储存池作用在于：1）补充工质的储存，2）回流工质的储存，3）经过沉淀池分离的澄清工质回收储存，4）通过高压泵及泵送管道向萃热仓提供冷态工质。

所述工质输出管道23上还设置有过滤装置26，防止工质储存池13内的少量杂质进入高压泵，造成堵塞或损坏，从而影响生产的顺利进行。

所述用热单位11为蒸汽轮机、采暖暖气片。

所述用热单位11的热水进口连接循环水出口422，冷水出口连接储水箱41，所述储水箱还设置有补水管44。

所述萃热仓3顶部还设置有压力传感器31和泄压安全阀32。

所述沉淀池为一级或多级沉淀池，所述沉淀池底部设置有冷渣出口，顶部设置溢流口，所述溢流口连接工质储存池；

3.1所述沉淀池为串联的多级沉淀池时，作用在于使从萃热仓排出的渣与工质的混合物进行沉淀分离。所述沉淀池底部设置有冷渣出口22；一级沉淀池4连接萃热仓排渣口10，所述一级沉淀池4顶部设置溢流口，所述溢流口连接二级沉淀池15，所述二级沉淀池顶部设置溢流口连接下一级沉淀池，最后一级沉淀池溢流口连接工质储存池13；

所述一级沉淀池内还设置有换热器18，所述换热器28连接冷却水进口291的管道，并对冷却水进行预热处理。

高温渣经过运输储存于高温渣仓，通过喂渣器进入萃热仓，并降落到仓内工质50液面以下，向工质50释放热量使其温度升高。放热后的还原渣下沉到萃热仓下方出渣口位置，实现渣与工质的一次分离，通过出渣器进入下方一级沉淀池，进行渣52和工质50的二次分离；一次沉淀分离的工质从一级沉淀池上方溢流口进入二级沉淀池进行渣与工质的三次分离……直至澄清工质池，通过工质输出管道23和高压泵24流回萃热仓继续参与萃热。

储水箱内的媒介水通过高压水泵，经过预热换热器、水套等预热后，进入萃热仓内的主换热器，经萃热后的工质加热，成为达到工作状态的热水或水蒸气，通过循环管道进入用热单位供热。供热后冷却或冷凝得到的萃热媒介水，经过管道回流到储水箱。

3.2所述沉淀池为一级沉淀池时，

所述沉淀池为一级沉淀池，所述一级沉淀池4连接萃热仓排渣口10，所述一级沉淀池4底部设置有冷渣出口22，顶部设置溢流口，所述溢流口连接工质储存池13；

所述沉淀池内还设置有换热器18，所述换热器28连接冷却水进口291的管道，并对冷却水进行预热处理。

4.直接萃热的高温渣余热回收利用系统中，

一种高温渣余热利用系统，包括高温渣仓1、萃热仓3、沉淀池、工质储存池5；

所述高温渣仓底部设置喂渣口2，所述喂渣口2连接萃热仓的进渣口7，所述萃热仓3上部设置高压工质进口9，所述高压工质进口9连接工质储存池5，所述萃热仓3底部设置排渣口10，所述排渣口10连接沉淀池，所述沉淀池连接工质储存池5；

所述高温渣仓1通过耐火材料砌筑而成，既不因仓内渣的高温而失效，又可以防止仓内高温渣所携带显热的流失。其作用在于，储存从渣源运输来的高温渣，保障整个系统工作的可持续性。

所述喂渣口2内设置喂渣器6，所述喂渣口2外壁设置有冷却水套29，冷却水套内设置循环冷却水；喂渣器与萃热仓上部进渣口连接，用于保障渣仓内高温渣持续、均匀地进入萃热仓，同时，又可以实现萃热仓的密封，防止萃热仓内生成蒸气的泄露。

所述萃热仓3包括顶部进渣口7、位于上部的蒸气区域16、蒸汽出口8、挡渣板17和位于下部的萃热区域18等工作区域及部件，是工质与高温渣进行萃热反应及产生蒸汽的地方。所述进渣口7设置有进渣管19，所述萃热仓3上部设置蒸汽出口8，萃热仓上部的蒸汽区域内设置挡渣板17，所述挡渣板17位于进渣管19的出口与蒸汽出口之间，挡渣板对进渣口扬尘产生的飞渣起到阻挡作用，从而净化蒸汽，防止蒸汽带渣。所述萃热仓上部设置一到多个高压工质进口，所述高压工质进口设置于进渣管19的出口上部，所述高压工质进口9设置有高压喷头，所述萃热仓3底部的排渣口10设置有排渣器14；排渣器与萃热仓下部出渣口连接，用于排渣的同时，又可以实现萃热仓的密封保压。

所述用热单位11为蒸汽轮机、采暖暖气片。所述用热单位11的热进口连接蒸汽出口，冷出口连接工质储存池13。

所述工质储存池13上部设置通过工质输出管道23和高压泵24连接所述萃热仓3的高压工质进口20，所述工质储存池13还设置有工质补充管道25。

所述喂渣口和进渣口外壁还设置有冷却水套29，冷却水套内设置循环冷却水。

所述挡渣板17为单层或多层筛网结构，采用多层结构时，各层间采用错位孔结构。

所述萃热仓3顶部还设置有压力传感器31和泄压安全阀32。

所述沉淀池为一级或多级沉淀池，所述沉淀池底部设置有冷渣出口，顶部设置溢流口，所述溢流口连接工质储存池13；

4.1所述沉淀池为串联的多级沉淀池时，

所述沉淀池底部设置有冷渣出口22；一级沉淀池4连接萃热仓排渣口10，所述一级沉淀池4顶部设置溢流口，所述溢流口连接二级沉淀池15，所述二级沉淀池顶部设置溢流口连接下一级沉淀池，最后一级沉淀池溢流口连接工质储存池13；

所述一级沉淀池和工质储存池内还设置测温装置27。

所述一级沉淀池内还设置有换热器28，所述换热器连接工质输出管道，并对工质进行预热处理，以进一步提高高温渣显热利用效率。

高温渣的工艺路线：高温还原渣经过运输后储存于高温渣仓，通过渣仓下方的喂渣器送入萃热仓并降落到仓内液面以下，与仓内工质进行热交换，使工质受热并气化形成工质蒸气。放热后的渣受重力作用在工质内沉降到萃热仓下方出渣口位置，实现渣与工质的一次分离，通过出渣器进入下方一级沉淀池，进行渣和工质的二次分离。一次沉淀分离的工质从一级沉淀池上方溢流口进入二级沉淀池进行渣与工质的三次分离……直至澄清工质储存池。

工质的工艺路线：澄清工质储存池同时收集蒸汽冷凝后回流工质、沉淀回收工质以及用于补充系统损耗的工质。澄清工质储存池中的工质通过高压泵泵送进入萃热仓，通过喷淋系统补充萃热仓内因为气化和排渣消耗的工质，同时对进渣口的扬尘进行喷淋降尘；受热气化的工质蒸气通过蒸汽出口及供气管道进入用热单位，放热冷凝后通过回流管道回流进入澄清工质储存池。

4.2所述沉淀池为一级沉淀池时，

所述一级沉淀池连接萃热仓排渣口10，所述一级沉淀池底部设置有冷渣出口22，顶部设置溢流口，所述溢流口连接工质储存池13；

所述一级沉淀池和工质储存池内还设置测温装置27。

所述一级沉淀池内还设置有换热器28，所述换热器连接工质输出管道，并对工质进行预热处理，以进一步提高高温渣显热利用效率。

本系统适用但不限于热还原法制备镁、钙、钠、铁以及其他工业生产过程中粉状或微粒状的炉渣、还原渣等高温废渣所携带的显热的回收，既能提高能源利用效率，又可以减少热污染，间接减少二氧化碳、二氧化硫等废气的排放，具有良好的社会与经济价值和环境价值。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。