CN103014202B

CN103014202B - 回收液态高炉渣高温显热的装置及方法

Info

Publication number: CN103014202B
Application number: CN201210561078.1A
Authority: CN
Inventors: 王连勇; 李小玲; 蔡九菊
Original assignee: Northeastern University China
Current assignee: Northeastern University China
Priority date: 2012-12-21
Filing date: 2012-12-21
Publication date: 2015-04-29
Anticipated expiration: 2032-12-21
Also published as: CN103014202A

Abstract

本发明涉及钢铁工业余热余能回收技术领域，特别涉及一种回收液态高炉渣高温显热的装置及方法；利用液态高炉渣的高温显热进行CH₄-H₂O-CO₂重整反应生产甲醇，冷却后的高炉渣用于生产水泥。本发明通过干式粒化、显热回收和能量转换三个过程，高效、经济、环保、节能地利用了液态高炉渣的高温余热资源，而且处理后的高炉渣可满足制造水泥的要求，生产的甲醇属于应用广泛的高附加值产品，符合未来“甲醇经济”发展需要。

Description

回收液态高炉渣高温显热的装置及方法

技术领域

本发明属于钢铁工业余热余能回收技术领域，特别涉及一种回收液态高炉渣高温显热的装置及其方法。

背景技术

钢铁工业为国民经济的发展提供重要的基础原材料，属于能源、资源消耗大的资源密集型产业。随着钢铁产量的高速增长，资源、能源和污染物排放已成为制约我国钢铁工业进一步发展的限制性因素。虽然钢铁工业是国民经济领域内的耗能和排污大户，但同时也是极具节能减排潜力的产业之一。其中，回收利用各种余热是钢铁工业进一步节能的重要突破口。高炉渣是高炉炼铁产生的固体废弃物，但同时液态高炉渣温度在1500℃左右，有取材易，显热高等特点，是非常优质的余热资源。2011年中国生铁产量约为6.3亿吨，产生高炉渣约1.9亿吨，按照平均比热1.05kJ/(kg·℃)计算，高炉渣从1500℃冷却到环境温度，带走的显热约2.94×10⁸GJ，折合标准煤约1000万吨。可见，回收高炉渣的显热对钢铁工业节能减排，提高能源利用效率至关重要。

目前，我国高炉渣处理全部采用水淬法，包括拉萨法（RASA）、INBA法、轮法、明特法、沉淀池等多种方法，这些方法的共同特点是采用了不同的工艺装置把热渣水淬粒化，用不同的装置使渣水分离后将渣输出，即主要靠水带走渣热，其热能利用率极低。同时，水耗很高，冲制1吨水渣消耗新水0.8~1.2吨，循环水量约为10吨左右。所谓的热能利用就是将在高炉渣水淬冷却过程中产生的热水用于冬季取暖，由于受到供热区域、流量等条件的限制，现渣热能利用率不足15%。而且春、夏、秋三个季节不能使用，大量热通过风冷或外排水排掉，即污染环境又浪费能源。另外，水淬渣过程中产生的H₂S和SO₂随蒸汽排入大气，污染环境。

目前，国内外高炉渣余热回收方法主要有物理法和化学法。物理法是利用换热介质（多用压缩空气）或换热盘管直接与高炉渣进行热交换，产生热空气或水蒸气。主要包括干法处理的风淬法、滚筒转鼓法和离心粒化法。这些方法目前均未得到推广应用，主要是因为：（1）高炉渣排出时温度高，其蕴含热量巨大，而空气的比热较低，以空气为换热介质回收高炉渣显热势必会造成风渣比较大，动力消耗大；（2）干法粒化余热回收得到的冶金渣颗粒较小，颗粒在固定床、流化床中孔隙率较低，导致鼓风阻力增加，从而增加了余热回收系统的动力消耗；（3）高温空气带动余热锅炉生产蒸汽导致能量的二次损失，同时还存在电力消耗。化学法是将高炉渣的热量作为化学反应的热源回收利用。主要有制氢、制煤气、利用熔渣直接生产产品等。上述利用化学反应回收高炉渣显热的方案基本都处于理论探索和实验室研究阶段，离实际应用还有一定距离。

发明内容

发明目的

针对液态高炉渣水淬法存在水耗大、热量不能有效回收利用和干式回收风渣比大、动力消耗较高、热能品质降低等问题，本发明提供了一种回收液态高炉渣高温显热的装置及方法，目的是高效、经济、环保、节能地利用液态高炉渣的高温余热资源，而且处理后的高炉渣可满足制造水泥的要求。

技术方案

一种回收液态高炉渣高温显热的装置，其特征在于：包括粒化反应器，在粒化反应器的顶部设置有渣流管和气体出口，渣流管上方为中间包，粒化反应器内部设有转杯和驱动转杯的变频调速电机，在粒化反应器的四周器壁上设有6~8个喷嘴，喷嘴与环管相连；粒化反应器的底部与粒化渣填充床顶部相连；粒化渣填充床的内部设有旋转布风器，旋转布风器与电机相连，气体进口与旋转布风器相连，旋转布风器下方还设有旋转卸料阀。

所述的各喷嘴的轴线相切于一虚拟圆，此虚拟圆与转杯的上表面在同一平面上，从喷嘴喷入的气体沿粒化反应器的切向进入，且其旋流方向与转杯旋转方向相反。

所述的旋转布风器包括底座、风帽和破渣筋，底座上方设有风帽，风帽上设有破渣筋。

所述风帽设置为3~5层，每层风帽板内径、外径处均采用折边结构。

所述风帽上设置6条破渣筋，破渣筋头向上翘起，呈耙齿形，沿旋转布风器转动方向，破渣筋的前方边缘高于后方边缘。

一种用如上所述的回收液态高炉渣高温显热的装置进行高温显热回收的方法，其特征在于：利用液态高炉渣的高温显热进行CH₄-H₂O-CO₂重整反应生产甲醇，高炉渣既是传热介质，又是催化剂，冷却后的高炉渣用于生产水泥。

CH₄-H₂O-CO₂混合气体中CH₄：H₂O：CO₂的摩尔比为3:2:1，混合气体分两部分，占总量10~20%的混合气体用于液态高炉渣的粒化和急冷，占总量80~90%的混合气体用于粒化后高炉渣的冷却，最终全部混合气体发生重整化学反应生成甲醇。

在粒化反应器内，液态高炉渣在转杯离心力和高速喷出的反应性混合气体（CH₄-H₂O-CO₂）的风力作用下冷却粒化，高温渣粒与CH₄-H₂O-CO₂混合气体直接接触，两者进行强烈的热交换，进行第一次热量回收，使高温液态渣持有的热量用于吸热化学反应，生成甲醇（CH₃OH），将液态高炉渣的显热转变为洁净的化学能；然后再经粒化渣填充床将CH₄-H₂O-CO₂混合气体预热到反应所需温度，进行第二次热量回收，冷却后的高炉渣粒由下部的旋转卸料阀排出；具体步骤如下：

（1）从高炉经渣沟流出的液态高炉渣（温度﹥1400℃），流入中间包，经渣流管流入粒化反应器，在转速为1000~2300转/分钟、直径为80~180mm的转杯离心力作用下破碎成直径小于10mm的液滴，同时将占总量10~20%的CH₄-H₂O-CO₂混合气体由粒化反应器圆周的环管经6~8个喷嘴沿切向喷入粒化反应器，高温液滴在混合气体的风力作用下进一步破碎和冷却，高温液滴凝固为高温渣粒；

（2）占总量80~90%的CH₄-H₂O-CO₂混合气体由粒化渣填充床下部进入，与由喷嘴喷入的混合气体混合，与高温液滴和渣粒直接接触，在高炉渣的催化作用下，反应生成甲醇（CH₃OH），完成第一次强烈的热交换，高温渣粒的温度在大于10℃/min的降温速率下降至800~900℃，高效地将液态高炉渣的显热转变为高附加利用价值的甲醇的化学能，此阶段为液态高炉渣的急冷段；

（3）在重力作用下，上述高温渣粒进入粒化反应器下方的粒化渣填充床并与由粒化渣填充床下方进入经粒化渣层逆流而上的CH₄-H₂O-CO₂混合气体进行第二次热量交换，高温渣粒温度降至150℃，混合气体温度由常温升至700℃以上，此阶段为高炉渣的缓冷段；冷却后的高炉渣粒由底部的旋转卸料阀排出。

优点及效果

本发明的优点与积极效果如下：

本发明提供了一种回收液态高炉渣高温显热的装置及方法，通过干式粒化、显热回收和能量转换三个过程，高效、经济、环保、节能地利用了液态高炉渣的高温余热资源，而且处理后的高炉渣可满足制造水泥的要求，生产的甲醇属于应用广泛的高附加值产品，符合未来“甲醇经济”发展需要。本发明解决了现有高炉渣处理方法中水淬法水耗大、热量不能有效回收利用和干式回收风渣比大、动力消耗较高、热能品质降低等问题，既回收了液态高炉渣的高品质显热，又保护了环境。与化学法制氢相比，该方法中所有的氢最终全部进入了甲醇，而没有因形成其他副产物而造成的损耗，也不需要燃烧部分甲烷来提供所需的热量，由此不会产生额外的有害CO₂，而仅仅得到甲醇。

该方法合理，高效，单体设备简单、布置紧凑，处理能力大、易操作，比较利于在钢铁冶金过程余热资源回收与利用技术领域推广应用。

附图说明

图1是本发明回收液态高炉渣高温显热的装置结构示意图；

图2是图1中环管及喷嘴的结构示意图；

图3是图1中旋转布风器的结构示意图；

图4是图3的俯视图。

附图标记说明：

1、中间包，2、渣流管，3、粒化反应器，4、转杯，5、变频调速电机，6、粒化渣填充床，7、环管，8、喷嘴，9、气体出口，10、旋转布风器，11、电机，12旋转卸料阀，13、底座，14、风帽，15、破渣筋，16、虚拟圆，17、气体进口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

本发明提出了一种回收液态高炉渣高温显热的装置，其特征在于：如图1中所示，该装置主要包括中间包1、渣流管2、粒化反应器3、转杯4、变频调速电机5、粒化渣填充床6、环管7、喷嘴8、气体出口9、旋转布风器10、电机11、旋转卸料阀12；在粒化反应器3的顶部设置有液态高炉渣进口（渣流管2）和气体出口9，渣流管2上方为中间包1，粒化反应器3内部设有转杯4和驱动转杯4的变频调速电机5，在粒化反应器3的四周器壁上设有6~8个喷嘴8，喷嘴8与环管7相连；粒化反应器3的底部与粒化渣填充床6顶部相连；粒化渣填充床6的内部设有旋转布风器10，旋转布风器10与驱动其旋转的电机11相连，气体进口17与旋转布风器10相连，旋转布风器10下方还设有旋转卸料阀12。

所述的6~8个喷嘴8的轴线相切于一虚拟圆16，此虚拟圆与转杯4的上表面在同一平面上，从喷嘴8喷入的气体沿粒化反应器3的切向进入，且其旋流方向与转杯4旋转方向相反。

所述的旋转布风器10包括底座13、风帽14和破渣筋15，底座13上方设有风帽14，风帽14上设有破渣筋15。

所述风帽14设置为3~5层，每层风帽板内径、外径处均采用折边结构。内径处的折边可使下吹带出物减少，外径处折边用以阻挡较大渣块挤入风帽板间夹层使风帽堵塞。折边结构能较好地解决带出物及炉渣堵塞的问题，同时可改变出风口的出风方向，增加风向周边直吹的阻力，加大炉子中间的通风量，使布风趋向均匀。

所述风帽14上设置6条破渣筋15，破渣筋头向上翘起，形似耙齿，可将疤块切碎排下，破渣能力强，沿旋转布风器10转动方向，破渣筋15的前方边缘高于后方边缘，形成刀刃，有利于切碎渣块。破渣筋头焊耐磨合金，以延长使用寿命。

所述风帽14可以根据各层在粒化渣填充床6内所占比例和各层上方渣层厚度来布置通风面积。

一种如上所述的液态高炉渣高温显热回收装置的高温显热回收方法，其特征在于：利用液态高炉渣的高温显热进行CH₄-H₂O-CO₂重整反应生产甲醇，高炉渣既是传热介质，又是催化剂，冷却后的高炉渣用于生产水泥。

所述CH₄-H₂O-CO₂混合气体中CH₄：H₂O：CO₂的摩尔比为3:2:1，混合气体分两部分，约占总量（物质的量）10~20%的混合气体用于液态高炉渣的粒化和急冷，约占总量（物质的量）80~90%的混合气体用于粒化后高炉渣的冷却，最终全部混合气体发生重整化学反应生成甲醇。

在粒化反应器内，液态高炉渣在转杯离心力和高速喷出的反应性混合气体（CH₄-H₂O-CO₂）的风力作用下冷却粒化，高温渣粒与CH₄-H₂O-CO₂混合气体直接接触，两者进行强烈的热交换，进行第一次热量回收，使高温液态渣持有的热量用于吸热化学反应，生成甲醇（CH₃OH），即高效地将液态高炉渣的显热转变为洁净的化学能；然后再经粒化渣填充床将CH₄-H₂O-CO₂混合气体预热到反应所需温度，进行第二次热量回收，冷却后的高炉渣粒由下部的旋转卸料阀排出；具体步骤如下：

（1）从高炉经渣沟流出的液态高炉渣（温度﹥1400℃），流入中间包1，经渣流管2流入下方的粒化反应器3内，落到转速为1000~2300转/分钟、直径为80~180mm的转杯4上，在离心力作用下沿切向方向甩出，被破碎成直径小于10mm的液滴和渣粒，同时将占总量10~20%的CH₄-H₂O-CO₂混合气体由粒化反应器圆周的环管经6~8个喷嘴沿切向喷入粒化反应器，高温液滴和渣粒在混合气体的风力作用下进一步破碎和冷却，最后全部高温液滴都凝固为高温渣粒。喷嘴8为矩形时效果较好。

（2）占总量80~90%的CH₄-H₂O-CO₂混合气体经粒化渣填充床6预热后由其下部进入，与由喷嘴8沿反方向喷入的占总量的10~20%混合气体混合，与高温液滴和渣粒直接接触，以高炉渣为催化剂和传热介质，在高炉渣的催化作用下，反应生成甲醇（CH₃OH），完成第一次强烈的热交换，甲醇由气体出口9排出粒化反应器3；高温渣粒的温度在大于10℃/min的降温速率下降至800~900℃，高效地将液态高炉渣的显热转变为高附加利用价值的甲醇的化学能，此阶段为液态高炉渣的急冷段。

（3）在重力作用下，上述高温渣粒进入粒化反应器3下方的粒化渣填充床6并与由粒化渣填充床6下方进入经粒化渣层逆流而上的摩尔比为3:2:1的CH₄-H₂O-CO₂混合气体进行第二次热量交换，高温渣粒温度降至150℃左右，混合气体温度由常温升至700℃以上，此阶段为高炉渣的缓冷段；冷却后的高炉渣粒由底部的旋转卸料阀12排出。

用于冷却高炉渣的混合气体由设在粒化渣填充床6下部的气体进口17进入，经旋转布风器10均匀分布后，进入粒化渣填充床6，并与缓慢下降的高炉渣层进行逆流换热，使高炉渣进一步冷却，混合气体经与高炉渣层换热后被预热到700℃以上，从粒化渣填充床6顶部进入粒化反应器3，在粒化反应器3内与由喷嘴8喷入的混合气体汇合，发生反应生成甲醇。

本发明的方法主要是利用液态高炉渣的高温显热为甲醇的合成提供所需的热量，在整个流程中，高炉渣不仅起到传热介质的作用，还是一种很好的催化剂。液态高炉渣的处理过程是一个放热过程，按照平均比热1.1kJ/(kg·℃)计算，高炉渣从1500℃冷却到环境温度，一吨高炉渣带走的显热大约相当于56kg标准煤完全燃烧所放出的热量，而CH₄-H₂O-CO₂混合气体合成甲醇中，CH₄-H₂O蒸汽重整反应及CH₄-CO₂干法重整反应是强烈的吸热反应，其反应方程式为：

蒸汽重整：

干法重整：

合成甲醇：

以1吨液态高炉渣为基础进行计算，

在粒化反应器内，液态高炉渣进行急冷，温度由1500℃降为800℃，则：

高炉渣提供的热量：

根据热平衡方程计算可知，在急冷段高炉渣提供的热量可使208.45m³CH₄、111.67kgH₂O和69.48m³CO₂反应合成397kg甲醇（CH₃OH）。

在粒化渣填充床内，高温渣粒进行缓冷，温度由800℃降为150℃，则：

高炉渣提供的热量：

进入粒化反应器的CH₄-H₂O-CO₂混合气体的物理热：

CH₄的物理热：

H₂O的物理热：

CO₂的物理热：

CH₄-H₂O-CO₂混合气体预热所需总热量为：

此换热过程所需换热效率：

。

可见，无论在粒化反应器内的急冷段还是粒化渣填充床的缓冷段，高炉渣的显热都足以满足反应和换热的热量需求。

在该过程中，合成甲醇吸收液态高炉渣冷却放出的热量而达到甲烷蒸汽重整和干法重整合成甲醇的目的，不仅使液态高炉渣得以冷却，而且解决了现有高炉渣处理方法中水淬法水耗大、热量不能有效回收利用和干式回收风渣比大、动力消耗较高、热能品质降低等问题，既回收了液态高炉渣的高品质显热，又保护了环境。与CH₄-H₂O的蒸汽重整反应制氢和CH₄-CO₂的干法重整反应制氢相比，该方法中利用高炉渣作催化剂，省去了CH₄-H₂O蒸汽重整和CH₄-CO₂干法重整所需要的专业催化剂及其制备成本，同时，该方法中所有的氢最终全部进入了甲醇，而没有因形成其他副产物而造成的损耗，也不需要燃烧部分甲烷来提供所需的热量，由此不会产生额外的有害CO₂，而仅仅得到甲醇。

综合以上可以看到，将液态高炉渣显热用于CH₄-H₂O-CO₂混合气体合成甲醇，每吨高炉渣可产生397kg甲醇。

甲醇是一种方便安全的储能物质，是最简单的氧化态液体烃类，也是最基本的有机化工原料，自身产业链长，涉及化工、建材、能源、医药、农药等众多行业。因此，以甲醇替代化石燃料作为能源储存、燃料和合成烃及产品的经济，即所谓的“甲醇经济”，是应对油气能源问题的一条解决途径，也是一种切实可行的使人类摆脱对日益减少的石油和天然气（甚至煤炭）的一来的新途径，还可以减轻因为过量燃烧导致的全球变暖问题。而以氢作为储能和燃料的广泛使用，即所谓的“氢经济”，或许可以用于大型的静态装置，但可行性相对较小，因为极易挥发的氢气非常难以被操作和使用。氢气易挥发易爆炸的特性不但需要建立全新的、极其昂贵的基础设施，而且需要发展严密的对严重安全隐患的检测和控制系统。作为取代的方法，氢气可用来将无所不在的CO₂转化为甲醇以及各种相关产品。

本发明提供的方法中，CH₄可以来自于天然气或焦炉煤气、CO₂可以从高含量的钢铁工业排放废气中获得。

本发明利用液态高炉渣的高温显热进行CH₄-H₂O-CO₂重整反应生产甲醇，冷却后的高炉渣用于生产水泥。本发明通过干式粒化、显热回收和能量转换三个过程，高效、经济、环保、节能地利用了液态高炉渣的高温余热资源，而且处理后的高炉渣可满足制造水泥的要求，生产的甲醇属于应用广泛的高附加值产品，符合未来“甲醇经济”发展需要。本发明解决了现有高炉渣处理方法中水淬法水耗大、热量不能有效回收利用和干式回收风渣比大、动力消耗较高、热能品质降低等问题，既回收了液态高炉渣的高品质显热，又保护了环境。与化学法制氢相比，该方法中所有的氢最终全部进入了甲醇，而没有因形成其他副产物而造成的损耗，也不需要燃烧部分甲烷来提供所需的热量，由此不会产生额外的有害CO₂，而仅仅得到甲醇。该方法合理，高效，单体设备简单、布置紧凑，处理能力大、易操作，比较利于在钢铁冶金过程余热资源回收与利用技术领域推广应用。

Claims

1.一种用回收液态高炉渣高温显热的装置进行高温显热回收的方法，其特征在于：利用液态高炉渣的高温显热进行CH₄-H₂O-CO₂重整反应生产甲醇，高炉渣既是传热介质，又是催化剂，冷却后的高炉渣用于生产水泥；在粒化反应器内，液态高炉渣在转杯离心力和高速喷出的反应性混合气体的风力作用下冷却粒化，高温渣粒与CH₄-H₂O-CO₂混合气体直接接触，两者进行强烈的热交换，进行第一次热量回收，使高温液态渣持有的热量用于吸热化学反应，生成甲醇（CH₃OH），将液态高炉渣的显热转变为洁净的化学能；然后再经粒化渣填充床将CH₄-H₂O-CO₂混合气体预热到反应所需温度，进行第二次热量回收，冷却后的高炉渣粒由下部的旋转卸料阀排出；具体步骤如下：

（1）从高炉经渣沟流出的液态高炉渣温度大于1400℃，流入中间包，经渣流管流入粒化反应器，在转速为1000~2300转/分钟、直径为80~180mm的转杯离心力作用下破碎成直径小于10mm的液滴，同时将占总量10~20%的CH₄-H₂O-CO₂混合气体由粒化反应器圆周的环管经6~8个喷嘴沿切向喷入粒化反应器，高温液滴在混合气体的风力作用下进一步破碎和冷却，高温液滴凝固为高温渣粒；

（3）在重力作用下，上述高温渣粒进入粒化反应器下方的粒化渣填充床并与由粒化渣填充床下方进入经粒化渣层逆流而上的CH₄-H₂O-CO₂混合气体进行第二次热量交换，高温渣粒温度降至150℃，混合气体温度由常温升至700℃以上，此阶段为高炉渣的缓冷段；冷却后的高炉渣粒由底部的旋转卸料阀排出；

该方法所用的回收液态高炉渣高温显热的装置，其特征在于：包括粒化反应器（3），在粒化反应器（3）的顶部设置有渣流管（2）和气体出口（9），渣流管（2）上方为中间包（1），粒化反应器（3）内部设有转杯（4）和驱动转杯的变频调速电机（5），在粒化反应器（3）的四周器壁上设有6~8个喷嘴（8），喷嘴（8）与环管（7）相连；粒化反应器（3）的底部与粒化渣填充床（6）顶部相连；粒化渣填充床（6）的内部设有旋转布风器（10），旋转布风器（10）与电机（11）相连，气体进口（17）与旋转布风器（10）相连，旋转布风器（10）下方还设有旋转卸料阀（12）。

2.根据权利要求1所述的回收液态高炉渣高温显热的装置，其特征在于：所述的各喷嘴（8）的轴线相切于一虚拟圆（16），此虚拟圆与转杯（4）的上表面在同一平面上，从喷嘴（8）喷入的气体沿粒化反应器（3）的切向进入，且其旋流方向与转杯（4）旋转方向相反。

3.根据权利要求1所述的回收液态高炉渣高温显热的装置，其特征在于：所述的旋转布风器（10）包括底座（13）、风帽（14）和破渣筋（15），底座（13）上方设有风帽（14），风帽（14）上设有破渣筋（15）。

4.根据权利要求3所述的回收液态高炉渣高温显热的装置，其特征在于：所述风帽（14）设置为3~5层，每层风帽板内径、外径处均采用折边结构。

5.根据权利要求3或4所述的回收液态高炉渣高温显热的装置，其特征在于：所述风帽（14）上设置6条破渣筋（15），破渣筋头向上翘起，呈耙齿形，沿旋转布风器（10）转动方向，破渣筋（15）的前方边缘高于后方边缘。

6.根据权利要求1所述的回收液态高炉渣高温显热的方法，其特征在于：CH₄-H₂O-CO₂混合气体中CH₄：H₂O：CO₂的摩尔比为3:2:1，混合气体分两部分，占总量10~20%的混合气体用于液态高炉渣的粒化和急冷，占总量80~90%的混合气体用于粒化后高炉渣的冷却，最终全部混合气体发生重整化学反应生成甲醇。