一种回收利用高炉渣显热提高热风炉风温的方法

摘要

本发明公开一种回收利用高炉渣显热提高热风炉风温的方法。本发明将通过干式处理获得的高温空气经过二级除尘和增压处理后，作为热风炉的高温助燃空气，进而使热风温度提高到1250℃～1270℃，此热风温度比通常只使用高炉煤气的热风炉风温提高了100℃～120℃。由于风温提高对高炉炼铁产生的经济效益远大于通过余热锅炉产生蒸汽的效益，而且本发明工艺避免了将高温空气转化为蒸汽这样的能源转换环节和相应的余热锅炉设备的投资，所以使用本发明工艺可以极大提高了高炉渣显热回收利用的价值和缩短相应项目的投资回报期。

说明书

技术领域

本发明涉及钢铁厂能源转换和利用领域，具体地涉及一种回收利用高炉渣显热提高热风炉风温的方法。

背景技术

高炉渣是炼铁过程的副产物，通常每生产1吨铁水会产生温度为1450℃～1550℃的炉渣300kg，每吨1500℃的熔渣所含显热约相当于60kg标煤。由于缺乏连续高效可靠的干式处理技术，现有高炉冶炼过程产生的大量熔渣通常都采用水淬工艺来处理，每吨渣需要消耗约1吨的水，而且熔渣中的显热大部分随着水的蒸发而散失，所以高炉渣的显热基本上没有得到回收利用。为了回收利用高炉熔渣中的显热，并避免水资源的浪费，80年代以来人们开始研究高炉渣的各种干式处理工艺。由于高炉渣的导热率很低(＜1W/mK)，为了提高显热回收效率并保证处理后炉渣的玻璃化率满足作为水泥原料的要求，首先必须将熔渣破碎成微小的液滴以增加传热表面积实现快速冷凝，熔渣液滴和固态热颗粒的余热通过热辐射或热传导的方式被回收利用。根据粒化方法的不同，干式工艺可分为风淬粒化法、转鼓粒化法和离心粒化法。

风淬粒化法

20世纪80年代，日本六大钢铁公司(新日铁、NKK、川崎制铁、住友金属工业、神户制钢所、日新制铁)联合研究开发了风淬法高炉熔渣显热回收技术，先后进行了基础实验和大规模实验工厂的试验。其工艺流程为：将1400～1600℃的高炉熔渣通过渣沟导入一卧式风洞的造粒区域，当熔渣从渣沟末端流出时，被从下部鼓风机喷出的高速空气流吹散、粒化，渣粒子的大部分在与风洞内壁或在风洞内设置的水冷分散板撞击后，以大约1050℃的温度落入风洞下部。在落下的过程中，炉渣被从风洞下部吹入的空气进一步冷却，之后以大约800℃的温度被排出风洞之外，利用热筛分机将渣粒子中的大粒径粒子分离除去，将筛下渣粒子送入热料仓进行收集，然后在二次换热器的多段流化床中将渣粒冷却到大约150℃，在风洞和二次换热器中，冷却空气与炉渣换热获得的显热可用作产生蒸汽或发电。以上工艺最终未能工业化，一是因为总的热回收效率只有约62％。由于在卧式风洞和二次换热器之间还有热筛分机和机械输送系统，加上风洞部分内壁和分散板均采用水冷方式，系统本身热损失大；二是因为粒化冷却风洞采用卧式结构，因此设备庞大，在很多高炉现场布置安装的可行性低。

转鼓粒化法

转鼓干式粒化法也是由日本人于上世纪70、80年代提出的，分为单鼓和双鼓两种形式。单鼓粒化或单轮粒化法的工艺是：熔渣下落至旋转滚轮表面被甩出并粒化，送入固体介质流化床与空气和介质充分换热并冷却，换热后的空气被送到余热锅炉回收热量。双鼓或转鼓粒化法的工艺是：液渣通过转鼓表面冷却为渣膜，鼓内介质吸热后变成蒸汽，经热交换器冷却后循环使用，回收热量用于蒸汽透平发电。以上工艺也没有工业化，对单鼓粒化来说，一是因为在单鼓熔渣粒化后的冷却速度太慢，所以玻璃化率达不到作为水泥掺和料的要求(＞95％)，成品渣只能用作附加值很低的混凝土骨料。双鼓粒化虽然解决了玻璃化率的问题，但由于热渣粒的余热未能充分回收，所以熔渣显热的总回收率不到40％；二是该工艺使用的转轮长时间在高温恶劣的环境下工作，即便有介质冷却保护，其维护和运行成本都很高；三是热回收效率低(单鼓粒化约为60％，双鼓粒化为40％)，如考虑余热锅炉和发电设备的投资，投资回报的时间太长。

离心粒化法

上世纪80年代，日本人和英国人分别提出离心盘和离心杯粒化的概念，其工艺是将熔渣通过渣槽流入到转盘或转杯中进行粒化形成飞行的液滴，液滴经快速冷却并凝固，收集的热渣粒在经过两级流化床时进一步冷却，安装在流化床上的锅炉管通过热交换，收集渣中的余热，产生热空气或蒸汽。最近，在澳大利亚联邦科工组织(CISRO)和钢铁企业的资助下，离心盘粒化工艺得到了进一步的研究并建立了最大渣处理量为5kg/min的中试工厂，其工艺为将熔渣流入一采用离心盘的干式粒化器粒化生成细小的液滴，经快速冷却至900℃得到的热渣粒经收集在热交换器内进一步冷却以回收相应的余热，最终排渣温度为25～50℃，出口处热空气温度据称可达到600℃。离心粒化法迄今未能实现工业化的主要原因是所采用的离心盘或离心杯属于易损易耗的机械运动部件，长时间在高温恶劣的环境下工作，即便使用水冷，其可靠性很难达到与主体冶炼设备同步检修的要求，而且维护和运行成本都较高。由于冶金工厂主体冶炼设备生产的连续性，而且熔渣的排放具有量大、间隙短的特点，干式处理装置至少要有与主体冶炼设备同样的可靠性才具备工业化应用的基础。

上述各种高炉渣干式处理工艺的思路都是将得到的高温气体用于产生蒸汽或进一步发电以达到回收高炉渣显热的目的，但这一思路需要经过将高温气体转化为蒸汽以及进一步将蒸汽转化为电能这样的能源转换环节，最终的熔渣显热回收效率将进一步降低。而且由于所需余热锅炉和发电设备的投资较高，使得高炉渣显热回收项目的经济效益和推广价值受到了限制。

如果能将高炉渣干式处理得到的高温空气经恰当除尘和增压处理后，作为高温助燃空气供高炉的热风炉使用，将可以有效地提高热风炉的风温。热风炉是为高炉炼铁提供热风的重要辅助设备，风温的高低直接影响高炉炼铁的焦比等主要经济指标。通常风温每提高100℃，吨铁焦比可降低10～15kg，同时产量还可增加1％～2％，因此高风温一直是炼铁厂追求的目标。但是在只能使用低发热值高炉煤气作为热风炉燃气的炼铁厂，即使是在利用热风炉烟气余热将高炉煤气和助燃空气预热到200℃的条件下，常年的平均风温也只能达到1130℃～1150℃左右的水平。为了提高风温水平，有的炼铁厂采用在热风炉前增加两座蓄热式预热炉，通过燃烧高炉煤气将助燃空气预热温度提高到450℃～550℃，高炉煤气仍采用热风炉烟气预热至200℃，实践结果表明可以将热风温度提高到1250℃左右的水平，并取得了很好的经济效益。

热平衡计算结果表明，如高炉渣显热回收效率按80％计算，不同炉容高炉所产生的渣量中的显热可以将相应热风炉所需等量的助燃空气加热到接近600℃的水平，考虑到干式处理装置后在输送管道、除尘过程的温度损失以及增压过程的温度增加这些因素，用于回收炉渣显热而被加热的空气在送入热风炉燃烧器前可以达到450℃～550℃的水平，正好满足作为高风温热风炉对助燃空气预热的要求，因此回收利用高炉渣显热来提高热风炉的风温从热平衡上是完全可行的。此外，投资回报分析表明，如能通过此方式将热风温度提高100℃～120℃，其对炼铁生产所产生的经济效益远大于将高温空气用于产生蒸汽的效益，而且还避免了将高温空气转化成蒸汽这样的能源转换环节和相应的余热锅炉设备的投资，所以这一潜在的高炉渣显热回收利用的新途径将会极大地改善高炉渣显热回收项目的经济效益和推广价值。

发明内容

本发明的目的是将风淬粒化法处理高炉渣回收得到的高温空气作为热风炉助燃空气以提高热风炉的风温，进而改善高炉炼铁的主要经济指标以获得比用高温空气来产生蒸汽或发电更高的经济效益，从而缩短高炉渣显热回收项目的投资回报期。

为了实现上述目的，本发明提供一种回收利用高炉渣显热提高热风炉风温的方法，包括：将高炉渣通过干式处理装置以压缩空气为介质进行处理的步骤；将干式处理得到的高温气体经过一级除尘去除大颗粒粉尘的步骤；将一级除尘后的高温气体经过二级除尘去除其中微细粉尘的步骤；将经过二级除尘后的高温气体通过高温增压风机增压到热风炉对助燃空气要求的工艺压力，并将高温气体作为助然空气送到热风炉燃烧器内与高炉煤气混合燃烧的步骤。

优选地，高炉渣的干式处理步骤在高炉渣干式处理装置中进行，干式处理装置包括：用于使高温熔渣粒化、冷却并获得高温空气的处理炉；用于将高温熔渣导入到处理炉中的熔渣导入单元，其中处理炉包括：炉体，其包括：采用竖式罐体结构的炉身以及将来自熔渣导入单元的高温熔渣导入到位于处理炉炉身中部的熔渣入口，其中，处理炉的熔渣入口上方的炉身为鼓肚状；粒化和冷却喷嘴，位于熔渣入口的下方并且围绕熔渣入口，从该粒化和冷却喷嘴吹出的高速空气流将以渣帘形式进入处理炉的熔渣吹向处理炉的上部炉身内以形成热渣喷泉，熔渣被快速粒化成热渣粒并且热渣粒被冷却至表面不发生粘结的温度，从而在该处理炉的上部炉身内完成熔渣的快速粒化和冷却过程；多段流化床装置，其位于处理炉的下部，从处理炉的上部炉身落下的热渣粒与从多段流化床出来的上升气体进行逆流热交换，并在多段流化床内完成多段循环热交换，从而在该处理炉的下部炉身内完成热渣粒的二次冷却；其中，熔渣的快速粒化和冷却以及热渣粒的二次冷却在同一处理炉内连续地完成。

优选地，一级除尘去除高温空气中大颗粒粉尘的步骤在旋风除尘单元中进行，其中旋风除尘单元还包括相应的除尘灰排料阀。

优选地，二级除尘去除高温空气中微细粉尘的步骤在脉冲除尘单元中进行，其中脉冲除尘单元的过滤材料为烧结金属丝网。

优选地，还包括相应的脉冲反吹系统和除尘灰排料阀，脉冲反吹系统使用压缩空气作为反吹气体。

优选地，还包括相应的脉冲反吹系统和除尘灰排料阀，脉冲反吹系统使用二次除尘后经过压缩的高温气体作为反吹气体。

优选地，还包括在高炉出铁场渣沟未端设置一备一用的两个渣罐并通过渣罐上的流量控制装置连续均匀地向干式处理装置提供高炉渣的步骤，以保证干式处理工艺的连续性，从而连续稳定地获取作为助燃气体的高温气体。

由于风温提高对高炉炼铁产生经济效益远大于将高温空气与余热锅炉换热产生蒸汽的效益，而且避免了将高温空气转化为蒸汽这样的能源转换环节，减少了相应的设备投资，所以本发明方法可以极大地提高高炉渣显热回收利用的价值。取决于不同高炉炉容的大小，采用本发明工艺的高炉渣显热回收项目的预计投资回报期可缩短至3-5年。

将高炉渣显热回收得到的高温空气作为助燃空气，实质上是将高炉渣显热返回高炉内重新循环利用，这对于降低高炉的燃料比和减少二氧化碳的排放具有重要的节能和环保意义。

附图说明

图1是说明本发明的方法过程的示意图。

具体实施方式

结合附图并参照本发明的优选实施例，本领域的技术人员能更好地理解本申请的进一步的公开、目的、优点和方面，所给出的这些附图和实施例只是为了说明的目的，而不是对发明的保护范围进行限制。

下面结合附图详细说明本发明的示例性实施例。附图中相同的附图标记表示相同的部件。

如图1所示，本发明的设备包括：处理炉1、一备一用的缓冲渣罐2、渣槽3、粒化冷却喷嘴4、第一鼓风机5、多段流化床装置6、第二鼓风机7、事故检修排渣管8、炉体9、旋转密封阀10、高温气体烟道11、一级旋风除尘器12、一级除尘灰排料阀13、二级脉冲除尘装置14、二级除尘灰排料阀15、脉冲反吹系统16、高温增压风机17。

具体地，在本发明的实施方式中，如图1所示，一种高炉渣干式处理装置，包括：用于使高温熔渣粒化、冷却并获得高温空气的处理炉1；以及用于将高温熔渣导入到处理炉1中的熔渣导入单元2、3；用于去除高温空气中大颗粒粉尘的一级旋风除尘单元12、13；用于去除经一级旋风除尘后高温空气中微细粉尘的二级脉冲除尘单元14、15；用于将净化后的高温空气增压供热风炉使用的高温风机17。其中的处理炉1包括：炉体9，其包括：采用竖式罐体结构的炉身以及将来自熔渣导入单元的高温熔渣导入到处理炉炉身中部的熔渣入口，处理炉的熔渣入口上方的炉身为鼓肚状；粒化和冷却喷嘴4，位于熔渣入口的下方并且围绕熔渣入口，从该粒化和冷却喷嘴吹出的高速空气流将以渣帘形式进入处理炉的熔渣吹向处理炉的上部炉身内以形成热渣喷泉，熔渣被快速粒化成热渣粒并且热渣粒被冷却至表面不发生粘结的温度，从而在该处理炉1的上部炉身内完成熔渣的快速粒化和冷却过程；多段流化床装置6，位于处理炉的下部，从处理炉的上部炉身落下的热渣粒与从下部多段流化床出来的上升气体进行逆流热交换，并在多段流化床内完成多段循环热交换，从而在该处理炉1的下部炉身内完成热渣粒的二次冷却。根据本发明的高炉渣干式处理装置，熔渣的快速粒化和冷却以及热渣粒的二次冷却在同一处理炉内连续地完成。在一种具体实施方式中，处理炉为竖式罐体结构。

高炉渣干式处理装置还包括第一鼓风机5，用于为粒化和冷却喷嘴提供压缩空气以将熔渣快速粒化和冷却。

高炉渣干式处理装置还包括第二鼓风机7，用于向多段流化床的下部提供用于热渣粒二次冷却用的压缩空气。

高炉渣干式处理装置还包括事故检修排渣管8，在排渣管的垂直段配有两道水冷闸板阀。

高炉渣干式处理装置还包括位于多段流化床下方冷却渣粒出口位置的旋转密封阀10，用于将冷却后的渣粒排出。

高炉渣干式处理装置还包括高温气体烟道11，位于处理炉顶部，熔渣粒化冷却得到的高温气体与热渣粒二次冷却得到的高温气体在处理炉上部混合后通过高温气体烟道排出。

熔渣导入单元包括：一备一用的渣罐，用于容纳高温熔渣；以及覆盖有保温盖板的渣槽，位于渣罐的下部，并且导引高温熔渣流动以渣帘形式进入处理炉的熔渣入口中。

一级旋风除尘单元还包括相应的除尘灰排料阀13。

脉冲式二级除尘单元的过滤材料使用烧结金属丝网，并包括相应的脉冲反吹系统16以及除尘灰排料阀15，脉冲反喷系统可使用压缩空气或二次除尘后经过压缩的高温气体作为反吹气体。

利用高炉渣显热提高热风炉风温的方法，具体地包括以下步骤：

(a)：为了连续稳定地获取作为助燃空气用的高温气体，在高炉出铁场渣沟的末端设置一备一用的两个渣罐，通过渣罐上的流量控制装置连续均匀地向熔渣干式处理装置提供高炉渣以保证干式处理工艺的连续性；

(b)：以等量的热风炉燃烧所需的助燃空气为介质，通过上述的干式处理炉处理高炉熔渣，获得温度约为500℃～600℃的高温空气，粒化渣收集后供给水泥厂作为生产水泥的原料；

(c)：上述高温气体经烟道进入一级旋风除尘器，以去除气体中的大颗粒粉尘，收集的粉尘与干式处理炉下部排出的粒化渣混合作为生产水泥的原料；

(d)：经一级除尘处理后的气体进入由烧结金属丝网作为过滤材料的脉冲式二级除尘装置，反吹气体使用压缩空气或二次除尘后经过压缩的高温气体，将气体中的含尘量降至＜50mg/Nm³的水平，以满足热风炉助燃空气对含尘量的要求，收集的超细粉尘可作为生产水泥的原料或其它适宜用途；

(e)：二级除尘后的气体经高温增压风机增压至对助燃空气要求的工艺压力即可送入热风炉燃烧器作为助燃空气使用。

本发明提出的优选的高炉渣干式处理装置和利用高炉渣显热来提高热风炉风温的方法具有以下显著的优点和效果。

采用本发明提出的优选的高炉渣干式处理装置，熔渣以渣帘形式进入粒化区有利于被粒化冷却喷嘴吹出的高速空气流充分粒化和快速冷却，而且空气流将熔渣向炉身上部喷吹不仅延长了产生的热渣粒与气流的热交换时间以保证热渣粒充分冷却至表面不粘结的温度，还可以利用粒化区以下的空间将落下的热渣粒以多段流化床的形式进行二次冷却，从而在同一炉内实现熔渣的快速粒化冷却和热渣粒的二次冷却，避免了熔渣在快速粒化和冷却后还需要一单独的二次热交换装置以及相应的热渣粒输送系统，最大限度地减少了系统的热损失，预计的热回收效率可达到80％，因此使用等量的热风炉燃烧所需的助燃空气对高炉熔渣进行干式处理所获得的高温空气的温度预计可达到500℃～600℃的水平。经过恰当的二次除尘和增压处理后，此高温气体的温度预计为450℃～550℃作为助燃空气供热风炉使用，相应的热风温度可达到1250℃～1270℃，此风温比通常只使用高炉煤气为燃料的热风炉提高了100℃～120℃。

本发明提出的新工艺其特征是将高炉渣干式处理得到的高温空气经除尘和增压处理后作为热风炉所需的助燃空气进而提高热风炉风温而不是通过余热锅炉换热来产生蒸汽或发电，由于风温提高对高炉炼铁产生的经济效益远远大于产生蒸汽或发电的效益，而且避免了将高温气体转化成蒸汽这样的能源转换环节和相应的余热锅炉设备的投资，所以本发明工艺可以极大提高高炉渣显热回收利用的经济效益，预计的项目投资回报期可缩短到3-5年。

尽管对本发明的典型实施例进行了说明，但是显然普通技术人员可以理解，在不背离本发明的精神和原理的情况下可以进行改变，其范围在权利要求书以及其等同物中进行了限定。