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科技新进展:高温熔渣干法粒化及余热回收技术

来源:国际能源网      发布日期:2020-07-14 09:16:21      浏览次数:

一、研讨的布景与问题

钢铁行业是我国国民经济开展的支柱行业,其能耗占我国工业总能耗的23%以上,但其动力的一次运用率仅在40%左右,在其出产进程中,发生了很多的余热余能,经过几十年的开展,绝大多数的余热余能得到了很好的运用,但高温液态熔渣的显热和低温余热资源至今未得到很好的收回运用,高温液态熔渣是钢铁出产进程中的副产物,其排出温度高达1500℃,蕴含很多高温余热,是目前钢铁行业中唯一未能收回的高温余热资源。2016年中国生铁产量为6.91亿吨,其中高炉渣总量为2.35亿吨,占总熔渣量57%,蕴含总热量约为1419万吨标煤。

现有技能(水淬法)首要对高炉渣进行水淬急冷,构成具有高玻璃体含量的矿渣,其潜在的水化活性使其可用于水泥混合材、混凝土掺合料,在建筑材料范畴具有广泛的运用。但该技能存在以下三个问题。

      1、“水淬法”处理进程中消耗了很多水资源。为保证渣与水充沛接触,对冲渣水的用量有一定要求,一起在水与高温渣的接触进程中,还存在很多水的蒸发耗散。据测算,处理1吨渣约需消耗新水1.2吨,循环用水10吨。

      2、水淬进程中伴有SO2和H2S等酸性气体污染物的排放,吨渣的硫化物排放在5000mg以上,这部分硫化物首要随水蒸气耗散在空气中,带来了严峻的二次污染。

      3、高温熔渣所蕴含的高质量显热得不到有用收回运用,动力糟蹋巨大。选用水淬工艺处理后,熔渣的高值显热(约1500℃)被转化成冲渣水的低温余热(约90℃),只能用于冬季供暖等有限场合,由此每年造成了很多高质量热能的损失和糟蹋。

因而,依靠新技能来完成高温液态熔渣的显热收回和资源化运用,一起处理环境污染和水资源糟蹋的问题已迫在眉睫。

二、处理问题的技能思路与计划

 转盘法干法粒化与余热收回中心工艺流程如图1所示。

图1  转盘法干法粒化与余热收回技能示意图

工艺流程为:高温熔渣从锻炼设备由渣罐运送到渣处理车间,再由行车将渣罐内的高温熔渣倒入高温熔渣贮存设备,粒化开始后高温熔渣由贮存设备定量稳定地流入粒化与一次余热收回设备的粒化转盘上,经过转盘的高速旋转把渣制成细微的液滴,在离心力的效果下完成一次粒化,一次粒化液滴进而在惯性力的效果下与粒化水冷壁磕碰完成二次粒化,一起高温熔渣在两次粒化进程中与一次冷却风和水冷壁面进行激烈的热交换,使得高温熔渣由1500℃冷却到800℃,一次冷却风由常温加热到600℃,完成了高温熔渣的快速冷却和一次余热收回。接下来,高温渣粒进入二次冷却设备被二次冷却风冷却到100℃,二次冷却风则被加热到600℃,完成高温渣粒二次冷却和二次余热收回。

根据上述研讨计划,本项目的技能道路如下图所示。

余热回收

三、首要技能立异性进展

首要开展转盘法干法粒化与余热收回中心工艺技能、中心配备技能、中心工艺操控技能、工业实验与演示运用等四方面的研讨。

1、转盘法干法粒化与余热收回中心工艺研讨

转盘法干法粒化与余热收回中心工艺是“两步法”工艺(图1),它涉及的首要研讨内容包含:转盘法干法粒化接连供渣技能研讨;熔渣粒化粒径散布规则及影响要素研讨;粒化及一次余热收回设备要害操作参数之间的彼此影响及改变规则研讨;渣粒二次冷却办法及冷却规则研讨。

(1)转盘法干法粒化接连供渣技能研讨

冶金行业的炼铁高炉、镍铁矿热炉等典型锻炼设备都是接连出渣,可是对于粒化及一次余热收回设备而言,因为后续联接余热锅炉和发电机组,因而要求作业办法是接连的,因而转盘法干法粒化与余热收回中心工艺首先要研讨处理这个矛盾。处理这个矛盾的基本思路是设置熔渣缓冲设备,将锻炼设备的不接连作业办法,转换为粒化和一次余热收回设备的接连作业办法。

(2)熔渣粒化粒径散布规则及影响要素研讨

转盘法干法粒化的原理是运用高速旋转的转盘将高温熔融渣液粒化,添加热交换面积,并选用空气将渣液快速冷却发生热风,高效收回余热.因而,渣滴大小直接决议渣滴的风冷效果和渣制品中玻璃相的含量。前期对转盘法的根底研讨已标明渣温、转盘上渣膜厚度、转盘转速对粒化后渣的粒径有直接影响。

本项目将在前期实验室研讨的根底上,经过仿真模仿,结合现场工业实验验证,研讨不同的渣流量、不同尺度转盘和不同转速对渣粒径散布的影响,得出工业出产条件下适宜的工艺操作条件。

(3)粒化及一次余热收回设备要害操作参数之间的彼此影响及改变规则研讨

前期实验室研讨标明,粒化及一次余热收回设备的要害操作参数首要包含:处理渣量、转盘转速、进渣温度、出渣温度、进风温度、进风流量等。本项目将在前期实验室研讨的根底上,树立工业规模粒化及一次余热收回设备的多参数耦合计算机模仿仿真模型,研讨要害操作参数之间的彼此影响联系及各自改变规则,为工业实验积累根底数据,辅导工业实验进程。一起,经过工业实验反过来验证要害操作参数之间的彼此影响联系及各自改变规则,终究得到工业出产条件下粒化及一次余热收回设备的工艺操作条件和以排风温度和排渣温度为目标参数的操控模型,为转盘法干法粒化与余热收回工业实验与演示运用研讨奠定根底。

(4)渣粒二次冷却办法及冷却规则研讨

根据前期实验室研讨得到的粒化后渣粒温度和粒径散布,经过模仿仿真的手法,研讨、优化并确认渣粒二次冷却办法及冷却规则,进步二次冷却效果和二次余热收回率,为渣粒二次冷却设备的研发供给理论依据。

因为渣粒二次冷却设备后续联接余热锅炉及发电机组,因而在研讨渣粒二次冷却办法进程中,要充沛考虑渣粒二次冷却设备要具有一定的贮存渣粒的功用,以习惯后续余热锅炉及发电机组的定期维修需求。

2、转盘法干法粒化与余热收回中心设备开发

转盘法干法粒化与余热收回中心设备如图2所示,首要包含:液态熔渣缓冲贮存设备、粒化与一次余热收回设备和渣粒二次余热收回设备,三个联接设备之间的链接设备中心罐、事端溜槽及渣罐、渣粒收集与运送设备。

(1)液态熔渣缓冲贮存设备

液态熔渣缓冲贮存设备的效果首要是处理锻炼设备接连出渣与熔渣粒化与一次余热收回设备接连作业办法的矛盾,保证向粒化设备接连、定量供应液态熔渣。因为熔渣的粘度与温度密切相关,因而液态熔渣缓冲贮存设备要具有加热和保温功用,保证在整个粒化处理进程中熔渣需求的抱负温度和活动性。

(2)粒化与一次余热收回设备

粒化与一次余热收回设备的效果是将进入粒化设备的液态熔渣粒化成要求的粒度规模,完成熔渣快速冷却固化,保证粒化后渣粒的玻璃相含量大于95%,一起完成熔渣余热的一次高效收回是中心问题。

①前期研讨已经优化确认了粒化室的结构办法,本项目将运用模仿计算手法,研讨不同工况下粒化室内的流场散布、温度场散布、压力场散布、渣粒运转轨道和冷却进程等,优化并确认在熔渣处理才干为20-30吨/小时的工业出产条件下粒化室的结构尺度;

②前期研讨标明粒化室外仓壁的冷却结构办法、熔渣磕碰面材料性质和外表处理办法对熔渣二次粒化效果,避免熔渣粘连粘结都具有重要影响,本项目将经过工业实验研讨确认工业出产条件下粒化室外仓壁冷却结构办法、选材和外表处理工艺,研讨粒化仓内壁高温条件下的熔渣腐蚀和磨损机理,验证粒化仓结构的合理性、长时间作业的稳定性和经济适用性;

③前期研讨标明粒化转盘的结构办法、选材、冷却结构等对粒化转盘的冷却效果、熔渣高温腐蚀和磨损程度、运用寿命等影响显著,本项目将运用模仿计算和实验验证的手法,确认工业出产条件下粒化转盘的运用效果;

④前期研讨标明,在中心操作参数匹配不合适的状况下,会发生一定量的渣粒粉尘和渣棉,因而本项目将运用模仿计算和实验验证的办法,研发与一次冷却设备排出的热风特性相匹配的一次除尘设备和简略便利的渣棉清除设备。

(3)渣粒二次余热收回设备

渣粒二次余热收回设备的首要效果是将从粒化和一次冷却设备排出的温度800℃左右的粒化渣粒进一步冷却收回余热,进步整个体系的热功率。

①根据渣粒的粒度散布状况,经过模仿计算的办法研讨、优化并确认渣粒二次余热收回办法和结构尺度,保证余热收回功率和配备尺度紧凑高效;

②因为“两步法”工艺需求将高温渣粒从粒化和一次冷却设备运送到二次冷却设备,因而需求研讨确认合理的联接办法,研发相相关接设备,保证在渣粒输运进程中热量损失小,设备结构简略、紧凑、可靠、运送功率高。

③因为渣粒二次余热收回设备的后续联接设备余热锅炉和发电机组都可能发生短期事端处理,因而需求研讨确认渣粒二次余热收回设备的缓冲才干和完成办法。

3、转盘法干法粒化与余热收回中心工艺及操控技能研讨

转盘法干法粒化与余热收回中心工艺操控技能首要包含:高温熔渣流量丈量和操控技能研讨,转盘法干法粒化进程操控技能及数学模型研讨,高温渣粒二次余热收回进程自动操控技能研讨,转盘法干法粒化与余热收回中心设备供配电及工艺参数检测技能研讨。

(1)高温熔渣流量丈量和操控技能研讨

前期实验室研讨标明,单位时间内高温熔渣的处理量发生改变,就要求诸如粒化转盘转速、冷却风量等中心操作参数也要跟着改变,不然熔渣的粒化效果和余热收回功率都将变坏,因而,随时检测和操控高温熔渣的流量就显得非常重要。本项目将在前期实验室研讨的根底上,研讨一种适合于工业出产条件、简略可靠的高温熔渣流量丈量和操控技能,以便于熔渣粒化进程完成自动化操作,保证熔渣粒化效果和余热收回高效。

(2)转盘法干法粒化进程操控技能及数学模型研讨

前期实验室研讨标明,粒化设备的首要操作参数之间是彼此相关和彼此影响的,这就要求要树立转盘法干法粒化进程的操控数学模型,这样才干完成转盘法干法粒化进程的自动化和智能化操作。本项目将在实验室研讨根底上,充沛考虑工业出产条件下中心操作参数检测操控办法的可靠性,研讨和树立转盘法干法粒化进程数学模型,完成转盘法干法粒化工业实验进程的自动化和智能化。

(3)高温渣粒二次余热收回进程自动操控技能研讨

与高温熔渣粒化与一次余热收回技能比较,高温渣粒二次余热收回技能相对成熟,能够有多种技能计划挑选。本项目将根据确认的二次余热收回办法和收回设备的特点,研讨树立根据二次余热收回功率最大化的渣量、渣温、二次冷却风量和风温等中心操作参数的检测和操控技能及模型,完成高温渣粒二次余热收回进程的自动化和智能化。

(4)转盘法干法粒化与余热收回中心设备供配电及工艺参数检测技能研讨

除上述与转盘法干法粒化与余热收回中心工艺进程相关的中心操作参数外,在出产进程中还包含一些其他参数检测和操控要求,例如:用电设备的操控、工艺进程的连锁操控,各种公辅介质的流量、压力、温度监测和操控,进程参数的检测等,因而本项目将规划研发一整套转盘法干法粒化与余热收回中心工艺参数的检测和操控技能,对整个出产进程进行监控。

四、首要立异成果

1、变物性多组分液态熔渣粒化机制及相变传热与物相演化协同调控办法

围绕熔渣粒化进程及渣粒移动床内复杂多相活动、相变传热和物料物相演化及其彼此耦合效果机制与特性等科学问题,说明急冷条件下变物性液态熔渣的离心粒化及液丝推迟开裂机制,获得熔渣粒径预测相关式;树立熔渣颗粒在相变冷却进程中物相演化预测模型,提醒粒化熔渣液滴/颗粒运动、磕碰及局部熔合进程中非稳态相改换热及物相演化的耦合效果机理及特性;提醒高温渣粒在移动床中的多相活动与换热机理,开展半熔融-宽筛分颗粒群多相活动及传热模型,树立传热强化与物料质量协同联系;构建液态熔渣离心粒化机制及相变传热与物相演化协同调控新理论。

2、控粒径、抑渣棉、防粘结的熔渣高效紧凑离心粒化及其自习惯调控技能

为打破高温液态熔渣离心粒化质量低、易构成渣棉、易粘结、粒化器高温熔蚀、可靠性低一级要害技能瓶颈,说明液态熔渣离心粒化进程中液膜/液丝破碎及相改换热原理;提醒粒化器外表渣壳构成演化特性及其对粒化性能的影响,获得渣壳厚度及形貌的理论预测模型和调控办法,原创性的提出具有热防护和抑渣棉功用的高效组合式离心粒化器新结构;提醒粒化颗粒碰击壁面动态特性对换热及粘结的影响机制,提出粒化仓内熔渣颗粒换热强化办法,树立粒化仓内渣粒物相结构与换热的彼此联系,构成协同渣粒物相调控的粒化仓高效余热收回新技能。终究构成控粒径、抑渣棉、防粘结的熔渣高效紧凑离心粒化及其自习惯调控新技能。

3、协同渣粒质量调控的熔渣颗粒高效余热收回及资源化运用技能

探明高温渣粒移动床内多相活动、传热和物料物相演化以及渣粒绕流受热外表的磨损特性,清楚移动床内半熔融-宽筛分渣粒绕流受热面的强化换热及渣粒质量协同调控原理,提醒物料质量、余热收回与受热面磨损交互效果联系,提出协同渣粒质量调控的移动床内换热强化新办法,树立移动床内渣粒流场和渣粒温度场的调控战略,原创性地提出统筹渣粒质量和余热收回率、按捺受热面磨损的高效余热收回办法与设备,打破高温渣粒余热收回率和档次低、渣粒质量调控困难、受热面磨损严峻等技能瓶颈。

4、习惯变流量的液态熔渣离心粒化与余热高效接连收回及运用体系集成技能

打破高炉间歇出渣与离心粒化接连余热收回工艺运转不匹配要害瓶颈问题,开发高温液态熔渣缓存及流量操控技能与设备,提出习惯间歇出渣且出渣流量大幅波动的锻炼炉-粒化设备-余热收回设备界面技能和操控办法;获得大型化熔渣离心粒化及余热高效收回中心配备的规划原则和办法;提出统筹体系余热收回率、渣粒粒径和玻璃体含量的协同调控技能,构成以离心粒化工艺为中心的液态熔渣余热高效接连收回和运用体系集成技能,树立国际首套具有工业演示含义的演示设备。


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