反向浸水法常压热闷钢渣及余热回收系统及方法
阅读说明：本技术 反向浸水法常压热闷钢渣及余热回收系统及方法 (Reverse water immersion method normal pressure hot disintegrating steel slag and waste heat recovery system and method ) 是由 凌友锋 王忠治 霍朋亮 王新凤 赵刚 刘雅超 白占宾 陈禹 尹红伟 陈少卿 于源 于 2021-08-06 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种反向浸水法常压热闷钢渣及余热回收系统,其包括闷渣装置以及与所述闷渣装置连接的余热回收装置；所述闷渣装置包括固态渣罐、连通固态渣罐底部的给排水装置以及设置在固态渣罐上方的水冷集尘罩；所述余热回收装置包括与所述水冷集尘罩通过水冷烟道连接的余热锅炉,所述余热锅炉的低温烟气管路连通依次连接的喷淋塔、脱水器、湿式电子除尘塔、除尘风机以及净气排放塔,所述除尘风机通过汽轮机拖动,所述余热锅炉的饱和蒸汽管道连接汽轮机。本发明还涉及利用上述系统进行闷渣和余热回收的方法。本发明可提高入罐钢渣的温度,充分了利用热钢渣的余热,同时有效治理并回收利用了闷渣过程产生的可燃气体,安全节能。(The invention relates to a reverse water immersion method normal pressure hot disintegrating steel slag and waste heat recovery system, which comprises a slag disintegrating device and a waste heat recovery device connected with the slag disintegrating device; the slag disintegrating device comprises a solid slag tank, a water supply and drainage device communicated with the bottom of the solid slag tank and a water-cooling dust hood arranged above the solid slag tank; the waste heat recovery device comprises a waste heat boiler connected with the water-cooling dust hood through a water-cooling flue, a spray tower, a dehydrator, a wet electronic dust removing tower, a dust removing fan and a clean gas emission tower which are sequentially connected are communicated with a low-temperature flue gas pipeline of the waste heat boiler, the dust removing fan is dragged through a steam turbine, and the saturated steam pipeline of the waste heat boiler is connected with the steam turbine. The invention also relates to a method for recycling slag disintegrating and waste heat by using the system. The invention can improve the temperature of the steel slag entering the tank, fully utilizes the waste heat of the hot steel slag, effectively treats and recycles combustible gas generated in the slag smoldering process, and is safe and energy-saving.)
技术领域
本发明涉及一种反向浸水法常压热闷钢渣及余热回收系统及方法。
背景技术
钢渣是在钢冶炼过程中副产物，其产量约为粗钢产量的12%~14%，目前我国钢渣年产量已达1.5亿吨左右。钢渣中含有一定量铁金属元素，回收金属铁对冶金企业来说有巨大的经济价值。钢渣中还含有大量游离氧化镁（f-MgO）和游离氧化钙（f-CaO）等不稳定物质，遇水反应体积会严重膨胀的特性不利于钢渣的回收利用。液态的钢渣温度高达1400~1600℃，具有比较高的余热回收价值。
热闷钢渣是钢渣预处理的主要方式，即向容器内的高温钢渣注水使钢渣粉化，达到渣铁分离的目的。同时，通过水化反应使游离f-CaO和f-MgO形成稳定的Ca(OH)2和Mg(OH)2，为回收金属铁和二次利用尾渣创造条件。
目前，我国热闷钢渣方式主要有池式热闷及罐式有压热闷，注水方式均为上部喷淋，缺乏对高温钢渣显热有效的收集手段。
1、池式热闷
热闷池是池闷处理钢渣的主要工艺设备，目前的热闷池存在如下问题：
（i）液态钢渣倾倒过程需要天车将液态渣罐吊至热闷池上方倾倒，然后少量打水冷却液态钢渣使之形成固态，为加快液态钢渣的冷却速度，打水同时需要挖掘机混合翻捣倒入池内的钢渣。由于天车和挖掘机参与操作，热闷池上方不易形成小范围密闭空间，在此过程中产生的大量蒸汽及烟尘很难有效收集。
（ii）倒渣入池和出渣时间长。目前倒渣入池需要9个小时，闷渣24个小时以上，出渣使用挖掘机需要2-3个小时，整个闷渣过程需要36小时左右时间。
（iii）为缩短闷渣时间，池式热闷一般需要加盖，通过水封密封，注水过程中形成的可燃气体聚集容易产生爆炸。
2、罐式有压热闷
每套闷渣罐由内层的固态罐和外层的高压釜组成，固态罐为钢渣容器，放置在外层高压釜内，高压釜加盖密封，注水后水蒸气在高压釜内保持0.2---0.4MPa的压力，具有一定压力的饱和蒸汽可以加速钢渣消解反应。目前罐式有压热闷存在如下问题：
（i）投资巨大。压力釜属于压力容器，制作难度大，运行成本高。
（ii）安全隐患突出，压力釜有爆炸的危险。该工艺投入市场后已经有多起压力釜爆炸事故发生。爆炸原因有两种：一是釜内压力控制过大，造成压力容器爆裂。二是装入渣罐中的钢渣温度过高，注水过程水产生的CO和H2等可燃气体，在密闭容器内容易聚集到一定浓度，且温度达到可燃气体着火点及产生爆炸。因此需要在前工序中将1200~1400℃的钢渣降温至600℃以下，造成前工序产尘烟气大，除尘能耗大，且处理时间较长，处理效率降低。
（iii）冷却水从固态渣罐上部喷淋，下部排水孔自然排水，为保证产生足够蒸汽，需要不断补充冷却水，因为冷水不断注入，使钢渣迅速冷却，水蒸气的产生量随之减少，不利于高压釜内保压，实际生产中上高压釜内保压时间只有60-90分钟。因此蒸汽压力的作用并不能充分发挥。
（iv）喷淋初期冷却水不能到达渣罐底部，底部的钢渣不能产生消解反应。同时，高压釜内的水温自上而下存在温度差，闷渣效果不均匀，尤其是在大容积渣罐中更为明显。
（v）闷渣产生的蒸汽含有大量氢气、一氧化碳等可燃气体以及颗粒物，难以收集利用。
发明内容
本发明的目的是提供一种可提高入罐钢渣的温度，充分利用了热钢渣的余热，同时有效治理并回收利用了闷渣过程产生的可燃气体，安全节能的反向浸水法常压热闷钢渣及余热回收系统及方法。
本发明采用如下技术方案：
一种反向浸水法常压热闷钢渣及余热回收系统，其包括闷渣装置以及与所述闷渣装置连接的余热回收装置；所述闷渣装置包括固态渣罐、连通固态渣罐底部的给排水装置以及设置在固态渣罐上方的水冷集尘罩；所述余热回收装置包括与所述水冷集尘罩通过水冷烟道连接的余热锅炉，所述余热锅炉的低温烟气管路连通依次连接的喷淋塔、脱水器、湿式电子除尘塔、除尘风机以及净气排放塔，所述除尘风机通过汽轮机拖动，所述余热锅炉的饱和蒸汽管道连接汽轮机。
其中，所述固态渣罐包括顶部开口的罐体、设置在罐体底部的给排水口、设置在给排水口上部且与罐体底面固定连接的球面溢水盖，所述球面溢水盖上设置有长孔，若干条所述长孔呈圆形阵列排布，所述球面溢水盖的顶部设置有筛网。
其中，所述给排水装置包括与所述给排水口连接的给排水管道，所述给排水管道的端部设置有快接头并通过软管连接给水管，所述给水管连通有排水支管。
其中，所述排水支管上设置有管道泵和排水电动蝶阀，并连通排水池，所述给水管上依次设置有电动调节阀、球阀、电磁流量计、供水电动蝶阀、止回阀以及卧式水泵，所述卧式水泵连通供水池。
其中，所述罐体上设置有雷达液位计以及远红外测温仪。
其中，4个以上的闷渣装置共同连接余热回收装置。
一种利用上述系统进行反向浸水法常压热闷钢渣及余热回收的方法，其包括如下步骤：
（a）将800℃以上经破碎的钢渣装入固态渣罐中；
（b）利用给排水装置按照供水流量曲线从固态渣罐底部向固态渣罐内部供水，至水位高于钢渣100mm；
（c）保持水位至水温100℃以下开始排水；
（d）混合烟气经水冷集尘罩进入余热锅炉，余热锅炉出口温度下降至200℃，余热锅炉产生纯净的饱和蒸汽；蒸汽压力达到0.8MPa后排出，驱动同轴汽轮机拖动除尘风机；
（e）余热锅炉产生的低温烟气依次通过喷淋塔、脱水器、湿式电子除尘塔后排放。
进一步的，所述步骤（b）中，供水流量曲线为：
（i）供水前10分钟，供水流量由0-5t/h逐渐增加；
（ii）至流量达到5t/h后保持此流量继续供水50-80分钟；
（ii）匀速供水结束后供水流量提高至10-15t/h，至罐内水位淹没钢渣约100mm。
本发明的有益效果在于：
1、相对于池式闷渣，实现了整个渣处理过程的密闭操作，实现了全部烟气有序排放，配合除尘系统完全可以做到颗粒物超低排放标准。
2、相对于有压热闷，取消了压力容器，大幅降低了设备投资以及设备运行费用。
3、相对于池式闷渣、有压热闷两种方式，彻底消除了爆炸隐患。
4、充分利用可燃气体燃烧的化学反应热量，降低系统电耗。
5、由于不存在可燃气体爆炸隐患，进入固态罐的钢渣温度不需要刻意控制温度，解放了上道工序冷却破碎钢渣的生产能力，提升了整个闷渣车间的生产效率。而且，较高的钢渣温度可以使消解反应更彻底。
6、相对于有压热闷，进入固态罐的钢渣温度可提高200℃以上，上道工序冷却破碎钢渣产尘烟气量大幅降低，降低了上道工序除尘电耗、水耗的同时，增加了本发明的热能回收率。
本发明在根本解决闷渣过程的环保排放问题的基础上，提高了入罐钢渣的温度，更充分了利用热钢渣的余热，同时有效治理并回收利用了闷渣过程产生的可燃气体，不但消除了爆炸隐患，而且节能降耗的效果显著。
附图说明
图1为本发明系统的示意图。
图2为固态渣罐与给排水装置的结构示意图。
图3为本发明方法的流程图。
其中，1水冷集尘罩、2水冷烟道、3余热锅炉、4低温烟气管路、5喷淋塔、6脱水器、7湿式电子除尘塔、8除尘风机、9净气排放塔、10汽轮机、11饱和蒸汽管道、12罐体、13给排水口、14球面溢水盖、15长孔、16筛网、17给排水管道、18快接头、19软管、20给水管、21排水支管、22管道泵、23排水电动蝶阀、24排水池、25电动调节阀、26球阀、27电磁流量计、28供水电动蝶阀、29止回阀、30卧式水泵、31供水池、32雷达液位计、33远红外测温仪、34集烟泵。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
实施例1
如图1~图2所示，一种反向浸水法常压热闷钢渣及余热回收系统，其包括闷渣装置以及与所述闷渣装置连接的余热回收装置；所述闷渣装置包括固态渣罐、连通固态渣罐底部的给排水装置以及设置在固态渣罐上方的水冷集尘罩1；所述余热回收装置包括与所述水冷集尘罩1通过水冷烟道2连接的余热锅炉3，所述余热锅炉3的低温烟气管路4连通依次连接的喷淋塔5、脱水器6、湿式电子除尘塔7、除尘风机8以及净气排放塔9，所述除尘风机8通过汽轮机10拖动，所述余热锅炉3的饱和蒸汽管道11连接汽轮机10。水冷烟道上设置有集烟泵，所述集烟泵将水冷集尘罩收集的高温烟气通过水冷烟道打入余热锅炉中。
本发明不同于传统的热闷钢渣自渣罐上部喷淋的注水方式，通过装置实现渣罐底部注水。不需要外部压力容器，利用汽蒸及水煮形式达到加速钢渣中游离氧化钙和游离氧化镁消解反应的目的。固态渣罐不加盖不密封，使可燃气体在钢渣表面完全燃烧，消除爆炸隐患。可燃气体燃烧可以产生800℃以上高温烟气，通过余热回收装置生产干净的过饱和蒸汽，用于除尘风机的汽力拖动，达到节能目的。
所述固态渣罐包括顶部开口的罐体12、设置在罐体12底部的给排水口13、设置在给排水口13上部且与罐体12底面固定连接的球面溢水盖14，所述球面溢水盖14上设置有长孔15，若干条所述长孔15呈圆形阵列排布，所述球面溢水盖14的顶部设置有筛网16。固态钢渣装入罐体后，球面溢水盖在底部实现支撑，给水时，利于给水的均匀分布，防止局部的冷热不均。在排水时，可以防止局部钢渣落入给排水管路造成堵塞。
所述给排水装置包括与所述给排水口13连接的给排水管道17，所述给排水管道17的端部设置有快接头18并通过软管19连接给水管20，所述给水管20连通有排水支管21。给排水管与固态渣罐固定连接，快速接头和软管可方便快速的将给水管与给水渣罐进行连接。
所述排水支管上21设置有管道泵22和排水电动蝶阀23，并连通排水池24，所述给水管20上依次设置有电动调节阀25、球阀26、电磁流量计27、供水电动蝶阀28、止回阀29以及卧式水泵30，所述卧式水泵30连通供水池31。所述罐体12上设置有雷达液位计32以及远红外测温仪33。上述各装置可通过单片机或PLC实现自动控制。排水支管上设置有管道泵，可以实现快速排水。
4个以上的闷渣装置共同连接余热回收装置。多个闷渣装置所产生的纯净蒸汽完全可以驱动除尘风机做功。
实施例2
如图3所示，利用实施例1所述系统进行反向浸水法常压热闷钢渣及余热回收的方法，其包括如下步骤：
（a）将800℃以上经破碎的钢渣装入固态渣罐中。
在熔融态钢渣形成固态的前提下，温度越高越有利于提升闷渣及余热回收效果；固态渣罐底部安装有防堵防漏的给排水装置，能保证冷却水进入、排出固态渣罐过程不被堵塞。
（b）用天车将固态渣罐放置在工位上，利用快速接头软管连接给水管，利用给排水装置按照供水流量曲线从固态渣罐底部向固态渣罐内部供水，至水位高于钢渣100mm；
供水流量曲线根据实验数据预设，并根据实际生产情况修正。供水流量使用电动阀门、电磁流量计、雷达液位计、远红外测温仪等，通过中控系统实现自动控制。
具体的，供水流量曲线为：
（i）供水前10分钟，供水流量由0-5t/h逐渐增加；
（ii）至流量达到5t/h后保持此流量继续供水50-80分钟；
（ii）匀速供水结束后供水流量提高至10-15t/h，至罐内水位淹没钢渣约100mm。
（c）保持水位至水温100℃以下开始排水。
步骤（b）和步骤（c）的给排水过程即为闷渣过程，整个过程3-4h，可根据渣量进行相应的调整。一般认为，水温低于100℃水化反应明显减缓，则闷渣结束。
在闷渣过程中，首先是蒸汽在罐内通过钢渣间隙上升，并在钢渣内部形成一定压力并对钢渣进行汽蒸。随着水位上升，钢渣浸入100℃以上的水中，对钢渣进行高温水煮。汽蒸和水煮两种方式都有利于水化反应的发生，在整个热闷过程中，钢渣均匀通过两种方式进行水化反应，从而达到合格的闷渣效果。
（d）余热回收系统由水冷集尘罩、水冷烟道、余热锅炉等组成，对可燃气体燃烧产生的热烟气进行余热回收生产干净的饱和蒸汽，用以除尘风机的汽力拖动。
在热闷渣过程中，水蒸气将渣罐内的空气置换，导致渣罐中氧气分子减少，为CO的产生创造了条件，同时产生CO和H2，反应如下：
C+H2O高温——CO+H2 （主反应）
C+2H2O高温——CO2+2H2 （主要副反应）
氢气和一氧化碳混合物即“水煤气”，属于易燃易爆气体，是坑闷或有压热闷工艺中产生爆炸的主要原因。由于本新工艺的固态罐不加盖不密封，在罐内逐渐上升的可燃气体在热钢渣表面充分燃烧，不但可以有效防止爆炸，而且产生大量化学反应热。
根据工厂生产实验采集的数据，进入集尘罩的混合烟气温度高达800℃以上。因为烟气温度比较高而且蒸汽量大，不适合用耐火材料喷涂，水冷集尘罩和水冷烟道可对集尘罩和烟道进行有效保护。为了避免热量过多损失，集尘罩和烟道中的冷却水流量需在保护集尘罩和烟道的基础上尽可能小。经测算，通过水冷集尘罩及余热锅炉后混合烟气温度下降至200℃，可产生2t/h以上的纯净饱和蒸汽，排出的蒸汽压力为0.8MPa，通过同轴汽轮机拖动除尘风机，可以大幅降低闷渣系统的电耗。实际生产当中，会有至少4个渣罐同时闷渣，所产生的纯净饱和蒸汽完全可以取代除尘风机电机做功。
闷渣过程产生的常压蒸汽随烟气通过集尘罩及烟道进行除尘，蒸汽冷却后的水作为水浴除尘的补水。
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