专利名称：一种液态高炉渣的显热回收利用方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及能源回收利用领域，尤其涉及液态高炉渣显热回收利用方法及装置。
背景技术：
随着我国钢铁需求量的增长和钢铁工业的发展，高炉渣的排放量日益增大。目前国内外大型钢铁企业采用的高炉渣处理方式主要是以水淬法为主的湿式粒化工艺，该工艺得到的是以非晶玻璃相为主的粒化渣，具有潜在的水硬胶凝性能，是优良的水泥原料，具有较高利用价值。水渣处理工艺的主要缺点是不仅熔渣余热没有回收，而且需要消耗大量的新水以及冲渣产生的气态硫化物使空气污染严重，恶化了工作环境。为了回收液态高炉渣的显热，国内外各研发机构开始针对高炉渣的显热回收及其渣的资源化利用展开研究，取得了一定的成绩。
俄罗斯专利“渣处理方法及实施装置”(申请号RU2018494)公开了一种高温液态炉渣的处理方法和装置。该方法将高温液态炉渣注入放置的滚筒内，当炉渣与放置在滚筒内的钢球接触时被急剧冷却，炉渣由液态转成脆状可塑态并凝固在球体表面，由于球体的运动和彼此间的碰撞，炉渣被破碎降温。该方法在渣的粒化方面有一定的效果，但钢球在冷却渣的过程中遇高温容易变形，影响冷却效果；虽然实现了渣的资源化利用，但热能被大量的浪费掉而且不能连续生产。专利“高炉渣显热回收系统”(申请号CN200810229556. 2)公开了一种包含转杯、渣粒捕集器和余热锅炉的热回收系统。该方法是将高温液态炉渣流经高速旋转的转杯中并沿转杯的切线方向甩出，在此过程中破碎为渣粒，渣粒撞到渣粒捕集器的水冷壁进一步被冷却凝固并下滑到渣粒捕集器的底部，通过渣输送带输送到余热锅炉，将热量传递给管内的水，使水汽化产生蒸汽，冷却后的炉渣从余热锅炉底部排除。该方法在渣粒捕集器中单靠水冷壁来冷却渣粒很难达到渣粒化的效果，而且设备较复杂，控制困难、流程较长显热浪费多，热回收效率不高、动力消耗大。专利“高炉渣处理及渣热能利用方法及实施装置”(申请号CN200710157873. 3)公开了一种渣处理及其显热的利用方法和装置。该方法将沸腾釜、处理罩安装在热水池上部，高炉液态渣经渣沟直接流入沸腾釜的水中进行泡渣、粒化，同时将釜内水加热沸腾并产生大量蒸汽，这样随着渣的不断流进，水泵水的补充，渣的热全部转化为热的蒸汽，并经过处理罩上部管道经引风机输出，经除尘过滤后加以利用。该方法在渣的粒化过程中有了很好的效果，但是水耗高，需要大量的新水作为补给，对水资源短缺的企业和国家来说问题尤为严重，而且在产生的蒸汽中含有H2S和SOx有毒气体，给在随后的利用中带来困难。这些方法归结起来，基本上都是采用不同的方法先把热渣粒化，然后在渣的下落、输送过程中进行气体热交换，以提取渣热。这些方法都不能完全利用熔融渣的潜热，而且这些方法得到的热蒸汽或热水都是低品质的热源，不能高效的利用渣的显热。另外由于高炉出铁的间歇性，造成热回收装置不能连续进行，因此需要提出一种高效率的能连续工作的显热回收装置。
发明内容
本发明的目的在于，利用化学反应吸热和相变材料储能的原理，提供一种可以连续工作的高效回收利用液态高炉渣的显热回收利用方法及装置。本发明的技术方案是这样的，利用转鼓转动将液态高炉渣压制成薄膜，将液态高炉渣的热量传递给转鼓内的甲烷-水蒸气化学反应生成氢气，同时利用相变材料储能，使其在高炉间歇阶段利用相变材料储存的能量使甲烷-水蒸气混合气体化学反应生成氢气，生成的高温氢气和二氧化碳与换热器产生热交换，连续转化为蒸汽，实现液态高炉渣显热的闻效利用。本发明的工作原来是在高炉出铁阶段I，固态相变材料吸收高炉渣显热转变为
液态相变材料，在这个相变过程中相变材料吸收并储存热量，同时甲烷-水蒸气发生吸热的重整反应；在高炉间歇阶段II，液态相变材料发生逆相变变为固态相变材料，在这个过程中相变材料放出在阶段I所储存的热量，使由甲烷-水蒸气储柜持续供给的甲烷-水蒸气反应，然后再回到阶段I继续上述过程，从而实现连续工作。本发明相变材料具体选用的是固液相Na2S04/Si02的无机盐/陶瓷基的圆柱形复合相变材料，其密度为I. 9 2. lg/cm3，熔化温度为879 883. 6V，比潜热为64. 46 84. lkj/kg，比热容为 I. 16 I. 25kJ/kg. °C，储能密度为 190 210kJ/kg。 本发明当高炉出渣量为20 30kg/s，转鼓的直径为640 960mm，转速90 150r/min，供入的混合气体与相变材料的质量比为I : 30 I : 50。实现发明的设备主要由渣流槽，渣罐，储渣罐、转鼓，锯齿形刮渣板，甲烷-水蒸气储柜、相变材料，换热器，储气柜，泵组成，渣流槽接渣罐，渣罐连接转鼓，转鼓下方安装锯齿形刮渣板，转鼓由传动装置驱动，转鼓内装有相变材料，同时转鼓与换热器连接，换热器接储气柜，转鼓经泵与甲烷-水蒸气储柜连接。本发明的工作过程是这样的当高炉出铁时，渣流槽直接和高炉的出渣沟相连，液态高炉渣通过渣流槽进入渣罐内。液态高炉渣经渣流槽进入渣罐内，渣罐主要是防止液态渣溢出，然后经渣罐流进两个相向转动的转鼓中间，在转鼓转动的过程中，液态渣经过两转鼓挤压成薄膜状并粘附在转鼓的表面，高炉渣由颗粒状变为薄膜状，增大了与转鼓的接触面积，强化了传热效果。同时反应气体由甲烷-水蒸气储柜经泵进入进气管通过气孔进入转鼓中，转鼓的转动由传动装置来提供。高炉渣的热量通过导热的方式传给转鼓内的甲烷-水蒸气以及相变材料，甲烷-水蒸气发生强吸热的重整反应生成CO和H2,反应式为CH4+H20 — C0+3H2AH298k = 206kJ/mol生成的混合气体经出气管到达换热器，经换热后冷态的混合气体由储气柜储存或直接进入下一道工序。换热器的冷却介质为常温水，经过换热的水蒸气进入发电锅炉进行发电。在重整反应的同时相变材料在达到熔化温度时发生从固态到液态的相变并储存热量。粘附在转鼓上的渣料薄膜被锯齿形刮渣板破碎脱落，脱落的渣片碰撞到水冷壁进一步产生热交换，然后渣片滑落到出渣口的输送带上被运走。当高炉出铁完毕时，液态的相变材料发生逆相变释放潜热，形成一稳定的高温热源，使甲烷-水蒸气发生重整反应生成CO和H2,生成的混合气体经出气管到达换热器，经换热后冷态的混合气体由储气柜储存或直接进入下一道工序，从而实现高炉渣余热回收利用的连续性。采用本发明具有可以实现以下明显效果I、本发明通过相变储能材料的使用实现了高炉渣回收利用的连续性，使高炉渣余热可以实现连续回收并转化为蒸汽能源进行发电。2、采用甲烷重整制氢的间接热回收方式，实现回收介质的洁净度较高，有利于能源的二次使用和交换。3、本发明通过重整反应吸热和相变材料储能的方式，达到了使渣成为非晶玻璃相的条件，玻璃化率达到95%以上，热回收率达到了 65%以上。
图I是本发明工作原理示意图；图2本发明的转鼓结构示意图；图3是本发明相变材料持续工作流程图。图中1_渣流槽、2-渣罐、3-储渣罐、4-转鼓、5-锯齿形刮渣板、6-相变材料、7-换热器、8-储气柜、9-泵、10-甲烷-水蒸气储柜、11-输送带，12-进气管、13-气孔、14-传动装置、15-出气管，16-高炉洛，I -高炉出铁阶段、II -高炉间歇阶段、6a-固态相变材料、6b-液态相变材料。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的具体实施例做详细说明本发明是利用转鼓转动将液态高炉渣压制成薄膜，将液态高炉渣的热量传递给转鼓内的甲烷-水蒸气化学反应生成氢气，同时利用相变材料储能，使其在高炉间歇阶段利用相变材料储存的能量使甲烷-水蒸气混合气体化学反应生成氢气，生成的高温氢气和二氧化碳与换热器产生热交换，连续转化为蒸汽，实现液态高炉渣显热的高效利用。本发明实施例中采用的相变材料的各物性参数为密度为2. Og/cm3，熔化温度为880°C，比潜热为80kJ/kg，比热容为I. lkj/kg. °C，储能密度为200kJ/kg。当高炉出铁时，按处理渣的能力为20kg/s，则1500°C液态高炉渣所含的热量为36000kJ。如图1、2所示，渣流槽I直接和高炉的出渣沟相连，液态高炉渣通过渣流槽I进入渣罐2内。液态高炉渣经渣流槽I进入渣罐2内，渣罐2主要是防止液态渣溢出，然后经渣罐2流进两个同向转动的转鼓4中间，在转鼓4转动的过程中，液态渣经过两转鼓4挤压成薄膜状并粘附在转鼓4的表面，高炉渣由颗粒状变为薄膜状，增大了与转鼓4的接触面积，强化了传热效果。同时反应气体由甲烷-水蒸气储柜10经泵9进入进气管12通过气孔13进入转鼓4中，转鼓4的转动由传动装置14来提供。高炉渣的热量通过导热的方式传给转鼓4内的甲烷-水蒸气以及相变材料6，其中每个转鼓中通入0. 82kg的甲烷-水蒸气、25kg的相变材料，甲烷-水蒸气发生强吸热的重整反应生成CO和H2，则重整反应以及相变材料发生相变所需要的热量为24000kJ，根据能量守恒可以得出当渣从转鼓上脱落时的温度在500°C以下，达到了使渣成为非晶玻璃相的条件即高炉渣的冷却速度1000°C /S，故渣的玻璃化率达到了 95%以上。生成的混合气体经出气管15到达换热器7，经换热后冷态的混合气体由储气柜8储存或直接进入下一道工序。换热器的冷却介质为常温水，经过换热的水蒸气进入发电锅炉进行发电。根据热平衡，回收的热量包括重整反应吸收的热量、相变材料的相变潜热和储存的热量以及反应生成的气体带走的热量。根据计算得反应生成的气体带走的热量为2800kJ，则热回收率为65%。在重整反应的同时相变材料6在达到熔化温度时发生从固态到液态的相变并储存热量。粘附在转鼓4上的渣料薄膜被锯齿形刮渣板5破碎脱落，脱落的渣片碰撞到密闭容器3下部的水冷壁进一步产生热交换，然后渣片滑落到出渣口的输送带11上被运走。当高炉出铁完毕时，液态的相变材料6发生逆相变，释放的潜热为5200kJ，而甲烷-水蒸气发生重整反应需所要的热量为5000kJ，从而保证了重整反应的进行并且生成CO和H2,生成的混合气体经出气管15到达换热器7，经换热后冷态的混合气体由储气柜8储存或直接进入下一道工序如图3所示，在高炉出铁阶段I，固态相变材料6a吸收高炉渣16显热转变为液态相变材料6b，在这个相变过程中相变材料6吸收并储存热量，同时甲烷-水蒸气发生吸热的重整反应；在高炉间歇阶段II，液态相变材料6b发生逆相变变为固态相变材料6a，在这个过程中相变材料6放出在阶段I所储存的热量，使由甲烷-水蒸气储柜10持续供给的甲烷-水蒸气反应，然后再回到阶段I继续上述过程，从而实现连续工作。当高炉出禮:量为20 30kg/s,转鼓的直径为640 960mm,转速90 150r/min,供入的混合气体与相变材料的质量比为I : 30 I : 50。为了实现本发明装置的连续工作，根据具体高炉出渣量的实际情况实行对甲烷-水蒸气混合气体与相变材料进行配比，下面介绍本发明的几个具体实施例
权利要求
1.一种液态高炉渣的显热回收利用方法，其特征在于，利用转鼓转动将液态高炉渣压制成薄膜，将液态高炉渣的热量传递给转鼓内的甲烷-水蒸气化学反应生成氢气，同时利用相变材料储能，使其在高炉间歇阶段利用相变材料储存的能量使甲烷-水蒸气混合气体化学反应生成氢气，生成的高温氢气和二氧化碳与换热器产生热交换，连续转化为蒸汽，实现液态高炉渣显热的高效利用。
2.根据权利要求I所述的一种液态高炉渣的显热回收利用方法，其特征在于，所述的相变材料为固液相Na2S04/Si02的无机盐/陶瓷基的圆柱形复合相变材料，其密度为I. 9 2.lg/cm3，熔化温度为879 883. 6 °C,比潜热为64. 46 84. lkj/kg，比热容为I. 16 I.25kJ/kg. °C，储能密度为 190 210kJ/kg。
3.根据权利要求2所述的一种液态高炉渣的显热回收利用方法，其特征在于，当高炉出渣量为20 30kg/s时，供入甲烷-水蒸气混合气体与相变材料的质量比为I : 30 I 50。
4.如权利要求I所述的一种液态高炉渣的显热回收利用方法所用的装置，其特征在于，它包括渣流槽，渣罐，转鼓，锯齿形刮渣板，甲烷-水蒸气储柜、相变材料，换热器，储气柜，泵组成，渣流槽接渣罐，渣罐连接转鼓，转鼓下方安装锯齿形刮渣板，转鼓由传动装置驱动，转鼓内装有相变材料，同时转鼓与换热器连接，换热器接储气柜，转鼓经泵与甲烷-水蒸气储柜连接。
5.根据权利要求4所述的一种液态高炉渣的显热回收利用方法所用的装置，其特征在于，反应气体由甲烷-水蒸气储柜经泵进入进气管通过气孔进入转鼓中。
6.根据权利要求4所述的一种液态高炉渣的显热回收利用方法所用的装置，其特征在于，渣罐，转鼓及锯齿形刮渣板均安装在储渣罐中，储渣罐下部安装水冷壁，储渣罐底部是出渣口，渣口接输送带。
全文摘要
本发明公开一种液态高炉渣的显热回收利用方法及装置，它是利用转鼓转动将液态高炉渣压制成薄膜，将液态高炉渣的热量传递给转鼓内的甲烷-水蒸气化学反应生成氢气，同时利用相变材料储能，使其在高炉间歇阶段利用相变材料储存的能量使甲烷-水蒸气混合气体化学反应生成氢气，生成的高温氢气和二氧化碳与换热器产生热交换，连续转化为蒸汽，实现了液态高炉渣显热的高效利用；采用甲烷重整制氢的间接热回收方式，实现回收介质的洁净度较高，有利于能源的二次使用和交换。通过重整反应吸热和相变材料储能的方式，达到了使渣成为非晶玻璃相的条件，玻璃化率达到95％以上，热回收率达到了65％以上。
文档编号C09K5/06GK102721029SQ20111007790
公开日2012年10月10日 申请日期2011年3月29日 优先权日2011年3月29日
发明者刘常鹏, 张天赋, 张宇, 李卫东, 王东山, 袁玲, 贾丽娣, 贾振 申请人:鞍钢股份有限公司