本發明涉及一種熱風動力式粒化冶金液態渣余熱回收系統及方法，屬于高溫物料回收利用技術領域。
背景技術：
能源是人類賴以生存和發展的重要物質基礎，能源使用效率的高低已成為一個部門、一個行業乃至一個國家技術進步的重要標志。隨著我國經濟的快速發展和人口的不斷增長，能源相對不足的矛盾已經日益突出，尋求新的能源或可再生能源，以及合理的綜合利用現有的寶貴能源是我國今后如何確保經濟可持續發展的關鍵所在。近年來，我國冶金工業取得了令人矚目的快速發展，其中鋼產量已經連續多年居世界第一位。冶金工業作為資源、能源密集型行業，是耗能大戶。其中鋼產業耗能量占全國能耗量的16%左右，但噸鋼可比能耗比先進國家高20%左右。能源問題日益成為我國冶金工業健康可持續發展的主要制約瓶頸之一。
二次能源的開發利用已引起人們極大的關注。近年來國外許多國家對冶金爐渣余熱回收利用做了大量的研究工作，取得了一定的成績。目前冶金爐渣處理的主要工藝有：粒化法、風淬法、管式冷卻法和merotec法。雖然上述方法都能解決一些問題，但各有各的缺點。粒化法最早是采用法國索里梅一福斯廠試用的一種爐渣粒化裝置，主要部件是一個直徑為90毫米、長1800毫米的溝槽滾筒，轉速約為300轉/分，其基本原理是將溫度1450℃的液體爐渣流向一個水冷噴水平臺，以便進行初次破碎，再將渣子拋在空氣中并粒化成球狀，粒度分布為0.3～15毫米,然后用霧化水加速冷卻（每臺設備的冷卻能力為100噸/小時），接著用流態床換熱器以較高的熱效率回收渣粒的能量。對于每小時處理60噸爐渣的設備所作的初步研究表明,這種裝置每小時可以產生溫度500～600℃的熱空氣7500公斤。因此,這階段回收的總效率為25～30%。這些熱可用于蒸氣發電或者預熱產品。然而，粒化法余熱回收效率低，會浪費大量的水，形成的大量污水、污泥難于處理。
風淬法是由日本鋼管公司和三菱公司共同發明的。該方法已在福山廠使用,月處理量為10000噸左右，其熔融渣溫度為l500～1600℃。該方法的設備中鼓風機使用一種特殊噴咀,經過強力鼓風后液態熔融渣被破碎成直徑小于3毫米的顆粒并很快冷卻固化，固化后的渣粒溫度仍有1200～1300℃,將它用于鍋爐,使熱量傳遞給鍋爐水管。這種設備能夠回收40%的余熱,每天可生產200噸蒸氣，該設備亦可用于有色冶金鼓風爐和轉爐上回收余熱。然則，鼓風機噴咀易阻塞，難以清理，且余熱回收效率低。
管式冷卻法是新日鐵琪制鐵所研究應用的方法。該方法的流程是將爐渣注入管式冷卻器φ90×500毫米(外徑φ150毫米)的管內,爐渣的熱量傳遞給管外的冷卻水，得到25公斤/cm2壓力的蒸氣,打開管子下方的蓋板,即可將凝固的渣子排出,而且只要管內加工良好,保持30%的傾斜度，即使3.2米長的管子也可將凝固渣順利排出。不過，灰渣容易粘附在管壁上，難以清理，余熱回收效率低。
merotec法是瑞典研究了一種merotec工藝回收高爐渣熱的新方法,該方法是把1350℃的熔融渣和循環渣經破碎器進入粒化器,然后到冷卻器,進入冷卻器的渣溫為700～800℃,在冷卻器中采用管道通以空氣或水,以獲得500℃的熱空氣或者250℃、210ata的水蒸氣，換熱后的渣粒經冷卻器進入分離器,將大于3毫米的渣粒用于建材,小于3毫米的用作循環渣。該工藝回收渣熱的效率可達60～75%,如將高爐渣熱用于干燥的目的,其效果可達80%。可是該方法較為復雜，投資成本高。
近年來，許多國家對冶金爐渣余熱的回收利用作了大量研究工作。冶金生產流程中投入了大量的能源，主要是為了金屬產品的生產創造和維持一個高溫反應與變形的條件，大部分能源轉變為二次能源被大量排放。有效回收利用冶金流程中的二次能源，是冶金企業降低能耗的重要途徑。其中，冶金中產生的高溫灰渣具有巨大的能量，如何有效余熱回收灰渣中的能量，是降低冶金企業能耗比的關鍵。現有的高溫灰渣余熱回收技術大多采用冷卻水進行冷卻，不僅浪費了大量的水資源，還形成大量的污水、污泥等難以處理的材料，并且工藝流程長，能耗高，對環境污染嚴重。
技術實現要素：
本發明的目的在于：針對上述現有技術存在的不足，提出一種熱風動力式粒化冶金液態渣余熱回收系統，同時給出了余熱回收方法，采用熱氣體與液態灰渣預混，不僅能獲得粒徑更小、更均勻的液態渣，還起到導流作用，同時避免因水冷卻液態渣導致的水資源大量浪費以及難于處理的污水、污泥產生，實現冶金液態渣余熱回收的高效回收。
為了達到以上目的，本發明的技術方案如下：一種熱風動力式粒化冶金液態渣余熱回收系統，包括灰渣換熱池、灰渣相變床和換熱設備，灰渣換熱池內設置有換熱管，灰渣換熱池內安置有液態灰渣；灰渣相變床包括密封腔體，密封腔體的頂部設置有內混式噴嘴，內混式噴嘴具有混合室，混合室分別經管路與灰渣換熱池、換熱管連接，密封腔體的底部具有第一冷氣入口和第一排渣口，密封腔體的上部還具有第一熱氣出口；換熱設備的一端為熱氣入口，另一端為冷氣出口，熱氣入口通過管路與分離器的出氣口連接，分離器的進氣口通過管路與第一熱氣出口連接，冷氣出口經管路連接第一高壓風機，第一高壓風機分別經管路連接第二高壓風機和第一冷氣入口，第二高壓風機經管路連接換熱管。
本發明采用內混式噴嘴，液態灰渣進入噴嘴的混合室后與經高壓預熱的熱氣體（該氣體來自換熱設備余熱回收后的氣體）進行混合，高壓熱氣體對液態灰渣有運輸和導流作用，并使液態灰渣粒徑變得更均勻、更小，液態灰渣在混合室內經過碰撞后，由噴嘴排出，進入灰渣相變床，并在灰渣相變床中與鼓入的冷氣體進行換熱，冷氣體將灰渣的熱量帶出，被加熱的氣體再通過換熱設備回收利用，液態灰渣凝固成固態灰渣并由第一排渣口排出。
本發明進一步細化的結構如下：
進一步的，換熱管具有第二冷氣入口和第二熱氣出口，第二冷氣入口經管道連接第二高壓風機，第二熱氣出口經管道與內混式噴嘴的混合室連接。
上述結構中采用換熱管輸送的熱氣體對液態灰渣進行預混，在內混式噴嘴中通過高溫高壓氣體驅使液態灰渣沿噴嘴徑向向外流動，液態灰渣被高溫高壓氣體沖撞，破碎并霧化成小液滴。本發明可以通過改變高溫氣體和液態灰渣的流量比獲取不同粒徑的灰渣，使灰渣顆粒更加均勻、粒徑更小，進而使液態灰渣與冷氣體換熱更加徹底。另外，由于熱氣體的溫度大于液態灰渣的熔點，致使噴嘴內的灰渣保持液態，不會堵塞。
進一步的，換熱管的第二冷氣入口與第二高壓風機之間還設有氣-氣換熱器，氣-氣換熱器包括殼體和設置在殼體中的換熱管束，殼體的一端進口經管路與第二高壓風機連接，另一端出口經管路與換熱管連接；換熱管束的進氣口通過進氣管連接位于分離器出氣口后的管路，進氣管設有第一流量控制閥，換熱管束的出氣口通過出氣管連接位于換熱設備熱氣入口前的管路，出氣管設有第三高壓風機。
上述結構中采用氣-氣換熱管是為了對冷氣體進行預熱，防止進入灰渣換熱池的冷氣體溫度過低，導致液態灰渣在灰渣換熱池中凝固。
進一步的，第一高壓風機與第二高壓風機之間的管路設有第二流量控制閥。
第一流量控制閥用于調整進入氣-氣換熱器的熱氣體的量，進入氣-氣換熱器的熱氣體的量為少量，使用少量熱氣體對進入換熱管前的冷氣體進行預熱，預熱后該少量氣體返回位于分離器后的管路中，由于氣體量較少，不會影響后面換熱設備的使用。第二流量控制閥用于調整進入換熱管的冷氣體的量，進而調節后面高壓熱氣體與液態灰渣的流量比。
進一步的，所述換熱管為盤管式換熱管。
進一步的，分離器的底端具有第二排渣口。
進一步的，灰渣換熱池經管道與灰渣儲存池連通，所述灰渣儲存池內裝有液態灰渣，在灰渣儲存池的頂部具有灰渣進口。
進一步的，換熱設備具有換熱夾層，換熱夾層具有冷媒入口和熱媒出口，冷、熱媒為水。換熱設備為氣體預熱器、回轉式氣-氣換熱器、翅片管換熱器、光管換熱器、熱管換熱器、盤管換熱器、板式換熱器中的一種或幾種。進一步的，分離器為重力分離器、慣性分離器、旋風分離器中的一種或幾種。
本發明還提供一種熱風動力式粒化冶金液態渣余熱回收方法，包括以下步驟：
第一步、灰渣儲存池向灰渣換熱池輸送溫度為1500～1600℃的液態灰渣后，第一高壓風機、第二高壓風機啟動，將溫度為150～300℃的冷氣體輸送至設置于灰渣換熱池內的換熱管，冷氣體在換熱管中與灰渣換熱池內的液態灰渣進行換熱，得到溫度為1300～1400℃的高壓熱氣體；轉至第二步；
第二步、換熱后的高壓熱氣體及液態灰渣分別經管路輸送至內混式噴嘴的混合室，并在混合室內混合后得到混合灰渣，混合灰渣粒徑大小的改變是通過調整高壓熱氣體與液態灰渣的流量比來實現，混合灰渣經內混式噴嘴上的噴孔噴出；轉至第三步；
第三步、溫度為150～300℃的冷氣體在第一高壓風機作用下從灰渣相變床底部進入其密封腔體，灰渣相變床內部保持微負壓，在密封腔體內冷氣體先與位于灰渣相變床底部的凝固的灰渣進行換熱，再與由內混式噴嘴噴射出的混合灰渣進行換熱，換熱后液態灰渣遇冷凝固成固體灰渣，冷氣體被加熱成800～1200℃的熱氣體；轉至第四步；
第四步、熱氣體從灰渣相變床排出后經分離器分離出攜帶的固體灰渣，進入換熱設備，熱氣體在換熱設備中與冷媒換熱得到溫度為150～300℃的冷氣體，冷氣體從換熱設備的冷氣出口排出，在第一高壓風機的引風作用下大部分導入灰渣相變床中循環使用，小部分在第二高壓風機的引風作用下導入換熱管循環使用。
進一步的，在第四步中，分離器出來的熱氣體，大部分進入換熱設備進行換熱，少部分經進氣管進入氣-氣換熱器對來自第二高壓風機的冷氣體進行預熱。
本發明的優點是，設計巧妙，工藝簡單，成本低，余熱回收效率高，且節能環保，避免產生大量的污水、污泥，有利于降低冶金企業的能耗，促進冶金企業可持續發展，具有良好的借鑒意義和推廣價值。
附圖說明
下面結合附圖對本發明作進一步的描述。
圖1為本發明一個實施例的結構示意圖。
具體實施方式
本實施例的一種熱風動力式粒化冶金液態渣余熱回收系統，其結構如圖1所示，包括灰渣換熱池4、灰渣相變床9和換熱設備13，灰渣換熱池4經管道與灰渣儲存池2連通，灰渣儲存池2內裝有液態灰渣3，在灰渣儲存池2的頂部具有灰渣進口1，灰渣儲存池2、灰渣換熱池4均為密封的圓筒狀或其它形狀。灰渣換熱池4內設置有換熱管5，灰渣換熱池4內還安置有液態灰渣3，換熱管5具有第二冷氣入口和第二熱氣出口，第二冷氣入口經管道連接第二高壓風機10，第二熱氣出口經管道與內混式噴嘴6的混合室連接。灰渣相變床9包括密封腔體，密封腔體的頂部設置有內混式噴嘴6，內混式噴嘴6具有混合室，混合室通過導液管15與灰渣換熱池4內腔連通，導液管15設有第三流量控制閥，同時混合室還經管路與換熱管5的第二熱氣出口連接，密封腔體的底部具有第一冷氣入口7和第一排渣口8，密封腔體的上部還具有第一熱氣出口。換熱設備13的一端為熱氣入口，另一端為冷氣出口，換熱設備13的熱氣入口通過管路與分離器11的出氣口連接，分離器11的進氣口通過管路與第一熱氣出口連接，換熱設備13的冷氣出口經管路連接第一高壓風機18，第一高壓風機18分別經管路連接第二高壓風機10和第一冷氣入口7，第一高壓風機18與第二高壓風機10之間的管路設有第二流量控制閥19，第二高壓風機10經管路連接換熱管5的第二冷氣入口。換熱設備13還具有換熱夾層，換熱夾層具有冷媒入口和熱媒出口，冷、熱媒為水。管路（管道）上均設有閥門。
另外，換熱管5的第二冷氣入口與第二高壓風機10之間還設有氣-氣換熱器14，氣-氣換熱器14包括殼體和設置在殼體中的換熱管束，殼體的一端進口經管路與第二高壓風機10連接，另一端出口經管路與換熱管5的第二冷氣入口連接。換熱管束的進氣口通過進氣管連接位于分離器11出氣口后的管路，進氣管設有第一流量控制閥17，換熱管束的出氣口通過出氣管連接位于換熱設備13熱氣入口前的管路，出氣管設有第三高壓風機16。第一高壓風機18、第二高壓風機10、第三高壓風機16均為引風機。
換熱管5為盤管式換熱管。分離器11的底端具有第二排渣口12。分離器11可以為重力分離器、慣性分離器、旋風分離器中的一種或幾種組合。
換熱設備13為氣體預熱器、回轉式氣-氣換熱器、翅片管換熱器、光管換熱器、熱管換熱器、盤管換熱器、板式換熱器中的一種或幾種組合。換熱設備采用耐高溫的砌磚材料制作。
本實施例的一種熱風動力式粒化冶金液態渣余熱回收方法，包括以下步驟：
第一步、灰渣儲存池2向灰渣換熱池4輸送溫度為1500～1600℃的液態灰渣后，第一高壓風機18、第二高壓風機10啟動，將溫度為150～300℃的冷氣體輸送至設置于灰渣換熱池4內的換熱管5，冷氣體在換熱管5中與灰渣換熱池4內的液態灰渣進行換熱，得到溫度為1300～1400℃的高壓熱氣體。
第二步、1500～1600℃液態灰渣經導液管15進入內混式噴嘴6的混合室，同時換熱后的1300～1400℃高壓熱氣體也通過管道輸送至混合室，高壓熱氣體對液態灰渣有輸送和導流的作用，二者混合室內經過碰撞、混合后得到混合灰渣，混合灰渣經內混式噴嘴6上的噴孔噴出。導液管15及管道上設有閥門，通過第二流量控制閥19、第三流量控制閥來調節高壓熱氣體與液態灰渣的流量比，進而獲得不同粒徑的灰渣。
第三步、溫度為150～300℃的冷氣體在第一高壓風機18作用下從灰渣相變床9底部進入其密封腔體，灰渣相變床9內部保持微負壓，在密封腔體內冷氣體先與位于灰渣相變床9底部的凝固的灰渣進行換熱，再與由內混式噴嘴6噴射出的混合灰渣（1500～1600℃）進行換熱，換熱后液態灰渣遇冷凝固成粒徑在1mm左右的固體灰渣（溫度100～125℃），固體灰渣經第一排渣口8排出，冷氣體被加熱成800～1200℃的熱氣體；轉至第四步；
第四步、熱氣體從灰渣相變床9排出后經分離器11分離出熱氣體攜帶的固體灰渣，分離器11出來的熱氣體，大部分進入換熱設備13進行換熱，少部分經進氣管進入氣-氣換熱器14對來自第二高壓風機10的冷氣體進行預熱，熱氣體在換熱設備13中與冷媒換熱得到溫度為150～300℃的冷氣體，冷氣體從換熱設備13的冷氣出口排出，在第一高壓風機18的引風作用下大部分導入灰渣相變床9中循環使用，小部分在第二高壓風機10的引風作用下導入換熱管5循環使用。
除上述實施例外，本發明還可以有其他實施方式。凡采用等同替換或等效變換形成的技術方案，均落在本發明要求的保護范圍。