粒化能熔渣干式粒化与集成热能回收学习资料

发布者:admin 发布时间:2019-10-26 16:35 浏览次数:

这套装置 的机壳外径大约有1.2m,旋转盘直径达到70mm。这些发现表明渣中的硫没有损 失,而且渣中硫排放也最低,并计划通过对大规模 试验工厂的尾气取样和分析来进行验证。DSG的基本步骤包含: 在熔渣表面张力的作用下,熔渣带在离开旋转盘后短距离内断裂形成熔滴;就节水、减少污 染、余热回收、减少能源消耗和温室气体排放等方 面而言,DSG同水淬法相比,提供了一种更加可 持续的处理方法。WittPJ。熔渣在粒 化器中自动分离形成细小的渣滴,这些渣滴经过 冷却固化形成玻璃态的微粒。目前,独特的旋转盘已经解决了 在细小粒渣的产生过程中会形成渣棉的问题。图2所示为用于验证熔渣干式 粒化与余热回收集成概念的粒化装置。用小型试验 装置对有色金属工业渣进行了粒化,试验的成功 证明了新工艺可应用于处理富氧化铁渣。granulation;两个处 理步骤都使用空气来回收余热,产生的热空气大 约在500~6000C之间。+H20(g)=H2S(g)+(CaO)slag H2S(g)+202(g)=H2S04 在空气等干燥且氧化性较强的环境中,由于 渣中硫酸根离子(SOj)存在的形式不同,使得渣 巾的硫容量以及渣中硫的转移机理发生变化,而 这些变化对于高炉类渣的气相脱硫效率可能会有 显著的影响。通 过旋转气流来冷却热粒渣.从而产生高度玻璃化物 质,使得空气输入量相对较少。682012年第4期 新型集成熔渣干式粒化处理工艺通过‘j工业企业的合作,研究工作已经拓展 到了渣中的余热回收方面,同时为了实现干式粒 化和余热回收的集成,设计r由两个工序组成的 概念化工艺。表1样渣在经过干法渣粒化前后的硫含量对比% 2计算机流体动力学(CFD)模拟 尽管采用旋转盘雾化器的DSG概念是很简 单的,但是各相之问的相互作用却可能是很复杂 的,而这些相互作用正是DSG工艺能够成功运行 的核心。这项工艺包含了一个干式粒化器和 一个逆流填充热交换床,如图l所示。DSG渣处理概念的提出可以追溯到20世纪 80年代,在经过之前的论证之后才得到了较深入 的研究怛““,并提出了不少的方法,有些已经在试 验装置及工厂进行了试验和测试。更进一步讲,取硫含量在 0.52%~0.73%范围内的渣样进行试验,结果显 示干式粒化前后样渣中硫含量的变化基本测量不 出来,如表1所示!   C) 可作为现场就地利用的热源。C之 间,熔渣放流1rain后尾气温度达到300oC。对JasonDonnefiy,BennyKuan,Terry Norgate。致谢本项研究自2002年起得到了澳大利亚联 邦科学与工业研究组织的支持,并于2007年得到 了一钢公司与博思格钢铁公司的协助。熔渣干式粒化法(DSG)是渣处理领域发生的 根本性变化。   在图7中很明显,三 维CFD模拟已经预测到了通过小型试验装置试验 所获得的双峰分布特征。slag;由于没有水的存在以及没有熔渣与水蒸气的 反应,DSG处理工艺提供了一个能够显著减少硫 排放的良好环境。工艺的技术经济性方面,通过对水淬粒化渣 和熔渣干式粒化进行的初步对比分析显示,熔渣 干式粒化无论是在处理能力还是运行成本方面都 更加经济,在其他文章中对评价的详细内容进行 了阐述:。转盘旋转速度的增加导致了粒渣尺寸的减 小,当转盘旋转速度从1780r/min提高到2 570 r/min时,粒渣的平均尺寸从1.25mm下降到了 mill。值得注意的是, 炉渣水淬法常伴随有含硫气体的排放,而产生轻 微的空气污染。1“。C) 2008--2009年期间,使用黑色金属和基础金 属行业的工业渣,并在实验室规模的原型设备成功 验证了这个概念。参考文献HillS.Thefutureof ferrousslag-marketforecasts 2020[R-OL].http://www.pira—international.com/Global—Ferrous-Slag-Market-Poised—to Reach-almost—USD28-billion by-2020.aspx. FukuyamaWorksNJ.BlastgranulationsystemofBOF slagandits products[J].Nippon KokanTechnical Report,Overseas No 38,1983:87. YoshidaH,NaraY,NakataniG,村a1.Thetechnology ofslagheatrecoveryatNKK[R].1984. AndoJ,NakaharaT,OnousH,et矗.Development slagtreatment method,heat recovery resources,technicalreview[R】.MitsubishiHeavyIndustries,Japan,1985:136—42. DevelopmentDepartment,Iron SteelPlant Division,Japan.Dry GranulationandHeatRecoveryof MoltenBlastFurnaceSlag。C范围内 变化对于粒渣尺寸的影响却是有限的,如图5(b) 所示。DSG工艺所产生的热空气(约 500—600)可就地利用,如干燥、预热、生产蒸 汽、发电或者其他相应的用途。4结语 研究开发了一种新型的熔渣干式粒化与余热 回收集成工艺,并通过小型试验装置对这个概念 进行了验证。heatrecovery。   计划未 来将在金属冶炼厂通过工业化规模试验,对这项 技术进行更深入的研究。图7所示为三维CFD模拟对熔渣液滴粒径分 布的研究结果。建模是基于熔渣放流速度在2kg/ min、其他条件(转盘旋转速度、渣温等)同小型试 验装置类似的情况下进行的。澳大利亚联邦科学与工业研究组织对DSG工 艺的研究始于2002年,并且在工艺设计方面已经 取得了重大突破。在对一组公开发行的高炉渣脱硫试 验数据的详细研究中,Behon指出水蒸气以及反 应气体的氧分压对于硫的迁移动力学影响 显著‘1“。工业化规模的DSG 装置将于2—3年内以澳大利亚的一座高炉为研 究对象进行工厂试验。在CSIRO(澳大利亚联邦科学与工 业研究组织)建造了一个外径达到3m的半工业 化干法粒化装置(图8),并且已经成功投运。澳大利亚联邦科学与工业研究组织验证熔渣千式粒化与余热回收工艺新概念试验样机 1.1粒化渣特性 经过小型试验,把高炉渣放入感应电炉中进行 再次熔化。硫和温室气体排放 doi:10.3969/j.issn.1672—9587.2012.04.009 Dryslaggranulation integratedheat recovery SharifJahanshahil,DongshengXiel,YuhuaPanl,PhilRidgeway2,JohnMathieson3 (1.CSIROMineralsDownUnderNationalResearch Flagship。同时,对余热在线回 收利用的可能性进行了探究。目前,新 工艺的处理规模已扩展至半工业化规模的DSG 装置,将进行深入研究,为进一步扩大至工业化规 722012年第4期 模的DSG装置做准备-亡作。值得注意的是,图7中的 CFD模拟结果是通过对在旋转盘附近所形成的熔 带及熔滴进行建模得出的,并不包括熔滴之间或者 熔滴与粒化器壁及粒化器顶部可能发生的碰撞。目前,DSG工艺处理规模扩大了一个数量 级,能够熔化500kg的渣并且渣处理能力达到了 100kg/rain。,F,和D,分别是第j级粒度的质量分数和粒径中值)1.3玻璃态物质含量与胶结性 使用x射线衍射和光学显微镜对干法粒化 高炉渣和水淬粒化高炉渣的结构和玻璃态物质含 量进行检测。2006— 2009年期间,本项目也得到了可持续资源处理中 心的协助。在相似的渣温和熔渣放流 速度的条件下进行了试验,以尝试验证试验结果 的再现性。在这种新的处理方法中,熔渣在旋 转盘中由于离心力的作用而雾滴化,产生的细小 熔滴在空气的冷却下变为玻璃态的颗粒。渣沟终端熔渣温度在 430~15100C范围内,适用于熔渣干式粒化设备的运行,在今后的工厂试验中将考虑较大范围 的渣温和放流速度的波动。由炼铁 熔渣所产生的玻璃态颗粒,同水淬粒化渣一样适 用于生产水泥。sulphurand greenhouse emissions 0前言 利用冶炼和精炼工艺生产金属制品过程中会 伴随有副产物“渣”的产生,而这种渣主要是由矿 石或精矿中的氧化物杂质以某种形式结合而成 的?   出渣温度, b)温度对于平均直径,熔渣放流速度比值的影响 (温度1441一I480"C.转速I780r/min) 各参数间的相互影响(MD=EF,D。尽管到目前为止所作的研究工作多集中于炼 铁高炉渣的处理,但是新工艺同样可以处理铁合 金和有色金属冶金产生的炼钢熔渣。这些突破可能会大 大减少熔滴的飞溅距离,使得粒化装置更加紧凑的 同时,带来一套更加有效的空气冷却工艺。以烟煤的热当 量27106J/kg来计算,每年未回收的热量相当 于燃烧了3000万t煤,排放8000万t的C02。尾 气温度受到熔渣放流持续时间的限制,而出渣持续时间又受每次提供的熔渣量的限制。然后,对于式粒化 渣样品和水淬粒化渣样品一同进行特性分析。这些研究结果与随后进行的一些研究结 果都证明了熔渣放流速度和转盘转速对于熔滴形 成和各相问热传导的影响。如 果所有的化铁高炉渣能够经过粒化处理并且其中 的热能能够得到回收和再利用的话,那么每年 CO:减排的量将会达到数亿吨。一些冶金企 业以水为介质对高炉熔渣进行粒化和急冷,所产 生的玻璃态产物可以作为硅酸盐水泥生产的掺合 料或替代物。干式粒化渣主要由 长球状和球体组成,如图3(b)所示,并且95%以 上的粒渣直径小于I.5mm。1985,12(1):14—21.MacauleyD.Slag treatment timefor Improvement[J].SteelTimesInternational,1986(9):S15—16. FeatherstoneWB,Slagtreatmentimprovementbydry grmmlation[J].Ironand Steel Engineer,1998 (7):42. Miznochi T,AkiyamaT,ShimadaT,eta1.Feasibility ratarycuptomizerfor slaggranulation[J].ISU International,200l,41(12):1423—1428. XieD.JabanshahiS.Wasteheat recovery frommolten slags[c]//ne 4thInternational Congress ScienceandTechnologyofSteelmaking(ICS2008),Gifu。在消耗大量原水(大约1 000— 500L/t渣)的同时,还无法从熔渣中回收高品 质的余热。干式粒化渣由于密度较高(约为湿法粒化渣的2倍)而呈现黑色,但是经过研磨之后 呈现淡灰色,如图3(e)所示。1.1.1 干式粒化渣的物理特性 的对比图。新工艺能够在不使用水的条件下,粒化1 400 500%温度范围内的熔融高炉渣,排出的固体粒渣温度在50~100。,图4为使用不同累汁方法标注 的尺寸分布图.尺寸分布特征显示,在0.4 inm 40 30 203o 4o 5o 尺寸/mm 和1.4toni分别达到了两个峰值,如图4(a)所示。此时,热的微粒 (小于900)进入到第二个处理工序——逆流填 充热交换床,并在这里进一步冷却到接近环境温 度再进行排放,以最大限度地回收余热。Shigematsu T.et a1.Dry granulation andsolidificationofmoltenblast furnace slag[J].TranISIJ,1982,22:823-829. [10][12] [13] [14] [15] [16] Picketing J,HayN,RoylanceTF,eta1.New process fordrygranulation heatingrecoveryfrom molten blast furnace slag[J].Ironmaking Steelmaking。1.4硫排放 传统水淬法所产生的硫排放是一个比较显著 的问题,主要排放含硫7t体,包括酸雾,化学反应 702012年第4期 300041))50IlO 6f)fJf 20( )(】2(Jc】fj烈J(J『J4000 50(m 图6渣X射线衍射图式如下: (CaS)山。2.OneSteel Limited,Newcastle,NSW,Australia。   由DSG工艺处理得到的固态粒渣适用于生产水泥,同时产生的热空气(约500—600。熔渣干式粒化与集成热能回收学习资料,干式变压器回收,苏州干式变压器回收,回收旧干式变压器,回收二手干式变压器,上海干式变压器回收,泉州干式变压器回收,莆田干式变压器回收,厦门干式变压器回收,石家庄干式变压器回收66世界钢铁 2012年第4期 熔渣干式粒化与集成热能回收 Sharif Jahanshahi‘,DongshengXiel,YuhuaPanl,PhilRidgeway2,John Mathieson3 (1.联邦科学与工业研究组织,澳大利亚维多利亚州;但 是,无论采用水淬粒化还是空冷的方法,渣中所含 有的热能都没有被回收而直接排放至大气中。由 于中国和印度等国家的钢铁产量El益提升,必将 导致含铁尾渣产量显著增加。如果一切顺利的话,计划在两年内建立一个 更具规模的工业化工厂(熔渣放流速度达到1~2t/min)。90%以上的粒渣小f1.5 mm,如图4(b)所示i 100 80婺60 攮20aj尺 干式粒化渣尺寸分布图1.2运行条件对粒渣尺寸的影响 利用工业渣进行了一系列的试验,对熔渣的 放流速度、渣温及转盘旋转速度等运行参数对粒 渣尺寸的影响进行_r研究。   除此之外,粒化高炉渣用于部分替代普通水泥也 可以避免由于石灰石煅烧而引起的CO:排放,大 约每吨水泥可减少0.8—0.9t的CO:排放。关于更多更详细的三维CFD模拟仿真的研究结 果,在其他文章中进行了更详细的阐述。试验是通过再熔工业高炉渣,以 10kg/min的熔渣放流速度进行的。新工艺的处理规模 扩大了一个数量级,并且建造了一个半工业化规模的装置(渣处理能力提高到了100kg/min),业 已投入运行,用于对工艺设计进行深度优化和论证。C范围内,同时利用空气对 渣中的余热进行回收。初步的技术经济评价分析显示,新工艺在投 资和运行成本方面都有可观的经济性。熔渣干式粒化(DSG)是渣处理领域发生的根本性变革。6J。澳大利亚联邦科学与工业研究组 织对DSG工艺的研究始于2002年,并且在工艺设计创新方面已经取得重大的突破。由于所采用的冷却及后处理方法不同, 存在多种途径对如此巨量的渣进行利用,使其成 为能够在国家之间进行流通的商品。图3高炉渣放大图1.1.2粒渣尺寸分布 于式粒化渣尺寸分布的测量使用的是筛分 法,并且对在相似渣温(1460~1480)和熔渣放流速度(1.8~2.5kg/rain)条件下得到的一组 世界钢铁 69样品进行了分析。   新 的装置将用于生成数据,以便对更先进的CFD模 型进行评价。干式粒化与余热回收集成概念工艺流程图(固态颗粒约800。同时,如果可能的话,量化对粒渣尺寸 熔渣放流速度/(kgmin…) fa)熔清放流速度对粒渣平均直径(MD)的影响 2030 粒径/mm(b)累计尺,j分布图 影响大的关键运行条件。10])而未能得到成功的商业化应用。然而,渣温在1 440—1 480。XieD.CFDsimulafinnoffreesurface flowandheat transferofliquidslagonspinningdisc foranovel dryslag granulationprocess,progress cmuputationalfluid dynamics[J].2010,10(5/6):292 —299. PanY,WittP,Xie D.CFDsimulationofslagdroplet formation spinningdiscin dryslag granulation processes[c】//8th lnl.Conferenceon Computational FluidDynamicsin theOil&Gas.Metallurgicaland ProcessIndustries.Trondheim.2011. NorgateT,XieD,JahanshahiS,eta1.Utilizationof slag waste heat insteel plants【c]//First ESRP Conferenee,21—22November,Melbourne,Aus仃alia, 27:13一14. XieD,Jahanshahi S,Norgate T.Drygranulationto provide asustainable option forslagtreatment[C]// Sustainable Mining2010,Kalgoorlie,WA,Australia, 2010:22—28. 译自(201l钢铁大会论文集》,德国钢铁协会,德国,多塞尔多夫 《曲InSteelCon2011 Proceedings), SteelInstituteVDEh,Dtisseldorf, Germany然而,水淬粒化渣处理却需要消耗大量的水资源,并且可 能带来有害气体排放。Victoria,Australia;分析上述一系列反应有助于开发一个先进的 计算机流体动力学模型,从而把流体流动现象、渣 的物理化学性(液相线温度、胶结性、导热性、表 面张力等)同渣中所含的其他相物质的转换特性 关联起来。2.一钢有限公司,澳大利亚新南威尔士州纽卡斯尔市;世界钢铁 渣滴(粒渣)直径/mill渣滴(粒渣)直径/rain (a)通过3DCI-'D/陵型计算的质量分数及粒径分布 (b)通过测量和计算得出的累计粒径分布对比 在2kg/rain熔渣放流速度条件下的粒径分布3工艺规模扩大及发展方向 作为这个新工艺未来试验准备的一部分,在 一钢公司Whyalla钢铁厂和博思格肯布拉港钢铁 厂进行了工业试验研究。同时,对于 ASMS提供试验用渣样品以及来自ASMS的Marc Smith和来自SVAI的BarryFeatherstone提出的建 议表示感谢。近期与博思 格和一钢公司(澳大利亚钢铁行业CO:减排关键问题解决计划成员之一)合作,研究工作已经拓展 到了渣中的热能回收方面。结果如图6所示,干式粒化渣的玻 璃化程度较高,玻璃念物质含最同水淬渣相似,达 到j,99%,如此高的玻璃化程度决定J,l岛炉渣j0 有胶结性。派诺国际的一份报 告显示,预计含铁尾渣每年的产生量将会超过 6亿tllJ。然而,在试验装置的规模 和性质已经固定的情况下,避免运行状况产,£波 动其实是非常困难的。试验装置处理熔渣(1400~1500c|c)的速度达到 了10kg/min,外排固态粒渣温度在50~100。理想状态下,这些运 行参数的影响应该是在相对独立的条件下进行研 究,换言之即在改变其中一项条件而保持其他条 件不变的情况下进行。而在另外一些企业里面,熔渣首先 要在渣罐中缓冷,再水冷到环境温度,最后经过破 碎之后进行回填或者作为筑路的骨料使用。   粒化;试验设备的应用已经成功验证了这种处理理念,渣处理能力达到了10 ks/min,渣处理产品的评估以及初步的技术经济分析取得了令人满意的结果。干式粒化渣中具有较高的 玻璃态物质含量和较好的胶结性,适用于生产水 泥。在这种新的处理方法中,熔渣 在旋转盘中由于离心力的作用而自动分离,产生的熔滴在空气的作用下快速急冷固化,同时可回 收热能。DSG工艺同水淬法相比,在节水、减少排放、余热回收、减少能源消 耗和温室气体排放等方面,提供了一种更加可持续的处理方法。通过进行相对强度砂浆试验,得到的 试验结果显示干式粒化高炉渣具有一定的胶结 性,并适用于生产水泥。因此,冶金行业每年可 回收的热能达到了81010”J。关键词:高炉;SteveSanetsis.BernieWashington以及来 自澳大利亚联邦科学与工业研究组织的Peter Witt,来自博思格钢铁公司的MarkBiasutti,来自 一钢公司的FrancoisVerdoom和GreggWinson所 作出的贡献致以最诚挚的谢意。更为重要的是,现有的渣处理工艺没有回收其中所含有的热量(大约I.8 GJ/t渣)。尽管旋转盘熔 渣干式粒化较其他方法看起来似乎更容易实现,但 是由于一些设计上的困难(例如:抑制渣棉形成的 旋转盘设计和防止热粒渣黏结成块的适合的处理 方式设计等。高炉渣从1500冷却到环境温度,每吨大 概要释放1.8GJ的热能。   计划中的关键步骤之一 是将研究工作扩展到以工业化规模的工厂进行有 色金属渣处理试验。介绍了这项新工艺的进展情况,并对近 期的一些进展进行了总结。当高炉渣的温度达到了设定温度之后, 将其放入装置中进行于式粒化。3.BlueScope SteelResearch,PortKembla,NSW,Australia) Abstract:Theintemationalsteelindustryproduceshundredsofmillionsoftonnesofmoltenslagseach year.Increasingly,blast furnace slagsalewatergranulatedtOproducea glassyproduct thatcallbeused asreplacement forPortland cementwithconsiderableaddedvaluewhileeliminatin2C0,thatwould otherwisebegeneratedfromthe calcining oflimestone.However.water granulation consumes large amountsofwaterandmayproduce unwanted gasemissions.Importantly.the large amountofheat contained(曲out1.8GJ/tof slag)is beingrecovered existingslagtreatmentprocesses.Dry slag granulation couldmakeafundamental change slagtreatment.Inthisnew approach,moltenslag atomizedundercentrifugal forces Ona spinningdisc,and dropletsgenerated solidifiedquicklyusing air.withsimultaneousheatrecovery.Theprocessproduces solidslag granules suitablefor cement-making andhotairof500—600asaheatsourceforOil—siteutilization.Compared 世界钢铁 67withwater quenching,drygranulationoffersa muchmolesustainable approachtl眦'oughsavingwater, reducingemissions,as wellas recovering wasteheattO reduce energy consumption,and henceGHG emissions.CSlROhasbeen working 0nthe drygranulationprocess since2002andhasmade major breakthroughs novelprocessdesign.Theworkhasrecently beenextendedto includeheatrecovery fromthe slag,in collaborationwithindustrial sponsors(BlueScopeSteelandOneSteelaspart ofthe AustralianSteelIndustryC02BreakthroughProgram).Apilot facility(processingupt0 10kg/min slag)was usedto successfully prove concept.Encouragingresultshavebeen obtained assessmentofslagproductsanda preliminary techno economic analysis positive.Thenew process nowbeingscaledupbyall orderof magnitude anda semi—industrial scale plant(treatingup tO 100 kg/minslag)has beenbuiltandcommissionedforfurtheroptimizationanddemonstrationofthe process design.Futurescale—up tofullindustrial scale(slagtapping 1—2t/min)isplannedtOtake place abouttwoyears.if all goes well.This paperprovides all overviewofthe development ofthisnew process reportsonrecent progress. Keywords:blastfurnace;建模是对扩大粒化器规模进行优化设计的重 要组成部分,近期也公布了一些对于自由表面流 动和熔渣与旋转盘之间热传导的初步模拟结 果”。22(3),1982:194—200. YoshinagaM,Fujii K。Japan.2008:674—677. BeltonGR.Second Intl Symposium Metallu嚼calSlagsandFluxes[C].LakeTahoe,NV,USA.Edt:H.A FineandD.R.Gaskell.TMS—AIME.1984:3—85. PanY。渣;利用热空气来产生蒸汽看起来是最佳选 择,在今后适当的时候将进行深入研究。余热回收;同时,对余热回收和有色 金属熔渣干式粒化的研究也证明了DSG技术同 样适用于此类渣的处理。值得注意的是,抛开转盘大小和旋转速度的影响,渣的不同性质(如:温度和表面张力及粘 度)对熔滴尺寸分布也应该有显著的影响。同时,成功地 解决了一些与一体化粒化装置运行有关的技术难 题。在基于稳定 状态下的热平衡和热交换计算及持续放流的情况 下,集成工艺能够在相对较低的空气流速下运行, 尾气温度达到500~600。全球冶金行业每年产生的冶金渣量达到了 4.5亿t,其中超过90%是由钢铁工业产生的。发现粒渣的尺寸主 要由熔渣放流速度和转盘的旋转速度决定!   3.博思格钢铁公司研究院,澳大利亚新南威尔士州肯布拉港) 摘要:全球钢铁行业每年有数以亿吨计的熔渣产生,并且越来越多的高炉渣通过水淬粒化处理而 生产一种玻璃质产品。这些都 为渣中高品位的余热回收奠定了基础。图8半工业化规模(外径3m)干法粒化一集中 余热回收试验装置 经过验证的CFD模型将用来设计工业化规 模的干法粒化装置(1一一2t/min),用于对澳大利 亚的一座高炉进行工业试验,并将于近几年建成。在粒化器中的旋流气体和填充床部分,粒渣与空气之间的热传导。在设定转盘旋转速度一定的条件下,提高熔 渣放流速度将会使得粒渣的尺寸同样变大,如图 5(a)所示。1“,并运用一整套经 济技术标准对多种可供选择的方法进行了评价和 排序。填充床一逆流r’j1……’。在干式粒化工艺中闻不到含 硫气体的味道。这种物质作为硅酸盐水泥的替代物,可以带来可观的价值增值,同时减少 了由于石灰石煅烧而产生的CO,排放。研究中采用了合适的CFD建模技术,以便更 加深人地认识稳态流体流动和热传导条件下工艺 和粒化器几何尺寸的条件变化对DSG工艺特性 的影响?
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