基于导热颗粒强化传热的余热回收装置及回收方法

技术领域

本发明涉及冶金或热能领域，尤其是涉及冶金过程中余热资源的高效回收与利用，具体地，涉及一种基于导热颗粒强化传热的余热回收装置及回收方法。

背景技术

我国钢铁生产以高炉-转炉长流程生产工艺为主，转炉钢比例达到 90％以上。烧结过程是指在高炉炼铁生产前，将各种粉状含铁原料，配入一定比例的燃料和溶剂进行混合，在烧结机台车上燃烧，发生一系列物理化学变化而烧结成块的过程。烧结工序余热资源主要有烧结矿成品显热和烧结机烟气显热，烧结矿在冷却前所携带的显热约为全部热支出的 44.5％。

目前，我国乃至世界上，对烧结矿的冷却一般采用传统的环冷机或者竖罐炉。环冷机的余热回收工艺普遍存在漏风率高、低温段余热回收困难等显著缺陷，使得整体的余热回收效率较低。竖罐炉解决了环冷机存在的问题，具有漏风率较低、热空气温度高、粉尘排放量少等优点，然而，由于空气在竖罐炉内的换热过程中，要穿过厚密的物料层，因此空气的流动阻力很大，进而带来了系统自用电耗极高、对外供电能力较低的问题。

针对环冷机和竖罐炉存在的问题，近年来通过开发和改进设计了采用竖式固体换热余热回收的技术，直接通过烧结矿与布置在换热器中的受热面管道进行换热，提升了烧结矿的余热回收效率，降低了余热回收过程的自身电耗。但是，烧结矿与受热面管道直接换热的传热系数受烧结矿的温度影响很大，随着烧结矿温度的降低，传热系数也随之大幅度降低。

为了进一步提高余热回收效率，强化低温烧结矿的传热系数，提出了本方案的设计方法。

发明内容

本发明的目的在于至少部分地克服现有技术的缺陷，提供一种基于导热颗粒强化传热的余热回收装置及回收方法。

本发明的目的还在于提供一种基于导热颗粒强化传热的余热回收装置及回收方法，解决低温段传热系数较低的问题。

本发明的目的还在于提供一种基于导热颗粒强化传热的余热回收装置及回收方法，具有提高的余热回收效率。

为达到上述目的或目的之一，本发明的技术解决方案如下：

一种基于导热颗粒强化传热的余热回收装置，用于回收烧结矿的余热，所述余热回收装置包括换热仓，用于接收烧结矿，所述余热回收装置被配置为向换热仓内引入导热颗粒以强化换热仓内局部的换热。

根据本发明的一个优选实施例，所述换热仓包括：

壳体；

烧结矿进料口，设置在壳体上；

烧结矿卸料器，位于壳体的底部；以及

至少一个热交换设备，设置在所述壳体内，

其中，所述余热回收装置还包括颗粒供应单元，所述颗粒供应单元设置在换热仓的壳体的中部或下部上，用于向换热仓内提供导热颗粒。

根据本发明的一个优选实施例，所述颗粒供应单元包括颗粒布料管，所述颗粒布料管从壳体的中部或下部延伸进入壳体内；

所述颗粒布料管上均匀地设置有多个下落孔。

根据本发明的一个优选实施例，所述颗粒布料管相对于水平面倾斜地放置，以便导热颗粒能够在重力作用下沿颗粒布料管滑动，并大致均匀地从下落孔落下。

根据本发明的一个优选实施例，所述颗粒布料管的数量为多个，多个颗粒布料管以相同的角度相对于水平面倾斜地放置，多个颗粒布料管的位于换热仓内的端部相交于一点，并且多个颗粒布料管的在水平面上的垂直投影在周向上均匀分布。

根据本发明的一个优选实施例，所述至少一个热交换设备包括两个以上的热交换设备，所述颗粒布料管设置在相邻的两个热交换设备之间。

根据本发明的一个优选实施例，所述至少一个热交换设备包括过热器、蒸发器和省煤器。

根据本发明的一个优选实施例，所述壳体包括：

第一段；

第二段，位于第一段上方，直径大于第一段的直径；和

渐缩段，连接第一段和第二段，直径沿竖直向下的方向逐渐减小，

所述颗粒供应单元包括颗粒导入管，所述颗粒导入管设置在壳体的渐缩段的上方、与壳体内部连通。

根据本发明的一个优选实施例，所述颗粒导入管相对于水平面倾斜地放置，并且与渐缩段的倾斜侧表面大致平行。

根据本发明的一个优选实施例，所述余热回收装置还包括：

筛板，设置在烧结矿卸料器的下侧，并且倾斜地放置；

颗粒集料斗，设置在筛板下方并且被筛板覆盖；

颗粒排出口，设置在颗粒集料斗的远离筛板的一端上；以及

烧结矿排出口，设置在颗粒集料斗的旁侧，

其中，筛板的最高点至最低点的连线大致指向烧结矿排出口。

根据本发明的一个优选实施例，所述余热回收装置还包括输送管道，连接于颗粒排出口和颗粒供应单元，用于将从颗粒排出口排出的导热颗粒输送到颗粒供应单元。

根据本发明的一个优选实施例，所述至少一个热交换设备包括两个以上的热交换设备，一个热交换设备设置在第一段内，一个热交换设备设置在第二段内。

根据本发明的另一个方面，提供了一种基于导热颗粒强化传热的余热回收方法，所述余热回收方法采用根据前述实施例中任一项所述的基于导热颗粒强化传热的余热回收装置。

根据本发明的一个优选实施例，所述余热回收方法包括：

通过烧结矿进料口向换热仓内供应烧结矿；

通过颗粒供应单元向换热仓提供导热颗粒；

利用换热仓内的热交换设备回收烧结矿的热量；

利用烧结矿卸料器排出换热后的烧结矿以及导热颗粒；

利用筛板分离烧结矿和导热颗粒；

收集经筛板分离的导热颗粒，并将该导热颗粒送回到颗粒供应单元；以及

排出分离后的烧结矿。

根据本发明的基于导热颗粒强化传热的余热回收装置及回收方法，在换热仓的壳体的中部或下部引入导热颗粒，在烧结矿中掺入细粒径的导热颗粒，可以对低温烧结矿与受热面管道的传热进行强化，提高了低温段传热系数，改善了烧结矿的余热回收效率。

附图说明

图1示例性地示出了烧结矿温度与传热系数的关系；

图2示例性地示出了烧结矿粒径与传热系数的关系；

图3示例性地示出了细颗粒掺入比例与传热系数的关系；

图4为根据本发明的一个实施例的基于导热颗粒强化传热的余热回收装置的结构示意图；

图5为根据本发明的另一个实施例的基于导热颗粒强化传热的余热回收装置的结构示意图；以及

图6为根据本发明的一个实施例的基于导热颗粒强化传热的余热回收方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图详细描述本发明的示例性的实施例，其中相同或相似的标号表示相同或相似的元件。另外，在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本披露实施例的全面理解。然而明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。在其他情况下，公知的结构和装置以图示的方式体现以简化附图。

图1示例性地示出了烧结矿温度与传热系数的关系，烧结矿温度越低，其传热系数越低，这意味着在竖式固体换热技术中，在换热仓中，随着烧结矿下落的方向，烧结矿的热量被逐渐交换给热交换设备，其温度逐渐降低，那么在换热仓的靠下的位置，烧结矿温度较低了，此时的传热系数不高。

此外，在固固换热体系中，不同粒径的固物料对受热面的换热属性存在差别。在竖式固体换热技术中，烧结矿的粒度越大，它的传热系数越小，烧结矿粒度与传热系数的典型关系如图2所示，这意味着，较低粒度的烧结矿具有更高的换热效率和余热回收效率。

为增大换热仓下部的换热效率，本发明提供了一种基于导热颗粒强化传热的余热回收装置，所述余热回收装置包括换热仓，所述余热回收装置被配置为向换热仓的中部或下部内引入导热颗粒以强化换热仓内局部的换热。通过引入的导热颗粒，强化低温烧结矿与受热面管道的传热。图3 示例性地示出了细颗粒掺入比例与传热系数的关系，当细颗粒掺入比例升高时，低温烧结矿的传热系数增大。导热颗粒可以采用合适粒径大小的金属颗粒，其粒径远小于烧结矿的粒径。

图4为根据本发明的一个实施例的基于导热颗粒强化传热的余热回收装置的结构示意图，如图4所示，余热回收装置包括换热仓1，用于接收烧结矿，所述换热仓1包括：壳体，呈大致方筒形，上端和下端具有渐缩部；烧结矿进料口2，设置在壳体的上端，替代地，它也可以设置在壳体的侧面上，只要位于考上的位置即可；烧结矿卸料器3，位于壳体的底部，在底部的渐缩段上；以及多个热交换设备，设置在所述壳体内，多个热交换设备包括过热器4、蒸发器5和省煤器6，它们从上至下顺次地设置。所述余热回收装置还包括颗粒供应单元7，所述颗粒供应单元7设置在换热仓1的壳体的中部上，用于向换热仓1内提供导热颗粒。在其它实施例中，颗粒供应单元7可以设置在换热仓1的壳体的下部上。

在图4的实施例中，颗粒供应单元7为颗粒布料管，所述颗粒布料管从壳体的中部延伸进入壳体内。在其它实施例中，颗粒供应单元7可以从壳体的下部延伸进入壳体内。所述颗粒布料管上均匀地设置有多个下落孔，并且，所述颗粒布料管相对于水平面倾斜地放置，以便导热颗粒能够在重力作用下沿颗粒布料管滑动，并大致均匀地从下落孔落下。所述颗粒布料管的数量为可以为一个或多个。在一个颗粒布料管的情况下，它沿方筒形壳体的宽度方向从一侧延伸到另一侧，可以是水平的，也可以是倾斜的。在多个颗粒布料管的情况下，多个颗粒布料管可以以相同的角度相对于水平面倾斜地放置，多个颗粒布料管的位于换热仓1内的端部相交于一点，并且多个颗粒布料管的在水平面上的垂直投影在深度方向上均匀分布。这样，在从上至下观察的俯视图上，多个颗粒布料管在壳体内是均匀分布。

所述颗粒布料管设置在相邻的两个热交换设备之间，例如，如图4所示，颗粒布料管设置在蒸发器5和省煤器6之间。这样，从颗粒布料管送入的导热颗粒作用在省煤器6所在区域，对在该区域内的烧结矿与省煤器 6的热交换进行强化。

如图4所示，所述余热回收装置还包括：筛板8，设置在烧结矿卸料器3的下侧，并且倾斜地放置；颗粒集料斗9，设置在筛板8下方并且被筛板8覆盖；颗粒排出口10，设置在颗粒集料斗9的远离筛板8的一端上；以及烧结矿排出口11，设置在颗粒集料斗9的旁侧，其中，筛板8的最高点至最低点的连线大致指向烧结矿排出口11。通过筛板8可以将换热后的烧结矿和导热颗粒分离，只需控制筛板8的孔径即可，由于导热颗粒的粒径小于烧结矿的粒径，因此，导热颗粒穿过筛板8落入颗粒集料斗9中，然后，导热颗粒通过颗粒排出口10排出，没有穿过筛板8的烧结矿由于重力作用滚落到烧结矿排出口11处，被排出和收集。

优选地，导热颗粒是可以重复使用的，为此，所述余热回收装置还包括输送管道，连接于颗粒排出口10和颗粒供应单元7，用于将从颗粒排出口10排出的导热颗粒输送到颗粒供应单元7。在输送管道上可以设置驱动单元，以驱动导热颗粒上升到颗粒供应单元7，例如，在输送管道上设置有螺旋绞龙，推动导热颗粒上升。

有利地，颗粒布料管可以布置成两层，每层颗粒布料管包括多个沿轴向均匀分布的颗粒布料管，并且第一层颗粒布料管在水平面内的垂直投影与第二层颗粒布料管在水平面内的垂直投影相互错开。进一步地，为了避免导热颗粒在颗粒布料管内发生堵塞，每层内的多个颗粒布料管在换热仓的中心处交于一点，但是在该焦点处设置有开放区域，使得多个颗粒布料管仅在上端结合，而下端完全开放，以使得没有通过下落孔下落的导热颗粒最终被输送到这里，在该开放区域处下落。

图5为根据本发明的另一个实施例的基于导热颗粒强化传热的余热回收装置的结构示意图，其与图4的余热回收装置具有大致相同的结构，其差别在于：壳体的形状和颗粒供应单元的形式不同。如图5所示，壳体呈上大下小的形状，包括：第一段；第二段，位于第一段上方，直径大于第一段的直径；和渐缩段，连接第一段和第二段，直径沿竖直向下的方向逐渐减小。所述颗粒供应单元7包括颗粒导入管，所述颗粒导入管设置在壳体的渐缩段的上方、与壳体内部连通。所述颗粒导入管相对于水平面倾斜地放置，并且与渐缩段的倾斜侧表面大致平行。由于渐缩段具有倾斜的侧表面，因此，当颗粒导入管设置在壳体的渐缩段的上方时，通过颗粒导入管引入的导热颗粒可以受到该倾斜侧表面的引导，最终引导到省煤器6区域。在图5中，同样地，多个热交换设备包括过热器4、蒸发器5和省煤器6，过热器4和蒸发器5设置在壳体的第二段内，省煤器6设置在壳体的第一段内。这样，通过渐缩段以及颗粒到入口将不同的热交换设备分开。在其它实施例中，也可以在第一段内设置两个热交换设备，在第二段内设置有一个热交换设备，或者，有其它设计组合。总之，在第一段内至少设置一个热交换设备，在第二段内也至少设置一个热交换设备。

颗粒导入管的数量可以为多个，它们均匀地分布在壳体上。如图5所示，多个颗粒导入管均相对于水平面倾斜地放置，并且多个颗粒导入管均指向壳体的中间截面，即两侧颗粒导入管的纵向延长线最终在壳体中间相交。

有利地，多个颗粒导入管均相对于水平面倾斜地放置，但是多个颗粒导入管的纵向延长线并不指向壳体的中心线，而是偏离壳体的中心线，并且多个颗粒导入管相切于以中心线为中心的同一圆柱。这样看起来，多个颗粒导入管环绕中心线形成螺旋，通过它们落入第一段内的导热颗粒螺旋形地分布到第一段内。

在其它方面，图5的实施例与图4的实施例是大致相同的，它们具有相同的筛板8、颗粒集料斗9、颗粒排出口10、烧结矿排出口11，因此，导热颗粒同样可以实现循环使用。

根据本发明的另一个方面，提供了一种基于导热颗粒强化传热的余热回收方法，所述余热回收方法采用根据前述实施例中任一项所述的基于导热颗粒强化传热的余热回收装置。

如图6所示，所述余热回收方法包括：

通过烧结矿进料口2向换热仓1内供应烧结矿；

通过颗粒供应单元7向换热仓1提供导热颗粒；

利用换热仓1内的热交换设备回收烧结矿的热量；

利用烧结矿卸料器3排出换热后的烧结矿以及导热颗粒；

利用筛板8分离烧结矿和导热颗粒；

收集经筛板8分离的导热颗粒，并将该导热颗粒送回到颗粒供应单元 7；以及

排出分离后的烧结矿。

根据本发明的基于导热颗粒强化传热的余热回收装置及回收方法，在换热仓的壳体的中部或下部引入导热颗粒，在烧结矿中掺入细粒径的导热颗粒，可以对低温烧结矿与受热面管道的传热进行强化，提高了低温段传热系数，改善了烧结矿的余热回收效率。

基于本发明的设计构思，余热回收装置可以被设计为包括多个换热仓，例如包括第一换热仓和第二换热仓，每个换热仓具有图4或图5所示的基本结构，它们可以是一体的，具有统一的烧结矿料斗作为进料单元，在烧结矿料斗下方设置有筛分器，所述筛分器被配置为将来自烧结矿料斗的粒径相对较小的烧结矿引导进入第一换热仓，而将粒径相对较大的烧结矿引导进入第一换热仓。具体地，筛分器倾斜地设置在第一换热仓的上方，从烧结矿料斗投入的烧结矿经过晒分期筛选，粒径小的进入第一换热仓，粒径大的进入第二换热仓。第一换热仓和第二换热仓可以是由独立的仓体一分为二，分隔墙介于第一换热仓和第二换热仓之间竖直向上地延伸。每个换热仓均具有颗粒供应单元7，所述颗粒供应单元7设置在各自的换热仓的壳体的中部或下部上，用于向各自的换热仓内提供导热颗粒。

本发明的余热回收装置还可以包括第三换热仓，第三换热仓与第一换热仓和第二换热仓的换热方式不同，第一换热仓和第二换热仓采用固固换热，第三换热仓采用循环空气换热。对于第一换热仓和第二换热仓，如前所述，其上设置有颗粒供应单元，用于向它们的低温烧结矿段供应导热颗粒，以强化换热。对于第三换热仓，由于采用循环空气换热，并不供应颗粒供应单元，第三换热仓适用于颗粒较大的烧结矿的换热，因此，利用筛分器对烧结矿进行筛分，较小直径的烧结矿进入第一换热仓，中间直径的烧结矿进入第二换热仓，较大直径的烧结矿进行第三换热仓，第三换热仓内没有设置热交换设备，第三换热仓的竖直下侧设置有布风装置，布风装置被配置为向第三换热仓内供应沿竖直方向竖直向上流动的气流；所述第三换热仓上设置有升温空气排出口，通过布风装置产生换热气流对大颗粒烧结矿的热量进行回收，吸收热量的换热气流通过升温空气排出口。

为了吸收利用升温空气排出口的高温空气，提供了仓外换热器，仓外换热器设置在第三换热仓的外侧，由桶状的仓外换热器壳体形成，所述仓外换热器与第三换热仓通过升温空气排出口流体连通，用于回收从第三换热仓排出的气流的热量。所述仓外换热器包括至少一个热交换设备，例如，蒸发器和省煤器，升温空气排出口与仓外换热器的入口流体连通，仓外换热器的出口与前述布风装置流体连通。

余热回收装置还包括除尘器、空气循环风机和第一空气调节阀，所述除尘器、空气循环风机顺序地设置在仓外换热器与布风装置之间的连接通路上。这样，可以使第三换热仓的气流实现循环。

为增大第三换热仓下部的换热效率，本发明还提供了一种强化换热方式，余热回收装置被配置为能够将空气循环风机送出的循环气的一部分通入第一换热仓和第二换热仓中以强化换热。这样，除了采用导热颗粒强化第一换热仓和第二换热仓内的低温段的换热外，又进一步增加了强化措施，利用循环气的一部分来进一步强化两个换热仓内低温段的换热。

这样，循环的空气分为两路，一路主空气流(绝大多数，约95％的空气)直接接入第三换热仓(大颗粒换热仓)，去与大颗粒烧结矿换热；另一路辅助空气流(少数，约5％空气)进入第一换热仓和第二换热仓(中、小颗粒换热仓)下部，对中、小颗粒换热仓内的低温烧结矿区域进行强化传热，最终通过分隔墙导气孔进入第三换热仓，最终与主空气流汇合后一起进入仓外换热器。

本发明在小颗粒烧结矿换热仓的低温段，采用微量的循环空气强化传热，进一步提高了低温小颗粒烧结矿的传热系数，提升了余热回收的效率，可以减少第一换热仓和第二换热仓的下部的受热面管道的布置。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行变化。本发明的适用范围由所附权利要求及其等同物限定。

附图标记列表：

1、换热仓

2、烧结矿进料口

3、烧结矿卸料器

4、过热器

5、蒸发器

6、省煤器

7、颗粒供应单元

8、筛板

9、颗粒集料斗

10、颗粒排出口

11、烧结矿排出口。