本發(fā)明屬于余熱回收技術(shù)領(lǐng)域，涉及高爐熔渣干法粒化余熱回收技術(shù)，特別涉及一種基于高溫?zé)岚羼詈戏磻?yīng)器的甲烷重整制取氫氣和一氧化碳系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
鋼鐵行業(yè)具有高能耗、高排放和高污染等特點，中國鋼鐵行業(yè)能耗約占全國總能耗的10％～15％。高爐渣是鋼鐵工業(yè)主要的副產(chǎn)品，每1噸鋼鐵約產(chǎn)生300kg高爐渣，其出爐溫度在1450℃～1550℃左右，每噸渣約含有1.8×106kj的余熱(從1500℃冷卻至50℃計算)。2016年中國生鐵產(chǎn)量約7億噸，產(chǎn)生高爐渣約2.1億噸，如果將這些余熱全部回收利用，其所含的熱量相當(dāng)于1300萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤(1噸標(biāo)準(zhǔn)煤＝29307.6千焦)，減排約2000萬噸co2和大量so2、h2s等大氣污染物。因此，有效地回收熔渣余熱，減少鋼鐵行業(yè)對環(huán)境的污染，在能源緊缺且環(huán)境問題日益嚴重的今天顯得十分重要。
相比濕法，干法工藝依靠機械動力或高壓氣流實現(xiàn)熔渣快速冷卻?；行П苊饬藵穹ㄒ鸬沫h(huán)境污染和能源浪費，且渣粒也可作為水泥的優(yōu)質(zhì)原料，在瑞典、前蘇聯(lián)、英國、日本和澳大利亞等國有了顯著進步。離心粒化法是目前最具潛力的干式?；椒ǎ哂袉误w設(shè)備簡單、布置緊湊、處理能力大等的優(yōu)點，其粒化室內(nèi)空氣與高爐渣直接接觸，并吸熱形成高溫空氣，溫度可達800℃以上。早期的利用以物理方法為主，近年來，化學(xué)法受到了廣泛的關(guān)注。
甲烷水蒸氣重整反應(yīng)是傳統(tǒng)制取富氫合成氣的重要途徑，目前工業(yè)上較成熟的制氫工藝，也是最簡單和最經(jīng)濟的制氫方法。它的反應(yīng)方程式：
其反應(yīng)條件主要有溫度，壓力，水碳比和催化劑等。在工業(yè)上，反應(yīng)溫度一般維持在700℃～900℃。實驗證明，甲烷蒸汽重整反應(yīng)中，當(dāng)溫度達到900℃時，甲烷具備最大轉(zhuǎn)化率，可達96％。甲烷水蒸氣重整反應(yīng)是體積增大的反應(yīng)，低壓有利平衡，低壓也可抑制一氧化碳析碳反應(yīng)，但是低壓對甲烷裂解析碳反應(yīng)平衡有利，適當(dāng)加壓可抑制甲烷裂解。所以常壓(101.325kpa)反應(yīng)比較合適。催化劑一般采用ni基催化劑。
甲烷二氧化碳重整反應(yīng)近年來也受到了廣泛的關(guān)注和研究。它對于緩解化工原料和能源危機具有重大意義，利用co2中的碳資源緩解溫室氣體排放量，具有化廢為寶、保護環(huán)境和開發(fā)新能源的重要意義。它的反應(yīng)方程式：
其反應(yīng)條件主要有溫度，壓力和催化劑等。研究顯示，考慮到積碳和經(jīng)濟成本，最佳反應(yīng)溫度應(yīng)約為850℃。由于co2重整ch4制合成氣屬于體積增大的可逆反應(yīng)，反應(yīng)壓力越大，ch4和co2轉(zhuǎn)化率越低，所以壓力選擇常壓(101.325kpa)比較合適。催化劑一般采用ni基催化劑。
熔渣離心?；笥酂豳Y源品質(zhì)高，產(chǎn)生的高溫空氣完全滿足以上兩個化學(xué)反應(yīng)所需的條件(高溫>800℃，常壓～101.325kpa)，基于此，本專利提出了高溫熔渣余熱利用的傳熱-化學(xué)反應(yīng)耦合系統(tǒng)。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供了一種新型的熔渣余熱回收系統(tǒng)，它利用高爐渣干法?；夹g(shù)得到的高溫爐渣作為熱源，將co2/ch4或ch4/h2o反應(yīng)氣體預(yù)熱并在催化劑作用下發(fā)生熱化學(xué)反應(yīng)，該反應(yīng)產(chǎn)生氫氣和一氧化碳，可以實現(xiàn)熔渣高溫余熱的有效利用，對冶金工業(yè)節(jié)能減排，提高能源利用效率至關(guān)重要。
為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案，描述了一種新型高溫熔渣余熱梯級回收利用系統(tǒng)，包括盤式離心?；瘑卧?、固定床傳熱-反應(yīng)耦合單元和回轉(zhuǎn)床余熱回收單元，其特征在于：
盤式離心粒化單元主要包括渣粒捕集圓筒、耐火磚、電機、轉(zhuǎn)盤、進料口、熔渣槽、接管。渣粒捕集圓筒為圓筒狀，外層進行保溫處理，內(nèi)襯材料為耐火磚，其頂部設(shè)有進料口。轉(zhuǎn)盤位于渣粒捕集圓筒中部，高爐熔渣由管道輸送至轉(zhuǎn)盤上方，此時熔渣溫度約為1450～1550℃。渣粒收集槽位于渣粒捕集圓筒底部，熔渣出口下方為傳送帶。熔渣經(jīng)過干法?；螅瑴囟燃s為900～1100℃，再通過傳送帶，輸送至熔渣固定床。
固定床傳熱-反應(yīng)耦合單元包括熔渣固定床和高溫?zé)岚羼詈戏磻?yīng)器。所述的熔渣固定床用于接收離心?；聛砀邷貭t渣，熔渣固定床下方設(shè)熔渣排出口。所述的高溫?zé)岚羼詈戏磻?yīng)器的熱板以隔板分開并且下半部分放于熔渣固定床之內(nèi)，熱板內(nèi)充裝有相變工作介質(zhì)金屬鈉。所述熱板上半部分套有夾套，并且夾套內(nèi)儲放ni基催化劑，這是反應(yīng)的主要場所。夾套與氣體進、出口管相連，下管道通入co2/ch4或ch4/h2o反應(yīng)氣體。工作時，夾套內(nèi)ni基催化劑溫度在800℃左右，壓力為常壓。在高溫狀態(tài)下，co2/ch4或ch4/h2o反應(yīng)氣體在催化劑的作用下在夾套內(nèi)發(fā)生反應(yīng)。反應(yīng)后在上管道排出氫氣和一氧化碳。
熱板和夾套的材質(zhì)可為310s不銹鋼或高溫合金等導(dǎo)熱性能佳的材質(zhì)。熱板內(nèi)部翅片類型可以為平直、鋸齒、多孔、百葉窗等型式，排布可以是橫排或縱排。
熔渣的熱量梯級利用，熔渣從高爐排出時溫度在1450～1550℃之間，首先進入盤式離心?；瘑卧煞；?，?；鬁囟仍?00～1100℃之間。第一級熱量(溫度900～1100℃)用于高溫?zé)岚羼詈戏磻?yīng)器內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后熔渣被輸送至回轉(zhuǎn)床余熱回收單元，溫度約為500℃。第二級熔渣(溫度～500℃)熱量用來預(yù)熱co2/ch4或ch4/h2o反應(yīng)氣體。反應(yīng)氣體從回轉(zhuǎn)床氣體入口以常溫進入，在回轉(zhuǎn)床內(nèi)經(jīng)固定床排出的熔渣預(yù)熱之后溫度達到400～500℃，預(yù)熱后的熔渣排出溫度約50～60℃。
本發(fā)明具有以下有益效果：
(1)采用高爐熔渣干法粒化處理后的高溫熔渣作為熱源，可以有效地利用工業(yè)廢熱為熱化學(xué)反應(yīng)提供熱量，實現(xiàn)高爐熔渣的余熱回收。
(2)熔渣經(jīng)過干法?；幚砗?，梯級回收熔渣剩余的顯熱，可顯著提高能源的利用效率。
(3)本發(fā)明實現(xiàn)熔渣余熱梯級回收：固定床傳熱-反應(yīng)耦合單元是余熱一級回收，熔渣在一級單元里溫度從900～1100c降到500c左右?；剞D(zhuǎn)床余熱回收單元是二級回收，熔渣在二級回收單元中溫度從500c降到50～60c左右。從而體現(xiàn)梯級回收。
附圖說明
圖1為本發(fā)明實施例的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明高溫?zé)岚羼詈戏磻?yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為本發(fā)明高溫?zé)岚羼詈戏磻?yīng)器中熱板和夾套部分的剖視圖。
具體實施方案
以下結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明進一步詳細說明。
如圖1所示，本發(fā)明的高溫熔渣余熱梯級回收利用系統(tǒng)，包括盤式離心?；瘑卧?01、固定床傳熱-反應(yīng)耦合單元102和回轉(zhuǎn)床余熱回收單元103。
盤式離心粒化單元101包括渣粒出口1、渣粒捕集圓筒2、耐火磚3、進料口4、熔渣槽5、接管6、轉(zhuǎn)盤7、傳動軸8、電機9、渣粒收集槽10、空氣進口11。
固定床傳熱-反應(yīng)耦合單元102包括熔渣固定床17、高溫?zé)岚羼詈戏磻?yīng)器13，其中熔渣固定床17包括保溫層19、熔渣出口18。高溫?zé)岚羼詈戏磻?yīng)器13包括夾套12、氣體入口管15、氣體出口管14、熱板16和隔板20。
回轉(zhuǎn)床余熱回收單元103包括回轉(zhuǎn)床21、氣體入口23、氣體出口25、熔渣入口24、熔渣出口22。
具體操作過程如下：
空氣進口11與渣粒捕集圓筒2底端連接，渣粒捕集圓筒2呈圓筒狀，高溫液態(tài)熔渣出爐溫度在1450℃～1550℃左右，熔渣由進料口4，經(jīng)過熔渣槽5和接管6流入位于渣粒捕集圓筒2中部的轉(zhuǎn)盤7中，沿轉(zhuǎn)盤7邊緣離心脫離，轉(zhuǎn)盤7通過相連，熔渣液膜在轉(zhuǎn)盤7邊緣破碎和斷裂，形成的渣粒與空氣進口11通入的空氣換熱并迅速凝固，渣粒捕集圓筒2阻止渣粒向外飛離，同時，渣粒捕集圓筒2內(nèi)表面有一層耐火磚3，渣粒碰撞到渣粒捕集圓筒2之后落入渣粒捕集圓筒2底部的渣粒收集槽10，由熔渣出口1輸出。再由傳送帶26輸送至熔渣固定床17。熔渣輸出時溫度在800℃以上。
同時co2/ch4或ch4/h2o反應(yīng)氣體從回轉(zhuǎn)床氣體入口23進入，從熔渣固定床排出口18排出的熔渣進入回轉(zhuǎn)床熔渣入口24，在回轉(zhuǎn)床21內(nèi)預(yù)熱氣體入口23進入的氣體。氣體經(jīng)預(yù)熱后溫度在400～500℃之間。然后從回轉(zhuǎn)床氣體出口25排出進入高溫?zé)岚羼詈戏磻?yīng)器13的氣體入口管15，預(yù)熱之后的熔渣從回轉(zhuǎn)床熔渣出口22排出，溫度約50～60℃。
由101單元排出的熔渣由傳送帶26輸送至熔渣固定床17，同時由103單元預(yù)熱之后的混合氣體經(jīng)過管道進入氣體入口管15。
下面重點描述固定床傳熱-反應(yīng)耦合單元102具體操作過程。高溫?zé)岚羼詈戏磻?yīng)器13下半部分即熱板16的下半部分放于熔渣固定床17內(nèi)，熔渣進入熔渣固定床17后溫度在900～1100℃，并與熱板16的下半部分充分接觸。熱板16內(nèi)放有相變工作介質(zhì)金屬鈉，熱板16上半部分套有夾套12，夾套12與氣體入口管15、氣體出口管14連接。夾套12內(nèi)放置用于熱化學(xué)反應(yīng)ni基催化劑。熔渣與熱板16下半部分充分接觸后，加熱熱板16內(nèi)的工作介質(zhì)，工作介質(zhì)蒸發(fā)向上流動使熱板16上半部分溫度上升并傳熱給夾套12內(nèi)的ni基催化劑；經(jīng)過回轉(zhuǎn)床21預(yù)熱的反應(yīng)氣體(co2/ch4或ch4/h2o)從氣體入口管15處進入，并通入夾套12與催化劑接觸，在高溫和ni基催化劑兩個條件作用下發(fā)生熱化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生氫氣和一氧化碳從氣體出口管14排出。熔渣經(jīng)換熱后由熔渣固定床排出口18排出到傳送帶27上，并進入回轉(zhuǎn)床熔渣入口24。
本發(fā)明的高溫?zé)岚羼詈戏磻?yīng)器13的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，分為熱板16，隔板20，夾套12，氣體入口管15，氣體出口管14和接管28。熱板16為中空設(shè)計，由兩塊蓋板組成，上方設(shè)有接管28，用于將熱板抽成真空并充裝工作介質(zhì)金屬鈉。接管28封口的方式可為焊接或封口鉗等可使其達到完全密合的封裝。熱板16被隔板20分為上下兩部分，上部分的外部封閉環(huán)繞了中空的夾套12，下部分插入熔渣固定床17中。夾套12內(nèi)裝入催化劑，且每個夾套12上設(shè)有進口和出口。進出口焊有氣體入口管15和氣體出口管14。圖2中箭頭指向表示介質(zhì)的流動方向。工作時，熔渣固定床17內(nèi)的熔渣傳熱給熱板下部，使熱板下部的工作介質(zhì)吸收熱量，蒸發(fā)成為蒸汽，運動到熱板16上部對夾套12內(nèi)的催化劑與反應(yīng)氣體釋放熱量，同時凝結(jié)成為液體，如此往復(fù)循環(huán)，將熱量源源不斷傳到夾套內(nèi)。同時經(jīng)過預(yù)熱的反應(yīng)氣體由氣體入口管15進入夾套12，與夾套12內(nèi)的催化劑在高溫下混合并發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)后的氣體從氣體出口管14排出。
參照圖3，熱板16由蓋板29和蓋板30組成，內(nèi)部設(shè)有翅片31，上部設(shè)有接管28。翅片類型可以為平直、鋸齒、多孔、百葉窗等型式，排布可以是橫排或縱排。材質(zhì)可為310s不銹鋼或高溫合金等導(dǎo)熱性能佳的材質(zhì)。蓋板29和蓋板30、以及翅片31之間采用真空釬焊方式連接；接管28和熱板16之間采用普通焊接的連接方式。蓋板29和30外的上半部分套有夾套12，夾套12由平板32、33、35、37、38、39、前蓋板和后蓋板36包圍在蓋板29和蓋板30的外圍組成。催化劑34、40為多孔介質(zhì)，催化劑34放置于平板32、平板33、平板35、蓋板29之間，催化劑40放置于平板37、平板38、平板39、蓋板30之間。后蓋板36中空，氣體可以在其中間流通。反應(yīng)步驟是氣體由氣體入口管15進入與多孔介質(zhì)34，40先后接觸并充分反應(yīng)。反應(yīng)后的氣體通過氣體出口管14排出。
以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，本發(fā)明的核心在于固定床傳熱-反應(yīng)耦合單元和該熔渣余熱回收系統(tǒng)，可以運用到鋼鐵工業(yè)的余熱回收中。本發(fā)明的保護范圍包括本發(fā)明原理和宗旨的前提下任何替換、變型、改進和潤飾。