本发明属于
固废资源化、co2减排及能源高效利用领域，涉及一种热态钢渣综合利用的装置及方法。
背景技术：
目前，co2作为温室气体的主要组成部分，已经成为全世界重点关注的问题。国内外目前正广泛开展关于co2捕集封存技术的研究以及工业实验。常用的co2封存技术有地质封存，海洋封存，矿石碳化，陆地生态单元封存。其中矿石碳化封存是利用co2与碱或碱土氧化物发生化学反应，将co2转化为固体的无机碳酸盐，从而使co2得到固定。矿石碳化是一种co2直接碳酸化技术，而直接碳酸化是实现温室气体稳定封存以及大规模资源化利用的有效途径。
钢渣是钢铁行业的主要固体废弃物，每年产生的热态钢渣接近1亿吨。钢渣中含有较多的游离cao和mgo，造成钢渣的稳定性不好，难以规模化利用，利用率很低。但是钢渣中含有的较多碱土氧化物可以作为固定co2的有效成分，同时钢渣中的游离cao和mgo被消除，碳酸化后的钢渣可以用于筑路、水泥生产、回填等。因此，利用钢渣模拟矿石的直接碳酸化封存co2具有广阔的前景。
另外，从转炉出来的热态钢渣温度可达1600℃，目前主要是对钢渣采用水淬的方法进行处理，如此势必会造成热量的浪费，对钢渣中游离碱金属的消解也不完全，钢渣的粉化效果也不理想。而热焖法作为钢渣处理的一种新途径，具有更多的优势，粉化率高，稳定性好，铁回收率高，节能降耗。热焖过程中钢渣的粉化为co2的吸收提供了更大的比表面积，降温后的粉化钢渣也对co2的碳酸化有利。
专利cn10269998a将工业烟气通入装有钢渣的沸腾床中，反应2-5小时，然后将碳酸后的钢渣以颗粒或砖块形式投入海洋。专利cn1721043a将粒状钢渣混合后碳酸化成块状放入水中、用于养殖。上述两个专利需要给予足够的时间和温度才能使更多的co2被吸收。专利cn103111186a提到一种强化钢渣矿化固定co2的方法，通过添加含碱金属盐的催化剂，强化钢铁渣中氧化钙组分与co2反应，从而提高钢渣中氧化钙组分的转化率以及钢渣的固碳效率。专利cn101851071a中公开了一种co2固定与钢渣微粉中游离氧化钙的消解方法，该专利利用废烟气中的co2对钢渣微粉进行化学改性，降低游离cao含量，提高钢渣微粉的化学稳定性，达到gb/t20491-2006用于水泥和混凝土中的钢渣粉国家标准技术要求。上述两个专利主要针对的是冷态状态下的钢渣处理，处理过程中需要将钢渣磨细，如此势必会加大处理成本以及造成热能的浪费。
技术实现要素：
鉴于现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种热态钢渣综合利用的装置及方法，通过本发明提供的单元可以实现钢渣综合利用中资源的高效回收及处理过程中多余能量的再次利用。而无法利用的尾渣可以不需处理直接输送至建材企业作为水泥和路基材料的原料。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供的一种热态钢渣综合利用的装置，所述装置包括钢渣处理单元、碳酸化单元、铁回收单元、尾渣收集单元及热能综合利用单元；
所述钢渣处理单元的出料口与所述碳酸化单元的入料口相连；所述钢渣处理单元的出气口和热能综合利用单元的进气口相连接；
所述碳酸化单元的出料口和所述铁回收单元的进料口相连接；
所述铁回收单元的出渣口和所述尾渣收集单元的进料口相连接；
所述碳酸化单元的出气口和所述热能综合利用单元的进气口相连接；
所述热能综合利用单元的二氧化碳出气口和所述碳酸化单元的进气口及钢渣处理单元的进气口相连接。
本发明提供的钢渣综合利用的装置，从转炉出来的热态钢渣先进行co2气体换热，换热后的气体进入热能利用单元，用于发电或供热。换热后的钢渣温度从1600℃降到400-800℃左右，对降温后的钢渣表面间歇喷水，遇水后钢渣中的游离cao发生反应生成ca(oh)2，与此同时反应的过程中钢渣体积膨胀，从而使钢渣粉化体积变小。粉化后的钢渣比表面积进一步加大，此时将粉化后的钢渣送到碳酸化处理单元，通入co2气体，进行钢渣的碳酸化，钢渣的温度进一步降低，换热后的co2气体进入热能利用单元。碳酸化后的钢渣进行磁选，选出有用的铁元素，磁选后的尾渣收集后就可以作为水泥、路基材料的原料。
作为本发明优选的技术方案，所述钢渣处理单元中包括依次连接的热闷设备和喷淋设备。
优选地，所述热闷设备中采用二氧化碳气体进行降温。
本发明中，采用的热闷设备可以是热闷罐或热闷炉，喷淋设备可以是喷淋管等，但不限于所列举的设备，现有技术中其他可实现类似功能的设备均可以利用。
作为本发明优选的技术方案，所述钢渣处理单元中降温为将热态钢渣温度降至500-800℃，例如可以是500℃、525℃、550℃、575℃、600℃、625℃、650℃、675℃、700℃、725℃、750℃、775℃或800℃等，但不限于所列举数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述热态钢渣的初始温度为1600-1700℃，例如可以是1600℃、1610℃、1620℃、1630℃、1640℃、1650℃、1660℃、1670℃、1680℃、1690℃或1700℃等，但不限于所列举数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中，通过利用二氧化碳气体对热态钢渣进行降温，以使的热态钢渣达到较好的粉化温度，为粉化提供基础；而换热后的气体则通入热能综合利用单元实现热能和二氧化碳的回收及进一步的利用。而在喷淋设备中产生的未被利用的蒸汽通入到热能综合利用单元中实现蒸汽热能和蒸汽的回收利用。
作为本发明优选的技术方案，所述钢渣处理单元中喷淋设备用于降温后钢渣的粉化。
优选地，所述粉化中采用间歇喷水进行粉化。
作为本发明优选的技术方案，所述钢渣处理单元中喷淋设备中粉化后钢渣的温度为300-400℃。
优选地，所述粉化后钢渣的粒度为8-15，例如可以是8mm、9mm、10mm、11mm、12mm、13mm、14mm或15mm等，但不限于所列举数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中，通过间歇喷水粉化的方式，使得降温后的热态钢渣中的cao充分的和水反应生成ca(oh)2，进而实现钢渣的充分粉化，从而为钢渣的碳酸化提供基础。同时在碳酸化单元中未被充分利用的二氧化碳通入到热能综合回收利用单元中进行热能和物质的再次利用。
作为本发明优选的技术方案，所述碳酸化单元包括钢渣吸收反应釜。
本发明中所用的钢渣吸收反应釜中主要进行二氧化碳和粉化后钢渣的碳酸化反应，该钢渣反应釜为常规的实现上述反应的反应釜，该反应釜包括搅拌器和反应容器及气体输送管，可以根据该整体装置的运行参数自行配置。
优选地，所述碳酸化单元中利用二氧化碳对降温后的钢渣进行碳酸化处理。
优选地，所述碳酸化处理后钢渣的温度为50-100℃，例如可以是50℃、60℃、70℃、80℃、90℃或100℃等，但不限于所列举数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中，通过二氧化碳气体将粉化后的钢渣进行碳酸化，使得二氧化碳得以固定在碳酸化的钢渣中，同时在碳酸化过程中钢渣的温度进一步降低以进行后续的工艺，而换热后未被利用的二氧化碳气体则通入到热能综合利用单元中实现二氧化碳气体和热能的回收。
作为本发明优选的技术方案，所述铁回收单元中包括弱磁场磁选机和/或中磁场磁选机。
优选地，回收后的铁用于烧结或炼钢。
本发明中，通过磁选实现碳酸化后的钢渣中含铁物质的回收，根据钢渣中含铁物质的不同，可以采用不同的磁选工艺，例如可以是弱磁选、中磁选或强磁选中的一种或上述磁选工艺的合理搭配，以实现含铁物质的高效回收。
作为本发明优选的技术方案，所述尾渣收集单元包括
振动筛和输送设备。
本发明中，所用的输送设备为
皮带输送机，可以根据参数自行配置。
优选地，所述尾渣收集单元将处理完全的尾渣用于水泥或路基材料的原料。
本发明中，通过对热态钢渣的合理处理实现了钢渣中有用含铁物质的回收及钢渣中尾渣不需处理就能用于建材行业。
作为本发明优选的技术方案，所述热能综合利用单元包括换热器和/或锅炉。
优选地，所述热能综合利用单元将所述用于降温后的二氧化碳、所述粉化中产生的水蒸气及所述碳酸化处理中未利用的二氧化碳中携带的热量进行回收用于发电或供热。
优选地，换热后的二氧化碳气体返回所述钢渣处理单元和/或碳酸化单元进行重复利用。
本发明中通过热能综合利用单元和其他单元的耦合实现了热态钢渣利用中气体物质和热能的高效回收和利用。
第二方面，本发明提供的一种热态钢渣综合利用的方法，所述方法包括以下步骤：
(1)将1600-1700℃的热态钢渣使用二氧化碳气体进行降温至500-800℃，之后采用间歇喷水进行喷淋粉化，得到粉化后钢渣；
(2)将步骤(1)得到的粉化后温度为300-400℃的钢渣在二氧化碳气氛下进行碳酸化处理，得到碳酸化的钢渣；
(3)将步骤(2)得到的碳酸化温度为50-100℃的钢渣进行磁选，得到含铁物质和尾渣；所述含铁物质用于烧结或炼钢；所述尾渣用于水泥或路基材料的原料；
其中，在降温过程中及碳酸化过程中未被利用的二氧化碳收集后返回步骤(1)和/或步骤(2)进行重复利用。
本发明中，不对粉化的时间进行限制，只需使得粉化后钢渣的粒度为粒度为8-15mm即可。同时也不对碳酸化的时间进行限定，该时间可以根据碳酸化后的钢渣碱度以及后续工艺中钢渣的用途自行选择。
与现有技术方案相比，本发明至少具有以下有益效果：
(1)整个钢渣综合利用途径增加了热能利用单元以及钢渣碳酸化单元，可实现钢渣百分百资源化利用和热能利用、以及实现对温室气体的封存。
(2)钢渣在碳酸化单元中的处理时间可以根据钢渣的降温温度以及碳酸化的时间进行调节。
(3)热能利用单元可以对钢渣冷却过程中的中低温和高温余热进行回收利用。
(4)热焖设备相对于传统的热焖罐仅增加了管道出入口，方便气体的换热。
附图说明
图1是本发明实施例提供的热态钢渣综合利用的装置的示意图。
下面对本发明进一步详细说明。但下述的实例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
在本发明的描述中，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，本发明的典型但非限制性的实施例如下：
实施例1
如图1所示，本发明提供的一种钢渣综合利用的装置，所述装置包括钢渣处理单元、碳酸化单元、铁回收单元、尾渣收集单元及热能综合利用单元；
所述钢渣处理单元利用二氧化碳气体在热闷炉内实现对热态钢渣的降温，然后利用喷淋管的间歇喷水实现降温后热态钢渣的粉化，之后将粉化后的钢渣输送至所述钢渣吸收反应釜进行钢渣的碳酸化；然后将碳酸化后的钢渣输送至所述铁回收单元通过磁选机实现含铁物质的回收，对于不能回收的尾渣经铁回收单元输送至振动筛筛分后，经皮带输送机输送实现尾渣的有效回收，使其不经处理即可作为建材行业中水泥和路基材料的原料。
其中，在热闷炉中通入的二氧化碳气体在换热后，经管道输送至换热器和/或锅炉实现热能和二氧化碳的回收。在钢渣被喷淋过程中，由于水气化而带走的热能，通过将水蒸气输送至换热器和/或锅炉实现热能和水的回收。同时，由于在钢渣吸收反应釜中未被充分利用的利用的二氧化碳气体也会携带热能，此部分二氧化碳气体通过换热器和/或锅炉实现热能的回收。进一步地，回收后的二氧化碳气体可以用于钢渣处理单元和钢渣吸收反应釜。以实现温室气体的充分固定。
应用例1
本发明提供的一种热态钢渣综合利用的方法，所述方法包括以下步骤：
(1)将1600-1700℃的热态钢渣使用二氧化碳气体进行降温至500-800℃，之后采用间歇喷水进行喷淋粉化，得到粉化后钢渣；
(2)将步骤(1)得到的粉化后温度为300-400℃的钢渣在二氧化碳气氛下进行碳酸化处理，得到碳酸化的钢渣；
(3)将步骤(2)得到的碳酸化后温度为50-100℃的钢渣进行磁选，得到含铁物质和尾渣；所述含铁物质用于烧结或炼钢；所述尾渣用于水泥或路基材料的原料；
其中，该应用例中所用的热态钢渣来自于钢厂的转炉钢渣，同时在降温过程中及碳酸化过程中未被利用的二氧化碳收集后返回步骤(1)和/或步骤(2)进行重复利用。该应用例中，不对具体的参数进行详细的限定，因为在上述参数范围内皆可实现钢渣百分百资源化利用和热能利用并同时实现对温室气体的封存。
综上所述，本发明中通对钢渣综合利用的合理设计，实现了钢渣百分百资源化利用和热能利用、以及实现对温室气体的封存；进一步地，也实现了未被充分利用的气体和热能的高效回收。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细结构特征，但本发明并不局限于上述详细结构特征，即不意味着本发明必须依赖上述详细结构特征才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用部件的等效替换以及辅助部件的增加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
技术特征：
1.一种热态钢渣综合利用的装置，其特征在于，所述装置包括钢渣处理单元、碳酸化单元、铁回收单元、尾渣收集单元及热能综合利用单元；
所述钢渣处理单元的出料口与所述碳酸化单元的入料口相连；所述钢渣处理单元的出气口和热能综合利用单元的进气口相连接；
所述碳酸化单元的出料口和所述铁回收单元的进料口相连接；
所述铁回收单元的出渣口和所述尾渣收集单元的进料口相连接；
所述碳酸化单元的出气口和所述热能综合利用单元的进气口相连接；
所述热能综合利用单元的二氧化碳出气口和所述碳酸化单元的进气口及所述钢渣处理单元的进气口相连接。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述钢渣处理单元中包括依次连接的热闷设备和喷淋设备；
优选地，所述热闷设备中采用二氧化碳气体进行降温。
3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述钢渣处理单元中降温为将热态钢渣的温度降至500-800℃；
优选地，所述热态钢渣的初始温度为1600-1700℃。
4.如权利要求1-3任一项所述的装置，其特征在于，所述钢渣处理单元中喷淋设备用于降温后钢渣的粉化；
优选地，所述粉化中采用间歇喷水进行粉化。
5.如权利要求1-4任一项所述的装置，其特征在于，所述钢渣处理单元中喷淋设备中粉化后钢渣的温度为300-400℃；
优选地，所述粉化后钢渣的粒度为8-15mm。
6.如权利要求1-5任一项所述的装置，其特征在于，所述碳酸化单元包括钢渣吸收反应釜；
优选地，所述碳酸化单元中利用二氧化碳对降温后的钢渣进行碳酸化处理；
优选地，所述碳酸化处理后钢渣的温度为50-100℃。
7.如权利要求1-6任一项所述的装置，其特征在于，所述铁回收单元中包括弱磁场磁选机和/或中磁场磁选机；
优选地，回收后的含铁物质用于烧结或炼钢。
8.如权利要求1-7任一项所述的装置，其特征在于，所述尾渣收集单元包括振动筛和输送设备；
优选地，所述尾渣收集单元将处理完全的尾渣用于水泥或路基材料的原料。
9.如权利要求1-8任一项所述的装置，其特征在于，所述热能综合利用单元包括换热器和/或锅炉；
优选地，所述热能综合利用单元将所述用于降温后的二氧化碳、所述粉化中产生的水蒸气及所述碳酸化处理中未利用的二氧化碳中携带的热量进行回收用于发电或供热；
优选地，换热后的二氧化碳气体返回所述钢渣处理单元和/或碳酸化单元进行重复利用。
10.一种热态钢渣综合利用的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)将1600-1700℃的热态钢渣使用二氧化碳气体进行降温至500-800℃，之后采用间歇喷水进行喷淋粉化，得到粉化后钢渣；
(2)将步骤(1)得到的粉化后温度为300-400℃的钢渣在二氧化碳气氛下进行碳酸化处理，得到碳酸化的钢渣；
(3)将步骤(2)得到的碳酸化温度为50-100℃的钢渣进行磁选，得到含铁物质和尾渣；所述含铁物质用于烧结或炼钢；所述尾渣用于水泥或路基材料的原料；
其中，在降温过程中及碳酸化过程中未被利用的二氧化碳收集后返回步骤(1)和/或步骤(2)进行重复利用。
技术总结
本发明涉及一种热态钢渣综合利用的装置及方法，所述装置包括钢渣处理单元、碳酸化单元、铁回收单元、尾渣收集单元及热能综合利用单元；所述钢渣处理单元的出料口与所述碳酸化单元的入料口相连；所述钢渣处理单元的出气口和热能综合利用单元的进气口相连接；所述碳酸化单元的出料口和所述铁回收单元的进料口相连接；所述铁回收单元的出渣口和所述尾渣收集单元的进料口相连接；所述碳酸化单元的出气口和所述热能综合利用单元的进气口相连接；所述热能综合利用单元的二氧化碳出气口和所述碳酸化单元的进气口及钢渣处理单元的进气口相连接。通过该装置可实现钢渣中资源和热能的高效回收利用。
技术研发人员：朱廷钰;李玉然;郭俊祥;熊劲;林玉婷;王斌
受保护的技术使用者：中国科学院过程工程研究所
技术研发日：2019.11.05
技术公布日：2020.01.17
声明：
“热态钢渣综合利用的装置及方法与流程” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：中冶有色技术网
来源：中国科学院过程工程研究所
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2024年12月06日 ~ 08日 
