一种钢渣处理余热回收装置系统、余热回收方法及装置系统控制方法与流程

本技术属于冶金固废利用，具体涉及一种钢渣处理余热回收装置系统、余热回收方法及装置系统控制方法。

背景技术：

1、钢渣是钢铁冶炼过程产生的主要固体副产物，其产出量与粗钢产量直接关联，通常每冶炼1吨粗钢即伴随0.1-0.12吨钢渣生成，因此该固废的年产出规模长期处于高位。

2、转炉钢渣温度极高，出渣温度可达1400-1600℃，熔融态钢渣在缓冷过程中析出硅酸二钙、硅酸三钙等具有水硬活性的矿物相，使其具备作为水泥混合材或混凝土掺合料的潜在价值。基于此，现行钢渣处理工艺普遍采用水作为冷却介质，通过强制注水使高温钢渣急速降温，借助温度应力促使渣体开裂粉化，同时利用水化反应将钢渣中游离氧化钙、游离氧化镁转化为稳定的氢氧化物，从而消除后续建材应用时的体积安定性风险，并为机械破碎、磁选分离回收金属铁以及尾渣的资源化利用奠定基础。现有钢渣处理技术主要包括热泼法、滚筒法、风淬法、水淬法以及热闷法等。其中，热闷法将熔融钢渣倾倒入专用热闷池，通过间歇或连续注水进行冷却，使钢渣在密闭或半密闭空间内经历反复的蒸汽加压与温度应力作用而破碎，再经出池、破碎、筛分和磁选等工序实现渣铁分离。该工艺因处理能力大、操作相对简便且污染可控，在实际生产中获得了广泛应用，技术成熟度较高。

3、然而，上述水冷处理工艺在冷却过程中产生的大量蒸汽，因采用直接喷淋方式，蒸汽中夹带大量粉尘颗粒，且受注水节奏和池内料层状态的影响，蒸汽发生呈明显的间歇性和参数大幅波动特征，表现为低品位（压力低于0.3mpa、温度低于150℃）、高含尘、不连续的状态，直接导致其无法并入厂区中低压蒸汽管网进行利用；若用于发电，也会因参数不稳而难以满足汽轮机入汽要求，且含尘蒸汽会对管路和设备造成严重的冲蚀与积垢。由此可见，在现有处理流程中，钢渣显热资源未能得到有效利用，不仅造成能源浪费，也增加了额外的冷却水消耗和环保处理负担。

4、因此，需要提供一种钢渣处理余热回收装置系统、余热回收方法及装置系统控制方法。

技术实现思路

1、本技术的目的在于提供一种钢渣处理余热回收装置系统、余热回收方法及装置系统控制方法，有效利用钢渣显热，并产生连续、高品位蒸汽，提升钢渣热量利用率。

2、为达到此申请目的，本技术采用以下技术方案：

3、第一方面，本技术提供一种钢渣处理余热回收装置系统，所述钢渣处理余热回收装置系统包括：

4、热闷单元，所述热闷单元连接有烟气循环回路，所述烟气循环回路上设置有换热单元，所述换热单元用于将换热介质与烟气进行换热并产生蒸汽；所述换热单元连接有汽包。

5、本技术的装置系统，在通过烟气循环回路及换热装置设计，针对热闷池中未喷水降温的转炉高温钢渣，利用对流换热回收其显热，有效利用未处理钢渣的高温余热，将其转化为高品位蒸汽，提升钢渣热量利用率。

6、在一些实施方式中，所述换热单元包括预热换热装置和余热锅炉换热装置，所述预热换热装置和余热锅炉换热装置之间还连接有换热介质管路。

7、在一些实施方式中，所述余热锅炉换热装置与汽包连接，所述余热锅炉换热装置与汽包之间设置有上升管路和下降管路，用于将余热锅炉换热装置中产生的气液混合物输送至汽包进行分离，将分离出的液态介质回流至余热锅炉换热装置进行回用。

8、在一些实施方式中，所述汽包连接有蓄热装置。

9、在一些实施方式中，所述蓄热装置连接有发电单元。

10、在一些实施方式中，所述预热换热装置和余热锅炉换热装置之间的换热介质管路上设置有除氧装置。

11、在一些实施方式中，所述换热介质管路上还设置有除氧水泵。

12、在一些实施方式中，所述预热换热装置连接有给水管路。

13、在一些实施方式中，所述给水管路上设置有给水泵。

14、在一些实施方式中，所述烟气循环回路上设置有除尘装置。

15、在一些实施方式中，所述除尘装置包括布袋除尘器。

16、在一些实施方式中，所述烟气循环回路上设置有循环风机。

17、在一些实施方式中，所述热闷单元连接有乏汽管路。

18、在一些实施方式中，所述乏汽管路上设置有乏汽处理装置。

19、在一些实施方式中，所述热闷单元连接有热闷水管路，所述热闷水管路用于向热闷单元输送热闷用水。

20、在一些实施方式中，所述热闷水管路上设置有热闷水罐，用于收集存储热闷用水。

21、在一些实施方式中，所述乏汽处理装置通过冷凝水管路连接到热闷水管路。

22、在一些实施方式中，所述换热单元通过冷凝水管路连接到热闷水管路。

23、在一些实施方式中，所述预热换热装置连接到冷凝水管路。

24、在一些实施方式中，所述冷凝水管路上设置有冷凝水净化装置，用于对冷凝水进行净化处理。

25、在一些实施方式中，所述冷凝水管路连接到给水管路。当换热介质包括水时，系统中产生的冷凝水还可作为换热介质使用。

26、在一些实施方式中，所述热闷单元包括并联的至少三个热闷池。

27、在一些实施方式中，每个热闷池分别独立地设置有烟气进口阀门、烟气出口阀门、乏汽阀门和热闷水阀门。

28、在一些实施方式中，所述钢渣处理余热回收装置系统还包括传感器组件，所述传感器组件用于实时监测烟气和/或换热介质的温度、压力、流量等参数。

29、在一些实施方式中，所述钢渣处理余热回收装置系统还包括控制器。

30、在一些实施方式中，所述控制器与传感器组件、循环风机、水泵和热闷池的阀门电性连接，用于根据烟气和/或换热介质的参数调控循环风机、水泵的功率，及阀门的开度，以实现最小系统能耗和最大蒸汽产量。

31、第二方面，本技术提供一种钢渣处理余热回收方法，所述钢渣处理余热回收方法使用第一方面所述的钢渣处理余热回收装置系统。

32、在一些实施方式中，所述钢渣处理余热回收方法包括如下步骤：

33、将待处理钢渣加入热闷单元中，烟气在热闷单元中与钢渣进行换热，换热后的钢渣进行热闷过程，换热后形成的高温烟气进入换热单元与换热介质进行换热，形成低温烟气并产生气液混合物；低温烟气通过烟气循环回路进入热闷单元参与下一次换热形成循环；气液混合物进入汽包进行分离，得到饱和蒸汽和循环介质，循环介质回流至换热单元进行循环。

34、在一些实施方式中，所述高温烟气的温度为600-700℃，例如可以是600℃、620℃、640℃、650℃、660℃、680℃或700℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未列举的数值同样适用。

35、在一些实施方式中，所述低温烟气的温度为40-80℃，例如可以是40℃、50℃、60℃、70℃或80℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未列举的数值同样适用。

36、在一些实施方式中，所述换热单元中余热锅炉换热装置的出口烟气温度为100-200℃，例如可以是100℃、120℃、150℃、180℃或200℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未列举的数值同样适用。

37、在一些实施方式中，进入所述热闷单元的烟气压力为108-110kpa，例如可以是108kpa、109kpa或110kpa，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未列举的数值同样适用。

38、在一些实施方式中，进入所述换热单元中余热锅炉换热装置的换热介质的压力为1.4-1.6mpa，例如可以是1.4mpa、1.45mpa、1.5mpa、1.55mpa或1.6mpa，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未列举的数值同样适用。

39、在一些实施方式中，所述饱和蒸汽的压力为1.3-1.5mpa，例如可以是1.3mpa、1.35mpa、1.4mpa、1.45mpa或1.5mpa，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未列举的数值同样适用。

40、在一些实施方式中，所述钢渣处理余热回收方法还包括：

41、所述热闷单元中，至少两个热闷池并联交替进行热闷作业；任一所述热闷池的热闷作业包括倒渣、热闷过程和出渣；

42、所述倒渣为向热闷池中加入待处理钢渣，所述倒渣过程中，将烟气通入热闷池中与钢渣进行换热；

43、任一热闷池进行倒渣时，至少一个其他热闷池进行热闷过程和出渣。

44、本技术中，所述热闷过程是指向热闷池中加入冷却水进行热闷。所述出渣是指清理热闷池中处理完的钢渣。

45、在一些实施方式中，所述倒渣的时间为7-9h，例如可以是7h、7.5h、8h、8.5h或9h，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未列举的数值同样适用。

46、在一些实施方式中，所述热闷过程的时间为4-6h，例如可以是4h、4.5h、5h、5.5h或6h，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未列举的数值同样适用。

47、在一些实施方式中，所述出渣的时间为2-4h，例如可以是2h、2.5h、3h、3.5h或4h，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未列举的数值同样适用。

48、在一些实施方式中，所述热闷池为三个时，三个热闷池的热闷作业过程和配合关系为：

49、（1）第一热闷池进行倒渣，第二热闷池进行热闷过程和出渣，第三热闷池为备用状态；

50、（2）第一热闷池进行热闷过程和出渣，第二热闷池为备用状态，第三热闷池进行倒渣；

51、（3）第一热闷池为备用状态，第二热闷池进行倒渣，第三热闷池进行热闷过程和出渣。

52、在一些实施方式中，所述热闷池为三个时，所述钢渣处理余热回收方法包括如下步骤：

53、三个热闷池并联交替进行热闷作业，任一所述热闷池的热闷作业包括倒渣、热闷过程和出渣；

54、（1）在第一热闷池中进行倒渣，将待处理钢渣倒入第一热闷池，将烟气通入第一热闷池与钢渣进行换热，形成高温烟气与换热介质进行换热，产生低温烟气和气液混合物；所述气液混合物进入汽包进行分离，得到饱和蒸汽和循环介质，饱和蒸汽经蓄热装置调节后输出，循环介质回流进行循环；同时，第二热闷池进行热闷过程和出渣，第三热闷池为备用状态；

55、（2）第一热闷池中倒渣结束后进行热闷过程，向第一热闷池中加入冷却水进行热闷，热闷过程结束之后进行出渣，清理热闷池中处理完的钢渣；同时，第二热闷池为备用状态；在第三热闷池进行倒渣，将待处理钢渣倒入第三热闷池，步骤（1）换热后的低温烟气通入第三热闷池与钢渣进行换热，形成高温烟气与换热介质进行换热，产生低温烟气和气液混合物；气液混合物依次经过汽包和蓄热装置形成饱和蒸汽输出；

56、（3）第一热闷池的出渣结束后，设置为备用状态；同时，在第二热闷池进行倒渣，步骤（2）的低温烟气通入第二热闷池与钢渣进行换热，形成高温烟气与换热介质进行换热，产生低温烟气和气液混合物；气液混合物依次经过汽包和蓄热装置形成饱和蒸汽输出；第三热闷池进行热闷过程和出渣；

57、重复步骤（1）至（3）形成循环。

58、第三方面，本技术提供一种钢渣处理余热回收装置系统的控制方法，所述钢渣处理余热回收装置系统为第一方面所述的钢渣处理余热回收装置系统，所述控制方法如下：

59、（1）获取所述钢渣处理余热回收装置系统的运行数据并进行预处理，获得参数时序数据；

60、（2）根据所述时序数据，基于lstm-gru神经网络，预测装置系统的热负荷；

61、（3）采用nsga-ⅱ遗传算法进行多目标优化，生成装置系统内最优阀门开度和设备功率。

62、本技术中利用系统数据，基于神经网络进行计算优化，从而控制系统中阀门开度和循环风机、水泵的功率，以获得最大化蒸汽产量、发电功率和最小化系统能耗。

63、在一些实施方式中，所述预测装置系统的热负荷，包括：

64、基于lstm神经网络，根据钢渣温度的时序数据，预测钢渣的温度曲线，并计算热释放率系数；

65、根据钢渣的温度曲线和热释放率系数，基于gru网络，预测装置系统的热负荷。

66、在一些实施方式中，所述预测钢渣的温度曲线包括：

67、将钢渣温度的时序数据ts(t-i)与时间i进行拼接，生成增强时序张量；将增强时序张量输入ltsm编码器-解码器，输出未来60个每分钟预测值ts(t+k)，即为钢渣温度曲线。

68、在一些实施方式中，所述热释放率系数ε的计算公式如下：

69、

70、其中，ε为热释放率系数；εstate为状态路径标量，由解码器最终状态ht+60计算获得；εslope为斜率路径标量，由预测值ts(t+k)计算获得。

71、在一些实施方式中，基于gru网络，预测装置系统的热负荷包括：

72、计算理论最大温差序列δtmax(t+k)=ts(t+k)-t1(t)，将温差序列δtmax与热释放率系数ε拼接到过去60分钟的烟气/汽水参数矩阵，获得增强特征矩阵xgru_in；

73、使用gru网络，输出蒸汽产量、系统能耗的时间序列；

74、根据发电功率与蒸汽产量的映射关系，计算得到发电功率的时间序列；

75、对蒸汽产量、系统能耗、发电功率的时间序列进行求和聚合，输出累计蒸汽产量f1、累计发电量f2、累计系统能耗f3。

76、在一些实施方式中，所述多目标优化中，以蒸汽产量和发电功率的最大值和系统能耗的最小值为优化目标。

77、在一些实施方式中，适应度函数定义如下：

78、

79、其中，α为蒸汽权重，赋值0.55；β为发电权重，赋值0.25；γ为能耗权重，赋值0.2；norm表示f/fmax为归一化相对比值；fmax为当前种群最大值；λ为惩罚系数，赋值1000；φ(x)为总违规量，φ(x)=φt+φp，违规量φt、φp分别由温差δt和压降δp的约束违规累加而得。

80、相对于现有技术，本技术具有以下有益效果：

81、本技术的装置系统，通过烟气循环回路及换热设备设计，针对热闷池中未喷水降温的转炉高温钢渣，利用对流换热回收其显热，有效利用未处理钢渣的高温余热，将其转化为高品位蒸汽，提升钢渣热量利用率。进一步地，通过热闷单元作业周期的调控，形成连续、稳定蒸汽，提升钢渣余热回收的连续性和稳定性。