熔融材料的成粒 |
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| 申请号 | CN200980124171.2 | 申请日 | 2009-06-29 | 公开(公告)号 | CN102112216B | 公开(公告)日 | 2013-08-07 |
| 申请人 | 联邦科学及工业研究组织; | 发明人 | 谢冬生; 贝尔纳·华盛顿; 史帝文·萨内特斯; | ||||
| 摘要 | 一种成粒机，其包括：用于接收熔融材料并且从其中发射熔融材料的液滴的旋转式 雾化器 ；以及设置在液滴的轨迹上并且液滴在其上撞击的冲击面，所述冲击面与旋转式雾化器具有一定的距离并成一定的 角 度使得(i)全部或基本上全部液滴撞击所述冲击面，以及(ii)大部分液滴在与冲击面 接触 之前没有完全地 固化 。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种成粒机，其包括： |
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| 说明书全文 | 熔融材料的成粒技术领域[0001] 本发明涉及用于熔融材料成粒的装置和方法。 背景技术[0002] 某些类型的熔融材料成粒机包括旋转式雾化器。在这种类型的成粒机中，设置熔融材料与旋转盘接触然后通过离心力径向地从旋转式雾化器的中央被发射出去。理想地，发射的熔融材料的液滴在从旋转式雾化器被发射以后并在被收集用于进一步的用途之前的时间内充分地固化并冷却。目前存在多种成粒机和旋转式雾化器设计。 [0003] 这些现行设计的一些缺点是：(i)其大的尺寸，成粒机通常需要大至10m的半径来使从旋转式雾化器发射的熔融材料的液滴充分地固化，(ii)昂贵并且低效使用大的气流来帮助冷却从旋转式雾化器发射的熔融材料液滴，(iii)在熔渣成粒机中产生的“熔渣棉”(slag wool)造成昂贵的清理费用并降低成粒机的运行效率；熔渣棉是由非理想的旋转式雾化器设计形成的纤维状固化的熔渣，以及(iv)在收集阶段中在发射的液滴中保留的残余热量使它们表面相互粘附、团聚和/或再熔。 发明内容[0004] 申请人设计了熔融材料成粒机，其包括对现有的旋转式雾化器改进的旋转式雾化器。申请人发现通过从雾化器向以缩短的距离设置的冲击面发射液滴，刚好在此距离内的液滴能够完全地固化，那些部分固化而不够结实的液滴在与所述表面撞击时破裂。这会暴露出温度依然很高的材料的内核，使其比其他可能的方式更快地冷却。从而极大地缩短了飞行的距离，并且通过用冲击面撞击部分固化的液滴，可以极大地缩小成粒子的尺寸并且不需要提供冷却气幕就能够冷却粒子。这进一步降低了成粒机的运行成本。 [0005] 一方面，本发明提供了一种成粒机，其包括： [0006] 用于接收熔融材料并且从其中发射熔融材料的液滴的旋转式雾化器；以及[0007] 设置在液滴的轨迹上并且液滴在其上撞击的冲击面，所述冲击面与旋转式雾化器具有一定的距离并成一定的角度使得： [0008] (i)全部或基本上全部液滴撞击所述冲击面，以及 [0009] (ii)部分液滴在与冲击面接触之前没有完全地固化。 [0010] 在液滴固化时，人们相信由于固化壳的传热特性，液核不能同样快速地冷却。申请人发现当部分固化的液滴撞击冲击面时，至少部分固化的液滴中的一部分与冲击面撞击破裂而暴露出熔融材料。 [0011] 另外，在与冲击面接触以后，部分固化的液滴与冲击面的撞击使部分固化的液滴改变为朝向收集器的方向。 [0012] 在本发明的优选方式中，部分液滴具有3mm或更大的最大尺寸或直径。当液滴撞击冲击面时，优选大于20vol％并且优选小于90vol％的液滴已经固化。在以前的研究中，工艺设计是基于在碰撞之前充分冷却至基本上固化以避免粘附(从而需要大的机壳和更长的飞行时间)。 [0013] 另一方面，本发明提供了熔融材料成粒的方法，其包括： [0014] 从旋转式雾化器向冲击面发射熔融材料的液滴，在飞行中部分液滴部分地固化； [0015] 使全部或基本上全部的部分固化的液滴撞击设置在液滴的轨迹上的冲击面使得部分液滴在撞击冲击面时没有完全地固化；以及 [0016] 使部分固化的液滴改变为朝向收集器的方向。 [0017] 在优选的方式中，部分固化的液滴的一部分为小于50％固化。优选所述熔融材料为熔渣。 [0018] 在上述方面的一些实施方式中，设置的冲击面相对于轨迹的角度可为大于30度至小于75度。在一个优选方式中，数值范围的下端值为大于45度且数值范围的上端值可为小于60度。冲击角不应太大而避免使部分固化的液滴粘附到冲击面上，冲击角度的选择取决于材料的特性和与雾化器的距离以及由此产生的固化度。 [0020] 图1为显示沿着中心轴进行剖面的本发明的成粒机的剖面图，为了清楚起见，其显示了减少数目的结构特征。 [0021] 图2为本发明的成粒机的平面图，为了清楚起见，其显示了减少数目的结构特征。 [0022] 图3为显示沿着中心轴进行剖面的本发明的优选实施方式的成粒机的剖面图。 具体实施方式[0023] 图1说明了本发明的成粒机的特征和运行。在典型的运行中，熔融材料2通过输送装置4被输送到成粒机100。输送装置4将熔融材料引向旋转式雾化器8，由于旋转装置16旋转式雾化器以一定的旋转速率旋转。绕基本垂直轴旋转使熔融材料2以轨迹24从旋转式雾化器8被发射出去。由此形成的熔融材料的液滴22以轨迹24被发射向冲击面28。 在撞击冲击面28之前，部分熔融材料的液滴22没有完全地固化以形成具有围绕熔融材料核的固化壳的部分固化的液滴26。部分固化的液滴26与冲击面28的撞击力导致部分固化的液滴26的至少一部分的至少固化壳破裂并形成破裂的液滴30。包括破裂的液滴30在内的所有液滴被冲击面28改变方向，在进一步固化的同时向收集器32行进。 [0024] 影响成粒机100的设计的重要因素包括：通过输送装置4的熔融材料2的流动速率、旋转式雾化器8的旋转速率、熔融材料的液滴22的发射温度、在与冲击面28撞击之前熔融材料的液滴22的轨迹距离和飞行时间、熔融材料的液滴22的尺寸、构成熔融材料2的材料、存不存在另外的冷却(例如环状的气流和/或冲击面的冷却)。也就是说，成粒机100的任一部件的精确设计和确切的运行条件通常取决于成粒机100的其他部件的设计和运行条件，以及取决于要成粒材料的物理和化学性质。例如，更高的传输温度可能需要在与冲击面28撞击之前更长的轨迹；以及具有较低的热导率的熔融材料可能需要在与冲击面28撞击之前更长的轨迹。虽然如此，本说明书提供数值作为用于典型的设计参数和运行条件的指导。 [0025] 熔融材料2可为希望由其制备粒状形式的任何熔融材料。例如，所述熔融材料可为熔融金属、聚合物、锍(matte)或玻璃。在优选的实施方式中，所述熔融材料为由熔炼矿石来提纯金属的工艺中产生的副产物(也被称为熔渣)。粒状的熔渣可用于任何用途，但是尤其可用于水泥和混凝土的制备。 [0026] 输送装置4可为本领域中公知的任何合适的装置。例如，输送装置4可为管子(tube)、管道(pipe)、通道(channel)、槽(trough)或其它形式的导管。合适的改进雾化器记载在澳大利亚临时专利申请第2008903296号和后续的同时待决国际专利申请中，其全部内容以引用的方式并入本申请。所述熔融材料2可通过本领域中公知的任何装置从输送装置4的末端排出。例如，熔融材料2可通过喷嘴、喷口、龙头或其它控制输送的装置排出。可选择地，熔融材料2可从输送装置4的末端排出而无需任何其它的控制输送的装置。在熔渣的情况下，输送装置4可称作熔渣漏(slag drop)。 [0027] 熔融材料2以高温下(以下称作‘输送温度’)经过输送装置4被输送。所述输送温度可为在此温度下所述材料基本熔融的任何温度，并且取决于材料本身。在由炼铁的熔渣的情况下，熔融材料2的输送温度可为约1400℃至约1600℃。显然，由于在输送装置4的末端和旋转式雾化器8之间的热量损失，输送温度可稍微高于由旋转式雾化器8接收熔融材料2时的温度，但是对于本说明书的目的，两者应该被认为是相同的。通过输送装置4并且进入旋转式雾化器8的熔融材料2的流动速率是可变的并取决于成粒机100的其它部件的设计和运行条件，以及取决于要成粒的材料。有代表性地，所述流动速率可从对于小型工厂或试验装置的小至约1千克/分钟到对于工业级工厂的几吨/分钟。该流动速率可称作出炉速率(tapping rate)。 [0028] 设置旋转式雾化器8使得从输送装置4中排出的熔融材料2被旋转式雾化器8的接收部分接收。旋转装置16用于使旋转式雾化器绕基本垂直的轴旋转或转动。旋转装置16可为本领域中公知的任何旋转装置。例如，旋转装置16可为磁力驱动或齿轮驱动。旋转速率是可变的并且取决于成粒机100的其他部件的设计和运行条件，以及取决于要成粒的材料。有代表性地，所述旋转速率可为从约600rpm至约3000rpm。旋转式雾化器的设计可为本领域中公知的任何设计。熔融材料的液滴22的形状和尺寸是可变的并且取决于成粒机100的其他部件的设计和运行条件，以及取决于要成粒的材料。有代表性地，熔融材料的液滴22大体上为具有约0.5mm至约5mm的直径的球形。从旋转式雾化器8的发射熔融材料的液滴22的速度是可变的并且取决于成粒机100的其他部件的设计和运行条件，以及取决于要成粒的材料。有代表性地，从旋转式雾化器8的发射熔融材料的液滴22的速度为约 1.5m/s至约8m/s。 [0029] 旋转式雾化器8可由本领域中公知的任何材料构成。对雾化器的材料的优选要求是成本低、高热导率和可加工性。例如，旋转式雾化器8可由耐火材料或铜构成。优选地，旋转式雾化器8是由不锈钢或铸铁构成的。 [0030] 在一些实施方式中，对于图2，将旋转式雾化器8设置在成粒机100中的大体上的中心位置。更有代表性地，将旋转式雾化器8设置在由冲击面28限定的区域中的大体上的中心位置。也就是说，因为旋转式雾化器8旋转并且沿其圆周在任何点和所有点径向地(radially)发射熔融材料的液滴22，优选使得冲击面28设置在全部或基本上全部发射的熔融材料的液滴22的轨迹上。也就是说，优选冲击面28为环状的。 [0031] 然后全部或基本上全部发射的熔融材料的液滴22沿着轨迹朝着冲击面28前进。设置冲击面使其与旋转式雾化器间隔一段距离使得在与表面撞击之前部分液滴没有完全地固化并形成部分固化的液滴26。部分固化的液滴26具有固化的外区域或壳以及熔融的内区域或核。所述距离取决于熔融材料、材料的温度和液滴的尺寸。液滴的尺寸反过来又取决于雾化器的旋转速度以及由此导致的液滴的出口速度。 [0032] 同样，以一定的距离和角度设置冲击面28使得部分固化的液滴26的大部分在撞击之前没有完全地固化，并且使得部分固化的液滴26与冲击面28的撞击使部分固化的液滴26的至少一部分破裂并形成破裂的液滴30。部分固化的液滴26的破裂导致固化的外区域开裂、破碎、裂开或破裂并且暴露至少部分熔融的内区域到破裂的液滴30的外面。不限于理论，发明人相信熔融的内区域暴露到外面使破裂的液滴30比没有与冲击面28撞击而破裂的部分固化的液滴26冷却和固化地更快。还可以改变设置的冲击面28相对于轨迹的角度来控制撞击力。设置的冲击面28相对于轨迹的角度β可为大于30度至约75度。该角度是以撞击的径向测量的。所述范围的下端值可大于45度以及上端值可小于60度。 因此接触角的优选范围包括这些极限范围的组合。本领域的技术人员理解部分固化的液滴 26与冲击面28撞击是否破裂是速度、固化度、冲击角β以及部分固化的液滴26的尺寸的函数。 [0033] 不限于理论，据信对于约3mm或更大并优选小于约50％的凝固分数(solid fraction)(体积％)的液滴会发生碰撞和分裂(从一个较大的部分固化的液滴到几个较小的液滴)。该50％的凝固分数相当于凝固壳的线性厚度对应于液滴半径的约20％。 [0035] 在我们的到碰撞试验中，液滴在几分之一秒(飞行时间)内与倾斜的顶部碰撞。在碰撞前的飞行时间的范围内(0.02-0.12秒的范围)，认为较大的液滴(直径约3mm或更大的液滴，其占到液滴的约1％但大于0％)具有小于50vol％固化和低至30vol％固化，并且一些较大的液滴在碰撞中破裂。较小的液滴(2mm或更小)在碰撞前达到较高的凝固分数并且没有显示很多的分裂。申请人观察到从雾化器到冲击面的距离使得2mm或更大的液滴(小于5％但大于0％的液滴)在撞击时具有小于50vol％的固化。 [0036] 碰撞和分裂非常快并且在某种程度上是随机的过程。具有小于约50vol％固化的较大液滴似乎比具有更高固化的较小液滴具有更大的几率破碎。 [0037] 如果液滴在表面具有较少的固化，那么液滴在碰撞时会变平并且弥散(smear)而不是被弹回并破碎。据信当固化的程度低于约20vol％的凝固分数的估计值时会发生这种情况。因此，固化的程度应该大于20vol％且优选小于80vol％。避免弥散的合适的条件可以容易地通过试验确定(例如通过熔融材料的加工条件，例如出炉温度)。 [0039] 与冲击面28撞击之后，破裂的液滴30进一步固化并成为粒状材料34，其可被收集用于进一步的用途。粒状材料34通常由固化材料的粒子组成或由具有至少固化的外区域或壳并且还可以具有熔融的内区域或核的材料的粒子组成。可以使用本领域中公知的任何收集器32来收集粒状材料34。例如，所述收集器32可简单地为设置的任何尺寸的开口使得粒状材料34能够排出成粒机100，或者可为具有至少一个用于排出粒状材料34的孔的环状槽。 [0040] 作为其可能运行时的情况，图3给出了成粒机100更全面的描述，熔融材料的液滴22从旋转式雾化器8被发射到室40，所述室40可为封闭的或基本上封闭的室。在部分固化的液滴26与冲击面28撞击形成破裂的液滴30以后，粒状材料34被引向收集器，在图3中其作为收集器32被描述为设置在成粒机100的外围。 [0041] 室40可具有大体上为截头圆锥状(也称作截头体(frustum))的上边界面42。截头圆锥状的上边界面42朝着输送装置4向上会聚并且与垂直线形成锐截头圆锥角。上边界面42可向输送装置4延伸或仅部分地向输送装置4延伸。冲击面28可设置在上边界面42上。优选地，至少部分上边界面42为冲击面28。 [0042] 室40可具有下边界面44。下边界面44可为任何形状。下边界面44特别优选的形状为适合将粒状材料34引向收集器32的形状。例如，下边界面44还可为朝成粒机100的中心轴或者向上或者向下会聚的大体上截头圆锥形状。图3将下边界面44描绘为向上会聚的截头体。然后优选将收集器设置在下边界面44内或与其相邻。例如，当下边界面44为向上会聚的截头体时，可将收集器32设置在外围位置。当下边界面44为向下会聚的截头体时，可将收集器32设置在更靠近中心的位置。在后一种情况下，收集器的位置不必位于最中心的位置，但是可在比成粒机的外围更靠近中心的任何位置。 [0043] 可对上边界面42、冲击面28和/或下边界面44进行冷却。例如，上边界面42、冲击面28和/或下边界面44可以通过空气、水、其它致冷剂或本领域中公知的任何其他的材料冷却，通过使这些材料与上边界面42、冲击面28和/或下边界面44的外表面接触来实现冷却。 [0044] 图3还显示可选择的轨迹24。轨迹24是可变的并且取决于成粒机100的其他部件的设计和运行条件，以及取决于要成粒的材料。最重要地，旋转式雾化器8的设计和运行对由此产生的轨迹24的特性是重要的。在图3显示的轨迹24的两个例子中，上述的实施方式都存在。也就是说，熔融材料的液滴22从旋转式雾化器被发射到冲击面28，然后作为破裂的液滴30改变方向，再然后成为朝向收集器32的粒状材料34。在这两种实例中，液滴的轨迹具有切向分量以及径向分量。对于轨迹24，粒子在下边界面44朝着收集器32向下盘旋。 [0045] 在一些实施方式中，特别是那些其中室40为封闭的或基本上封闭的实施方式，成粒机100可进一步包括气流来增强熔融材料的冷却、帮助避免粒状材料34的聚集以及使粒状材料34朝收集器前进。优选地，当在稳定状态，所述气流为环状的并且基本上不具有净向上速度分量。即，不象现有技术中的一些成粒机，为了实现熔融材料的充分冷却本发明的成粒机在运行时不需要向上的气流。例如，本发明的成粒机不需要向上的气流来形成熔融材料的液滴的轨迹从其穿过的幕，也不需要存在流化床型设备来对部分固化的液滴提供进一步的冷却。具有环状气流的实施方式尤其适合具有截头圆锥形状的成粒机并且所述气流可被描述为气旋式的。 [0046] 成粒机100中的气流的速度是可变的并且取决于成粒机的其他部件的设计和运行条件，以及取决于要成粒的材料。有代表性地，所述气流的速度为约2m/s至约20m/s。 [0047] 通过成粒机的空气的流动速率是可变的并且取决于成粒机的其他部件的设计和运行条件，以及取决于要成粒的材料，合意地，空气的流动速率是进一步可控的以使能够实现本发明的成粒机的另外的优点。更具体地讲，所述气流可用于帮助来自熔融材料的热能的回收。例如，通过成粒机的较低的空气流动速率会导致排出成粒机的空气具有较高温度。显著地，通过成粒机的空气流动速率是所需的气流速度和成粒机的容积的函数。例如，对于较小的成粒机容积与相应的较低的空气流动速率会实现较高的空气温度排出成粒机。有代表性地，在熔渣的情况下，控制通过成粒机的空气流动速率使得排出成粒机的空气具有高于约400℃的温度，在某些情况下，排出成粒机的空气具有高于约600℃的温度。同样，排出成粒机的粒状材料包含可被回收的以热能形式的能量。在熔渣的情况下，排出成粒机的粒状材料具有低于约800℃的平均温度。例如，在本领域中公知的填充床逆流热交换器中可以回收在排出的颗粒中的剩余能量。以热空气形式回收的能量可用于干燥、预热、蒸汽产生、发电和/或脱盐。 [0048] 应该理解在本说明书中公开和限定的发明延伸至在申请文本或附图中提及的或者显而易见的单个特征的两个或多个的所有可选择的组合。所有这些不同的组合构成了本发明的各种可选择的方面。 [0049] 还应该理解本说明书中使用的术语“包含”(或其语法上的变体)等同于术语“包括”并且不应被认为排除其他元件或特征的存在。 |
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