金属蒸气高效冷却系统的制作方法

1.本实用新型属于冶金领域，具体涉及一种金属蒸气高效冷却系统。


背景技术：

2.炼钢、有色或化工等领域在金属冶炼过程通常会产生含一种或多种金属物的高温蒸气，常规的冷却或除尘系统会引发金属物蒸气的二次氧化、燃烧或烟道超温等问题，冷却除尘后亦会生成含pb、zn、cd等重金属粉尘或污泥，而该类固废属于危险废弃物，需要投入较高的二次处置成本；同时，蒸气中的有价金属也未能得到有效地分离、富集与回收。因此市场亟需一种针对单金属或复杂多金属物高温蒸气的高效冷却系统，实现对金属的快速冷却、捕集与分离。
3.公布号为cn1869260a的中国专利申请提供一种可回收火法精炼加锌除银后的铋液/银锌渣中的锌的方法。该方法是先将铋液/银锌渣熔液置于密闭的真空容器中，使锌从铋液/银锌渣熔液中蒸发，得到锌蒸气；抽真空使锌蒸气上升至冷凝设备处，使其凝固成固体，附着于冷凝设备并收集，再将尾气引入沉降净化设备中进行净化处理后排放。该方法可回收锌，使其循环使用，还可避免有毒气体污染和氯碱渣的污染。但其所采用的冷凝方式为依靠设置在真空容器上部的冷却水套，换热方式为传统的间接换热，冷却效率低，收得固体含锌物形态复杂，且杂质含量高，需要做二次处理，适用场景受限。
4.公布号为cn113604667a的中国专利申请公开了一种多金属蒸气真空梯级冷凝方法及系统。该方案是在真空冷凝器中构建不同温度场，通过水冷盘管形成中低温区，金属熔池形成高温区，多金属蒸气在金属熔池中进行第一次降温，在水冷盘管处进行第二次降温，在水冷罩作用下进行第三次降温，以此形成三个梯级的冷凝分离效果，将金属蒸气梯级冷凝分别回收。尽管该方案已经对传统的间接换热方式有所改进，但仅靠气流与金属熔池间的搅拌进行直接换热，冷却效率(金属熔池冷却能力)仍不高，因此该方案在熔池上方设置了水冷盘管进行二次冷却来进一步提高冷却效率，但这无疑增加了冷却系统的复杂性，同时也增加了设备成本和维护费用。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种金属蒸气高效冷却系统，通过改变换热方式、简化冷却系统，达到提升冷却效率的目的。
6.为达到上述目的，本实用新型提供如下技术方案：
7.一种金属蒸气高效冷却系统，包括金属熔池、循环冷却室以及沉降室，循环冷却室的出气口端通过出气管与沉降室的入口端相接；金属熔池通过进气管以及回流管与循环冷却室的内腔相连通，进气管上设有金属液入口与蒸气入口，进气管的金属液入口伸入金属熔池的金属液内、且金属液入口的入口端面高于回流管的出口端面，进气管的蒸气入口与高温蒸气管道相接通以通入含金属物的高温蒸气。
8.进一步，进气管有多根，以回流管轴线为中心均布在回流管的外周处。
9.进一步，进气管有2～8根，各进气管的横截面面积为回流管横截面面积的1/2～1/8，各进气管上均设有进气阀。
10.进一步，进气管的出气口处接有文丘里管。
11.进一步，文丘里管的出气口处设有喷头。
12.进一步，回流管的外壁处设有感应加热装置。
13.进一步，循环冷却室的底部为上大下小的锥形结构，回流管的入口端与该锥形结构底部相接。
14.进一步，循环冷却室的顶部出气口处设置有挡板过滤器。
15.进一步，金属熔池的底部设有虹吸口。
16.进一步，沉降室的出口端接有真空泵组。
17.进一步，沉降室中设置有水冷装置或布袋过滤器。
18.进一步，进气管上并联设置有辅助进气管，该辅助进气管的入口端与惰性气体管路相接通。
19.进一步，辅助进气管上设置有阀门。
20.金属蒸气的高效冷却方法，主要包括以下步骤：通过进气管以及回流管将上端的循环冷却室与下端的金属熔池相连通；进气管上具有金属液入口以及蒸气入口两个入口端，其中金属液入口伸入进金属熔池的金属液内，蒸气入口则与高温蒸气管道相接通以通入含金属物的高温蒸气；
21.使循环冷却室与金属熔池间产生压差，将压差作为动力源，并通过该压差将金属熔池中的金属液由金属液入口端向上端的循环冷却室内腔中喷射；其中金属液从进气管的出口端喷射而出形成金属雨滴，进入循环冷却室内腔的高温蒸气则与金属雨滴直接充分接触，协同循环冷却室的水冷壁进行充分换热后形成金属液滴，该金属液滴同金属雨滴一起通过回流管返回金属熔池。
22.进一步，循环冷却室与金属熔池间的压差为静压差，其是通过进气管向循环冷却室连续不断地输送高温蒸气而产生，通过控制高温蒸气的流速，进而调节金属液向循环冷却室内腔中喷射的剧烈程度。
23.进一步，在进气管上并联设置辅助进气管，该辅助进气管的入口端与惰性气体管路相接通，通过调节惰性气体的通入量，以维持循环冷却室与金属熔池间的压差。
24.进一步，在循环冷却室的出气口端后方设置真空泵组，循环冷却室与金属熔池间的压差为真空泵组形成的压力差；通过控制循环冷却室的真空度，调节进气管中高温蒸气的流速，进而调节金属液向循环冷却室内腔中喷射的剧烈程度。
25.进一步，返回金属熔池的金属液由设置在金属熔池底部的虹吸口流出；其中高温蒸气中的金属杂质经换热过程冷却、熔析，并形成熔渣浮于金属熔池的上方；其他可溶性金属元素流出后经过静置分层或二次精馏实现金属分离。
26.进一步，在回流管的外壁设置感应加热装置以控制返回金属熔池中的金属液的温度。
27.进一步，从循环冷却室的出气口端排出的蒸气进入沉降室，通过沉降室进行二次冷却、富集，形成粉尘后进行回收。
28.本实用新型的有益效果在于：
29.该冷却系统中，利用循环冷却室与金属熔池间的压差、并通过进气管与回流管带动下端金属熔池内的金属液循环，喷射入循环冷却室内的金属液会形成金属雨滴，该部分金属雨滴在滴落过程与进入的(含金属物的)高温蒸气快速换热。金属液的喷溅剧烈程度(换热速率)是可调的，其既可以随系统高温蒸气流量或流速来自发控制，也可以在各进气管上设置阀门通过阀门的启动/关闭进行调控。在水冷壁与水冷炉盖的协同作用下，(含金属物的)高温蒸气充分换热，经液化过程生成的金属熔液由金属熔池底部的虹吸口排出，未完全冷却的(含金属物的)蒸气经过二级沉降室冷却、富集形成金属粉尘回收。
30.(含金属物的)高温蒸气经过循环冷却室冷却后，通过挡板过滤器由循环冷却室顶部的出气口进入沉降室；一方面，使没有充分冷却的含金属物的蒸气或被真空系统抽走的金属物可以在沉降室经二次冷却、富集，形成粉尘后进行回收；另一方面，也能使不同露点温度(蒸气压)的金属物在沉降室进行冷却和富集，同时亦是对后方真空泵组的保护，防止真空泵组被气体中的颗粒物污染。
31.该系统及冷却方法不仅适用于单金属物高温蒸气的高效冷却和除杂，同时适用于多种金属物混合蒸气的冷却和分离。
32.系统组成简单，易于控制；相比现有技术，降低了设备成本以及运营维护成本的投入，具有广泛的应用前景。
33.本实用新型的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本实用新型的实践中得到教导。本实用新型的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
34.为了使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型作优选的详细描述，其中：
35.图1为本实用新型的系统示意图。
36.附图标记：
37.进气管1、金属液入口101、蒸气入口102、文丘里管2、喷头3、回流管4、虹吸口5、感应加热装置6、金属熔池7、循环冷却室8、水冷壁9、水冷炉盖10、挡板过滤器11、出气管12、沉降室13、真空泵组14。
具体实施方式
38.以下通过特定的具体实例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点与功效。本实用新型还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本实用新型的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本实用新型的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
39.其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本实用新型的限制；为了更好地说明本实用新型的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩
小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
40.本实用新型实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本实用新型的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本实用新型的限制，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的具体含义。
41.请参阅图1，为一种金属蒸气高效冷却系统，包括金属熔池7、循环冷却室8以及沉降室13，循环冷却室8的出气口端通过出气管12与沉降室13的入口端相接；金属熔池7通过进气管1以及回流管4与循环冷却室8的内腔相连通，进气管1上设有金属液入口101与蒸气入口102，进气管1的金属液入口101伸入金属熔池7的金属液内、且金属液入口101的入口端面高于回流管4的出口端面，进气管1的蒸气入口102与高温蒸气管道相接通以通入含(一种或多种)金属物的高温蒸气。
42.该系统中，上端的循环冷却室8与下端的金属熔池7间存在压差，该压差可通过向进气管1中输入高温蒸气以形成静压差，亦可通过真空泵组14抽真空产生压力差。利用该压差可使金属熔池7中的金属液自动喷入循环冷却室8中，含金属物的高温蒸气与金属液一起，均通过进气管1进入循环冷却室8，此处的进气管1具有两个入口端，其中含金属物的高温蒸气通过蒸气入口102流入进气管1，金属熔池7中的金属液通过金属液入口101流入进气管1。
43.从进气管1(动力端)进入循环冷却室8的金属液将以喷雾/喷泉的形式喷入循环冷却室8，由于该喷雾/喷泉是在压差作用下产生，故其为自发式喷雾/喷泉。
44.被喷入循环冷却室8内的金属液将形成金属雨滴，而随金属液一起喷入的(含金属物的)高温蒸气则与金属雨滴直接充分接触。一方面，高温蒸气与金属雨滴之间存在较大的温度差(高温蒸气温度远高于金属雨滴温度)，因此，该接触过程使高温蒸气产生一个由气态转化为液态的液化过程；另一方面，循环冷却室8本身具有水冷壁9与水冷炉盖10，该水冷壁9与水冷炉盖10也将对进入循环冷却室8内腔中的高温蒸气以及金属雨滴进行换热降温，亦会使高温蒸气液化。在两方的协同作用下，进行充分换热后的高温蒸气将形成金属液滴，此部分金属液滴会随金属雨滴汇集在循环冷却室8的内腔底部处，然后通过回流管4循环至金属熔池7内。而存在于高温蒸气中的(一种或多种)金属杂质，在换热过程中冷却、熔析，后形成熔渣浮于金属熔池的上方。
45.金属熔池7的底部设有虹吸口5。返回金属熔池的金属液由底部的虹吸口5流出；除已形成熔渣并浮于金属熔池上方的金属物外，其他可溶性金属元素随金属液流出后经过静置分层或二次精馏实现金属分离。
46.在进气管1的喷液以及回流管4的回流作用下，金属熔池内的金属液也实现了循环。
47.该冷却系统无需人为操作或设置开关，其喷发过程是自发的；由于高温蒸气直接在循环冷却室8内腔中与金属雨滴进行直接换热以及与水冷壁9进行间接换热，在省略了现有设备中必须的水冷盘管基础上，还保证了换热降温效果。降温效果得到保证，即能使高温
蒸气中的有价金属得到有效地分离、富集与回收。该系统组成得到简化，设备操控简单，可广泛适用于多种金属(混合)蒸气的冷却与有效分离，具有广泛的应用前景。
48.该冷却系统中，进气管1有2～8根，以回流管4轴线为中心均布在回流管4的外周处。各进气管1的横截面面积为回流管4横截面面积的1/2～1/8，该设置可保证进气管1和回流管4的流量一致，防止循环冷却室8中液面过高或因液面过低而造成无法形成喷泉/喷雾问题的产生。各进气管1上均设有进气阀，以实现各管路的独立控制。
49.作为上述方案的进一步优化，进气管1的出气口处接有文丘里管2，该文丘里管2的出口端伸入进循环冷却室8的内腔中。此处的文丘里管2既可以测量通过该管路的金属液以及高温蒸气的流量与流速，在其出气口处设置喷头3以形成文丘里喷嘴，还可提升高温蒸气对循环冷却室8中熔池的搅拌力，并与循环冷却室8内的喷射液滴(即金属雨滴)充分换热，显著提高冷却效率。
50.作为上述方案的进一步优化，为防止进入金属熔池7内的金属液过冷，回流管4的外壁处设有感应加热装置6，该感应加热装置6可对流经回流管4的金属液进行加热，进而控制了金属熔池7内的金属液温度。
51.作为上述方案的进一步优化，循环冷却室8的底部为上大下小的锥形结构，回流管4的入口端与该锥形结构底部相接。锥形结构可起到聚集金属雨滴与金属液滴的作用，便于金属液回流。
52.该冷却系统中，循环冷却室8的内腔顶部位于出气口下方处设置有挡板过滤器11。在气压差与(含金属物的)高温蒸气的作用下，金属液是以(从进气管出口端)喷出的方式进入循环冷却室内腔中的，在循环冷却室8的顶部出气口处设置挡板过滤器11，一方面，可有效阻断喷溅的液滴射入出气口，防止喷射液滴随气流抽走；另一方面，剧烈喷溅的金属液将击打在挡板过滤器11上，有利于(含金属物的)高温蒸气贴合循环冷却室8上的水冷壁9以及水冷炉盖10进行充分换热。
53.需要说明的是：金属液从出口端喷溅而出的剧烈程度(换热速率)是可调的，其既可以随系统高温蒸气流量或流速来自发控制，也可以在各进气管上设置阀门通过阀门的启动/关闭进行调控。另外，进气管上还可以并联辅助进气管，该辅助进气管的入口端与惰性气体管路相接通以作为备用保护气，通过备用保护气来保障进气流量。
54.该冷却系统中，循环冷却室8的出气口后方设置有沉降室13，沉降室13的出口端接有真空泵组14。沉降室13的沉降方式可以选择重力沉降或惯性沉降，如布袋过滤器；依据高温蒸气中金属元素的组成和冷却温度，可在沉降室13中再加设水冷装置，如水冷盘管或隔板。
55.在循环冷却室8的后方设置沉降室13，其作用有三个方面：(1)没有充分冷却的(含金属物的)蒸气或被真空系统抽走的金属物可以在沉降室13进行二次冷却、富集，后形成粉尘进行回收；(2)不同露点温度(蒸气压)的金属物可在沉降室冷却和富集；(3)对后方的真空泵组14进行保护，防止真空泵组14被气体中的颗粒物污染。
56.金属蒸气的高效冷却方法，主要包括以下步骤：通过进气管1以及回流管4将上端的循环冷却室8与下端的金属熔池7相连通；进气管1上具有金属液入口101以及蒸气入口102两个入口端，其中金属液入口101伸入金属熔池7的金属液内，蒸气入口102则与高温蒸气管道相接通以通入含金属物的高温蒸气。
57.使循环冷却室8与金属熔池7间产生压差，将该压差作为动力源，并通过该压差将金属熔池7中的金属液由金属液入口101端向上端的循环冷却室8内腔中喷射；其中金属液从进气管1的出口端喷射而出形成金属雨滴，进入循环冷却室8内腔的高温蒸气则与金属雨滴直接充分接触，协同循环冷却室8的水冷壁9进行充分换热后形成金属液滴，该金属液滴同金属雨滴一起通过回流管4返回金属熔池7。
58.循环冷却室8与金属熔池7间的压差可以为静压差，其是通过进气管1向循环冷却室8连续不断地输送高温蒸气而产生，通过控制高温蒸气的流速，可以调节金属液向循环冷却室8内腔中喷射的剧烈程度。此处静压差产生的原理在于：连续不断的高温蒸气经过进气管1流入循环冷却室8，造成连接循环冷却室8与金属熔池7的管路产生了局部静压差，且蒸气流速越快、压差越大，该压差会迫使下方的金属熔池7中的金属液从文丘里管2(亦可称为“上升管”)以喷射态进入循环冷却室8中，然后再通过下部的回流管4返回至金属熔池7中，如此不断循环反复。
59.为防止高温蒸气产生的静压差不够，可在进气管1上并联设置辅助进气管，该辅助进气管的入口端与惰性气体管路相接通。惰性气体亦经过进气管1流入循环冷却室8，通过调节惰性气体的通入量，可维持/增大循环冷却室8与金属熔池7的管路间的静压差。
60.循环冷却室8与金属熔池7间的压差还可以为压力差。在循环冷却室8的出气口端后方设置真空泵组14，循环冷却室8与金属熔池7间的压差即为真空泵组14抽真空所形成的压力差；通过控制循环冷却室8的真空度，即可调节进气管1中高温蒸气的流速，进而调节金属液向循环冷却室8内腔中喷射的剧烈程度。
61.返回金属熔池7的金属液由设置在金属熔池7底部的虹吸口5流出；其中高温蒸气中的杂质(即金属元素)经换热过程冷却、熔析，并形成熔渣浮于金属熔池7的上方；其他可溶性金属元素随金属液从虹吸口5流出后经过静置分层或二次精馏实现金属分离。通过回流管4返回金属熔池7中的金属液的温度由感应加热装置进行控制。
62.从循环冷却室8的出气口端排出的蒸气进入后方的沉降室13，通过沉降室13进行二次冷却、富集，形成粉尘后进行回收。真空泵组14设置在沉降室13的出口端后方，通过该真空泵组14可控制循环冷却室8中的真空度，进而调节进气管1中高温蒸气的流速，实现对系统冷却效率的控制。
63.在循环冷却室8的内腔顶部位于出气口下方处设置挡板过滤器11。通过该挡板过滤器11阻断喷溅的液滴射入出气口，另外，借助剧烈喷溅的金属液击打在挡板过滤器11上这一过程，以使(含金属物的)高温蒸气贴合循环冷却室8上的水冷壁9以及水冷炉盖10进行充分换热。
64.该冷却方法中，其冷却方式既采用了高温蒸气与金属液直接换热，还包含了与水冷壁9以及水冷炉盖10的间接换热。此处的“高效”冷却即是通过“自发式金属喷泉”使高温蒸气在循环冷却室8内与金属雨滴直接、充分换热所获得的。
65.实施例1
66.以金属镁真空还原过程产生的含镁高温蒸气冷却捕集为例进行说明
67.金属镁的冶炼过程需要维持系统的真空度，因此本冷却系统中配备了真空泵组14以维持系统整体的真空度。这样即可保持系统有足够的压强差来稳定蒸气流速，也能保证在冷却系统前期启动或末期停止阶段能稳定运行。
68.金属熔池7为循环金属液，主要目的是将高温蒸气中的金属物冷凝下来，本实施例优先选用与含镁高温蒸气中的金属物镁对应的金属液，若冷却强度不够，也可以选择熔点相对较低的金属液，例如铅液。
69.金属镁真空还原过程产生的含镁高温蒸气沿进气管1进入循环冷却室8，调节真空泵组使循环冷却室8中的真空度100～2000pa，使进气管中气/液流速为150～500l/min，调控感应加热装置6，控制金属熔池7的熔池温度为700～850℃，金属熔池7内的金属液为金属镁液。
70.金属镁液熔池在压力差以及进气端含镁高温蒸气所形成的气压差(静压差)作用下，通过进气管从金属熔池喷射入循环冷却室内并形成金属镁雨滴，金属镁雨滴在滴落过程与同时进入的含镁高温蒸气快速换热，在水冷壁与水冷炉盖的协同作用下，含镁高温蒸气充分换热，经液化过程形成镁液，该部分镁液随金属镁雨滴一起循环至金属熔池内，后由金属熔池底部的虹吸口排出，未完全冷却的含镁蒸气再经循环冷却室8、挡板过滤器11后，从顶部的出气管12进入沉降室13进行冷却、富集，形成少量镁粉，最后尾气经真空泵组排出。
71.分别对金属熔池排出的金属镁液、沉降室收集的镁粉以及排出烟气成分取样分析，结果如表1所示。
72.表1
[0073][0074]
由表1可见，经该系统进行冷却分离后，收得金属镁纯度在98％以上，基本满足粗镁精炼的要求，而现有的间接冷却收得的固体镁纯度仅在90％左右，需要二次熔析才能达到精炼所需粗镁的要求。同时，金属镁的一次回收率也在98％以上，且多为金属液，粉尘仅占7.5％，为前端冶炼工序显著降低了的能耗。而目前传统的水冷壁或盘管式冷却过程一次收得率仅在70％～80％，收得金属镁形态较复杂，需要二次加工。此外，烟气中co浓度在95％左右，亦可以作为燃料供前端冶炼使用。
[0075]
实施例2
[0076]
以电炉炼锌过程产生的含多种金属物的高温蒸气冷却捕集为例进行说明
[0077]
本实施例与实施例1的主要区别在于：通入的是含多种金属物的高温蒸气，系统未设置真空泵组。
[0078]
电炉炼锌过程仅对系统的密闭性有要求，以防止空气进入和锌蒸气反应，故本系统中未配备真空泵组，而是利用了(冶炼过程中所形成的)大量锌蒸气自发进入循环冷却室8所产生的静压差以实现系统的自循环。
[0079]
本实施例中通入的是电炉炼锌过程产生的含锌高温蒸气，该含锌高温蒸气即是含多种金属物的高温蒸气。含锌高温蒸气的温度为900～1000℃，调控感应加热装置6，控制金属熔池7的熔池温度为550～700℃。
[0080]
含锌高温蒸气通过进气管连续不断地进入循环冷却室，使连接循环冷却室与金属熔池的管路产生静压差，该压差迫使金属熔池中的金属液以喷射态进入循环冷却室中；随
着冶炼反应的加剧，含锌高温蒸气流速递增，金属熔池中的金属液会不断被抽入上方的循环冷却室。为保证进气端有足够的流量或流速，本实施例同时配备了辅助进气管以通入保护气ar气，通过调控进气管上的阀门(辅助ar气管束阀门)，形成增补型自发喷泉，以提升高温蒸气换热效率。
[0081]
对比开通辅助ar气管路前后的效果，并分别对金属熔池虹吸口排出的金属液和沉降室粉尘取样分析，结果如表2所示。
[0082]
表2
[0083][0084]
由表2可见，对比开通辅助ar气管路前后，即形成不同剧烈程度的金属喷泉冷却效果，对比发现，收得的金属液成分差异不大，金属锌的占比均在95％以上，而主要差异体现在沉降室粉尘的成分，若不开通ar气管路，即不补增进气管流量/流速，在不增设真空泵组的条件下，可能无法形成足够剧烈喷射的金属液喷泉，这样会在一定程度上影响换热效果，使金属蒸气冷却效率略显不足。因此，通过形成增补型自发喷泉和气液直接换热的方式即可显著提升了系统的冷却效率。
[0085]
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。