CN101680717A - 利用由不连续的废气流输送的热的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种方法和一种设备，用来利用由不连续的废气流(1)输送的热量，其中不连续的废气流(1)在各阶段(P1、P2、P3、P4、P5)中分别以初始值恒定的体积流和温度
Figure 200880018959.0_AB_0
从工业设备、尤其是从工业炉中排出来，其中不连续的废气流(1)转换成连续的工作流(2)，此连续的工作流(2)具有在体积流和温度方面可调节的恒定的目标值
Figure 200880018959.0_AB_1
。持续的工作流(2)以其包含的热量可用来把热量转换成有效能量。

Description

利用由不连续的废气流输送的热的方法和设备
技术领域
本发明涉及一种按权利要求1或权利要求10所述的方法和设备，用来利用由不连续的废气流输送的热量。
背景技术
在工业炉(例如钢铁业业)中，在运行过程中(尤其在熔化过程中，例如在电弧炉中)会在废气中产生很高的温度。在废气通过过滤器输送到周围环境中之前，要在排气管或烟道中借助水冷却回路或把额外的水接入废气质量流，把废气高温降下来。废气高温的降温对于接在后面的废气清洁装置是必要的，因为只有一定的废气温度下才能达到有效的清洁效果。其缺点是，为运行冷却回路必须施加电能。
借助冷却回路从废气流中提取的热量在此是无用的，因为传输热的废气流不均匀。由于设备的运行，废气流的体积流和温度都只是阶段性地恒定。在不同的连续的运行阶段中，体积流和/或温度都可能变化很大。因此，出现了在热量流方面不连续的废气流，它们传输的热能不容易由传统的技术装置(例如热交换器)来应用。
发明内容
从现有技术的缺点中引出了本发明的目的，即提供一种方法和设备，用来把在不连续的废气流中输送的热量转换成有效能量。
按本发明，通过把不连续的废气流转换成连续的工作流，来实现方法方面的目的，此连续的工作流具有在体积流和温度方面可调节的恒定的目标值，其中在连续的工作流中传输的热量被转换成机械的或者电的或热的有效能量。由于炉子改变运行阶段，废气流中的体积流和温度有时会产生较大的波动，这样使所述波动均衡，从而可以继续利用在废气流中传输的热量。在转换后产生的持续的、体积流基本恒定且温度恒定的工作流，现在可以用来把传输的热能转换为其它的能量形式。例如，所确定的比例关系和条件可最佳地设计出用于有效能量转换的技术装置(例如热交换器)。
按本发明的方法的有利改进方案，在第一阶段中，在此阶段中体积流的初始值大于该体积流的目标值，从废气流中排出部分气流。排出的部分气流的数量不仅基于体积流的初始值，还基于炉子各个运行阶段中的废气流的温度。因此，在优选的可预定的比例关系中，在工作流的目标值方面超出的那部分废气流被排出。例如，如果温度的初始值已经与它的目标值相等，则排出的体积流只需使它的目标值达到即可。如果温度的初始值大于温度的目标值，则除了为达到体积流的目标值
Figure G2008800189590D00021
所需的排出量外，还要排出另一部分体积流。在随后的方法步骤中，所述另一部分体积流例如作为外界空气再入添加进来，用来调节温度的目标值，因此可以维持体积流的目标值。
此外，在第二阶段中，在此阶段中体积流的初始值小于该体积流的目标值，则以有利的方式给废气流输入部分气流。待输入的部分气流的数量不仅基于体积流的初始值，还优选基于炉子所在的运行阶段中的废气流的温度。例如，如果温度的初始值已经与它的目标值相等，则输入的体积流只需使它的目标值达到即可。如果温度的初始值大于温度的目标值，则输入的体积流小于达到其目标值所需的量。以这个量减少的体积流同样在随后的方法步骤中再次例如作为冷空气体积流添加进来，用来调节温度的目标值。体积流和温度的目标值以这种方式在工作流中得以维持。
在按本发明的方法的优选构造方案中，外界空气输入废气流中。在输入或输出部分气流之后，再输入额外的外界空气。如同已描述的一样，待输入的外界空气(优选是冷空气)的体积流的数值是基于初始温度的数值，因此可通过受控地调节冷空气的混合，来实现目标温度。可以有利的方式来加强用于此方法的调节装置，此调节装置用来分析由运行阶段决定的初始值，并用来维持目标值。
在本方法的其它有利的构造方案中，排出的部分气流导引通过存储热量的部件，并在此把由部分气流输送的热量传递到此部件上。因此符合目的是，之前通过多余的体积流输送的热量可存储在这个存储热量的部件中，并在工业设备中用于各种不同的应用。
这一点以有利的方式例如如下实现，即待输入的部分气流导引通过存储热量的部件，并在此把存储在此部件中的热量传递到部分气流中。这些传递到待输入部分气流上的热量可用来实现目标值。因此，在工业炉的不同运行阶段中，借助存储热量的部件要么把多余的热量存储起来，要么放出所需的热量。
按本发明还有利的是，部分气流平行地导引通过多个存储热量的部件。由于在废气流中含有很高的热能，单个部件不能单独地将它们吸收，因此两个存储热量的部件能以并联的方式分别吸收一部分热能。由于设置了多个存储热量的部件，所以单个存储热量的部件的尺寸在构造方面可以保持得较小。可选的是，为了保证供应，可设置第三个存储热量的部件，因此例如有三选二的可选性。
为了以有利的方式提供有效能量，由工作流输送的热量传递到工作介质上，此工作介质驱动能量转换器。为了把在工作流中输送的热量传递到工作介质上，应用了热交换器，此热交换器借助工作介质把热能转换成机械能，或转换成用于建筑物的供暖能量。
符合目的是，工作介质在封闭的回路中循环，并对与发电机联接的透平进行驱动。因此可以有利的方式，把现今无用的不连续的废气流的热能转换成电能。
在设备方面的任务通过一种设备得以实现，此设备的作用是使用由不连续的废气流输送的热量，其中不连续的废气流在各阶段中分别以初始值恒定的体积流和温度从工业设备(尤其是从工业炉)中排出来，此设备包含：测量机构，用来检测从工业设备中排出的废气流的体积流和温度的初始值；调节机构，用来从废气流中分支出部分气流，或给废气流输入部分气流，其中调节机构与测量机构这样共同作用，即把废气流转换成连续的工作流，此工作流具有目标值恒定的体积流和温度；机构，用来把在连续的工作流中输送的热量转换成机械的或电的或热的有效能量。测量机构在流动方向上设置在用于输入和输出部分气流的调节机构之前，并检测不连续的废气流的体积流和温度的初始值，并因此检测当前处于工业设备的哪个运行阶段中，或检测否存在着阶段变换。借助检测出的数值，可通过调整或控制装置(例如自动控制设备)来按阶段地控制或调整调节机构，以便实现连续的废气流。
符合目的是，调节机构这样构成，即在第一阶段中，在此阶段中体积流的初始值大于该体积流的目标值，可从废气流中排出部分气流，其中在第二阶段中，在此阶段中体积流的初始值小于该体积流的目标值，则可给废气流输入部分气流。调节机构在此优选构成为电控制的阀门或闸门，它们可设置在管道或排气管道或通道之中。测量机构例如构成为温度传感器或流量传感器，它们与自动控制设备相连。通过在自动控制设备中执行的控制算法，可对测量数值进行分析，此自动控制设备可把相应的调节值传递到配属于阀门或闸门的调节电机上，因此可调节温度和体积流的目标值。
在有利的改进方案中，用来把外界空气输入废气流中的输入机构设置在调节机构的下游。通过在调节机构的后面将例如冷空气混合到废气流中，优选可进一步地调节温度。例如，如果留下的废气流的温度还大于工作流的目标值，则可通过例如压缩机来添加冷空气，来把此温度调到它的目标值。此压缩机设置在输入管中且是由电机驱动的。
符合目的是，此设备具有存储热量的部件，从废气流中排出的部分气流通过该存储热量的部件可放出热量，输入废气流中的部分气流可吸收热量。此存储热量的部件优选是散装材料再生塔。借助此散装材料再生塔，可按需要地暂存热量，或再次将热量放出。
在此设备的有利的改进方案中，用于进行转换的机构构成为具有工作介质的热交换器，借助此工作介质可持续地从工作流中吸收热量，并导入能量转换器中，以便把热量转换成有效能量。借助热交换器(也称热量回收器)，可优选实现工作流到工作介质的间接热量传输，其中废气流和工作介质通过热量可渗透的壁板在空间上隔开来。因此，可避免废气与工作介质的混和。
符合目的是，能量转换器构成为由透平驱动的发电机，工作介质在封闭的回路中导引通过热交换器和透平。现在，均匀加热的工作介质能以持续相同的转数来驱动透平并因此驱动发电机，因此能以有利的方式来避免电流产生过程中的转速波动。
附图说明
下面借助附图详细地阐述了本发明的实施例。其中：
图1示出了燃烧炉在不同运行阶段中不连续的废气流的时间曲线；
图2把不连续的废气流转换成连续的废气流的设备，用以产生电能；
图3示出了从不连续的废气流中排出部分气流的原理图；
图4示出了给不连续的废气流输入部分气流的原理图。
具体实施方式
图1示出了不连续的废气流的体积流的时间曲线(下面参照图2用1表示)，如其在钢铁厂的电弧炉运行时产生的废气流那样。按照炉子的不同运行阶段，废气流在一个接一个的运行阶段P1至P5中具有不同的体积流和废气温度，但它们在一个运行阶段中是恒定的。
在第一运行阶段P1中，液态钢流出并再次填入第一废料筐。在这个持续11分钟的阶段P1中，废气流1具有33000m3/h的体积流
Figure G2008800189590D00051
和320℃的温度Ta。
在接下来的第二运行阶段P2中进行第一熔化过程，其中由于体积流
Figure G2008800189590D00052
和温度Ta的跳跃，使到此第二运行阶段P2的转换变得很明显。在第二运行阶段P2中，废气流1在15分钟的持续时间内具有200000m3/h的体积流
Figure G2008800189590D00053
和500℃的温度Ta。
同样通过体积流
Figure G2008800189590D00054
和温度Ta的跳跃式变化，第二运行阶段P2连到了持续时间为4分钟的第三运行阶段P3上，在此期间填入第二废料筐。废气流1在温度Ta和体积流
Figure G2008800189590D00055
方面的初始值与第一运行阶段P1的相当。
再次通过体积流
Figure G2008800189590D00056
和温度Ta的跳跃式变化，第三运行阶段P3连到了第四运行阶段P4上，在此期间进行第二熔化过程的第一阶段。在第四运行阶段P4中，废气流1在15分钟的持续时间内具有200,000m3/h的体积流
Figure G2008800189590D00057
和600℃的温度Ta。
在第四运行阶段P4到期后，再次通过跳跃式的变化，连到了第五运行阶段P5，此运行阶段P5相当于第二熔化过程的第二阶段。在持续13分钟的第五运行阶段P5中，体积流
Figure G2008800189590D00058
的初始值在温度Ta为600℃时是100000m3/h。
这五个运行阶段P1至P5，在体积流和温度Ta方面分别具有阶段性恒定的初始值，也构成了不连续的废气流1。按本发明，不连续的废气流1转换成连续的废气流2(参考图2)，此连续的废气流2在温度Tz的目标值为320℃时具有目标值几乎恒定的体积流
Figure G2008800189590D000510
100000m3/h。以这些恒定的目标值，借助热交换器15(如图2所述)，可制造出电能。
图2示出了一种设备，用来将在不同运行阶段P1至P2中出现的在体积流
Figure G2008800189590D00061
和温度Ta的初始值方面不连续的废气流1转换成连续的废气流2，此连续的废气流2具有目标值几乎恒定的体积流
Figure G2008800189590D00062
和温度Tz。
离开炉子的废气流1通过构成为管道的废气输送管40途经测量机构10朝调节机构11传导。此测量机构10构成为温度传感器和流量测量仪，并设置在废气输送管40中。通过测量机构10来确定当前的体积流
Figure G2008800189590D00063
和温度Ta的初始值，并通过总线系统9a传递给自动控制设备9。依照当前的体积流
Figure G2008800189590D00064
和温度Ta的初始值，通过自动控制设备9来这样调整调节机构11、第一阀门12、第二阀门13和压缩机14，即从废气流1输出部分气流，或给废气流1输入部分气流。调节机构11与废气输送管40、管道42和管子43、44相连。管道42从调节机构11开始导往这样的点上，即管道42在此点上与输入机构16相连。通过此输入机构16，可借助电机驱动的压缩机把额外的冷空气输入管道42中。在管道42的后继延伸中，设置有其它的测量机构10’，用来检测在管道42的这个部分中出现的体积流
Figure G2008800189590D00065
和温度Tz的目标值。此测量机构10’通过总线系统9a连接到自动控制设备9上，用来传递测量到的体积流
Figure G2008800189590D00066
和温度Tz的目标值。在测量机构10’的下游，热交换器15设置在管道42上。
在热交换器15的后面，管道42引入废气输送管47中，含有废气的工作流2借助此废气输送管47在入口侧输入到烟气清洁器32中。烟气清洁器32在出口侧与排气装置31相连，此排气装置31后接有烟囱33。
管子43和44使调节机构11分别与两个存储热量的部件5、6的入口侧相连，其中管子43、44的作用是，把通过调节机构11导出的部分气流所传输的热量通过存储热量的部件5、6继续传导下去。同样在调节机构11上可使用管子43、44输入部分气流，于是部分气流以相反的方向导引通过存储热量的部件5、6。
其它的管子43’、44’使存储热量的部件5、6的出口侧与管子45相连。此管子45与输出管46相连。此输出管46具有第一阀门12和第二阀门13，它们分别位于管子45与输出管46的连接点的左边和右边。
在经由调节机构11输出的部分气流通过存储热量的部件5、6传输时，第一阀门12处于封闭状态，而第二阀门13处于开启状态。通过第二阀门13，通过把热量传给存储热量的部件5、6而冷却下来的部分气流借助输出管46通过排气装置30导入废气输送管47中。
通过压缩机14，把外界空气输送到调节机构14中，此压缩机14在第一阀门12的前面设置在输出管46的端部上。第一阀门12在此位于开启状态，而第二阀门13位于封闭状态。
热交换器15与管道42相连，用来把热能传递到热交换器15上，此热能借助连续存在的工作流2来传输。在把热量传给热交换器15之前，工作流2的温度Tz约为320℃，在发送之后剩余温度约为100℃。
为了把热能转换成电能，热交换器15连接到封闭的回路22上。工作介质23在封闭的回路22中环行，此工作介质23借助热交换器15和现在连续存在的工作流2被均匀地加热。此工作介质23再次驱动透平20，此透平20为发电与发电机21相联接。
按图2的设备是用来把图1所示的不连续的存在的废气流1转换成连续的工作流2，此工作流2具有目标值几乎恒定的体积流和温度Tz。
按现有技术，排气通道在区域41中延伸(象征性地由两个限定线来描绘)，热的废气流1在此其中冷却下来，用来随后输入接在后面的烟气清洁器32中。在此冷却过程中，迄今还不能利用在废气流1中传输的热能。
借助按本发明的设备，能以有利的方式来代替现今的废气管41，或明显地减少其空间尺寸。在冷却塔运行情况下，现今的冷却水成本(例如为了水处理)同样也可省去。
在为存储热量的部件5、6应用散装材料再生塔时，散装材料再生塔还有利地作为灰尘过滤器来用。在废气流1的灰尘含量减少的情况下，甚至可以省去接在后面的烟气清洁器32。因此，现今的烟气清洁装置可以完全关闭，或只是在部分负载范围内用于后面的精细除尘。
在散装材料再生塔中，收集的灰尘在运行过程中可通过散装材料的环流借助清洁装置5a、6a排出来。因为灰尘沉积物是沉积在散装材料床的最前面5至10cm处，所以为了清洁只需使这个下层去除灰尘沉积即可。距散装材料再生塔的底部5至10cm安装额外的格栅，可避免散装材料再生塔的剩余散装材料在清洁下方区域时滑落。可借助压缩空气来使散装材料实现清洁环流。
借助图3和4，阐述了从废气流1中排出部分气流或给废气流1输入部分气流的基本原理。通过测量机构10检测体积流
Figure G2008800189590D00081
和温度Ta的初始值。在体积流
Figure G2008800189590D00082
的当前初始值大于体积流
Figure G2008800189590D00083
的期望的目标值时，图1的运行阶段P2就是这种情况，则从废气流1中排出部分气流3，因此废气流1’的剩余体积流与目标值
Figure G2008800189590D00084
几乎相当。排出的部分气流3通过存储热量的部件5以将热量传输到部件5中。相应冷却的部分气流3’从存储热量的部件5中导出。
除了体积流
Figure G2008800189590D00085
的初始值外，待排出的部分气流3中的体积流还基于废气流1在炉子的不同运行阶段中的温度Ta的初始值。如果温度Ta的初始值已经与它的目标值Tz相等，则排出的废气流1只需使体积流的目标值
Figure G2008800189590D00086
达到即可。如果温度Ta的初始值大于温度的目标值Tz，则除了为达到体积流
Figure G2008800189590D00087
的目标值所需的排出量外，还要从废气流1中排出另一部分体积流。所述另一部分体积流通过输入机构16再次加入废气流1中，用来调整温度的目标值Tz。因此，在工作流2中的体积流的目标值
Figure G2008800189590D00088
得以维持。此目标值在输入机构16的后面借助测量机构10’来检测。
在体积流
Figure G2008800189590D00089
的初始值小于体积流
Figure G2008800189590D000810
的目标值时，则通过调节机构11给废气流1输入部分气流4，这在图4中可看到。为了达到工作流2的目标值
Figure G2008800189590D000811
传输通过存储热量的部件5的部分气流4通过调节机构11输入废气流1中。在通过存储热量的部件5进行传输的过程中，温度较低的部分气流4’(其从外界空气中提取)变成温度升高的部分气流4。这些通过部分气流4传输的额外热量被输入，以便达到废气流1的目标温度Tz，因此部分气流4和废气流1的总和相当于另一废气流1’，所述另一废气流1’具有几乎达到目标值的体积流
Figure G2008800189590D000812
和温度Tz。
在此还适用的是，如果温度Ta的初始值已经与它的目标值Tz相等，则输入废气流1的体积流只需使体积流的目标值
Figure G2008800189590D00091
达到即可。其前提是，输入的部分气流4的温度具有目标值的温度Tz。如果温度的初始值Ta大于起目标值Tz，则通过调节机构11输入到废气流1中的体积流比为达到体积流的目标值
Figure G2008800189590D00092
所需的要少。以这个量减少的废气流1’的体积流同样通过输入机构16再次作为冷空气添加进来，用来达到温度的目标值Tz。体积流
Figure G2008800189590D00093
和温度Tz的目标值可以这种方式在工作流中进行调节。依照输入的部分气流4的可用温度，通过经由输入机构16输入的相应冷空气来调整目标温度Tz，其中由废气流1、部分气流4和冷空气流一起构成的体积流产生了目标值
Figure G2008800189590D00094
还可能发生的是，废气流1的温度Ta已经明显超过目标温度Tz，在这种情况下不需要输入部分气流4。然后，温度和体积的目标值Tz、
Figure G2008800189590D00095
只要经由输入机构16添加冷空气就能实现。
其它对本发明来说重要的理念如下：为了确保透平20和发电机21的连续的运行，除了这两个平行运行的散装材料再生塔5、6外，还设置有作为备用再生塔的第三散装材料再生塔。在散装材料再生塔失效的情况下，备用再生塔可几乎无缝地接入，并继续确保对连续的废气流进行转换，并因此也确保连续的地产生电能。

Claims (15)

1.一种利用由不连续的废气流(1)输送的热的方法，其中不连续的废气流(1)在各阶段(P1、P2、P3、P4、P5)中分别以初始值
Figure A2008800189590002C1
恒定的体积流和温度从工业设备、尤其是从工业炉中排出来，其中所述不连续的废气流(1)转换成连续的工作流(2)，此连续的工作流(2)具有在体积流和温度方面可调节的恒定的目标值
Figure A2008800189590002C2
其中在连续的工作流(2)中传输的热量被转换成机械的或者电的或热的有效能量。
2.按权利要求1所述的方法，其中在体积流的初始值
Figure A2008800189590002C3
大于该体积流的目标值
Figure A2008800189590002C4
的第一阶段(P2、P4)中，从废气流(1)中排出部分气流(3、3’)。
3.按权利要求1或2所述的方法，其中在体积流的初始值
Figure A2008800189590002C5
小于该体积流的目标值
Figure A2008800189590002C6
的第二阶段(P1、P3、P5)中，在废气流(1)中输入部分气流(4、4’)。
4.按权利要求2或3所述的方法，其中将外界空气输入废气流(1)中。
5.按权利要求2至4中任一项所述的方法，其中排出的部分气流(3)导引通过存储热量的部件(5)，并在此把由部分气流(3)输送的热量传递到此部件(5)上。
6.按权利要求5所述的方法，其中待输入的部分气流(4’)导引通过存储热量的部件(5)，并在此把存储在此部件(5)中的热量传递到部分气流(4’)中。
7.按权利要求5或6所述的方法，其中所述部分气流(3、3’、4、4’)平行地导引通过多个存储热量的部件(5、6)。
8.按权利要求1至7中任一项所述的方法，其中由工作流(2)输送的热量传递到工作介质(23)上，此工作介质(23)驱动能量转换器。
9.按权利要求8所述的方法，其中工作介质(23)在封闭的回路(22)中循环，并驱动与发电机(21)联接的透平(20)。
10.一种利用由不连续的废气流(1)输送的热的设备，其中不连续的废气流(1)在各阶段(P 1、P2、P3、P4、P5)中分别以初始值
Figure A2008800189590002C7
恒定的体积流和温度从工业设备、尤其是从工业炉中排出来，此设备包含：测量机构(10)，用来检测从工业设备中排出的废气流(1)的体积流和温度的初始值调节机构(11)，用来从废气流(1)中分支出部分气流(3、4)，或给废气流(1)输入部分气流(3、4)，其中所述调节机构(11)与测量机构(10)共同作用，从而把废气流(1)转换成连续的工作流(2)，此连续的工作流具有目标值
Figure A2008800189590003C2
恒定的体积流和温度；以及机构，用来把在连续的工作流(1)中输送的热量转换成机械的或电的或热的有效能量。
11.按权利要求10所述的设备，其中所述调节机构(11)这样构成，即在体积流的初始值
Figure A2008800189590003C3
大于该体积流的目标值
Figure A2008800189590003C4
的第一阶段(P2、P4)中，从废气流(1)中排出部分气流(3、3’)；其中在体积流的初始值
Figure A2008800189590003C5
小于该体积流的目标值
Figure A2008800189590003C6
的第二阶段(P1、P3、P5)中，给废气流(1)输入部分气流(4、4’)。
12.按权利要求11所述的设备，其中用来把外界空气输入废气流(1’)中的输入机构(16)设置在所述调节机构(11)的下游。
13.按权利要求11或12所述的设备，其中此设备具有存储热量的部件(5、6)，从废气流(1)中排出的部分气流(3)能导引通过该存储热量的部件以便放出热量，并且输入废气流(1)中的部分气流(4’)能导引通过该存储热量的部件以便吸收热量。
14.按权利要求10至13中任一项所述的设备，其中用于进行转换的机构包括具有工作介质(23)的热交换器(15)，借助此工作介质(23)能持续地从工作流(2)中吸收热量并导入能量转换器中，以便把热量转换成有效能量。
15.按权利要求14所述的设备，其中所述能量转换器构成为由透平(20)驱动的发电机(21)，工作介质(23)在封闭的回路(22)中导引通过热交换器(15)和透平(20)。
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