CN103090712A - 满液型中高温蓄热器及其在烟气余热回收中的应用 - Google Patents

Abstract

一种满液型中高温蓄热器，其包括箱体、多个托盘、多个筛网、多孔质复合相变蓄热层和换热管，其中，箱体内部充满工质的饱和液体，多个托盘分别水平地固定于箱体下部的内壁上，多个筛网分别设置于各托盘的底部，多孔质复合相变蓄热层分别铺设于各筛网上，该多孔质复合相变蓄热层由复合相变储热材料堆积而成，其全部浸没在工质的饱和液体内，换热管设置于箱体上部的内腔中，该换热管的管腔与箱体的内部隔绝且与箱体外部相通，其中流动有导热工质。本发明还公开了一种由该满液型中高温蓄热器构成的中高温烟气余热利用集热/储热系统，在200℃—400℃范围内为下级换热器连续提供热能。本发明具有换热能力优异、结构简单和使用寿命长的优点。

Description

满液型中高温蓄热器及其在烟气余热回收中的应用

技术领域

本发明涉及的是工业中高温烟气余热的利用设备，具体涉及的是一种满液型中高温蓄热器及其在烟气余热回收中的应用，属于能源技术领域。

背景技术

节约能源是我国节能减排基本国策的重要组成部分，是我国国民经济与社会可持续发展的一项长期战略任务。我国作为能源消费大国，其突出的问题之一就是能源利用率低、浪费严重。对工业烟气余热的合理利用能够提高能源利用效率、有效节约能源，例如用余热来预热炉料和助燃空气能够提高锅炉的燃烧效率，烟气余热也可用于生产中高温的热水以及蒸汽，用于日常生活和生产用热。但是利用烟气余热受到诸多因素制约，由于生产过程具有一定的周期性，导致了余热资源的间歇性，此外在一个使用周期内，烟气温度波动很大，又造成余热资源的波动性，这使得余热的回收利用变得困难。因此，为了更好地利用余热需要采用蓄热技术，以发挥节能降耗的作用。

蓄热方式一般可划分为显热蓄热、潜热蓄热和化学反应蓄热三大类。潜热蓄热能够在蓄热材料体积相对较小的情况下，通过材料的相变来储存大量的能量，其在蓄热过程中，能够保证相对较小的温度变化，放热过程中传热工质具有相对稳定的温度，因而潜热蓄热具有更广阔的应用前景。在采用潜热蓄热技术时，首先需要考虑的是选择合适的蓄热材料，例如其相变温度应与使用温度相适应；高的导热率；无毒，不易燃、不易爆；原料丰富且价廉，其次还需要着重考虑采用高效、安全、价廉的蓄热器。

现有的各类蓄热器在结构和吸放热原理方面几乎相同:都是在蓄热材料内埋设传热管道，工质与蓄热材料间的换热以导热的方式进行。因而蓄热材料的导热性能对蓄热器的整体换热性能有着重要甚至决定性的影响，鉴于蓄热材料几乎都是低导热系数材料，因此需要采用各种技术强化蓄热材料与工质间的换热。在采取诸如添加高导热系数材料（如石墨等）、增大换热面积等措施后，虽然蓄热器换热性能有所提升，但结合成本、制造以及实际应用等因素综合考虑，其实整体性能并未显著提升。对于此类蓄热器，如何有效改善蓄热材料与工质间的换热依然是研究重点。

在现有的相关锅炉余热利用的文献中发现：中国授权专利公告号CN201973697U，专利名称：利用烟气余热产生低压蒸汽的系统。该发明在锅炉烟道中设置了多级受热面，其中空气预热器位于锅炉烟道的尾部，烟气余热蒸发器设于空气预热器之前。烟气余热回收利用装置包括相连的吸热段和放热段，吸热段加设于空气预热器之后，放热段置于空气预热器的进口风道中。该发明利用烟气高品位余热产生低压饱和蒸汽，同时利用烟气低品位余热补偿原锅炉系统空气预热器中减少的传热量，产生的低压蒸汽满足后续工艺需求，同时保证了烟气流经的设备免受酸露腐蚀。中国授权专利公告号CN202203970U，专利名称为：锅炉烟气余热二次节能利用装置。该专利在现有锅炉的基础上，在锅炉炉膛的排烟口部位设置有烟气余热二次节能利用装置，装置中设置有至少一组以上的热交换管路，其中一组的热交换管路连接在锅炉的进水管路上，另一组与锅炉外冷媒、热媒连接。该装置利用烟气余热把锅炉产生的冷凝水加热，重新输入锅炉系统，降低锅炉的燃煤量，并且同时把冷水加热后用于采暖供热、供给生活热水或者工艺热水。

在现有的相关锅炉余热利用中采用蓄热技术的文献中发现，中国授权专利公告号CN201954514U，专利名称：蓄热式余热锅炉。该发明在利用烟气余热产生蒸汽的锅炉烟道中设置了蓄热体。在烟道内部设有对流管束，对流管束通过循环管道与汽包连接，而蓄热体设置于烟气通道内部对流管束上端。由于增加了蓄热体，避免对流管束因烟气温度波动产生损坏，同时由于蓄热体的吸热作用，蓄热式热管蒸汽发生器的工作温度能够提高至1200℃，比普通热管换热器高300℃。与其相似的专利中，中国授权专利公告号CN201715910U，专利名称：一种蓄热式烟气余热回收装置。该专利提出一种蓄热式烟气余热回收装置，该装置由蓄热器和换热器两部分组成。蓄热器包括蓄热器筒体和布置于蓄热器筒体中间或内壁的至少一个蓄热体，蓄热器筒体的前端设有进烟口，后端出口直接与换热器连接；换热器的末端设置排烟口。蓄热体采用固体蓄热材料或相变蓄热材料(PCM材料)。这2个专利基本代表了目前锅炉余热利用中采用蓄热技术的主要特点，即蓄热材料内埋设烟气传热管道中，烟气与蓄热材料间的换热以导热的方式进行。然而上述装置的整体蓄热性能并不高。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种满液型中高温蓄热器，其采用内部工质汽液相变换热和颗粒状多孔介质复合材料固液相变进行蓄热/放热，达到提高蓄热性能、延长使用寿命的效果；复合相变储热材料是一种颗粒状储热材料，由粉末状膨润土吸收融熔盐固液相变材料制备而成，以多孔质颗粒状态放置在蓄热层中，储热材料的导热性能与蓄热/放热特性无关。本发明还提供一种中高温烟气余热利用集热/储热系统以及一种用于所述满液型中高温蓄热器的复合相变储热材料的制备方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种满液型中高温蓄热器，其为一耐压容器，其包括箱体、多个托盘、多个筛网、多孔质复合相变蓄热层和换热管，所述箱体底部设有蒸汽入口，上部开有液体出口，该箱体内部充满工质的饱和液体，所述多个托盘分别水平地固定于所述箱体下部的内壁上，所述多个筛网分别设置于各托盘的底部，所述多孔质复合相变蓄热层分别铺设于各筛网上，该多孔质复合相变蓄热层由复合相变储热材料堆积而成，其全部浸没在工质的饱和液体内，所述换热管设置于箱体上部的内腔中，该换热管的管腔与箱体的内部隔绝且与箱体外部相通，其中流动有导热工质。

所述的复合相变储热材料为颗粒状，其由膨润土与熔融盐组成，该熔融盐为硝酸钠。

所述的复合相变储热材料的颗粒的平均粒径为3mm。

所述的工质为导热油。

本发明的另一技术方案如下：

一种用于所述满液型中高温蓄热器的复合相变储热材料的制备方法，其特征在于：将膨润土和熔融盐混和配制后放入一具有搅拌装置的加热容器内，一边加热一边搅拌，加热到高于熔融盐相变温度50℃后保持该温度进行搅拌，使溶解的熔融盐全部被膨润土吸附，最后制成颗粒状的复合相变储热材料。

本发明的又一技术方案如下：

一种由所述满液型中高温蓄热器构成的中高温烟气余热利用集热/储热系统，用于烟气余热回收，在200℃—400℃范围内为下级换热器连续提供热能，其特征在于：所述的集热/储热系统包括有回路式热管换热器、所述满液型中高温蓄热器、下级换热器、回液泵和下级换热器工质泵，其中，回路式热管换热器连接通过所述烟气的烟道，并且通过储液管连接所述满液型中高温蓄热器且向该满液型中高温蓄热器输送所述工质，所述满液型中高温蓄热器通过安装有回液泵的管路连接回路式热管换热器，并且向回路式热管换热器回送所述工质。下级换热器换热管内的导热工质（如水蒸汽）通过下级换热器工质泵的输送通过满液型中高温蓄热器，通过换热管壁面和满液型中高温蓄热器内的工质进行热交换。

所述的满液型中高温蓄热器的位置高度高于所述回路式热管换热器。

所述的下级换热器可以是汽轮机或其它换热器。

本发明为综合利用回路式热管换热器和满液型中高温蓄热器回收间断性中高温烟气余热的中高温集热/蓄热/放热装置，其利用回路式热管换热器回收烟气余热，利用满液型中高温蓄热器的内部工质汽液相变换热和颗粒状多孔介质复合材料固液相变进行蓄热/放热。其特点是：（1）回路式热管换热器的集热管束放置于中高温烟道内，用于回收烟气余热并产生工质蒸汽，其结构和工作原理与普通工业烟气余热换热器相同，因为蒸汽温度属于中高温，水不适合作为工质，因而使用导热油作为工质。（2）工质蒸汽通过储液管输送到满液型中高温蓄热器中，满液型中高温蓄热器位置要高于回路式热管换热器，以使工质能够在重力作用下形成回流，该蓄热器上部安装换热管，下部设置由颗粒状复合相变储热材料堆集而成的多孔质复合相变蓄热层，全部蓄热层浸没在饱和工质液体中，因此称为满液型中高温蓄热器；在集热阶段，工质蒸汽通过蓄热层向上流动，一部分工质蒸汽穿过饱和液体工质在蓄热器上部的换热管外冷凝放热，加热管道中流动的导热工质（如水蒸汽）用于后续利用（如发电）。而另一部分工质蒸汽在多孔质复合相变蓄热层内冷凝放热，颗粒状复合相变储热材料吸收工质的蒸发潜热，发生固液相变，由此实现烟气余热的利用和储存；在放热阶段，颗粒状复合相变储热材料发生液固相变，释放出固液相变潜热加热饱和液体工质，多孔质颗粒状复合相变储热材料表面发生池内沸腾，部分饱和液体工质蒸发为蒸汽通过蓄热层，在蓄热层上部的换热管外冷凝放热，加热管道中流动的水蒸汽导热工质用于后续利用，冷凝液体滴落回液池中。（3）复合相变储热材料是一种颗粒状储热材料，由粉末状膨润土吸收融熔盐固液相变材料制备而成，以多孔质颗粒状态放置在蓄热层中，储热材料的导热性能与蓄热/放热特性无关。

与现有通过致密性储热材料导热换热的蓄热器相比，本发明所述的满液型中高温蓄热器吸热和放热过程的热量传递是通过蓄热器内相变工质（导热油）和颗粒状储热材料的相变变化来实现的，其换热原理不是储热材料的热传导，而是通过换热工质的相变换热来传递热量。本发明所述的满液型中高温蓄热器能够达到以下有益效果：

（1）相变换热方式不仅本身换热系数高，而且复合相变储热材料表面整体换热面积非常大，能够实现非常高的储热和放热效率，储热材料与换热管路之间的温差可以忽略，两者之间的传热热阻比传统导热型储热材料要低2个数量级，因此本发明所述满液型中高温蓄热器的换热能力十分优异。

（2）储热材料是一种亲水性复合相变材料，以多孔质颗粒状态放置在蓄热器中，储热材料的导热性能与储热/放热特性无关，因此蓄热器对储热材料的导热性能没有特别要求。但不能使用水为换热工质。

（3）复合相变储热材料使用膨润土/熔融盐，其中的熔融盐以纳米级尺度被吸附封存在膨润土的纳米插层中，因此在反复的相变过程中不会出现溢出现象，从而保证了其长期的重复性使用寿命。

（4）换热管安装随意，不需任何强化措施，多孔质复合相变蓄热层安放更换也十分简单，因此具有结构简单、制造容易的优点。

附图说明

图1为本发明的中高温烟气余热利用集热/储热系统的结构示意图。

图2为本发明的满液型中高温蓄热器的结构示意图。

图中，

1 回路式热管换热器，2 满液型中高温蓄热器，3 下级换热器，4 储液管，5 下级换热器工质泵，6 回液泵，7 箱体，8 液体出口，9 阀门，10 蒸汽入口，11 阀门，12 换热管，13 换热管支撑架，14 托盘，15 筛网，16 多孔质复合相变蓄热层，17 保温材料，18 安全阀，19 压力表，20 温度传感器，21 泄液口，22 放气口，23 工质。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明的技术方案为前提下给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

请参阅图2，图示满液型中高温蓄热器2为一不锈钢制耐压容器，一般为圆筒形状，其包括箱体7、多个托盘14、多个筛网15、多孔质复合相变蓄热层16和换热管12。所述箱体7底部设有蒸汽入口10，上部开有液体出口8，其外周包裹有保温材料17；该箱体7上部分别设有放气口22以及依次连接的压力表19、温度传感器20和安全阀18，其下部还设有泄液口21，所述箱体7的内部充满工质23的饱和液体，该工质23为导热油。所述多个不锈钢托盘14分别水平地固定于所述箱体7下部的内壁上，所述多个筛网15分别设置于各托盘14的底部，该筛网15由不锈钢板和200目左右的不锈钢丝网制成。所述多孔质复合相变蓄热层16分别铺设于各筛网15上，该多孔质复合相变蓄热层16由复合相变储热材料堆积而成，其厚度约50mm，全部浸没在工质23的饱和液体内；所述的复合相变储热材料为平均粒径为3mm的颗粒状，其由膨润土与熔融盐组成，该熔融盐可以为硝酸钠，对其导热性能无特殊要求；工质23的蒸汽和液体可以通过筛网15，而复合相变储热材料却不会泄露出来。所述换热管12设置于箱体7上部的内腔中，安装于固定在箱体7内壁的换热管支撑架13上，该换热管12的管腔与箱体7的内部隔绝且与箱体7外部相通，其中流动有供下级换热设备用的导热工质，该导热工质一般为水蒸汽；所述换热管12的管路形状、管径和管路长度可自行设定。

用于所述满液型中高温蓄热器的复合相变储热材料的制备方法为：将膨润土和熔融盐混和配制后放入一具有搅拌装置的加热容器内，一边加热一边搅拌，加热到高于熔融盐相变温度50℃后保持该温度进行搅拌，使溶解的熔融盐全部被膨润土吸附，最后制成颗粒状的复合相变储热材料。

本实施例为，将膨润土和硝酸钠按2:1的质量比配制后放入一有搅拌装置的加热容器内，一边加热一边搅拌，加热到350℃后保持该温度搅拌1-2小时，使溶解的硝酸钠全部被膨润土吸附，最后得到平均粒径为3mm的颗粒状的复合相变储热材料，制备所得的复合相变材料是亲水性材料，其相变温度为305℃。

图1为本发明所述的中高温烟气余热利用集热/储热系统的结构示意图，图示中高温烟气余热利用集热/储热系统用于烟气余热回收，由所述满液型中高温蓄热器构成，在200℃—400℃范围内为下级换热器连续提供热能，同时能够吸收储存多余热量用以调节烟气流动波动。

所述的集热/储热系统包括有回路式热管换热器1、所述满液型中高温蓄热器2、下级换热器3、回液泵5和下级换热器工质泵6。其中，回路式热管换热器1在工业余热利用中已广泛应用，在200℃到400℃的温度范围内使用导热油作为工质23，可以提供200℃到400℃的工质23的蒸气；该回路式热管换热器1连接通过所述烟气的烟道，其集热管束放置于中高温烟道内，用于回收烟气余热并产生工质23的蒸汽；并且回路式热管换热器1通过安装有阀门9的储液管4连接所述满液型中高温蓄热器2的蒸汽入口10，并且向该满液型中高温蓄热器2输送所述工质23的蒸气；所述满液型中高温蓄热器2的液体出口8通过依次安装有阀门11和回液泵6的管路连接回路式热管换热器1，并且向回路式热管换热器1回送所述工质23的液体。所述满液型中高温蓄热器2的位置高度高于所述回路式热管换热器1，以使工质23能够在重力作用下形成回流，如系统无法通过高度差实现回路循环，就可以通过回液泵6将液体工质23送回回路式热管换热器1完成循环。所述的下级换热器3为汽轮机，其通过下级换热器工质泵5连接所述满液型中高温蓄热器2的换热管12的一端，并且向该满液型中高温蓄热器2输送供下级换热设备用的所述导热工质，该换热管12的另一端连接下级换热器3，以向下级换热器3输送经热交换的导热工质，如水蒸汽。

本发明的工作原理如下：

储热阶段：在烟气通过回路式热管换热器1时，回路式热管换热器1向满液型中高温蓄热器2提供作工质23蒸汽，蒸汽温度高于复合相变储热材料的相变温度数度左右，满液型中高温蓄热器2中同时进行复合相变储热材料的相变蓄热过程和换热管12中导热工质的受热过程。工质23蒸汽由底部进入满液型中高温蓄热器2，依次经过多孔质复合相变蓄热层16和上部的换热管12，一部分蒸汽在复合相变储热材料表面冷凝放热，蒸发潜热被复合相变储热材料吸收，使其由固相变为液相，另一部分蒸汽在换热管12外冷凝放热，加热管道中流过的导热工质以满足使用需求。

放热阶段：在无高温烟气通过回路式热管换热器1时，工质23蒸汽供应停止，此时换热管12中循环流动的导热工质依然不停地从满液型中高温蓄热器2内的静止工质23蒸汽中吸热，使工质23蒸汽放热冷凝成液滴，满液型中高温蓄热器2内的蒸汽压力下降，同时对应的蒸汽饱和温度将逐渐下降到复合相变储热材料相变温度以下；此后复合相变储热材料开始相变（液态变为固态）放热，复合相变储热材料表面发生池内沸腾，液池内液体工质23被加热蒸发为蒸气，这些蒸气上升到换热管12表面冷凝，释放出的蒸发潜热加热换热管12内的导热工质。

满液型中高温蓄热器2内工质23的换热方式非常类似于一个重力热管（热虹吸管），此时的热源是复合相变储热材料，蒸发面积是所有颗粒总表面。利用热管的相变换热特性实现了非常高的蓄热和放热效率，其复合相变储热材料和换热管12之间传热热阻比传统蓄热材料导热换热要低1～2个数量级，复合相变储热材料和换热管12中流动的导热工质之间温差只有几度；同时，颗粒状复合相变储热材料的间隙中充满饱和液体和蒸气状态的工质23，相变换热过程在多孔质复合相变蓄热层16内各处同时进行；由于颗粒表面有效传热面积非常大，使得相变传热能力非常优异，复合相变储热材料和换热管12间温差几乎可以忽视，复合相变储热材料颗粒内部的差异也几乎可以忽略。对于中高温回路式热管换热器1，由于水对应的饱和压力过大，故回路式热管换热器1不能使用水作为换热工质，一般采用导热油等蒸发压力低的液体作工质23，由于导热油的导热和对流换热能力十分低，相变换热能力也不高，因此增加储热材料的传热面积就是最佳选择。本发明的核心技术之一就是采用颗粒状蓄热材料，由此带来的储热材料密封问题通过制备复合材料解决。

本发明可以在中高温范围（200℃-400℃）内提供工质蒸汽用做下级换热设备热源，同时满液型中高温蓄热器2内复合相变储热材料吸收储存多余热量用以调节烟气波动。本发明所述满液型中高温蓄热器2利用换热工质的相变换热，换热性能优异，对储热材料导热性能没有要求，换热管路安装随意，储热材料安放更换也十分简单，使用膨润土/熔融盐复合固液相变储热材料后，熔融盐固液相变储热材料以纳米级尺度被吸附封存在膨润土的纳米插层中，在反复相变过程中不会出现蒸发、溢出和氧化现象，保证了长期重复性使用寿命。

Claims (8)

1.一种满液型中高温蓄热器，其特征在于：所述中高温蓄热器为一耐压容器，其包括箱体、多个托盘、多个筛网、多孔质复合相变蓄热层和换热管，所述箱体底部设有蒸汽入口，上部开有液体出口，该箱体内部充满工质的饱和液体，所述多个托盘分别水平地固定于所述箱体下部的内壁上，所述多个筛网分别设置于各托盘的底部，所述多孔质复合相变蓄热层分别铺设于各筛网上，该多孔质复合相变蓄热层由复合相变储热材料堆积而成，其全部浸没在工质的饱和液体内，所述换热管设置于箱体上部的内腔中，该换热管的管腔与箱体的内部隔绝且与箱体外部相通，其中流动有导热工质。

2.根据权利要求1所述的满液型中高温蓄热器，其特征在于：所述的复合相变储热材料为颗粒状，其由膨润土与熔融盐组成。

3.根据权利要求2所述的满液型中高温蓄热器，其特征在于：所述的复合相变储热材料的颗粒的平均粒径为3mm。

4.根据权利要求2所述的满液型中高温蓄热器，其特征在于：所述的熔融盐为硝酸钠。

5.根据权利要求1所述的满液型中高温蓄热器，其特征在于：所述的工质为导热油。

6.一种用于权利要求2所述满液型中高温蓄热器的复合相变储热材料的制备方法，其特征在于：将膨润土和熔融盐混和配制后放入一具有搅拌装置的加热容器内，一边加热一边搅拌，加热到高于熔融盐相变温度50℃后保持该温度进行搅拌，使溶解的熔融盐全部被膨润土吸附，最后制成颗粒状的复合相变储热材料。

7.一种由权利要求1所述的满液型中高温蓄热器构成的中高温烟气余热利用集热/储热系统，用于烟气余热回收，在200℃—400℃范围内为下级换热器连续提供热能，其特征在于：所述的集热/储热系统包括有回路式热管换热器、所述满液型中高温蓄热器、下级换热器、回液泵和下级换热器工质泵，其中，回路式热管换热器连接通过所述烟气的烟道，并且通过储液管连接所述满液型中高温蓄热器且向该满液型中高温蓄热器输送所述工质，所述满液型中高温蓄热器通过安装有回液泵的管路连接回路式热管换热器，并且向回路式热管换热器回送所述工质，下级换热器通过下级换热器工质泵连接所述满液型中高温蓄热器，并且向该满液型中高温蓄热器输送所述导热工质。

8.根据权利要求7所述的中高温烟气余热利用集热/储热系统，其特征在于：所述的满液型中高温蓄热器的位置高度高于所述回路式热管换热器。

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