CN103175423B - 热管型烟气余热回收储能装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热管型烟气余热回收储能装置，烟气加热管路（4）在烟气加热换热器（1）内，储能换热管路（5）在储能换热器（2）内，释能换热管路（6）在释能换热器（3）内，烟气加热管内通烟气，储能换热管内通热管工质（20），储能材料（16）填装于储能换热管内部，释能换热管内通取热流体；烟气加热换热器出口经加热蒸汽阀门（10）、热管加热蒸汽上升管（7）与储能换热管相连，储能换热管经热管冷却回液下降管（18）、加热回液阀门（19）与烟气加热换热器入口相连；储能换热器出口经热管加热蒸汽上升管、冷却蒸汽阀门（11）与释能换热管相连，释能换热管经冷却回液阀门（17）、热管冷却回液下降管与储能换热器入口相连。

Description

热管型烟气余热回收储能装置和方法

技术领域

    本发明涉及一种工业余热/废热回收的储能装置和方法，尤其涉及一种热管型烟气余热回收储能装置和方法。

背景技术

我国能源利用效率较低，大量的低品位工业余热/废热资源没有得到合理回收利用而被直接排放到大气，随着节能减排和环境保护的日益重视，加强低品位余热/废热资源的回收利用将是我国钢铁企业未来发展的主攻方向之一。

目前，钢铁企业烟气余热/废热的利用主要有两种方式，一种是通过低温余热发电技术将其转换成电能进行回收利用，具有使用方便、输送灵活的优点，但所需排烟温度较高无法实现低品位烟气余热的回收利用、且成本较高存在投资回报差的缺点；另一种为采用热交换设备进行热量回收，直接利用其热能为生产工艺或生活需求提供能源，如余热锅炉、空气预热器、省煤器等，该方法技术成熟且简单易实施，但该利用方式通常仅仅局限于某一小范围区域，无法实施余热的跨区域梯级利用，因而能源的总体利用效率较低。实施低品位余热的储能技术是实现烟气余热/废热资源跨区域利用的有效途径之一，可解决排烟余热供能和生产/生活需能不在同一场所的矛盾，同时可调节供能和需能在时间上和强度上存在的不协调问题。

现有技术中：中国专利申请号CN201020507826.4公开了发明名称为：烟气余热回收装置，该装置在集烟箱散热管的散热翅片上再进一步增设散热翅片增加了换热面积，从而提高烟气余热回收效率。该装置仅仅是一个烟气余热回收的翅片热交换器，无法实现烟气余热的能量储存功能，且会造成烟气对换热设备的腐蚀现象。 

中国专利申请号CN201010209029.2公开了发明名称为：烟气余热回收系统，该系统采用热管技术实现烟气与被加热流体之间的换热，通过利用热管工质的压力实现排烟露点温度的控制，可避免烟气对换热设备的腐蚀现象。该系统为热管型烟气热交换器，同样不具备烟气余热的能量储存功能，因而无法实现烟气余热资源的跨区域利用和调节能量供需在时空上的矛盾。

发明内容

本发明的目的在于提供一种热管型烟气余热回收储能装置和方法。本发明一方面利用热管的高传热特性来强化烟气余热回收装置的换热能力；另一方面利用热管技术实现烟气对换热器的间接分离高效加热，从而可避免烟气对热交换器的腐蚀问题；同时采用储能技术，可解决排烟余热供能和生产/生活需能在时间、空间（场所）、及强度上存在的不协调矛盾，从而实现烟气余热资源的跨区域利用。

本发明是这样实现的：

一种热管型烟气余热回收储能装置，包括烟气加热换热器、储能换热器、释能换热器、烟气加热管路、储能换热管路、释能换热管路、热管加热蒸汽上升管、加热蒸汽阀门、冷却蒸汽阀门、热管冷却回液下降管、冷却回液阀门、加热回液阀门、加热烟气进口、加热烟气出口、取热流体进口、取热流体出口、储能材料填料入口、储能材料卸料出口、储能材料和热管工质；

所述烟气加热管路位于烟气加热换热器内，加热烟气进口和加热烟气出口与烟气加热管路的两端相连；所述储能换热管路位于储能换热器内，储能换热管路上端开有储能材料填料入口，储能换热管路下端开有储能材料卸料出口，储能材料填装于储能换热管路的内部，储能换热管路内通热管工质；所述释能换热管路位于释能换热器内，释能换热管路两端外接有取热流体进口和取热流体出口；

所述烟气加热换热器上部出口与加热蒸汽阀门的进口相连，加热蒸汽阀门的出口经热管加热蒸汽上升管与储能换热器中储能换热管路相连，储能换热管路经热管冷却回液下降管与加热回液阀门的进口相连，加热回液阀门的出口与烟气加热换热器下部入口相连；

所述储能换热器上部出口经热管加热蒸汽上升管与冷却蒸汽阀门的进口相连，冷却蒸汽阀门的出口与释能换热器中释能换热管路相连，释能换热管路与冷却回液阀门的进口相连，冷却回液阀门的出口经热管冷却回液下降管与储能换热器的下部入口相连； 

所述加热蒸汽阀门的出口经热管加热蒸汽上升管与冷却蒸汽阀门的进口相连，冷却回液阀门的出口经热管冷却回液下降管与加热回液阀门的进口相连。

所述热管工质的加注阀门安装于释能换热器的回液管上，热管工质排泄阀门安装于烟气加热换热器的回液管上。

所述储能换热器位于烟气加热换热器的上部，释能换热器位于储能换热器的上部。

所述储能材料包括显热储能材料、相变潜热储能材料和化学储能材料。

一种基于上述热管型烟气余热回收储能装置的热管型烟气余热回收储能方法，包括储能阶段和释能阶段，所述储能阶段是，关闭冷却蒸汽阀门和冷却回液阀门，开启加热蒸汽阀门和加热回液阀门，烟气加热换热器为热管的蒸发段，储能换热器为热管的冷凝段，热管工质的流动方向为：蒸发成气态的热管工质从烟气加热换热器流出，经加热蒸汽阀门流入储能换热器内，与储能换热管路内的储能材料发生热交换，凝结成液态的热管工质然后从储能换热器流出，经加热回液阀门回流到烟气加热换热器内；

所述释能阶段是，关闭加热蒸汽阀门和加热回液阀门，开启冷却蒸汽阀门和冷却回液阀门，储能换热器为热管的蒸发段，释能换热器为热管的冷凝段，热管工质的流动方向为：热管工质在储能材料的加热作用下蒸发变为气态从储能换热器流出，经冷却蒸汽阀门流入释能换热器中与释能换热管路内的取热流体发生换热将储存的热量传递给取热流体，凝结成液态的热管工质然后从释能换热器流出，经冷却回液阀门回流到储能换热器内。

所述热管型烟气余热回收储能方法还包括直接换热阶段，所述直接换热阶段是，开启加热蒸汽阀门、冷却蒸汽阀门、冷却回液阀门和加热回液阀门，烟气加热换热器为热管的蒸发段，释能换热器为热管的冷凝段，热管工质的流动方向为：热管工质在烟气加热管路内烟气的加热作用下蒸发变为气态从烟气加热换热器流出，经加热蒸汽阀门和冷却蒸汽阀门流入释能换热器中与释能换热管路内的取热流体发生换热直接将烟气余热传递给取热流体，凝结成液态的热管工质然后从释能换热器流出，经冷却回液阀门和加热回液阀门回流到烟气加热换热器内。 

本发明与现有技术相比具有以下优点：

第一，本发明可以根据烟气余热排放量的大小进行多个储能换热器的任意组合，利用一个烟气加热换热器可完成多个储能换热器的加热储能，此时可以将多个储能换热器均安装在同一个烟气加热器的上部空间，根据不同的工作过程来切换加热阀门与冷却阀门，实现加烟气余热的回收储能过程与释能过程，易于产业化。

第二，本发明与传统烟气余热回收装置相比，由于采用分离热管相变传热技术，一方面强化了烟气余热回收装置的换热能力，另一方面避免了烟气直接加热过程中对换热器的腐蚀问题，相对于以往的传统烟气余热回收换热省去了中间换热器以及中间换热器中所采用的输送泵，可显著提高系统的工作可靠性，也节省了电量的消耗。

第三，同时采用储能技术，可解决排烟余热供能和生产/生活需能在时间、空间（场所）、及强度上存在的不协调矛盾，实现烟气余热资源的跨区域利用，特别适合大型工业余热梯级利用场合。 

附图说明

图1为本发明热管型烟气余热回收储能装置结构示意图；

图2为本发明的热管型烟气余热回收储能阶段结构示意图；

图3为本发明的释能阶段结构示意图；

图4为本发明的烟气余热直接换热阶段结构示意图。

图中：1烟气加热换热器，2储能换热器，3释能换热器，4烟气加热管路，5储能换热管路，6释能换热管路，7热管加热蒸汽上升管，8加热烟气进口，9加热烟气出口，10加热蒸汽阀门，11冷却蒸汽阀门，12取热流体进口，13取热流体出口，14储能材料填料入口，15储能材料卸料出口，16储能材料，17冷却回液阀门，18热管冷却回液下降管，19加热回液阀门，20热管工质，21热管工质排泄阀门，22热管工质加注阀门。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

参见图1，一种热管型烟气余热回收储能装置，包括烟气加热换热器1、储能换热器2、释能换热器3、烟气加热管路4、储能换热管路5、释能换热管路6、 热管加热蒸汽上升管7、加热蒸汽阀门10、冷却蒸汽阀门11、热管冷却回液下降管18、冷却回液阀门17、加热回液阀门19、加热烟气进口8、加热烟气出口9、取热流体进口12、取热流体出口13、储能材料填料入口14、储能材料卸料出口15、储能材料16、热管工质20、热管工质排泄阀门21和热管工质加注阀门22；

所述烟气加热管路4位于烟气加热换热器1内，加热烟气进口8和加热烟气出口9与烟气加热管路4的两端相连，烟气加热管4内通烟气；所述储能换热管路5位于储能换热器2内，储能换热管路5上端开有储能材料填料入口14，储能换热管路5下端开有储能材料卸料出口15，储能材料16填装于储能换热管路5的内部，储能换热管路5内通热管工质20；释能换热管路6位于释能换热器3内，释能换热管路6两端外接有取热流体进口12和取热流体出口13，释能换热管路6内通取热流体。

所述烟气加热换热器1上部出口与加热蒸汽阀门10的进口相连，加热蒸汽阀门10的出口经热管加热蒸汽上升管7与储能换热器2中储能换热管路5相连，储能换热管路5经热管冷却回液下降管18与加热回液阀门19的进口相连，加热回液阀门19的出口与烟气加热换热器1下部入口相连。

所述储能换热器2上部出口经热管加热蒸汽上升管7与冷却蒸汽阀门11的进口相连，冷却蒸汽阀门11的出口与释能换热器3中释能换热管路6相连，释能换热管路6与冷却回液阀门17的进口相连，冷却回液阀门17的出口经热管冷却回液下降管18与储能换热器2的下部入口相连；所述储能换热器2上部出口为储能换热器2中储能换热管路5的出口。

所述加热蒸汽阀门10的出口经热管加热蒸汽上升管7与冷却蒸汽阀门11的进口相连，冷却回液阀门17的出口经热管冷却回液下降管18与加热回液阀门19的进口相连。

所述热管工质的加注阀门22安装于释能换热器3的回液管上，用于补充热管工质20的充注量，热管工质排泄阀门21安装于烟气加热换热器1的回液管上，用于调节热管工质20的充注量。

所述热管型烟气余热回收储能装置的结构布置为：所述储能换热器2位于烟气加热换热器1的上部，释能换热器3位于储能换热器2的上部。

所述储能材料16可以是显热储能材料、相变潜热储能材料或化学储能材料，具体根据储存介质的温度进行优化选择，常用的显热储能材料有水、钢球、水泥等；常用的相变潜热储能材料有石蜡、结晶水合物、熔融盐、金属/合金、酯酸类等；常用的化学储能材料有金属氧化物-水、金属氯化物-氨、金属氢化物-氢等。

所述热管工质20根据介质的温度进行优化选择，常用的热工工质有： 甲醇（工作温度-45~120℃）、水（工作温度5~230℃）、导热姆A（工作温度150~350℃） 、钾镍（工作温度400~800℃）、钠镍（工作温度500~900℃）等。

另外，当储能材料16充注到储能换热器2中的储能换热管路5内后，封闭储能材料填料入口14和储能材料卸料出口15，需要更换时再打开，可根据回收烟气余热温度的高低充注不同工作温度的储能材料。

一种基于上述热管型烟气余热回收储能装置的热管型烟气余热回收储能方法，包括热管型烟气余热回收储能阶段、释能阶段，以及热管型烟气余热直接换热阶段；

所述热管型烟气余热回收储能阶段：参见图2，关闭冷却蒸汽阀门11和冷却回液阀门17，开启加热蒸汽阀门10和加热回液阀门19，此时烟气加热换热器1为热管的蒸发段，储能换热器2为热管的冷凝段，热管工质20在烟气加热管路4内烟气的加热作用下蒸发变为气态，从烟气加热换热器1上部出口流出，经加热蒸汽阀门10进入热管加热蒸汽上升管7内，然后流入储能换热器2中与储能换热管路5内的储能材料16发生换热，储能材料16在热管工质20的冷凝热加热作用下进行热能储存，凝结成液态的热管工质20从储能换热器2的下部出口流出进入热管冷却回液下降管18内，经加热回液阀门19回流到烟气加热换热器1内，重复以上过程对储能材料16进行加热，完成烟气余热的回收和储能过程。

所述释能阶段，参见图3，关闭加热蒸汽阀门10和加热回液阀门19，开启冷却蒸汽阀门11和冷却回液阀门17，此时储能换热器2为热管的蒸发段，释能换热器3为热管的冷凝段，热管工质20在储能材料16的加热作用下蒸发变为气态，从储能换热器2上部出口流出，经冷却蒸汽阀门11流入释能换热器3中与释能换热管路6内的取热流体发生换热将储存的热量传递给取热流体，凝结成液态的热管工质20从释能换热器3的下部出口流出，经冷却回液阀门17和热管冷却回液下降管18回流到储能换热器2内；重复以上过程对释能换热器3内的取热流体进行加热直至储能材料16释放出所贮存的热量，完成释能过程。

所述热管型烟气余热直接换热阶段：参见图4，开启加热蒸汽阀门10、冷却蒸汽阀门11、冷却回液阀门17及加热回液阀门19，此时，烟气加热换热器1为热管的蒸发段，释能换热器3为热管的冷凝段，热管工质20在烟气加热管路4内烟气的加热作用下蒸发变为气态，从烟气加热换热器1上部出口流出，经加热蒸汽阀门10和冷却蒸汽阀门11流入释能换热器3中与释能换热管路6内的取热流体发生换热直接将烟气余热传递给取热流体，凝结成液态的热管工质20从释能换热器3的下部出口流出，经冷却回液阀门17和加热回液阀门19回流到烟气加热换热器1内，实现烟气加热换热器1内烟气与释能换热器3内取热流体的直接换热。

本发明可以根据烟气余热排放量的大小进行多个储能换热器的任意组合，利用一个烟气加热换热器可完成多个储能换热器的加热储能，此时可以将多个储能换热器均安装在同一个烟气加热器的上部空间，根据不同的工作过程来切换加热阀门与冷却阀门，实现加烟气余热的回收储能过程与释能过程，易于产业化。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，因此，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均就包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种热管型烟气余热回收储能装置，包括：烟气加热换热器（1）、释能换热器（3）、热管加热蒸汽上升管（7）、取热流体进口（12）、取热流体出口（13）、热管工质（20），

其特征是：所述储能装置还包括：储能换热器（2）、烟气加热管路（4）、储能换热管路（5）、释能换热管路（6）、加热蒸汽阀门（10）、冷却蒸汽阀门（11）、热管冷却回液下降管（18）、冷却回液阀门（17）、加热回液阀门（19）、加热烟气进口（8）、加热烟气出口（9）、储能材料填料入口（14）、储能材料卸料出口（15）和储能材料（16）；

所述烟气加热管路（4）位于烟气加热换热器（1）内，加热烟气进口（8）和加热烟气出口（9）与烟气加热管路（4）的两端相连；

所述储能换热管路（5）位于储能换热器（2）内，储能换热管路（5）上端开有储能材料填料入口（14），储能换热管路（5）下端开有储能材料卸料出口（15），储能材料（16）填装于储能换热管路（5）的内部，储能换热管路（5）内通热管工质（20）；

所述释能换热管路（6）位于释能换热器（3）内，释能换热管路（6）两端外接有取热流体进口（12）和取热流体出口（13）；

所述烟气加热换热器（1）上部出口与加热蒸汽阀门（10）的进口相连，加热蒸汽阀门（10）的出口经热管加热蒸汽上升管（7）与储能换热器（2）中储能换热管路（5）相连，储能换热管路（5）经热管冷却回液下降管（18）与加热回液阀门（19）的进口相连，加热回液阀门（19）的出口与烟气加热换热器（1）下部入口相连；

所述储能换热器（2）上部出口经热管加热蒸汽上升管（7）与冷却蒸汽阀门（11）的进口相连，冷却蒸汽阀门（11）的出口与释能换热器（3）中释能换热管路（6）相连，释能换热管路（6）与冷却回液阀门（17）的进口相连，冷却回液阀门（17）的出口经热管冷却回液下降管（18）与储能换热器（2）的下部入口相连； 

所述加热蒸汽阀门（10）的出口经热管加热蒸汽上升管（7）与冷却蒸汽阀门（11）的进口相连，冷却回液阀门（17）的出口经热管冷却回液下降管（18）与加热回液阀门（19）的进口相连。

2.根据权利要求1所述的热管型烟气余热回收储能装置，其特征是：所述热管工质的加注阀门（22）安装于释能换热器（3）的回液管上，热管工质排泄阀门（21）安装于烟气加热换热器（1）的回液管上。

3.根据权利要求1或2所述的热管型烟气余热回收储能装置，其特征是：所述储能换热器（2）位于烟气加热换热器（1）的上部，释能换热器（3）位于储能换热器（2）的上部。

4.根据权利要求1或2所述的热管型烟气余热回收储能装置，其特征是：所述储能材料（16）包括显热储能材料、相变潜热储能材料和化学储能材料。

5.一种基于权利要求1或2所述的热管型烟气余热回收储能装置的热管型烟气余热回收储能方法，其特征是：包括储能阶段和释能阶段，所述储能阶段是，关闭冷却蒸汽阀门（11）和冷却回液阀门（17），开启加热蒸汽阀门（10）和加热回液阀门（19），烟气加热换热器（1）为热管的蒸发段，储能换热器（2）为热管的冷凝段，热管工质（20）的流动方向为：蒸发成气态的热管工质（20）从烟气加热换热器（1）流出，经加热蒸汽阀门（10）流入储能换热器（2）内，与储能换热管路（5）内的储能材料（16）发生热交换，凝结成液态的热管工质（20）然后从储能换热器（2）流出，经加热回液阀门（19）回流到烟气加热换热器（1）内；

所述释能阶段是，关闭加热蒸汽阀门（10）和加热回液阀门（19），开启冷却蒸汽阀门（11）和冷却回液阀门（17），储能换热器（2）为热管的蒸发段，释能换热器（3）为热管的冷凝段，热管工质（20）的流动方向为：热管工质（20）在储能材料（16）的加热作用下蒸发变为气态从储能换热器（2）流出，经冷却蒸汽阀门（11）流入释能换热器（3）中与释能换热管路（6）内的取热流体发生换热将储存的热量传递给取热流体，凝结成液态的热管工质（20）然后从释能换热器（3）流出，经冷却回液阀门（17）回流到储能换热器（2）内。

6.一种基于权利要求1或2所述的热管型烟气余热回收储能装置的热管型烟气余热回收储能方法，其特征是：包括直接换热阶段，所述直接换热阶段是，开启加热蒸汽阀门（10）、冷却蒸汽阀门（11）、冷却回液阀门（17）和加热回液阀门（19），烟气加热换热器（1）为热管的蒸发段，释能换热器（3）为热管的冷凝段，热管工质（20）的流动方向为：热管工质（20）在烟气加热管路（4）内烟气的加热作用下蒸发变为气态从烟气加热换热器（1）流出，经加热蒸汽阀门（10）和冷却蒸汽阀门（11）流入释能换热器（3）中与释能换热管路（6）内的取热流体发生换热直接将烟气余热传递给取热流体，凝结成液态的热管工质（20）然后从释能换热器（3）流出，经冷却回液阀门（17）和加热回液阀门（19）回流到烟气加热换热器（1）内。