CN104167956A - 烟气余热热电回收装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种烟气余热热电回收装置，其设于烟气管道上，该烟气管道的内壁上设有沿烟气管道的轴向方向全长设置的肋片，该装置包括沿烟气流动的方向依次设置的一温差发电段和一热水段，其中温差发电段包括：一第一管体，其套设于烟气管道外，第一管体具有一温差发电段的冷端及一温差发电段的热端，第一管体和烟气管道之间填充有发电模块，各发电模块均紧贴管体的内壁和烟气管道的外壁；一第二管体，其套设于第一管体外以形成一冷却水环形管道，冷却水环形管道具有一冷却水出口及一冷却水进口；而热水段包括：一第三管体，其套设于烟气管道外以在形成一热水环形管道，热水环形管道具有一热水出口及一热水进口，其实现了烟气余热的充分回收。

Description

烟气余热热电回收装置

技术领域

本发明涉及一种热交换组件，尤其涉及一种用于管件的热交换组件。 

背景技术

目前,节能减排工作正在全社会范围内全面推进，与此应运而生，产生了多种节能以及能量回收方式。现在，我国能源利用率仍处于较低的水平，余热回收技术仍然具有很大开发空间和潜力，以致大量工业余热/废热资源由于现有技术的制约而未能得到有效地回收利用。以钢铁行业为例，我国钢铁行业中各种炉窑排放的烟气余热回收利用率仅为30%左右，远低于发达国家的水平。将各类中高温烟气直接排放至大气环境中，不仅会造成环境污染，同时也浪费了大量热能。对于烟气余热进行再回收利用，既可以在环保方面获得良好的社会效应，而且在经济方面上也有具有很强的吸引力，因此，烟气余热回收技术的发展对于进一步改进发展能量回收方式存在着重要的意义。 

目前，烟气余热回收存在着多种技术手段。从能量载体方面来说，大致可以分为电能回收、蒸汽回收、热水回收以及烟气直接利用。其中，电能回收以纯低压余热发电和有机朗肯循环发电为主，这两种方法的回收能量品位高、输送便捷、使用方便且技术较为成熟，但是所需具备的发电系统较为复杂、投资较高且设备庞大，往往在空间狭小的车间难以实施改造。蒸汽回收则通过余热锅炉实现，其技术也较为成熟、能量品位较高、用途较广且短距离输送技术成熟，是目前应用最为广泛的回收技术。热水回收主要是通过换热器实现，其技术简单易行，但所回收的能量品位较低，需要有固定的热用户进行匹配。烟气直接回收则往往将烟气热量应用于工艺生产过程中，或预热物料，或预热空气等。此外，人们也在不断尝试新的能量回收技术，例如半导体温差发电技术。虽然前述涉及的能量回收技术在能量品位方面覆盖范围较广、技术较为成熟，但是工业过程的烟气回收不仅仅受其品位影响，还受到分布情况及现场环境的限制。比如有的烟气余热品位较高，其适合用于 发电，不过生产现场空间非常有限，以至于常规发电技术难以实施；又比如有的场合适合于回收蒸汽或热水，可通常希望能回收到品质更优的电能以便后期输送和分配使用。 

公开号为CN101316083A，公开日为2008年12月3日，名称为“隧道式余热回收半导体温差发电方法及装置”的中国专利文献公开了一种半导体温差发电方法及装置。该技术方案为：散发余热的移动热源运行经过隧道式集热器，由隧道式集热器接收其辐射出的热量，并将收集到的热量传递到半导体温差发电模块热面；散热器布置在半导体温差发电模块冷面一侧，散热器将冷面冷却到一个比热面低很多的温度，从而在半导体温差发电模块的两端面产生一个较大的温度差，半导体温差发电模块将温度差直接转换成电势差，通过稳压电路以及交直流转化后，作为电源使用。隧道式集热器与散热器的材料选择导热系数较大的长方形金属铝板，其与移动热源动方向平行布置，两端以螺栓紧固在半圆形支架上，铝板沿半圆型支架的圆周方向排列，呈隧道形式，以便于快速传递热量。在散热器中通入冷却介质水，将散热器中的热量及时带走。 

公开号为CN200810021366.1，公开日为2008年12月7日，名称为“管道式余热回收半导体温差发电方法及装置”的中国专利文献也公开一种半导体温差发电方法及装置，其发电方法是将散发余热的气态或液态热源通过轮毂式集热器的通道吸收热量传递到半导体温差发电模块热面，由于半导体温差发电模块外侧的冷面冷却到比热面低得多的温度，从而在半导体温差发电模块的两端面产生温度差，此时在半导体中的贝塞尔效应而产生电势差，再经过稳压、交直流转换电路后将电势差输出，即可作为电源使用。半导体温差发电模块在垂直于热源流动方向上呈圆周形布置，形成管道状，散热器与集热器沿热源流动方向与半导体温差发电模块平行布置；集热器做成轮毂形状，轮辐结合部中间为管道状，该管道内部填充绝热材料；散热器为中空的套管式，中间通入冷却介质，将散热器中的热量带走。 

上述两项专利都仅涉及针对余热的电力回收。由于受到半导体材料导热性能的限制，烟气经过温差发电后，温度仍不能完全降低，存在余热未被充分利用的情况；因此，温差发电装置回收效率非常低，大量热能被冷却系统散失，能量回收利用率低。这种情况下，希望能获得一种实现高效、合理地 利用烟气余热的设备，以响应社会大力倡导节能减排的号召。 

发明内容

本发明的目的是提供一种烟气余热热电回收装置，该烟气余热热电回收装置通过设置在烟气管道外的二级式余热回收段，以回收烟气高温区余热形成电能并利用烟气低温区余热进行加热，从而实现烟气余热的高效回收和梯级利用，减少并避免余热未被充分利用而被冷却系统大量发散的情况发生。 

为了达到上述目的，本发明提供了一种烟气余热热电回收装置，其设于一烟气管道上，此外：所述烟气管道的内壁上设有沿烟气管道的轴向方向全长设置的肋片，所述烟气余热热电回收装置包括沿烟气流动的方向依次设置的一温差发电段和一热水段，其中 

所述温差发电段包括： 

一第一管体，其套设于所述烟气管道外，所述第一管体的管壁为温差发电段的冷端，所述烟气管道为温差发电段的热端，所述第一管体和烟气管道之间均匀的填充有若干发电模块，各发电模块均紧贴管体的内壁和烟气管道的外壁； 

一第二管体，其套设与所述第一管体外，以在第一管体和第二管体之间形成一冷却水环形管道，所述冷却水环形管道沿烟气流动方向的前端具有一冷却水出口，所述冷却水环形管道沿烟气流动方向的后端具有一冷却水进口； 

所述热水段包括： 

一第三管体，其套设于所述烟气管道外，以在第三管体和烟气管道之间形成一热水环形管道，所述热水环形管道沿烟气流动方向的前端具有一热水出口，所述热水环形管道沿烟气流动方向的后端具有一热水进口。 

排烟管道与烟气源导通连接用于输送烟气，沿着烟气流动的方向，温差发电段设于热水段的上游，即温差发电段比热水段更靠近烟气源。由于刚进入排烟管道内的烟气温度较高，故将温差发电段设置在高温区，以获得高品位段的余热用于产生电能；而由于进入热水段中的烟气已经过温差发电段一轮的余热回收，此时烟气的温度相应降低，但是受到半导体材料导热性能的制约，烟气经过温差发电段后，仍存在余热可以被回收利用，故将热水段设 置在低温区，以供加热水体之后的生产使用。烟气余热通过温差发电段及热水段后，在两个阶段中完成了能量的梯级回收，经过分段式回收后，烟气的余热被充分，高效地回收，合理地利用烟气余热中所具有的大量能量。 

温差发电段具有一第一管体和一第二管体，第一管体套设于烟气管道外，而第二管体套设于第一管体外。其中，第一管体和第二管体之间形成了冷却水环形管道，沿烟气流动方向，位于冷却水环形管道的后端的冷却水进口向环形管道内通入较冷水体，而位于冷却水环形管道的前端的冷却水出口将预热后的水体输出，此时，较冷水体在温差发电段内发生了一次热交换，相对较冷的水体温度产生了上升。第一管体的管壁为温差发电段的冷端，而烟气管道为温差发电段的热端；由于第一管体和烟气管道之间有序地、紧密地的填充有大量的发电模块，具有较高温度的烟气进入烟气管道内进行放热，温差发电段的热端被加热，而由于冷却水环形管道内通入较冷水体，吸收了第二管体外壁侧的能量，令第二管体外壁的温度大幅度下降，从而形成大幅度的温差，此时发电模块在温差发电段的冷端与热端的温差驱动下产生电势差而形成电流输出，电流通过布置在发电模块之间的电线从温差发热段输出以实现热能向电能的转换，完成温差发电。 

热水段具有一第三管体，第三管体和烟气管道之间形成了一热水环形管道，沿烟气流动方向，位于热水环形管道后端的热水进口通入温度较低的水体，同时，进入热水段中的烟气仍具有一定的温度，其可以加热温度较低的水体，而位于热水环形管道前端的热水出口则将被加热后的水体输出供后续生产生活使用。此时，温度较低的水体在热水段内发生了一次热交换，其水体温度也相应地升高。 

另外，在温差发电段，将冷却水进口设置在第二管体远离烟气源的一端，而将冷却水出口设置在第二管体靠近烟气源的另一端，其目的是为了防止较冷的水体大量吸收刚进入烟气管道内烟气的热能。由于形成电势差而产生的电能需要烟气余热具有较高的温度，因此，中低温烟气不利于该段获得高品位段的烟气余热，从而影响烟气余热的回收利用率。同样地，在热水段，将热水进口设置在第三管体远离温差发电段的一端，而将热水出口设置在第三管体靠近温差发电段的另一端，也是为了防止过低温度的水体大量带走刚进入热水段内的烟气余热的热量，而导致热水段的烟气余热回收效果不佳。 

此外，沿烟气管道的轴向方向在烟气管道内壁中进行全长设置的肋片，可以增加烟气管道的内表面积，强化烟气管道内的换热效果。肋片的形状及构造可以根据不同的烟气管道进行设计改变，并不局限于具有某一种特定外观的肋片。 

进一步地，在上述烟气余热热电回收装置中，所述冷却水出口与热水进口通过管道连接。较冷水体在温差发电段中进行了第一次换热后，其水体温度得到了上升，当经预热后的水体从冷却水出口输出而进入热水进口时，该水体在热水段中又发生了第二次换热，其水体温度进一步上升，这样就可以满足后期生产生活对水体温度的需要。 

进一步地，在上述烟气余热热电回收装置中，还包括一引风扇，其设于所述烟气管道的出口处。沿着烟气流动的方向，在热水段下游的烟气管道出口处增设引风扇以形成引风段，使得烟气管道内的烟气流动速度加快，排烟始终保持顺畅，不仅避免烟气在烟气管道内放缓停留而造成烟气管道内局部过热或过冷，从而影响温差发电段和热水段的余热回收效率，还减少烟气对于其他设备的影响。 

更进一步地，在上述烟气余热热电回收装置中，还包括一蓄电池，其输入端与温差发电段的电力输出端连接，蓄电池的输出端与引风扇连接。在温差发电段中所产生的电能，并不能直接使用，其需要通过蓄电池的存储和整理后输出以供用者使用，这样蓄电池的输出电能就可以向引风扇供电，多余的电能则可以用于其他生产工序或日常生活。由于引风扇无需外界供电，因此，烟气余热热电回收装置的安装体积较小，能够应用于空间狭窄的生产车间，其所适用的范围较为广泛。 

由于本发明所述的烟气余热热电回收装置沿烟气管道的轴线方向环绕布置，并同时利用烟气高温区进行温差发电及烟气中低温区进行水体加热，克服了温差发电后未回收热量直接发散的情况发生，其相较于现有技术中的烟气余热回收装置，所具备的优点在于： 

1）实现烟气余热的充分回收和梯级利用； 

2）降低最终排放烟气温度，减少烟气对大气环境的影响； 

3）烟气排放顺畅，不影响其他设备的工作压力； 

4）各组件集成化设计，整个装置占用空间小，便于安装，易于改装； 

5）整体采用静态结构，无运动部件，不产生明显噪音，运行稳定可靠。 

附图说明

图1为本发明所述的烟气余热热电回收装置在一种实施方式下的结构示意图。 

图2为图1所示的烟气余热热电回收装置中的温差发电段、热水段及引风段沿其轴线方向的剖面示意图。 

图3为图2所示的烟气余热热电回收装置中的温差发电段在A-A处的截面示意图。 

附图标记说明： 

10-烟气管道                11-温差发电段 

12-热水段                  13-引风段 

101-烟气管道的进口         102-烟气管道的出口 

103-内插式螺旋型肋片       111-第一管体 

112-第二管体               120-第三管体 

113-发电模块               114-冷却水环形管道 

115-冷却水进口             116-冷却水出口 

117-第一电线               118-蓄电池 

119-蓄电池的输入端         110-蓄电池的输出端 

121-热水环形管道           122-热水进口 

123-热水出口               131-引风扇 

132-第二电线 

具体实施方式

以下将根据具体实施例及说明书附图对本发明所述的烟气余热热电回收装置做出进一步详细说明，但是该说明并不构成对本发明的限定。 

如图1所示，在本实施例中，烟气管道10的进口101与热烟气源P对接，烟气在烟气管道10内流动，其流动方向为Q，沿着烟气流动方向依次设置温差发电段11，热水段12及引风段13，其中温差发电段11和热水段12均 套设于烟气管道10外，而引风段13设置在烟气管道10的出口102处。 

如图2所示，烟气管道10的内壁上沿其轴向方向上设置有覆盖烟气管道全长的内插式螺旋型肋片103，以增大烟气管道的内表面积而强化内侧换热效率。在本实施例中采用的是螺旋形肋片，但是肋片的形状及构造可以根据不同的烟气管道进行设计改变，并不局限于具有某一种特定外观的肋片，例如内翅片也可以起到强化换热的作用。 

如图1至图3所示，温差发电段11中的第一管体111套设在烟气管道10之外，第一管体111的管壁为温差发电段11的冷端，而烟气管道10为温差发电段11的热端。第一管体111和烟气管道10之间布置着大量发电模块113，发电模块通过框架结构形成一个整体，设置在温差发电段11的冷端和温差发电段11的热端之间。发电模块113在第一管体的轴向方向和径向方向都为均匀排布设置；在轴向方向上，各发电模块113的间距相等或基本相等，在径向方向上，各发电模块113与相邻发电模块之间也采用等距设置；同时，各发电模块113都与第一管体111的内壁和烟气管道10的外壁紧密贴合，这样保证了温差发电段有效地将烟气余热的热量转换为电能。在发电模块113之间布置有电线，第一电线117从第一管体111中引出作为温差发电段11的电力输出端，与蓄电池118的输入端119连接，以将电能传输送至蓄电池进行存储和整理，蓄电池还具有一输出端110。第二管体112套设在第一管体111外，在第一管体111和第二管体112之间形成冷却水环形管道114，冷却水环形管道114具有冷却水进口115，其位于冷却水环形管道114沿烟气流动方向的后端，及冷却水出口116，其位于冷却水环形管道114沿烟气流动方向的前端。 

如图1和图2所示，热水段12中的第三管体120套设于烟气管道10外，其在第三管体120和烟气管道10之间形成了热水环形管道121，该热水环形管道121沿烟气流动方向的前端设有热水出口123，在沿烟气流动方向的后端设有热水进口122，其中，热水进口122与第二管体中的冷却水出口116通过管道连接。 

继续参阅图1和图2，在引风段13内布置有引风扇131，其位于烟气管道10的出口102处，该引风扇131与蓄电池的输出端110通过第二电线132形成电连接，由蓄电池118向引风扇131提供电力进行运转。 

将本实施例中的烟气余热热电回收装置投入实际使用，其工作过程包括：温差发电阶段、余热回收阶段及供电输出阶段，冷水体进入烟气余热热电回收装置的方向为A-B-C-D；继续参阅图1至图3，在各阶段中，烟气余热热电回收装置的运行情况具体如下： 

1）温差发电阶段：热烟气源P的烟气沿着Q方向通过烟气管道10进入温差发电段11，通过内插式螺旋型肋片103强化换热，温差发电段的热端被加热；冷水体从冷却水进口115（即为A处）进入冷却水环形管道114内，吸收温差发电段的冷端的热量，温差发电段的冷端被冷却；发电模块113在温差发电段的冷端与温差发电段的热端的温差驱动下产生了电势差，形成电流输出，电流通过第一电线117输出，并被传输送至蓄电池118内进行存储和整理。在此阶段中，不仅利用烟气余热完成了温差发电，冷水体与烟气余热热电回收装置进行了第一次换热，其水体温度有所提高，加热后的水体从冷却水出口116流出（即为B处）。 

2）余热回收阶段：烟气经过温差发电段11进入热水段12时，仍然具有一定的温度，冷水体在冷却水环形管道114内温度得以升高后，从冷却水出口116流出后经由管道继续进入热水进口123（即为C处），在热水段12内与烟气余热进行第二次换热，最后从热水出口122流出（即为D处）。经过两次换热的冷水体温度进一步地上升，相反地，烟气温度进一步地下降，冷水体吸收了烟气余热中的大部分热量，降低了烟气的余热温度，一方面使得低温烟气能够直接排放至大气而减少其对环境的影响，另一方面冷水体在吸热升温后可以满足后期生产工序的用水要求。 

3）蓄电输出阶段：蓄电池118通过第二电线132向引风扇131供电，引风扇131保证烟气快速流动，及时顺畅地排放至大气环境中，不影响其他设备的工作压力。当蓄电池118还有剩余电量时，蓄电池的输出端110还可以与生活用户的电力输入线连接，将多余电量输送给生活用户使用。 

此外，在投入实际使用后，增设了肋片设置的烟气管道内壁的对流换热系统提高了150%～270%。 

本实施例中的烟气余热热电回收装置通过两级换热，第一级在温差发电段内实现了发电+水体加热，第二级在热水段内实现了水体再加热，同时有效地回收了烟气高品位段和低品位段的余热，达到烟气余热充分回收和梯级 利用的目的。 

需要说明的是，本发明所述的烟气余热热电回收装置可适用于多款管径的烟气管道的安装和改装。 

需要注意的是，以上所列举的实施例仅为本发明的具体实施例。显然本发明不局限于以上实施例，随之做出的类似变化或变形是本领域技术人员能从本发明公开的内容直接得出或者很容易便联想到的，均应属于本发明的保护范围。 

Claims (4)

1.一种烟气余热热电回收装置，其设于一烟气管道上，其特征在于，所述烟气管道的内壁上设有沿烟气管道的轴向方向全长设置的肋片，所述烟气余热热电回收装置包括沿烟气流动的方向依次设置的一温差发电段和一热水段，其中

所述温差发电段包括：

一第一管体，其套设于所述烟气管道外，所述第一管体的管壁为温差发电段的冷端，所述烟气管道为温差发电段的热端，所述第一管体和烟气管道之间均匀的填充有若干发电模块，各发电模块均紧贴管体的内壁和烟气管道的外壁；

一第二管体，其套设于所述第一管体外，以在第一管体和第二管体之间形成一冷却水环形管道，所述冷却水环形管道沿烟气流动方向的前端具有一冷却水出口，所述冷却水环形管道沿烟气流动方向的后端具有一冷却水进口；

所述热水段包括：

一第三管体，其套设于所述烟气管道外，以在第三管体和烟气管道之间形成一热水环形管道，所述热水环形管道沿烟气流动方向的前端具有一热水出口，所述热水环形管道沿烟气流动方向的后端具有一热水进口。

2.如权利要求1所述的烟气余热热电回收装置，其特征在于，所述冷却水出口与热水进口通过管道连接。

3.如权利要求1或2所述的烟气余热热电回收装置，其特征在于，还包括一引风扇，其设于所述烟气管道的出口处。

4.如权利要求3所述的烟气余热热电回收装置，其特征在于，还包括一蓄电池，其输入端与温差发电段的电力输出端连接，蓄电池的输出端与引风扇连接。