CN105351906A - 基于液态金属的工业烟气余热回收装置 - Google Patents

基于液态金属的工业烟气余热回收装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及的基于液态金属的工业烟气余热回收装置，其特征在于，其由软化水泵、蒸汽锅炉、电磁泵、热交换器及管道组成。本发明中，采用液态金属代替水与工业生产产生的高温烟气在所述热交换器中进行热量交换。所述电磁泵作为液态金属循环的动力。本发明液态金属具有优异的物理性能、熔点低、沸点高、导热系数高、运动黏性小等优点，具有良好的流动换热能力。本发明的基于液态金属的工业烟气余热回收装置因液态金属的诸多优点，其具有能减轻工业设备压力、延长工业设备寿命、使用过程安全等作用，可广泛适用于化工及石油化工工业、硫酸工业、建材、冶金、工业发电行业等炭黑、烟气余热、化学反应热高温产品、冷却介质余热等工业余热产生领域。

Description

基于液态金属的工业烟气余热回收装置
技术领域
本发明涉及基于液态金属的工业烟气余热回收装置，其中的液态金属具有优异的物理性能、熔点低、沸点高、导热系数高、运动黏性比较小等优点，具有良好的流动换热能力。可广泛适用于化工及石油化工工业、硫酸工业、建材、冶金、工业发电行业等工业余热产生领域。
背景技术
余热是在一定经济技术条件下，在能源利用设备中没有被利用的能源，也就是多余、废弃的能源。有乙炔、炭黑等产品的生产过程中由于相同产品的品种不同，因此，产品终止反应的温度也不同。对于乙炔来说，一般终止反应的温度在1300℃～1100℃之间，在急冷锅炉中将乙炔烟气温度降到合适的范围以进入下游设备。这个过程通常都是通过喷入急冷水来实现的。但由此将会出现以下几点问题：（1）喷入的大量急冷水变成水蒸汽导致乙炔烟气发生组分的变化，使乙炔烟气流量骤然增大，不仅对乙炔的品质产生影响，且加重了下游设备的处理压力，对设备造成的腐蚀情况也更加严重。（2）喷入的急冷水形成的水蒸气到最终排空，在此期间蕴含的大量潜热无法回收，造成较大的能量浪费。（3）由此造成的用水开销也是一笔不小的数字，加重了企业产品生产的成本开支却不能产生任何积极有益的影响。
为解决上述问题，本发明提供一种基于液态金属的工业烟气余热回收装置，其使用的液态金属具有优异的物理性能、熔点低、沸点高、导热系数高、运动黏性比较小等优点，具有良好的流动换热能力。
发明内容
本发明涉及一种基于液态金属的工业烟气余热回收装置，因选择的液态金属的诸多优点，其具有能减轻工业设备压力、延长工业设备寿命、使用过程安全等作用。
本发明的技术方案如下：
一种基于液态金属的工业烟气余热回收装置，其特征在于，其由软化水泵1、蒸汽锅炉2、电磁泵3、热交换器4及管道组成；
所述热交换器4由一个以上的基本换热单元组成；
所述基本换热单元由上冷板10、下冷板11和一对以上的液态金属入口管道8和出口管道9组成，所述上冷板10和下冷板11为圆饼状，上冷板10和下冷板11之间设置成中空结构，以减缓高温烟气的流速，保证高温烟气能充分地与液态金属12进行热交换；
所述冷板上有多个通孔7，且上冷板10和下冷板11的通孔相互错开，使得高温烟气的流动路径更长，而且在各个通孔内做到均匀分布，增强换热效果；高温烟气通过通孔7穿过冷板；
所述冷板为中空结构，其中充满了液态金属12；
所述电磁泵3作为液态金属12循环的动力；
所述液态金属12各组分的质量分数百分比为：镓58%，铟20%，锡9%，镉5%，钕5%，铈3%；所述液态金属12熔点为-9℃，沸点为1853℃；
所述基本换热单元中，液态金属12通过入口管道8注入上冷板10中心，后沿上冷板10径向向外流到板间流道，再向下进入下冷板11，沿下冷板11径向流到下冷板11中心，最后由液态金属出口管道9流出；
所述余热回收装置通过电磁泵3将从工业生产产生的烟气余热吸收后的液态金属12送入蒸汽锅炉2中，与蒸汽锅炉2中的水进行热交换，把热量传递给水，产生高压蒸汽用于发电或者给生活用水加热用于取暖等。
所述通孔7与所述冷板的上下板之间通过焊接方式连接起来，焊缝外增加隔热陶瓷环，以避免高温时冷板焊接处焊缝开裂。
所述液态金属12的流动方向定为冷板的径向，保证了液态金属12在冷板中流动的均匀性。
所述液态金属12液态金属入口管道8和出口管道9结构相同，为两根以上对称的圆管，并使用十字形挡板进行适当隔离，以避免不同流道的相互干扰。
所述冷板之间可填充泡沫金属或焊接翅片，增加换热效果。
所述泡沫金属为泡沫铜、泡沫铝或泡沫镍。
所述翅片材料为铜、铝或镍。
所述热交换器4中高温烟气入口处增加过滤层并定期清洗，防止含有较多固态杂质的高温烟气降低热交换器4的使用寿命。
所述蒸汽锅炉2中可产生高压蒸汽，输送到发电装置，组成余热回收发电装置。
所述蒸汽锅炉2中可产生生活用热水，输送到家庭供暖管道，组成余热回收供暖装置。所述热交换器4外部包裹着保温材料。
所述保温材料为软瓷保温材料、硅酸铝保温材料、酚醛泡沫保温材料、膨胀玻化微珠保温材料或胶粉聚苯颗粒保温材料。
所述基于液态金属的工业烟气余热回收装置可应用于化工及石油化工工业、硫酸工业、建材、冶金、工业发电行业等工业余热产生领域。
所述液态金属的入口管道8和出口管道9的对数选择由实际生产中需要的换热效率决定。
使用时，首先将装置中的热交换器4安装在工业的裂解炉中工业急冷处理处；然后启动电磁泵3，电磁泵3作为液态金属12流动的动力运输液态金属12，液态金属12通过入口管道8注入上冷板10中心，后沿上冷板10径向向外流到板间流道，再向下进入下冷板11，沿下冷板11径向流到下冷板11中心，最后由液态金属出口管道9流出；在确保液态金属12充满系统管道并排除其中的空气后，热交换器4即可正常工作。液态金属12从工业烟气中吸收到的余热，通常可以用作以下几点用途：烧热水；生活供暖；余热发电等。
本发明所述的基于液态金属的工业烟气余热回收装置具有如下优点：
（1）本发明采用的液态金属在常温下呈液态，其运动粘性比较小，用于代替传统的水冷，不仅节省了水的浪费，而且其液态金属热导率很高，传热速率快，具有明显的经济效益。
（2）本发明采用的液态金属利用电磁泵作为动力源进行流动循环，而传统的水冷循环采用的是机械泵，因此，本发明的基于液态金属的工业烟气余热回收装置产生的噪音小，甚至可以达到“零噪音”的效果。
（3）本发明采用的换热单元由上冷板、下冷板和一对以上的液态金属液态金属入口管道和出口管道组成，冷板上有多个通孔，且上冷板和下冷板的通孔相互错开，使得高温烟气的流动路径更长，而且在各个通孔内做到均匀分布，增强换热效果；液态金属沿冷板的径向流动，保证了液态金属在冷板中流动的均匀性，使得高温烟气和液态金属可以充分换热。
（4）本发明采用的液态金属沸点很高，且与产品不相混合，不会因为产生蒸气而导致产品发生组分的变化，因此不会对产品的品质产生影响，减轻了下游设备的处理压力，也不会出现对设备造成的腐蚀情况。
（5）本发明采用的液态金属具有高沸点的性质，在100℃~1500℃内都不会发生相变。因此作为一种流动换热介质，液态金属在中高温工业余热回收系统中可以一直保持液态，不会发生因相变而产生系统高压的问题，因此降低了系统管道的承压极限和管道的设计难度，避免了因高压带来的泄露或者爆炸的意外情况发生。
附图说明
图1为基于液态金属的工业烟气余热回收装置结构示意图。
图2为热交换器基本换热单元结构示意图。
图3为热交换器基本换热单元剖面结构示意图。
图4为基本换热单元中的十字形挡板结构示意图。
附图标记说明：1-软化水泵，2-蒸汽锅炉，3-电磁泵，4-热交换器，5-工业急冷处理，6-产品后续处理，7-通孔，8-液态金属入口，9-液态金属出口，10-上冷板，11-下冷板，12-液态金属，13-十字形挡板。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例进一步描述本发明。
实施例1
实施例1展示了本发明基于液态金属的工业烟气余热回收装置的一种典型应用。图1为基于液态金属的工业烟气余热回收装置结构示意图。图2为热交换器基本换热单元结构示意图。图3为热交换器基本换热单元剖面结构示意图。图4为基本换热单元中的十字形挡板结构示意图。其中：1为软化水泵，2为蒸汽锅炉，3为电磁泵，4为热交换器，5为工业急冷处理，6为产品后续处理，7为通孔，8为液态金属入口，9为液态金属出口，10为上冷板，11为下冷板，12为液态金属，13为十字形挡板。
本是实施例的基于液态金属的工业烟气余热回收装置，其特征在于，其由软化水泵1、蒸汽锅炉2、电磁泵3、热交换器4及管道组成；
所述热交换器4由一个以上的基本换热单元组成；
所述基本换热单元由上冷板10、下冷板11和一对以上的液态金属12液态金属入口管道8和出口管道9组成，所述上冷板10和下冷板11为圆饼状，上冷板10和下冷板11之间设置成中空结构，以减缓高温烟气的流速，保证高温烟气能充分地与液态金属12进行热交换；
所述冷板上有多个通孔7，且上冷板10和下冷板11的通孔相互错开，使得高温烟气的流动路径更长，而且在各个通孔内做到均匀分布，增强换热效果；高温烟气通过通孔穿过冷板；
所述冷板为中空结构，其中充满了液态金属12；
所述电磁泵3作为液态金属12循环的动力；
所述液态金属12各组分的质量分数百分比为：镓58%，铟20%，锡9%，镉5%，钕5%，铈3%；所述液态金属12熔点为-9℃，沸点为1853℃；
所述基本换热单元中，液态金属12通过入口管道8注入上冷板10中心，后沿上冷板10径向向外流到板间流道，再向下进入下冷板11，沿下冷板11径向流到下冷板11中心，最后由液态金属出口管道9流出；
所述余热回收装置通过电磁泵3将从工业生产产生的烟气余热吸收后的液态金属12送入蒸汽锅炉2中，与蒸汽锅炉2中的水进行热交换，把热量传递给水，产生高压蒸汽用于发电或者给生活用水加热用于取暖等。
所述通孔7与所述冷板的上下板之间通过焊接方式连接起来，焊缝外增加隔热陶瓷环，以避免高温时冷板焊接处焊缝开裂。
所述液态金属12的流动方向定为冷板的径向，保证了液态金属12在冷板中流动的均匀性。
所述液态金属12液态金属入口管道8和出口管道9结构相同，为两根以上对称的圆管，并使用十字形挡板进行适当隔离，以避免不同流道的相互干扰。
所述热交换器4中高温烟气入口处增加过滤层并定期清洗，防止含有较多固态杂质的高温烟气降低热交换器4的使用寿命。
所述蒸汽锅炉2中可产生高压蒸汽，输送到发电装置，组成余热回收发电装置。
使用时，首先将装置中的热交换器4安装在工业的裂解炉中工业急冷处理处；然后启动电磁泵3，电磁泵3作为液态金属12流动的动力运输液态金属12，液态金属12通过入口管道8注入上冷板10中心，后沿上冷板10径向向外流到板间流道，再向下进入下冷板11，沿下冷板11径向流到下冷板11中心，最后由液态金属出口管道9流出；在确保液态金属12充满系统管道并排除其中的空气后，热交换器4即可正常工作。
实施例2
图1为基于液态金属的工业烟气余热回收装置结构示意图。图2为热交换器基本换热单元结构示意图。图3为热交换器基本换热单元剖面结构示意图。图4为基本换热单元中的十字形挡板结构示意图。其中：1为软化水泵，2为蒸汽锅炉，3为电磁泵，4为热交换器，5为工业急冷处理，6为产品后续处理，7为通孔，8为液态金属入口，9为液态金属出口，10为上冷板，11为下冷板，12为液态金属，13为十字形挡板。
本是实施例的基于液态金属的工业烟气余热回收装置，其特征在于，其由软化水泵1、蒸汽锅炉2、电磁泵3、热交换器4及管道组成；
所述热交换器4由一个以上的基本换热单元组成；
所述基本换热单元由上冷板10、下冷板11和一对以上的液态金属12液态金属入口管道8和出口管道9组成，所述上冷板10和下冷板11为圆饼状，上冷板10和下冷板11之间设置成中空结构，以减缓高温烟气的流速，保证高温烟气能充分地与液态金属12进行热交换；
所述冷板上有多个通孔7，且上冷板10和下冷板11的通孔7相互错开，使得高温烟气的流动路径更长，而且在各个通孔7内做到均匀分布，增强换热效果；高温烟气通过通孔7穿过冷板；
所述冷板为中空结构，其中充满了液态金属12；
所述电磁泵3作为液态金属12循环的动力；
所述液态金属12各组分的质量分数百分比为：镓58%，铟20%，锡9%，镉5%，钕5%，铈3%；所述液态金属12熔点为-9℃，沸点为1853℃；
所述基本换热单元中，液态金属12通过入口管道8注入上冷板10中心，后沿上冷板10径向向外流到板间流道，再向下进入下冷板11，沿下冷板11径向流到下冷板11中心，最后由液态金属出口管道9流出；
所述余热回收装置通过电磁泵3将从工业生产产生的烟气余热吸收后的液态金属12送入蒸汽锅炉2中，与蒸汽锅炉2中的水进行热交换，把热量传递给水，产生高压蒸汽用于发电或者给生活用水加热用于取暖等。
所述通孔7与所述冷板的上下板之间通过焊接方式连接起来，焊缝外增加隔热陶瓷环，以避免高温时冷板焊接处焊缝开裂。
所述液态金属12的流动方向定为冷板的径向，保证了液态金属12在冷板中流动的均匀性。
所述液态金属12液态金属入口管道8和出口管道9结构相同，为两根以上对称的圆管，并使用十字形挡板进行适当隔离，以避免不同流道的相互干扰。
所述冷板之间填充泡沫铜。
所述热交换器4中高温烟气入口处增加过滤层并定期清洗，防止含有较多固态杂质的高温烟气降低热交换器4的使用寿命。
所述蒸汽锅炉2中可产生生活用热水，输送到家庭供暖管道，组成余热回收供暖装置。
使用时，首先将装置中的热交换器4安装在工业的裂解炉中工业急冷处理处；然后启动电磁泵3，电磁泵3作为液态金属12流动的动力运输液态金属12，液态金属12通过入口管道8注入上冷板10中心，后沿上冷板10径向向外流到板间流道，再向下进入下冷板11，沿下冷板11径向流到下冷板11中心，最后由液态金属出口管道9流出；在确保液态金属12充满系统管道并排除其中的空气后，热交换器4即可正常工作。
实施例3
图1为基于液态金属的工业烟气余热回收装置结构示意图。图2为热交换器基本换热单元结构示意图。图3为热交换器基本换热单元剖面结构示意图。图4为基本换热单元中的十字形挡板结构示意图。其中：1为软化水泵，2为蒸汽锅炉，3为电磁泵，4为热交换器，5为工业急冷处理，6为产品后续处理，7为通孔，8为液态金属入口，9为液态金属出口，10为上冷板，11为下冷板，12为液态金属，13为十字形挡板。
本是实施例的基于液态金属的工业烟气余热回收装置，其特征在于，其由软化水泵1、蒸汽锅炉2、电磁泵3、热交换器4及管道组成；
所述热交换器4由一个以上的基本换热单元组成；
所述基本换热单元由上冷板10、下冷板11和一对以上的液态金属12液态金属入口管道8和出口管道9组成，所述上冷板10和下冷板11为圆饼状，上冷板10和下冷板11之间设置成中空结构，以减缓高温烟气的流速，保证高温烟气能充分地与液态金属12进行热交换；
所述冷板上有多个通孔7，且上冷板10和下冷板11的通孔7相互错开，使得高温烟气的流动路径更长，而且在各个通孔7内做到均匀分布，增强换热效果；高温烟气通过通孔7穿过冷板；
所述冷板为中空结构，其中充满了液态金属12；
所述电磁泵3作为液态金属12循环的动力；
所述液态金属12各组分的质量分数百分比为：镓58%，铟20%，锡9%，镉5%，钕5%，铈3%；所述液态金属12熔点为-9℃，沸点为1853℃；
所述基本换热单元中，液态金属12通过入口管道8注入上冷板10中心，后沿上冷板10径向向外流到板间流道，再向下进入下冷板11，沿下冷板11径向流到下冷板11中心，最后由液态金属出口管道9流出；
所述余热回收装置通过电磁泵3将从工业生产产生的烟气余热吸收后的液态金属12送入蒸汽锅炉2中，与蒸汽锅炉2中的水进行热交换，把热量传递给水，产生高压蒸汽用于发电或者给生活用水加热用于取暖等。
所述通孔7与所述冷板的上下板之间通过焊接方式连接起来，焊缝外增加隔热陶瓷环，以避免高温时冷板焊接处焊缝开裂。
所述液态金属12的流动方向定为冷板的径向，保证了液态金属12在冷板中流动的均匀性。
所述液态金属12液态金属入口管道8和出口管道结构相同，为两根以上对称的圆管，并使用十字形挡板进行适当隔离，以避免不同流道的相互干扰。
所述冷板之间焊接铝翅片。
所述热交换器4中高温烟气入口处增加过滤层并定期清洗，防止含有较多固态杂质的高温烟气降低热交换器4的使用寿命。
所述蒸汽锅炉2中可产生高压蒸汽，输送到发电装置，组成余热回收发电装置。
使用时，首先将装置中的热交换器4安装在工业的裂解炉中工业急冷处理处；然后启动电磁泵3，电磁泵3作为液态金属12流动的动力运输液态金属12，液态金属12通过入口管道8注入上冷板10中心，后沿上冷板10径向向外流到板间流道，再向下进入下冷板11，沿下冷板11径向流到下冷板11中心，最后由液态金属出口管道9流出；在确保液态金属12充满系统管道并排除其中的空气后，热交换器4即可正常工作。
最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种基于液态金属的工业烟气余热回收装置，其特征在于，其由软化水泵、蒸汽锅炉、电磁泵、热交换器及管道组成；
所述热交换器由一个以上的基本换热单元组成；
所述基本换热单元由上冷板、下冷板和一对以上的液态金属入口管道和出口管道组成，所述上冷板和下冷板为圆饼状，上冷板和下冷板之间设置成中空结构，以减缓高温烟气的流速，保证高温烟气能充分地与液态金属进行热交换；
所述冷板上有多个通孔，且上冷板和下冷板的通孔相互错开，使得高温烟气的流动路径更长，而且在各个通孔内做到均匀分布，增强换热效果；高温烟气通过通孔穿过冷板；
所述冷板为中空结构，其中充满了液态金属；
所述电磁泵作为液态金属循环的动力；
所述液态金属各组分的质量分数百分比为：镓58%，铟20%，锡9%，镉5%，钕5%，铈3%；所述液态金属熔点为-9℃，沸点为1853℃；
所述基本换热单元中，液态金属通过入口管道注入上冷板中心，后沿上冷板径向向外流到板间流道，再向下进入下冷板，沿下冷板径向流到下冷板中心，最后由液态金属出口管道流出；
所述余热回收装置通过电磁泵将从工业生产产生的烟气余热吸收后的液态金属送入蒸汽锅炉中，与蒸汽锅炉中的水进行热交换，把热量传递给水，产生高压蒸汽用于发电或者给生活用水加热用于取暖等。
2.按权利要求1所述的一种基于液态金属的工业烟气余热回收装置，其特征在于，所述通孔与所述冷板的上下板之间通过焊接方式连接起来，焊缝外增加隔热陶瓷环，以避免高温时冷板焊接处焊缝开裂。
3.按权利要求1所述的一种基于液态金属的工业烟气余热回收装置，其特征在于，所述液态金属的流动方向定为冷板的径向，保证了液态金属在冷板中流动的均匀性。
4.按权利要求1所述的一种基于液态金属的工业烟气余热回收装置，其特征在于，所述液态金属入口管道和出口管道结构相同，为两根以上对称的圆管，并使用十字形挡板进行适当隔离，以避免不同流道的相互干扰。
5.按权利要求1所述的一种基于液态金属的工业烟气余热回收装置，其特征在于，所述冷板之间可填充泡沫金属或焊接翅片，增加换热效果。
6.按权利要求5所述的一种基于液态金属的工业烟气余热回收装置，其特征在于，所述泡沫金属为泡沫铜、泡沫铝或泡沫镍。
7.按权利要求5所述的一种基于液态金属的工业烟气余热回收装置，其特征在于，所述翅片材料为铜、铝或镍。
8.按权利要求1所述的一种基于液态金属的工业烟气余热回收装置，其特征在于，所述热交换器中高温烟气入口处增加过滤层并定期清洗，防止含有较多固态杂质的高温烟气降低热交换器的使用寿命。
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