CN105656355A - 一种钢铁生产中高温热辐射余热温差发电装置及发电方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢铁生产中高温热辐射余热温差发电装置及发电方法，属于热能回收领域。本发明的温差发电装置包括支架机构和集热发电单元，支架机构架设在热辐射材料上方，集热发电单元设置在支架机构的外侧，通过集热发电单元中的温差发电组件把材料释放的余热转化为电能；所述支架机构底部设置有角度调整机构，通过该角度调整机构改变支架机构的受热角度；此外，所设置的支架机构具有弧面结构，避免受热较高而损害温差发电组件。本发明的技术方案，能够直接把钢坯余热或是其他高温辐射余热转化为电能，提高了发电效率，而且提高了温差发电组件的使用寿命，适于在钢铁冶炼行业中使用。

Description

一种钢铁生产中高温热辐射余热温差发电装置及发电方法

技术领域

本发明涉及热能回收技术领域，更具体地说，涉及一种钢铁生产中高温热辐射余热温差发电装置及发电方法。

背景技术

随着社会现代化的迅速发展，能源紧缺及CO2排放问题变得更加严峻，甚至成为限制地区发展的瓶颈。因此，寻求高效率、无污染的能源二次利用及能量回收转换的方法成为解决当今能源科学问题的有效途径。我国是世界能源消耗大国，日趋紧缺的能源供应和CO2排放严重地制约着我国经济发展。因此，迫切需要发展新型的能源利用技术以节约能源和提高效率。钢铁行业是两大能源密集型行业之一，在其生产过程中产生了大量的辐射热，约占热损失的10-25％，甚至更多。这不仅造成能源的浪费，同时也带来了环境污染和安全问题。由于钢铁行业工艺工序的复杂性，目前对其高温辐射热进行回收利用很少。温差发电技术在工业辐射余热温差发电系统具有重要的应用前景。

在连铸过程中，目前国内除大型钢企连铸连轧外，大部分钢企尚未对连铸钢坯进行热回收，高温余热直接释放到空气中；由于这部分热量较大，以四机四流150×150方坯连铸为例，小时热负荷达9000kW左右，这样不仅造成了极大的能源浪费，而且使得连铸机周围的工作环境恶化，影响了工人的健康。为了进一步进行余热回收，行业内开始考虑如何对钢坯余热进行转化，而让连铸钢坯的大量的烟气、蒸汽预热可以被大量回收，传统的方式多是利用水循环进行热交换，但是这种交换方式自身也导致大量的能量损失，转化效率低。

经过检索，现有技术中已有相关技术公开，中国专利申请号：201480017655.8，申请日：2014年3月27日，发明创造名称为：热电发电装置及热电发电方法，该申请案公开了一种连铸热回收装置将热电发电装置与钢材对置设置，并且根据热电发电单元的输出进行设置，由此能够得到具备热电发电单元的热电发电装置，在热源流动的连续铸造生产线或板坯连铸生产线中，该热电发电单元将放出状态变动的热能转换为电能并进行回收。

上述申请案所公开方案虽然能够进行热回收，但存在诸多不足。众所周知，钢坯在轻压下技术处理时，表面温度可高达1200℃，温度较高，随着钢坯的不断运送，钢坯温度有所下降，不同位置的钢坯表面温度不同；不论方钢坯还是圆钢坯，其表面温度多是向外界辐射传导，距离钢坯越近温度越高。申请案中的热电发电单元的中部位置距离钢坯较近，而两端距离热源较远，虽然不同材料的温差发电片有一定的受热范围，但对于同一发电片其所能承受的温度是一定的。对于同钢坯辐射出来的热量，假如采用耐温较高的温差发电片，两端部发电效率较低；如果是在端部发电效率提高，温差发电片中部容易被高温破坏。

为了避免上述问题，上述专利方案在热电发电两侧设置有距离调整机构，对于不同的型材及温度可以通过距离调整机构调整其与钢坯间的距离，以改善使用效果。但通过简单的升高距离只是改变受热区域的位置，能够用于不同的钢坯型材，但热量并不能在热电发电单元上有重新的分配，整体的受热集中现象仍存在。因此，需要对该技术做进一步的研究以更好的利用能源。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

本发明的目的在于克服现有技术中余热发电装置发电效率低的不足，提供了一种钢铁生产中高温热辐射余热温差发电装置及发电方法，本发明的技术方案，通过改变支架机构的受热角度提高发电效率，而且提高了温差发电组件的使用寿命，适于在钢铁冶炼行业中使用。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种钢铁生产中高温热辐射余热温差发电装置，包括支架机构和集热发电单元，所述的支架机构架设在热辐射材料上方，集热发电单元设置在支架机构的外侧，通过集热发电单元中的温差发电组件把材料释放的余热转化为电能；所述支架机构底部设置有角度调整机构，通过该角度调整机构改变支架机构的受热角度。

作为本发明更进一步的改进，所述的支架机构包括顶部支板和两块侧壁支板，所述顶部支板的两端分别与两块侧壁支板的一端铰接，侧壁支板的另一端与角度调整机构中的滑块铰接，所述集热发电单元设置在顶部支板和/或侧壁支板上。

作为本发明更进一步的改进，设置有集热发电单元的顶部支板和/或侧壁支板朝向集热发电单元的一侧为凸弧面。

作为本发明更进一步的改进，设置有集热发电单元的顶部支板和/或侧壁支板为弧面结构，其凸起侧朝向集热发电单元。

作为本发明更进一步的改进，所述顶部支板与侧壁支板之间为可拆卸连接。

作为本发明更进一步的改进，所述集热发电单元还包括水冷机构，该水冷机构主要由循环水箱和方形槽组成，所述循环水箱位于方形槽上方，所述温差发电组件位于方形槽内，且温差发电组件的冷端朝向循环水箱。

作为本发明更进一步的改进，所述角度调整机构包括调节底座、调节滑道、滑块和驱动装置，调节滑道固定在调节底座上，驱动装置固定在调节底座的端部，所述滑块与调节滑道中的调节滑轨相配合，滑块上端与支架机构铰接，通过驱动装置驱动滑块使支架机构的受热角度改变。

作为本发明更进一步的改进，所述循环水箱内排布有散热片，该散热片位于循环水箱靠近方形槽的一侧。

作为本发明更进一步的改进，所述滑块中部朝向驱动装置的一侧设置有连接耳板，该连接耳板的竖直中截面与调节滑轨的竖直中截面重合；所述驱动装置的活动端与连接耳板铰接。

一种钢铁冶炼热辐射余热温差发电方法，使用权利要求1～9中任一项所述的钢铁冶炼热辐射余热温差发电装置进行发电。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：

(1)本发明的一种钢铁生产中高温热辐射余热温差发电装置，在支架机构底部设置有角度调整机构，支架机构由顶部支板和两块侧壁支板铰接连接构成，支架机构的外侧设置集热发电单元，通过角度调整机构可改变支架机构的受热角度，使材料辐射出的热量较为均匀的分布在顶部支板和/或侧壁支板上，提高热能利用率，减小了对温差发电组件的损害；

(2)本发明的一种钢铁生产中高温热辐射余热温差发电装置，把设置有集热发电单元的顶部支板和/或侧壁支板朝向集热发电单元的一侧为凸弧面，由于顶部支板和/或侧壁支板的中部距离热辐射材料较近，通过增加顶部支板和/或侧壁支板中部的厚度能够减少其与端部的温差，使传导的热能温度在同一温差发电组件的受热范围内，减少对温差发电组件的损害，延长其使用寿命，而且有助于提高发电效率；

(3)本发明的一种钢铁生产中高温热辐射余热温差发电装置，把温差发电组件压在循环水箱下方，并在循环水箱内设置散热片，能够促使温差发电组件的热端与冷端有较大的温差，保证热电转化效率，提高了能源利用率；

(4)本发明的一种钢铁生产中高温热辐射余热温差发电装置，顶部支板与侧壁支板之间为可拆卸连接，便于对装置的维修及检查。

附图说明

图1为本发明中在两侧壁支板设置温差发电组件的温差发电装置结构示意图；

图2为本发明中支架机构外周设置温差发电组件的温差发电装置结构示意图；

图3为本发明中带有凸弧面的支架机构的结构示意图；

图4为本发明中侧壁支板为弧面结构的温差发电装置的结构示意图；

图5为本发明中带有弧面结构的支架机构的结构示意图；

图6为本发明中顶部支板中温差发电组件的排布结构示意图；

图7为本发明中侧壁支板中温差发电组件的排布结构示意图；

图8为本发明中温差发电组件的结构示意图；

图9为本发明中水冷机构的结构示意图；

图10为本发明中带有散热片的水冷机构的结构示意图；

图11为本发明中弧面结构的顶部支板的结构示意图；

图12为本发明中角度调整机构的结构示意图；

图13为本发明中调节滑轨的结构示意图；

图14为本发明中滑块的结构示意图；

图15为本发明中材料温度辐射分布示意图。

示意图中的标号说明：11、顶部支板；12、侧壁支板；2、集热发电单元；21、水冷机构；211、固定耳座；212、循环水箱；213、散热片；214、方形槽；23、温差发电组件；24、导热层；3、角度调整机构；31、调节底座；311、连接耳板；312、连接销孔；32、调节滑道；33、调节滑轨；34、滑块；35、液压缸。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。

实施例1

结合图1和图2，本实施例的一种钢铁生产中高温热辐射余热温差发电装置，包括支架机构和集热发电单元2，支架机构架设在热辐射材料上方，集热发电单元2设置在支架机构的外侧，通过集热发电单元2中的温差发电组件23把材料释放的余热转化为电能。支架机构底部设置有角度调整机构3，通过该角度调整机构3改变支架机构的受热角度。

如图1、图2中所示，支架机构包括顶部支板11和两块侧壁支板12，顶部支板11的两端分别与两块侧壁支板12的一端铰接，侧壁支板12的另一端与角度调整机构3中的滑块34铰接，通过角度调整机构3可以调整侧壁支板12的倾斜角度，同时能够改变顶部支板11的位置高度。

顶部支板11和两块侧壁支板12形成半封闭结构，把热辐射材料围住，该热辐射材料可以是钢铁生产过程中的方钢坯、圆钢坯、管材、棒材等，只要是温度在550～1200℃左右的材料，具有较大的热辐射，均可作为热能收集对象，没有特别限制。

本实施例中的集热发电单元2设置在顶部支板11和侧壁支板12上，具体如图2所示，由于生产过程中输料结构不同，也可以只在顶部支板11或侧壁支板12上设置集热发电单元2，温差发电组件23的排布方式如图6、图7所示，具体根据实际生产情况而定，没有特别限制。

为了便于拆卸，顶部支板11和侧壁支板12上之间为可拆卸连接，可以是用螺栓作为铰接轴，拧下螺母便可拆掉顶部支板11，便于维修检测。

本实施例中的角度调整机构3的主要目的是进行角度调整，普通技术可能认为只要是能够调整顶部支板11和侧壁支板12的高度或宽度便可达到调整受热区域的问题，如果只是利用这种宽度或高度的调整，会使钢材向侧壁支板12的一端偏移，而侧壁支板12的另一端则会远离钢材，虽然能够使一端的受热温度较高，而另一端温度却较低，受热不均匀，发电效率低，不能够充分的将热能转化为电能存储。而采用铰接的连接方式能够达到调整角度来改变受热区域的目的，整体受热范围内的温度波动范围较小，受热均匀。

其原理可参考图15，其中的a为受热板本实施例中为侧壁支板的初始位置，受热板下部距离钢材较近，温度较高，需要进行调整；b为通过角度调整所获得的位置，整体分布在同一温度梯度范围左右，温度分布较为均匀；c为通过高度调整获得的位置，可明显看出受热板的两端跨越了三个温度梯度，受热不均，严重影响温差发电组件23的发电效率及其使用寿命。

实施例2

结合图3，本实施例的一种钢铁生产中高温热辐射余热温差发电装置，其基本结构与实施例1相同，其不同之处在于：设置有集热发电单元2的顶部支板11和侧壁支板12朝向集热发电单元2的一侧为凸弧面。该凸弧面可以是类弧面，由多个小的阶梯面组成，整体为弧面结构。该种设计使得受热面受热更加均匀，延长温差发电组件23的使用寿命。

由于采用角度调整改变受热区域的方案，整体分布在同一温度梯度附近，顶部支板11和侧壁支板12的中部距离钢材最近，受热温度最高。如果要达到较大的发电效率，需要使温差发电组件23整体处在可接受的较高的温度范围内，保持较大的温差。如果只是常规的靠近热源，温差发电组件23的中部必然容易损坏；如果只是使中部在较高的温度处，温差发电组件23两端温度相对较低，而采用凸弧面结构后，中部厚度加大，当温差发电组件23的两端处于较高温度区域时，中部增加的厚度损耗了一部分热能，使温差发电组件23中部也处在可接受的较高温度范围内，提高了温差发电效率。

如果是在靠近钢材热源的一侧设置凸弧面，虽然也具有同样的原理，但由于内侧温度较高，需要增加更大的厚度来消耗热能，效果相对较差。

本发明中温差发电组件23的设置可采用常规的设置，由各温差发电片串联或者并联而成，输出电路与蓄电池相连，把热能转化为电能存储。

实施例3

结合图4、图11，本实施例的一种钢铁生产中高温热辐射余热温差发电装置，其基本结构与实施例1相同，其不同之处在于：设置有集热发电单元2的侧壁支板12为弧面结构，其凸起侧朝向集热发电单元2。该弧面结构为整体弯曲的板结构，即侧壁支板12的两侧面均为弧形。

与实施例2中的原理相近，为了达到较大的发电效率，同时避免温差发电组件23的中部被损坏，把侧壁支板12设为弧面结构，其中部与热源间的距离变远，与两端接近位于同一温度梯度范围内，也可避免中部损坏。

根据不同的生产需求，也可只在顶部支板11上设置温差发电组件23，并把顶部支板11设为弧面结构。或者是如图5所示，把顶部支板11和侧壁支板12均设为弧面结构，以提高发电效率、延长温差发电组件23的使用寿命。

为了增加吸热效率，所设置的顶部支板11和两块侧壁支板12朝向热辐射材料的一侧均使用波纹板，波纹板在同样的宽度范围内具有更大的裸露面，在同一温度梯度范围内吸收的热量更多，相对于平板式受热板具有更好的热传输效果。

实施例4

结合图8、图9，本实施例的一种钢铁生产中高温热辐射余热温差发电装置，其基本结构与实施例2相同，其不同之处在于：本实施例中的集热发电单元2还包括水冷机构21，该水冷机构21主要由循环水箱212和方形槽214组成，循环水箱212位于方形槽214上方，所述温差发电组件23位于方形槽214内，且温差发电组件23的冷端朝向循环水箱212。此外，在温差发电组件23与方形槽214底部之间设置有导热层24，通过导热层24能够加快热传递；在导热层24与支架机构接触的地方设置有绝热层，避免大量的热量通过导热层24传导而使循环水箱212内的水温升高，降低了冷却效果。

如图7所示，水冷机构21的左右两侧设置有固定耳座211，用于固定水冷机构21。通过该水冷机构21能够对温差发电组件23的冷端进行降温，保证温差发电组件23的热端和冷端有较大的温差，以提高发电效率。

实施例5

结合图10、图11，本实施例的一种钢铁生产中高温热辐射余热温差发电装置，其基本结构与实施例4相同，其不同之处在于：循环水箱212内排布有散热片213，该散热片213位于循环水箱212靠近方形槽214的一侧，散热片213沿热辐射材料的运输方向设置，多个散热片213并列排布，使循环水能够通过散热片213达到快速冷却的作用。散热片213能够加快热传导，进一步提高冷却效果。散热片213采用焊接的方式固定到循环水箱212上，焊脚可增加散热片213与循环水箱212底壁的接触面积。

附图中只对顶部支板11的集热发电单元2进行标注，侧壁支板12与集热发电单元2的连接方式相同，使用时没有限制。

实施例6

结合图12，本实施例的一种钢铁生产中高温热辐射余热温差发电装置，其基本结构与实施例5相同，其不同之处在于：本实施例中的角度调整机构3包括调节底座31、调节滑道32、滑块34和驱动装置，调节滑道32固定在调节底座31上，驱动装置固定在调节底座31的端部，所述滑块34与调节滑道32中的调节滑轨33相配合，滑块34上端与支架机构铰接，通过驱动装置驱动滑块34使支架机构的受热角度改变。

更为具体地，如图14所示，本实施例中滑块34为倒T形，同样地，如图13，调节滑轨33也为倒T形，两者相互配合。滑块34中部朝向驱动装置的一侧设置有连接耳板311，该连接耳板311的竖直中截面与调节滑轨33的竖直中截面重合；所述驱动装置为液压缸35，液压缸35的活动端与连接耳板311铰接。滑块34的上部设置有连接销孔312，滑块34通过该连接销孔312与侧壁支板12的下端铰接。

使用该角度调整机构3，通过倒T形配合结构能够避免滑块晃动，具有较好的对中稳定性。采用液压缸来驱动滑块运动，具有较好的可控性，而且液压缸对钢厂的恶劣环境具有较好的适用性；本发明在集热发电单元2中设置有温度感应器，通过该温度感应器把受热面的温度传递到信息处理系统，该信息处理系统直接驱动液压缸，对侧壁支板12的倾斜角度进行调整，使其处在合适的温度范围内，智能程度高。

本发明直接把钢材余热转化为电能，实现了对余热的有效收集，减少了中间不必要的转化环节，提高了能源的利用率。

上述各个实施方式分别可以任意地组合。当然，本发明也可以同时具备全部的实施方式。

在实施例本发明的一种钢铁冶炼热辐射余热温差发电方法时，也可以结合使用上述多个实施方式的余热温差发电装置。首先把余热温差发电装置固定在钢坯运输道上方，调节底座31固定在运输平台上，使支架机构位于钢坯上方；根据运输道长度设置余热温差发电装置的个数，相邻的两个余热温差发电装置之间对应的循环水箱212通过柔性水管相连通；由于钢坯在运输过程中温度逐渐降低，则不同余热温差发电装置中的温差发电组件23的受热温度范围不同，也是随着钢坯温度的降低而降低；安装好装置后，对于温度较为稳定的钢坯，可通过角度调整机构3一次性设置好侧壁支板12的角度，对于温度变化较大的钢坯，可采用信息处理系统实时驱动液压缸35对侧壁支板12的角度进行调整；温差发电组件23吸收的热能不断被转化为电能存储，提高了能源的利用率。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种钢铁生产中高温热辐射余热温差发电装置，包括支架机构和集热发电单元(2)，其特征在于：所述的支架机构架设在热辐射材料上方，集热发电单元(2)设置在支架机构的外侧，通过集热发电单元(2)中的温差发电组件(23)把材料释放的余热转化为电能；所述支架机构底部设置有角度调整机构(3)，通过该角度调整机构(3)改变支架机构的受热角度。

2.根据权利要求1所述的一种钢铁生产中高温热辐射余热温差发电装置，其特征在于：所述的支架机构包括顶部支板(11)和两块侧壁支板(12)，所述顶部支板(11)的两端分别与两块侧壁支板(12)的一端铰接，侧壁支板(12)的另一端与角度调整机构(3)中的滑块(34)铰接，所述集热发电单元(2)设置在顶部支板(11)和/或侧壁支板(12)上。

3.根据权利要求2所述的一种钢铁生产中高温热辐射余热温差发电装置，其特征在于：设置有集热发电单元(2)的顶部支板(11)和/或侧壁支板(12)朝向集热发电单元(2)的一侧为凸弧面。

4.根据权利要求2所述的一种钢铁生产中高温热辐射余热温差发电装置，其特征在于：设置有集热发电单元(2)的顶部支板(11)和/或侧壁支板(12)为弧面结构，其凸起侧朝向集热发电单元(2)。

5.根据权利要求2所述的一种钢铁生产中高温热辐射余热温差发电装置，其特征在于：所述顶部支板(11)与侧壁支板(12)之间为可拆卸连接。

6.根据权利要求1所述的一种钢铁生产中高温热辐射余热温差发电装置，其特征在于：所述集热发电单元(2)还包括水冷机构(21)，该水冷机构(21)主要由循环水箱(212)和方形槽(214)组成，所述循环水箱(212)位于方形槽(214)上方，所述温差发电组件(23)位于方形槽(214)内，且温差发电组件(23)的冷端朝向循环水箱(212)。

7.根据权利要求1所述的一种钢铁生产中高温热辐射余热温差发电装置，其特征在于：所述角度调整机构(3)包括调节底座(31)、调节滑道(32)、滑块(34)和驱动装置，调节滑道(32)固定在调节底座(31)上，驱动装置固定在调节底座(31)的端部，所述滑块(34)与调节滑道(32)中的调节滑轨(33)相配合，滑块(34)上端与支架机构铰接，通过驱动装置驱动滑块(34)使支架机构的受热角度改变。

8.根据权利要求6所述的一种钢铁生产中高温热辐射余热温差发电装置，其特征在于：所述循环水箱(212)内排布有散热片(213)，该散热片(213)位于循环水箱(212)靠近方形槽(214)的一侧。

9.根据权利要求7所述的一种钢铁生产中高温热辐射余热温差发电装置，其特征在于：所述滑块(34)中部朝向驱动装置的一侧设置有连接耳板(311)，该连接耳板(311)的竖直中截面与调节滑轨(33)的竖直中截面重合；所述驱动装置的活动端与连接耳板(311)铰接。

10.一种钢铁冶炼热辐射余热温差发电方法，使用权利要求1～9中任一项所述的钢铁冶炼热辐射余热温差发电装置进行发电。