CN106837695A - 废水余热发电方法与发电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明给出一种废水余热发电方法和一种废水余热发电装置，(1)利用一种加热方法，将环境空气加热成热空气；(2)热空气从烟囱状的热风塔底部进入热风塔，由于热风塔内的热空气比热风塔外的环境大气密度小，产生向上的压力差推动热风塔内的热空气上升，形成向上流动的热气流；(3)热气流流经热风塔内的空气涡轮机时，推动空气涡轮机旋转；(4)空气涡轮机通过机械传动机构，带动热风塔外的发电机发电；(5)发电机发出电流，通过发电控制柜，向外对用户供给电力，其特征在于：所说的一种加热方法是利用热废水将环境空气加热成热空气，具体过程是：利用水泵从废水池中抽取热废水，热废水进入废水-空气换热器，环境空气被废水加热，成为热空气。
Description
技术领域
本发明涉及发电技术，特别是涉及废水余热发电方法与发电装置。
背景技术
我国工业生产，每年都产生和排放大量70～90℃的中高温废水，尤其钢铁和化工企业，在高炉淬渣、高炉煤气洗涤工艺中，每个高炉的废热水排放量大约在2000吨/小时左右。
我国钢铁生产的大国，钢铁的年产量占世界总产量的40％。无论是炼钢还是炼铁，都要产生大量的炉渣。钢铁冶金炉内，产生1400～1500℃的高温炉渣，经渣口流出后，再经渣沟进入冲渣流槽时，以一定的水量、水压及流槽坡度，使水与熔渣流成一定的交角，熔渣受冷水冲击，炸裂成一定粒度的合格的水渣。
渣水分离后，炉渣用作建筑材料；与高温炉渣进行热交换的冲渣水，进入冲渣水池。冲渣水池通常占地几千平方米，冲渣水池上方热汽腾空，冲渣水温度常年保持在60～80℃，是一个巨大的潜在的热能能源。
钢厂高炉每冶炼1吨生铁，炉渣损失掉的热量在0.81GJ～0.87GJ，占总热量收入的6.61％～7.5％，折标煤为27.77kg～29.78kg充分燃烧放出的热量，以渣比0.44计算，每吨渣损失的热量约为63.9kg标煤完全燃烧放出的热量。
某厂高炉炉渣处理上目前用风水淬渣工艺，风取自于动力厂供高炉的冷风，水来自于专门的水泵抽取的工业中水。渣沟沟头处水压都在0.22MPa左右，水量约为相应出渣量的8倍。风水淬渣时，风水混合物的动能将高炉熔渣(约1450～1500℃)打散，打散后的高炉熔渣与水充分混合，渣水进行热量交换，渣温降至约65～90℃，水温升高至同等温度。
粗略估算，目前每淬1吨高炉熔渣约需8吨水，冲渣水再次回到中水池只剩7.15吨左右，也就是说每淬1吨高炉熔渣损失掉0.85吨中水，其中变成蒸汽的为0.65吨左右，被水渣吸附的为0.2吨左右，即高炉每生产1t生铁，大约需要消耗冲渣中水0.36t。这样即浪费了水资源，又损失掉了宝贵的冲渣水余热。
某厂三座2500m3高炉和1座1260m3高炉年产生铁约750万吨，同时产生330万吨高炉渣，每年高炉渣损失的热量约相当于21万吨标煤完全燃烧放出的热量。
冲渣水余热回收用于供暖或加热软水水源，据相关资料介绍可回收高炉渣总热量的10％，回收时间为每年11月份至次年3月份，即回收时间约为150天。
利用冲渣水余热，余热回收主要用于冬季供暖，在夏天余热回收没有用处，全部余热回收只能停掉。
高炉渣冲渣水热量用于发电是一个最佳方案，一年四季都可以充分利用高炉渣热量，但至今国内外还没有成功的先例。
在1980年，即35年前，由北京市政府主持，中科院、哈工大、广州能源所和北京锅炉厂组成“首钢渣池余热发电课题组”，曾进行高炉渣冲渣水热量用于发电的科研活动和详细方案设计，但无果而终。
发明内容
为了利用高炉渣热量进行发电，同时考虑其它工业废水利用问题，本发明给出一种废水余热发电方法与发电装置。
一种废水余热发电方法，它的具体步骤是：
(1)利用一种加热方法，将环境空气加热成热空气；
(2)热空气从烟囱状的热风塔底部进入热风塔，由于热风塔内的热空气比热风塔外的环境大气密度小，产生向上的压力差推动热风塔内的热空气上升，形成向上流动的的热气流；
(3)热气流流经热风塔内的空气涡轮机时，推动空气涡轮机旋转；
(4)空气涡轮机通过机械传动机构，带动热风塔外的发电机发电；
(5)发电机发出电流，通过发电控制柜，向外对用户供给电力。
所说的一种加热方法是利用热废水将环境空气加热成热空气，具体过程是：利用水泵从废水池中抽取热废水，热废水进入废水-空气换热器，环境空气被废水加热，成为热空气。
一种废水余热发电装置，它的总体包括：热风塔、空气涡轮机、机电转换机构、发电控制柜，其特征在于：它的总体还包括：废水池、水泵、废水-空气换热器；水泵从废水池中吸取中高温废水，通过管路将中高温废水送往废水-空气换热器，在废水-空气换热器中，废热水与从环境流入的空气进行换热，然后，热空气离开换热器进入热风塔，塔内热空气上升，推动空气涡轮机，带动传动装置和发电机，向用户供电。
所述废水-空气换热器，它是喷淋式接触换热器，外形为卧式的长方形的箱体，它的具体结构包括：废水进口、空气进口、淋水室、废水室、箱体、淋水板、热空气出口、废水出口、底座；来自废水池的中高温废水，从箱体一端上部的废水进口进入换热器上部的的废水室，环境空气从箱体一端的宽大的空气进口水平的流入淋水室，淋水室位于箱体中的水平的淋水板以下，占据箱体的绝大部分空间，废水室位于箱体中的水平的淋水板以上，占据箱体的一小部分空间，进入换热器的空气被废水加热后形成热空气，热空气从箱体另一端的宽大的热空气出口水平的流出，进入换热器的中高温废水放热降温后，变成低温废水，低温废水从箱体底部的废水出口流出，整个换热器由底座支撑。
所述热风塔，它的外形为高大的烟囱，它的结构包括：筒体、外壁、真空空间、内壁、真空口、风道、基座、真空表、地下风道；热风塔的直立的圆形筒体粗大，内径可达10米以上；热空气在筒体内从下向上流动，筒体流动截面通常为圆形等截面，筒体的筒壁由金属制成，通常是碳钢，它由外壁、真空空间和内壁等三层组成；外壁较厚，承担了筒体的主要强度要求，内壁较薄，它与外壁之间是真空空间，在筒体外壁上有一个真空口，真空口外接一个真空泵，将真空空间中的空气抽出，杜绝内外壁之间的对流换热，真空表用于监测真空空间的漏气程度；筒体内是风道，筒体底部坐落在基座上，基座用厚钢板制作，中间有一个圆孔，它的孔径比筒体内径稍小，基座固定在水泥基础中，基座以下连接地下风道；热空气首先通过进气口，进入地下风道，再进入热风塔的筒体内的风道向上流动，最后通过热风塔顶端的出口排到大气。
其特征在于：所述空气涡轮机，它由轮毂、销孔、涡轮叶片组成；在轮毂上有一个销孔，利用销钉，通过销孔，将轮毂固定于涡轮轴上，在轮毂的圆周，均匀对称布置4个涡轮叶片，涡轮叶片为扭曲的翼型直叶片，涡轮叶片包括；蒙皮、主梁、填充材料，轮毂用碳钢制作，涡轮叶片的蒙皮用玻纤复合材料制作，主梁用轻金属合金制作，蒙皮内部空间的填充材料为聚氯乙烯泡沫。
所述机电转换机构，它的结构包括：设置在热风塔内风道中的换向器、传动轴、托架、设在热风塔外连接传动轴末端的齿轮增速器、交流发电机；热风塔内风道中的换向器，它由向上伸出的输入轴、齿轮箱和水平伸出的输出轴组成，向上伸出的输入轴的轴头，向上插入并固定于空气涡轮机的轮毂的轴孔内，齿轮箱内部是一对锥齿轮，它完成从垂直输入到水平输出的能量传递的方向转换，托架的两端固定在热风塔的内壁上，换向器固定在托架的中部上表面，从热风塔内到热风塔外水平伸出的输出轴与增速机连接，增速机输出端连接发电机，发电机是交流发电机。
所述输电控制柜，它的结构包括：整流器、控制器、蓄电池、逆变器、输出线路；交流发电机产生的交流电进入输电控制柜的整流器，由交流电变为直流电；整流器输出直流电进入控制器，控制器要选择如下决定之一：直流电全部送往逆变器，或直流电部分送往逆变器，部分对蓄电池充电，或蓄电池对逆变器供电，或直流电对蓄电池充电；送往逆变器的电流，通过输出线路，向用户输出交流电。
附图说明
图1是本发明废水余热发电方法说明图。
图2是本发明废水余热发电装置实施例的总体图。
图3是本发明废水余热发电装置实施例的废水-空气换热器结构图。
图4是本发明废水余热发电装置实施例的热风塔结构图。
图5是本发明废水余热发电装置实施例的空气涡轮机结构图。
图6是本发明废水余热发电装置实施例的热风塔机电结构图。
图7是本发明废水余热发电装置实施例的输电控制柜原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明作进一步详细描述。
图1给出了本发明废水余热发电方法说明图。
热风塔发电方法的具体步骤是：
1，利用水泵20从废水池10中抽取废水；
2，水泵通过管路，将废水送到废水-空气换热器30。在换热器中，空气被废水加热，成为热空气；
3，热空气从底部进入热风塔40，由于热风塔内的热空气比热风塔外的大气密度小，产生的压力差推动热风塔内的热空气上升，形成向上的热气流；
4，热气流流经热风塔内的空气涡轮机50时，推动空气涡轮机50旋转做功；
5，空气涡轮机50通过机电转换机构60，带动热风塔外的发电机发电；
6，发电机发出电流，通过发电控制柜70，向外对用户供电力。
图2给出了本发明废水余热发电装置实施例的总体图。
本发明废水余热发电装置实施例的总体包括：废水池10、水泵20、废水-空气换热器30、热风塔40、空气涡轮机50、机电转换机构60、发电控制柜70。
废水池10是在工业生产排放的中高温废水的存放用水池。比如在钢铁和化工企业，在高炉淬渣、高炉煤气洗涤工艺中，每个高炉每小时排放废热水2000吨左右，需要专用的废水池10存放废水。
水泵20是一个离心污水泵，它从废水池中吸取中高温废水，通过管路将中高温废水送往废水-空气换热器30。
废水-空气换热器30是喷淋式接触换热器，在其中，废水与从环境流入的空气进行接触换热，废水降温，空气升温。然后，热空气离开换热器进入热风塔40。
热风塔40是一个高大的热空气烟囱，利用塔内的热空气与塔外的环境空气的密度不同，产生的压力差，塔内热空气上升，形成垂直向上的热气流。
塔内热气流流经空气涡轮机50时，热气流的流动能量，转化成空气涡轮机50的旋转能量。
空气涡轮机50的旋转能量通过机电转换机构60的传动装置和发电机，转变成电力。
发电机输出的电力，通过发电控制柜70，转变成持续和稳定的三相电力输出，向用户供电。
图3给出了本发明废水余热发电装置实施例的废水-空气换热器结构图。
废水-空气换热器30是喷淋式接触换热器，在其中，废水与从环境流入的空气进行接触换热，废水降温，空气升温。然后，热空气离开换热器进入热风塔。
废水-空气换热器30是一个卧式的长方形的箱型换热器。它的结构包括：废水进口31、空气进口32、淋水室33、废水室34、箱体35、淋水板36、热空气出口37、废水出口38、底座39。
来自废水池的中高温废水，从箱体35一端上部的废水进口31进入换热器上部的的废水室34。环境空气从箱体35一端的宽大的空气进口32水平的流入淋水室33。淋水室33位于箱体35中的水平的淋水板36以下，占据箱体的绝大部分空间。废水室34位于箱体35中的水平的淋水板36以上，占据箱体的一小部分空间。进入换热器的空气被废水加热后形成热空气，热空气从箱体另一端的宽大的热空气出口37水平的流出。
进入换热器的中高温废水放热降温后，变成低温的废水，低温废水从箱体底部的废水出口38流出。整个换热器由底座39支撑。
本发明废水余热发电装置实施例的废水-空气换热器有以下几个特点：
1，废水-空气换热器的箱体的高度较低，其目的是中高温废水在进入换热器时，不要求吸取中高温废水的水泵有太大的扬程，从而可以节省水泵耗功。箱体高度通常不高于3米。
2，在换热器内，中高温废水从水平的淋水板36上的众多淋水孔向下滴落，形成垂直降落的热雨，而空气水平的扫过竖直的热的淋水，并从淋水中获取热量。这种换热方式与通常的气水对流换热的喷淋洗涤塔相比，淋水对空气的阻力较小，对后续的热空气在热风塔内上升力的影响较小。
3，箱体35中的水平的淋水板36上的淋水孔分布稀疏，其目的是使下泄的淋水条稀疏，从而不会对水平流过的空气形成太大的阻力。淋水孔直径为6～8毫米，淋水孔间距离不少于2厘米。
图4给出了本发明废水余热发电装置实施例的热风塔结构图。
热风塔的外形看上去就是一个高大的外径不变的烟囱。它的结构包括：筒体41、外壁42、真空空间43、内壁44、真空口46、风道45、基座48、地下风道49。
热风塔的竖立的圆形的筒体41粗大，内径可达10米以上。热空气在筒体内从下向上流动，筒体流动截面通常为圆形等截面。
筒体的筒壁由金属制成，通常是碳钢，它由外壁42、真空空间43和内壁44等三层组成。外壁42较厚，承担了筒体的主要强度要求。内壁44较薄，它与外壁42之间是真空空间43。在筒体外壁42上有一个真空口46，通过真空口46，连接一个真空泵，将真空空间43中的空气抽出，杜绝内外壁之间的对流换热，可保证热风塔的壁面有较好的绝热效果。
筒体41内是风道45。筒体底部坐落在基座48上，基座48用厚钢板制作，中间有一个圆孔，它的孔径比筒体内径稍小，热空气就是先通过地下风道49，再通过基座的的内孔，再进入热风塔的筒体内的风道45的。筒体底部焊接在基座48上，筒体的一部分和基座固定在水泥基础中。
基座48以下连接地下风道49，地下风道49呈U形结构，它的另一端进气口，开口在地面上。热空气就是通过进气口，进入地下风道49，再进入热风塔的筒体41内的风道45向上流动，最后通过热风塔顶端的出口排到大气。
热风塔内的热空气向上流动的动力，是因为热空气的密度较小，它与热风塔外的温度较低的密度较大的空气形成压力差，这个压力差推动热风塔内空气向上流动。
图5给出了本发明废水余热发电装置实施例的空气涡轮机结构图。
本发明废水余热发电装置实施例的空气涡轮机，它由轮毂51、销孔52、涡轮叶片53组成。
在轮毂51上有一个销孔52，通过销钉，将轮毂51固定于涡轮轴上。
在轮毂51的圆周，均匀对称布置4个涡轮叶片53，涡轮叶片53为扭曲的翼型直叶片。
轮毂51用碳钢制作。涡轮叶片53的蒙皮54用玻纤复合材料制作，它表面光滑，有较好的气动外形。主梁55用轻金属合金制作，比如铝镁合金，强度与刚度大，抗弯，抗扭，抗剪。蒙皮53内部空间的填充材料56为聚氯乙烯泡沫，它具有较好的静力和动力特性。蒙皮与内部之间用环氧胶粘剂粘接，它具有粘接强度高，硬度高的优点。
首先设定叶尖速比，根据实测的风速和叶尖速比，计算叶尖速度；根据叶尖速度和热风塔内圆周长，计算叶片角速度；根据叶片角速度，计算叶片从叶根到叶尖各点的圆周速度；根据叶片各点的圆周速度和风速，计算叶片各点的风的相对速度；根据相对风速，结合选定的攻角，可以确定叶片各点的按装角，也就是可以确定叶片从根部到叶尖全长的扭曲形状。
图6给出了本发明废水余热发电装置实施例的热风塔机电结构图。
本发明废水余热发电装置实施例的热风塔机电结构60包括：设置在热风塔内风道45中的换向器61、传动轴63、托架62、设在热风塔外连接传动轴末端的齿轮增速器64、交流发电机65。
热风塔内风道45中的换向器61，它由向上伸出的输入轴、齿轮箱和水平伸出的输出轴组成。向上伸出的输入轴的轴头，向上插入空气涡轮机的轮毂的轴孔内。齿轮箱内部是一对锥齿轮，它完成从垂直输入到水平输出的能量传递的方向转换。托架62的两端固定在热风塔的内壁上，换向器61固定在托架62的中部上表面。水平从热风塔内到热风塔外伸出的输出轴63的输出端与增速机64连接，它将空气蜗轮的低转速提高到发电机65的输入轴的高转速。发电机65是交流发电机，它可以是同步发电机，或异步发电机。
图7给出了本发明废水余热发电装置实施例的输电控制柜原理图。
本发明废水余热发电装置实施例的输电控制柜70的组成包括：整流器71、控制器72、蓄电池73、逆变器74、输出线路75。
本发明废水余热发电装置实施例的输电控制柜70的工作原理如下：
1，交流发电机65产生的交流电进入输电控制柜70的整流器71，由交流电变为直流电；
2，整流器71输出直流电进入控制器72，控制器72要进行如下选择，然后做出决定：
(1)直流电全部送往逆变器74；
(2)直流电部分送往逆变器74，部分对蓄电池73充电；
(3)蓄电池73对逆变器供电；
(4)直流电对蓄电池73充电。
3，逆变器74通过输出线路75向用户输出交流电。
Claims (7)
1.一种废水余热发电方法，它的具体步骤是：
(1)利用一种加热方法，将环境空气加热成热空气；(2)热空气从烟囱状的热风塔的底部进入热风塔，由于热风塔内的热空气比热风塔外的环境大气密度小，产生向上的压力差推动热风塔内的热空气上升，形成向上流动的的热气流；(3)热气流流经热风塔内的空气涡轮机时，推动空气涡轮机旋转；(4)空气涡轮机通过机械传动机构，带动热风塔外的发电机发电；(5)发电机发出电流，通过发电控制柜，向外对用户供给电力，其特征在于：所说的一种加热方法是利用热废水将环境空气加热成热空气，具体过程是：利用水泵从废水池中抽取热废水，热废水进入废水-空气换热器，从环境进入的空气被废水加热，成为热空气。
2.一种废水余热发电装置，它的结构包括：热风塔、空气涡轮机、机电转换机构、发电控制柜，其特征在于：它的结构还包括：废水池、水泵、废水-空气换热器；水泵从废水池中吸取中高温废水，通过管路将中高温废水送往废水-空气换热器，在废水-空气换热器中，废热水与从环境流入的空气进行换热，然后，热空气离开换热器进入热风塔，塔内热空气上升，推动空气涡轮机，带动传动装置和发电机，向用户供电。
3.按照权利要求2所述的废水余热发电装置，其特征在于：所述废水-空气换热器，它是喷淋式接触换热器，外形为卧式的长方形的箱体，它的具体结构包括：废水进口、空气进口、淋水室、废水室、箱体、淋水板、热空气出口、废水出口、底座；来自废水池的中高温废水，从箱体一端上部的废水进口进入换热器上部的的废水室，环境空气从箱体一端的宽大的空气进口水平的流入淋水室，淋水室位于箱体中的水平的淋水板以下，占据箱体的绝大部分空间，废水室位于箱体中的水平的淋水板以上，占据箱体的一小部分空间，进入换热器的空气被废水加热后形成热空气，热空气从箱体另一端的宽大的热空气出口水平的流出，进入换热器的中高温废水放热降温后，变成低温废水，低温废水从箱体底部的废水出口流出，整个换热器由底座支撑。
4.按照权利要求2所述的废水余热发电装置，其特征在于：所述热风塔，它的外形为高大的烟囱，它的结构包括：筒体、外壁、真空空间、内壁、真空口、风道、基座、地下风道；热风塔的直立的圆形筒体粗大，内径可达10米以上；热空气在筒体内从下向上流动，筒体流动截面通常为圆形等截面，筒体的筒壁由金属制成，通常是碳钢，它由外壁、真空空间和内壁等三层组成；外壁较厚，承担了筒体的主要强度要求，内壁较薄，它与外壁之间是真空空间，在筒体外壁上有一个真空口，真空口外接一个真空泵，将真空空间中的空气抽出，杜绝内外壁之间的对流换热；筒体内是风道，筒体底部坐落在基座上，基座用厚钢板制作，中间有一个圆孔，它的孔径比筒体内径稍小，基座固定在水泥基础中，基座以下连接地下风道；热空气首先通过进气口，进入地下风道，再进入热风塔的筒体内的风道向上流动，最后通过热风塔顶端的出口排到大气。
5.按照权利要求2所述的废水余热发电装置，其特征在于：所述空气涡轮机，它由轮毂、销孔、涡轮叶片组成；在轮毂上有一个销孔，利用销钉，通过销孔，将轮毂固定于涡轮轴上，在轮毂的圆周，均匀对称布置4个涡轮叶片，涡轮叶片为扭曲的翼型直叶片，涡轮叶片包括；蒙皮、主梁、填充材料，轮毂用碳钢制作，涡轮叶片的蒙皮用玻纤复合材料制作，主梁用轻金属合金制作，蒙皮内部空间的填充材料为聚氯乙烯泡沫。
6.按照权利要求2所述的废水余热发电装置，其特征在于：所述机电转换机构，它的结构包括：设置在热风塔内风道中的换向器、传动轴、托架、设在热风塔外连接传动轴末端的齿轮增速器、交流发电机；热风塔内风道中的换向器，它由向上伸出的输入轴、齿轮箱和水平伸出的输出轴组成，向上伸出的输入轴的轴头，向上插入并固定于空气涡轮机的轮毂的轴孔内，齿轮箱内部是一对锥齿轮，它完成从垂直输入到水平输出的能量传递的方向转换，托架的两端固定在热风塔的内壁上，换向器固定在托架的中部上表面，从热风塔内到热风塔外水平伸出的输出轴与增速机连接，增速机输出端连接发电机，发电机是交流发电机。
7.按照权利要求2所述的废水余热发电装置，其特征在于：所述输电控制柜，它的结构包括：整流器、控制器、蓄电池、逆变器、输出线路；交流发电机产生的交流电进入输电控制柜的整流器，由交流电变为直流电；整流器输出直流电进入控制器，控制器要选择如下决定之一：直流电全部送往逆变器，或直流电部分送往逆变器，部分对蓄电池充电，或蓄电池对逆变器供电，或直流电对蓄电池充电；送往逆变器的电流，通过输出线路，向用户输出交流电。
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