CN110595218A - 工业高温物料显热系统高效回收装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种工业高温物料显热系统高效回收装置，包储能材料吸热换热单元，所述储能材料吸热换热单元具有用于供所述高温储能材料流出的第三出口，第三出口上连接有储能材料放热换热单元，所述储能材料放热换热单元和储能材料吸热换热单元串联连接，储能材料吸热换热单元具有用于供所述低温储能材料流入的第三入口，储能材料流量调节器一的进口连接至储能材料放热换热单元的出口，形成循环回路。本发明还提供一种工业高温物料显热系统高效回收方法。本发明具有以下有益效果：显热换热效率提高了60个左右的百分点，从而根本上解决了高能耗企业显热浪费问题，为所有高能企业创造了巨大的经济效益和社会效益。

Description

工业高温物料显热系统高效回收装置及方法

技术领域

本发明涉及一种工业高温物料显热系统高效回收装置及方法，属于再生能源回收技术技术领域。

背景技术

高能耗企业中，特别是耐火材料、玻璃、水泥、电极、钢铁，焦化等行业生产中需要消耗大量能源，同时也产生了大量的显热，对成品或者半成品需要进行冷却到工艺要求的温度。目前普遍采用的冷却方式主要是：用水循环冷却或者直接用冷空气对流冷却，两种方式都是把大量显热直接排入空气中白白浪费掉，综合能源利用率不到30%。仅极少数企业在也探索显热回收利用，但由于回收的整体技术比较落后（主要是系统设计不合理，换热介质不科学，换热设备、材料效率低下等），回收效率很低（只能回收总显热量的15~25%），有些回收技术还会影响工业产品质量或增加安全风险，不能从根本上解决高能耗企业显热回收问题。

大部分以上的高能耗企业对大量显热能源没有回收利用，极少数企业对显热能源进行回收试验，具体回收技术路线：利用低温水对高温物料进行间接包围，低进高出，高温物料通过热量传到，让水把热量带走，使水的温度升高到80-90℃，利用管道输送到热水用户，换热率不到显热总量的30%，换热率低的原因：①水在超过100度由于常压下汽化原因，单位立方储热能力低，高温蒸汽在流程中散热量大。②换热设备结构不科学，散热量大。③系统设计不合理，热量不平衡，热量利用率低。

发明内容

根据以上现有技术中的不足，本发明要解决的技术问题是：为解决上述问题之一，提供一种工业高温物料显热系统高效回收装置及方法。

本发明所述的工业高温物料显热系统高效回收装置，其特征在于：包储能材料吸热换热单元，所述储能材料吸热换热单元具有用于供所述高温储能材料流出的第三出口，第三出口上连接有储能材料放热换热单元，所述储能材料放热换热单元和储能材料吸热换热单元串联连接，

储能材料吸热换热单元具有用于供所述低温储能材料流入的第三入口，第三入口上安装有储能材料流量调节器一，储能材料放热换热单元的进口与储能材料吸热换热单元的第三出口之间的管路上安装有储能材料流量调节器二，储能材料流量调节器一的进口连接至储能材料放热换热单元的出口，形成循环回路。

优选地，所述储能材料放热换热单元包括能源储存储罐以及与能源储存储罐相配合的多级换热器，多级换热器上具有相互对应的第一入口和第一出口，能源储存储罐上具有相互对应的供所述高温储能材料流入第二入口和供所述低温储能材料流入第二出口，第二入口和第二出口与能源储存储罐内腔相连通，所述第一入口与供水源连通，纯净水通过第一入口进入储能材料放热换热单元内，所述第二出口为所述被加热水蒸汽的出口，连接至蒸汽用户，所述第二入口和第二出口分别连接至储能材料流量调节器二和储能材料流量调节器一。

优选地，所述储能材料流量调节器一为循环泵一，用于控制流经所述储能材料吸热换热单元的储能材料流量；

储能材料流量调节器二为循环泵二，用于控制流经所述储能材料放热换热单元的储能材料流量。

优选地，所述储能材料流量调节器一与储能材料放热换热单元之间的管路上并联有储能材料补给系统，用于向循环系统中补给储能材料，储能材料补给系统的出口上安装有截止阀。

优选地，所述储能材料吸热换热单元包括多组换热套，每组换热套的上部分别设置一供高温物料体进入的进料口，换热套的下部设置有供冷却后的高温物料体排出的出料口，换热套的外壁上缠绕有盘管圈，盘管圈的两端分别为供所述高温储能材料流出的第三出口和供所述低温储能材料流入的第三出口，盘管圈外包覆有保温层，盘管圈位于换热套与保温层之间。

通过盘管圈对显热单元高温物料进行传导换热，根据单元显热容量及工艺要求冷却温度，确定储能材料盘管管径和储能材料流量值，为了确保换热效率，在显热单元外添加保温层进行显热保温，储能材料流动方向与显热单元高温物料流动方向相反，储能指标要求必须根据储能物性图中比热容，导热系数，密度随温度曲线共同达到最佳值时，此时的储能对显热单元的热量换热率最高。

优选地，所述储能材料为储能油或储能盐，使用温度在300℃以下用低熔点低分解点储能材料，300℃以上用高熔点高分解点的储能材料。

优选地，所述储能油，按照质量百分比计算，包括以下组分：有机铜12-15%，聚合芳烃27-29%，长链烷烃23-26%，环烷烃33-35%，抗冻剂2-3%；

储能盐，按照质量百分比计算，包括以下组分：碳酸钠20-22%，氯化钾9-10%，硝酸钠40-45%，亚硝酸钾12-14%，硫酸钠16-18%。

优选地，所述所述储能油，按照质量百分比计算，包括以下组分：有机铜12%，聚合芳烃28%，长链烷烃24%，环烷烃34%，抗冻剂2%；

储能盐，按照质量百分比计算，包括以下组分：碳酸钠21%，氯化钾9%，硝酸钠41%，亚硝酸钾12%，硫酸钠17%。

优选地，所述多级换热器，采用预热器、蒸发器、过热器的三级换热。

优选地，所述第三入口位于换热套的底部，第三出口位于换热套的上部，采用底进上排的方式换热，储能材料流动方向与显热单元高温物料流动方向相反，储能指标要求必须根据储能物性比热容，导热系数，密度随温度曲线共同达到最佳值时，此时的储能对高温物料体的热量换热率最高。

本发明还提供一种工业高温物料显热系统高效回收方法，其特征在于：使用高效储能材料，使用温度在300℃以下用低熔点低分解点储能材料，300℃以上用高熔点高分解点的储能材料，在储能材料吸热换热单元中吸收工业高温物料的显热，换热后汇总输送至储能材料放热换热单元，储能材料放热换热单元的多级换热器放热给净化水，生产不同参数的蒸汽，提供给蒸汽用户或者用来发电并网。

优选地，显热源为500-1200℃，以质量化分单元0.1-100吨之间不等，显热源物料比热随着温度变化而变化，平均值1.0-1.80KJ/(kg℃)，按照单元显热参数：质量150公斤，比热1.6KJ/(kg℃)，温度差800℃，高温物料体5.5向下移动速度0.5米/小时，储能材料的流速按照1-2m/s，流量按照0.3-2方/小时，高温物料体5.5流动方向从上向下移动。

本发明显热回收技术原理：使用高效储能材料，使用温度在300℃以下用低熔点低分解点储能材料，300℃以上用高熔点高分解点的储能材料，在储能材料吸热换热单元中吸收工业高温物料的显热，换热后汇总输送至储能材料放热换热单元，储能材料放热换热单元的多级换热器放热给净化水，生产不同参数的蒸汽，提供给蒸汽用户或者用来发电并网。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

由于工业显热量大小与显热载体质量相关，在比热一定时，与工业生产过程显热最后冷却温度相关，如果按照需要换的显热载体按照200公斤小时，作为一个换热单元，温度从800℃降为100℃，比热按照1.8KJkg，单元显热量Q=252000KJ/小时，利用储能材料吸热换热单元对储能材料进行显热换热，储能材料使用温度为200度，流量为0.36立方米小时，流速为2米秒，换热后实测储能材料温度为430℃，理论储能材料温度为460℃，实际换热量223560KJ/小时，显热换热效率89%，如果利用水进行换热，显热换热效率只有15-25%，通过本发明系统显热换热技术方法后，显热换热效率提高了60个左右的百分点，从而根本上解决了高能耗企业显热浪费问题，为所有高能企业创造了巨大的经济效益和社会效益。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本发明工业显热换热利用流程图；

图2为储能材料吸热换热单元结构示意图；

图3为储能材料物性图；

图中：1、储能材料补给系统 2、储能材料流量调节器一 3、储能材料放热换热单元4、储能材料流量调节器二 5、储能材料吸热换热单元 5.1、盘管圈 5.2、第三入口5.3、第三出口 5.4、保温层 5.5、高温物料体 5.6、换热套 。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述：

以下通过具体实施例对本发明作进一步说明，但不用以限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

实施例

如图1-2所示，所述工业高温物料显热系统高效回收装置，包储能材料吸热换热单元5，所述储能材料吸热换热单元5具有用于供所述高温储能材料流出的第三出口，第三出口上连接有储能材料放热换热单元3，所述储能材料放热换热单元3和储能材料吸热换热单元5串联连接，

储能材料吸热换热单元5具有用于供所述低温储能材料流入的第三入口，第三入口上安装有储能材料流量调节器一2，储能材料放热换热单元3的进口与储能材料吸热换热单元5的第三出口之间的管路上安装有储能材料流量调节器二4，储能材料流量调节器一2的进口连接至储能材料放热换热单元3的出口，形成循环回路。

本实施例中，所述储能材料放热换热单元3包括能源储存储罐以及与能源储存储罐相配合的多级换热器，多级换热器上具有相互对应的第一入口和第一出口，能源储存储罐上具有相互对应的供所述高温储能材料流入第二入口和供所述低温储能材料流入第二出口，第二入口和第二出口与能源储存储罐内腔相连通，所述第一入口与供水源连通，纯净水通过第一入口进入储能材料放热换热单元3内，所述第二出口为所述被加热水蒸汽的出口，连接至蒸汽用户，所述第二入口和第二出口分别连接至储能材料流量调节器二4和储能材料流量调节器一2；所述储能材料流量调节器一2为循环泵一，用于控制流经所述储能材料吸热换热单元5的储能材料流量；

储能材料流量调节器二4为循环泵二，用于控制流经所述储能材料放热换热单元3的储能材料流量；所述储能材料流量调节器一2与储能材料放热换热单元3之间的管路上并联有储能材料补给系统1，用于向循环系统中补给储能材料，储能材料补给系统1的出口上安装有截止阀；所述储能材料吸热换热单元5包括多组换热套5.6，每组换热套5.6的上部分别设置一供高温物料体5.5进入的进料口，换热套5.6的下部设置有供冷却后的高温物料体5.5排出的出料口，换热套5.6的外壁上缠绕有盘管圈5.1，盘管圈5.1的两端分别为供所述高温储能材料流出的第三出口和供所述低温储能材料流入的第三出口，盘管圈5.1外包覆有保温层5.4，盘管圈5.1位于换热套5.6与保温层5.4之间，；所述储能材料为储能油或储能盐，使用温度在300℃以下用低熔点低分解点储能材料，300℃以上用高熔点高分解点的储能材料；所述所述储能油，按照质量百分比计算，包括以下组分：有机铜12%，聚合芳烃28%，长链烷烃24%，环烷烃34%，抗冻剂2%；储能盐，按照质量百分比计算，包括以下组分：碳酸钠21%，氯化钾9%，硝酸钠41%，亚硝酸钾12%，硫酸钠17%；所述多级换热器，采用预热器、蒸发器、过热器的三级换热；所述第三入口5.2位于换热套5.6的底部，第三出口5.3位于换热套5.6的上部，采用底进上排的方式换热。

本发明还提供一种工业高温物料显热系统高效回收方法，使用高效储能材料，使用温度在300℃以下用低熔点低分解点储能材料，300℃以上用高熔点高分解点的储能材料，在储能材料吸热换热单元中吸收工业高温物料的显热，换热后汇总输送至储能材料放热换热单元，储能材料放热换热单元的多级换热器放热给净化水，生产不同参数的蒸汽，提供给蒸汽用户或者用来发电并网。

参照图3，为了使储能材料在显热换热系统过程中安全、稳定，换热效率高，我们对储能材料以温度，密度，为坐标对比热熔，导热系数做一个对标物性图，由于工业企业中显热量，显热载体，工艺过程都不一样，使用对应用储能材料换热的参数也不同，需要根据具体进行储能材料种类型号对标，利用不同储能材料物性图参数对标选择，总的选择原则是：对标的储能材料低粘度最低，导热系数要最高，比热熔要最大。

储能材料技术参数对比及选择：

由于是水常温下的汽化点100℃，超过100度蒸汽压力高，密度低，单位体积热焓低，二储材料1和二储材料2蒸汽压力，密度，单位体积热焓都比水高很多，所以水作为高温显热储能能力很低，永远低于储能材料1和二储材料2，本发明关键在于与具体工业显热量大小，工艺流程进行储能材料参数匹配选择，并通过匹配值与专制显热换热装置进行显热置换，进行热量系统平衡计算，以确保储能材料容易输送，置换出的显热量再进行匹配放热产蒸汽系统产生不同参数的蒸汽。储能材料1是:导热油，储能材料2是:熔盐。

本发明具体实施方式的技术路线：高温物料体5.5采用工业成品或者半成品的显热载体形式：具体为500-1200℃的固体的铁渣、钢渣、焦渣、硅土、耐火材料等，成品或者半成品形状为规则几何体、颗粒状，粉末状，以及以上几种混合体。本发明主要是将高能耗工业高温显热载体蕴含的大量热量按单元进行规划，单元量化后，根据显热量和冷却工艺要求及储能材料参数进行匹配，目的是把显热量（除去工艺要求热损外）90-95%通过储能材料吸热换热单元5与显热载体间接置换出来储存在储能材料里，置换储能材料温度高低根据具体工厂蒸汽参数要求进行设定，换热后的高温储能利用储罐进行能源储存，再利用储能流量调解器对高温储能介质进行管路循环，通过三级换热（预热器，蒸发器，过热器），产生蒸汽后储能材料温度降低到100-150℃，再进入储能材料吸热换热单元5进行换热循环。

显热源为500-1200℃，以质量化分单元0.1-100吨之间不等，显热源物料比热随着温度变化而变化，平均值1.0-1.80KJ/(kg℃)，单元显热量Q=C*m*T，（C是物料比热，m是单元物料质量，T温度差），如果只产饱和蒸汽满足用户利用上表储能材料1进行单元显热换热储能，如果只需要发电用的中温中压以上的过热蒸汽就利用上表的储能材料2进行单元显热换热储能，图2为储能材料单元显热换热示意图，单元换热装置的外围几何尺寸根据在考虑工厂工艺及设备环境外，重点是考虑单元显热总量大小以保证换热盘管里的流动储能材料能100%把显热量全部置换出来，按照单元显热参数：质量150公斤，比热1.6KJ/(kg℃)，温度差800℃，高温物料体5.5向下移动速度0.5米/小时，储能材料的流速按照1-2m/s，流量按照0.3-2方/小时，高温物料体5.5流动方向从上向下移动。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种工业高温物料显热系统高效回收装置，其特征在于：包储能材料吸热换热单元（5），所述储能材料吸热换热单元（5）具有用于供所述高温储能材料流出的第三出口，第三出口上连接有储能材料放热换热单元（3），所述储能材料放热换热单元（3）和储能材料吸热换热单元（5）串联连接，

储能材料吸热换热单元（5）具有用于供所述低温储能材料流入的第三入口，第三入口上安装有储能材料流量调节器一（2），储能材料放热换热单元（3）的进口与储能材料吸热换热单元（5）的第三出口之间的管路上安装有储能材料流量调节器二（4），储能材料流量调节器一（2）的进口连接至储能材料放热换热单元（3）的出口，形成循环回路。

2.根据权利要求1所述的工业高温物料显热系统高效回收装置，其特征在于：所述储能材料放热换热单元（3）包括能源储存储罐以及与能源储存储罐相配合的多级换热器，多级换热器上具有相互对应的第一入口和第一出口，能源储存储罐上具有相互对应的供所述高温储能材料流入第二入口和供所述低温储能材料流入第二出口，第二入口和第二出口与能源储存储罐内腔相连通，所述第一入口与供水源连通，纯净水通过第一入口进入储能材料放热换热单元（3）内，所述第二出口为所述被加热水蒸汽的出口，连接至蒸汽用户，所述第二入口和第二出口分别连接至储能材料流量调节器二（4）和储能材料流量调节器一（2）。

3.根据权利要求2所述的工业高温物料显热系统高效回收装置，其特征在于：所述储能材料流量调节器一（2）为循环泵一，用于控制流经所述储能材料吸热换热单元（5）的储能材料流量；

储能材料流量调节器二（4）为循环泵二，用于控制流经所述储能材料放热换热单元（3）的储能材料流量。

4.根据权利要求3所述的工业高温物料显热系统高效回收装置，其特征在于：所述储能材料流量调节器一（2）与储能材料放热换热单元（3）之间的管路上并联有储能材料补给系统（1），用于向循环系统中补给储能材料，储能材料补给系统（1）的出口上安装有截止阀。

5.根据权利要求4所述的工业高温物料显热系统高效回收装置，其特征在于：所述储能材料吸热换热单元（5）包括多组换热套（5.6），每组换热套（5.6）的上部分别设置一供高温物料体（5.5）进入的进料口，换热套（5.6）的下部设置有供冷却后的高温物料体（5.5）排出的出料口，换热套（5.6）的外壁上缠绕有盘管圈（5.1），盘管圈（5.1）的两端分别为供所述高温储能材料流出的第三出口和供所述低温储能材料流入的第三出口，盘管圈（5.1）外包覆有保温层（5.4），盘管圈（5.1）位于换热套（5.6）与保温层（5.4）之间。

6.根据权利要求5所述的工业高温物料显热系统高效回收装置，其特征在于：所述储能材料为储能油或储能盐，使用温度在300℃以下用低熔点低分解点储能材料，300℃以上用高熔点高分解点的储能材料。

7.根据权利要求6所述的工业高温物料显热系统高效回收装置，其特征在于：所述储能油，按照质量百分比计算，包括以下组分：有机铜12-15%，聚合芳烃27-29%，长链烷烃23-26%，环烷烃33-35%，抗冻剂2-3%；

储能盐，按照质量百分比计算，包括以下组分：碳酸钠20-22%，氯化钾9-10%，硝酸钠40-45%，亚硝酸钾12-14%，硫酸钠16-18%。

8.根据权利要求7所述的工业高温物料显热系统高效回收装置，其特征在于：所述储能油，按照质量百分比计算，包括以下组分：有机铜12%，聚合芳烃28%，长链烷烃24%，环烷烃34%，抗冻剂2%；

储能盐，按照质量百分比计算，包括以下组分：碳酸钠21%，氯化钾9%，硝酸钠41%，亚硝酸钾12%，硫酸钠17%。

9.根据权利要求8所述的工业高温物料显热系统高效回收装置及方法，其特征在于：所述多级换热器，采用预热器、蒸发器、过热器的三级换热。

10.一种工业高温物料显热系统高效回收方法，其特征在于：使用高效储能材料，使用温度在300℃以下用低熔点低分解点储能材料，300℃以上用高熔点高分解点的储能材料，在储能材料吸热换热单元中吸收工业高温物料的显热，换热后汇总输送至储能材料放热换热单元，储能材料放热换热单元的多级换热器放热给净化水，生产不同参数的蒸汽，提供给蒸汽用户或者用来发电并网。