CN111637776A - 一种冶金高温渣废热的多级次相变回收与储存装置 - Google Patents

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张子勖
安希忠
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Abstract

本发明涉及一种冶金高温渣废热的多级次相变回收与储存装置，其包括控制系统、导轨系统、第一级高温热能相变回收储存单元、第二级中温热能相变回收储存单元以及第三级低温热能相变回收储存单元；所述各级热能相变回收储存单元中装有不同相变温度的相变储能材料；所述导轨系统衔接所述各级热能相变回收储存单元，并将高温废渣在各级相变回收储存单元间传输。本发明的有益效果是：通过三级热能相变回收储存单元的设置，分级次地将冶金废渣的高温热量和中、低温热量进行了最大化的回收，提高了热量的回收效率，充分发挥了相变储能材料在能源回收利用上的时间与空间上的优势。

Description

一种冶金高温渣废热的多级次相变回收与储存装置
技术领域
本发明属于冶金工业能源回收领域，具体涉及一种冶金高温渣废热的多级次相变回收与储存装置。
背景技术
作为高污染、高能耗产业，如何节能降耗并提高废弃能源利用率是现代冶金工业领域面对的主要问题。冶金废渣作为冶金生产过程中的主要固体废弃物，其中蕴藏着丰富的可回收能源。
以钢铁冶金为例，作为钢铁冶炼过程的主要废渣来源，钢渣约占粗钢产量的8～15％。炼钢过程中会产生转炉渣、电炉渣、精炼渣等大量的高温渣，其温度通常能达到1500℃以上。若能将钢渣中的废热合理回收与利用，不仅可以改善钢铁企业车间作业的高温环境，同时也可以得到非常庞大的热量资源，从而极大提高废弃能源的利用率。尽管目前钢铁企业在处理废渣时有解决其后续再利用问题，但在高温渣的热量回收方面却缺乏较好的处理方案。
现有技术在冶金废渣热量回收利用的过程中，常用方法有：风淬法、粒化法、余热还原矿石法等。其中，虽然风淬法回收废渣余热回收效率较高，但该方法对废渣的质量要求较高。近些年生产钢渣的碱度增大，粘性增高，导致废渣的流动性变差，适合风淬法处理的钢渣不超过总钢渣量的50％。粒化法作为一种传统热回收方法，其热效率仅有25～30％，已不能满足当前的工业要求，逐渐被其他方法取代。余热还原矿石法是利用废渣的废热还原铁矿石，但这种方法存在热量利用区域窄，即只有在废渣温度较高的状态下，其热量才被利用、热量传递慢等局限性，因此不能实现对废渣热量的高效利用。此外，上述几种方法很难实现高温渣的热量进行充分利用。由此可见，针对冶金废渣的废热回收利用研究依旧具有重要的意义。
相变储能材料作为一种能量的存储与释放材料，不仅效率高，相较于其他方法，还具有时间和空间上的优势，能真正实现将此时此地的能量用于他时他地，在冶金领域的废热回收利用方面具有极大的可实践性。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的是提供一种冶金高温渣废热的多级次相变回收与储存装置，以解决现有技术中冶金领域废渣内大量热量无法有效收集并储存，导致造成二次能源浪费的问题。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
一种冶金高温渣废热的多级次相变回收与储存装置，装置包括控制系统、导轨系统、第一级高温热能相变回收储存单元、第二级中温热能相变回收储存单元以及第三级低温热能相变回收储存单元；各级热能相变回收储存单元中装有不同相变温度的相变储能材料；
第一级高温热能相变回收储存单元、第二级中温热能相变回收储存单元以及第三级低温热能相变回收储存单元沿导轨系统呈直线分布；
各级热能相变回收储存单元的前侧壁和后侧壁可以打开，控制系统控制各级热能相变回收储存单元的前侧壁后侧壁打开和关闭；冶金高温废渣通过导轨系统依次在各级热能相变回收储存单元间进行传输。
根据本发明，第一级高温热能相变回收储存单元包括储热池、高温相变储能材料以及水管；
高温相变储能材料封装在储热池内；水管回形盘绕并插入高温相变储能材料中；
高温相变储能材料为铝硅合金，其相变温度为577-800℃。
根据本发明，第二级中温热能相变回收储存单元包括外壳、中温相变储能材料、水管；
中温相变储能材料封装在外壳内；水管回形盘绕并插入中温相变储能材料中；
中温相变储能材料为铝锡合金，其相变温度为230℃。
根据本发明，第三级低温热能相变回收储存单元包括外壳、低温相变储能材料、水管；
低温相变储能材料封装在外壳内；水管回形盘绕并插入低温相变储能材料中；
低温相变储能材料为结晶水合盐，其相变温度为30-100℃。
根据本发明，储热池以及外壳均为无底的长方体结构，储热池内封装高温相变储能材料、外壳内封装低温相变储能材料或低温相变储能材料后，其中间形成中空区域，中空区域用于冶金高温废渣的通过。
根据本发明，第一级高温热能相变回收储存单元、第二级中温热能相变回收储存单元以及第三级低温热能相变回收储存单元均位于地下。
根据本发明，第一级高温热能相变回收储存单元、第二级中温热能相变回收储存单元以及第三级低温热能相变回收储存单元外部罩有保温材料。
根据本发明，第一级高温热能相变回收储存单元和第二级中温热能相变回收储存单元回收和储存的高温和中温热能与水管中的冷却水进行热量交换，产生过热蒸汽，过热蒸汽用于蒸汽发电。
根据本发明，第三级低温热能相变回收储存单元回收和储存的低温热能与水管中的冷却水进行热量交换，得到的热水用于生活用水。
(三)有益效果
本发明的有益效果是：
本发明提供的冶金高温渣废热的多级次相变回收与储存装置，通过利用不同属性的相变储能材料对高温、中温以及低温渣废热进行多级次的回收与储存，旨在从根本上打破热量此地即取即用的局限性，进而实现热量在时间和空间上高效匹配利用。通过一级高温相变热回收与储存、二级中温相变热回收与储存以及三级低温相变热回收与储存的分级次装置设置，将冶金高温废渣的热量最大限度地回收，并实现回收热量的储存与再利用。
所述各级相变热回收与储存装置内部分别装有适用于不同温度的相变储能材料，均具有良好的热循环性，能较好地实现废渣余热的回收与储存；且各级相变热回收与储存装置内排布有水管，可将相变储能得到的能量与水进行热交换以进行蒸汽发电及生活区用热水。本发明将相变储能材料应用到冶金废渣余热的回收中，使得该部分热量得到有效的存储与利用，为冶金领域的能源回收提供了新思路。
附图说明
图1为本发明中冶金高温渣废热的多级次相变回收与储存装置示意图；
图2为本发明中各级热能相变回收储存单元内部水管的剖视图。
【附图标记】
1：控制系统；
2：第一级高温热能相变回收储存单元；
3：第二级中温热能相变回收储存单元；
4：第三级低温热能相变回收储存单元；
5：导轨系统；
6：水管入口；
7：水管出口；
8：外壳；
9：水管；
10：地面。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
相变储能技术旨在利用相变储能材料，包括无机盐、有机非金属与合金等，发生等温物相转变的过程中，相变储能吸收或释放出大量的潜热，以实现热量的存储与利用。相变储能材料具有较高的储能密度：每单位体积的热存储容量是显热储存的5-14倍，相变储能材料还具有能量传输过程稳定和易与运行系统匹配的等特殊优点，被广泛应用于热能存储与转化领域。
借鉴相变储能热回收思路，本发明采用相变储能材料进行钢铁冶炼过程中高温冶金渣的余热回收与储存，从而解决能源在时间和空间上无法匹配利用的问题。鉴于此，本发明创新性地提出利用相变储能原理对冶金渣高温余热进行回收与储存的理念，设计一种高温冶金渣余热的多级次回收与储存装置。通过利用不同属性相变储能材料对高温、中温以及低温废渣的热量进行多级次的回收与储存，旨在从根本上打破热量此地即取即用的局限性，进而实现热量在时间和空间上匹配利用。
本申请将相变储能材料用于回收冶金高温废渣热，相变储能材料发生相变时能够将热能储存起来，并且需要时再将储存的能量释放出来。由于相变储能材料在相变过程中能够维持温度恒定不变，不论是吸热还是放热过程，这样的体系都十分稳定，方便进行研究和利用，可以实现能量传输过程稳定控制和易与运行系统匹配。
实施例1：
如图1所示，本发明提供一种冶金高温渣废热的多级次相变回收与储存装置，所述装置包括控制系统1、导轨系统5、第一级高温热能相变回收储存单元2、第二级中温热能相变回收储存单元3以及第三级低温热能相变回收储存单元4；所述第一级高温热能相变回收储存单元2中装有高温相变储能材料，第二级中温热能相变回收储存单元3中装有中温相变储能材料，第三级低温热能相变回收储存单元4中装有低温相变储能材料；通过三级相变回收储能单元的依次回收不同温度的热量，将冶金高温废渣的热量最大限度地回收，并实现现废渣余热的回收、储存与再利用。
所述导轨系统5衔接所述各级热能相变回收储存单元：第一级高温热能相变回收储存单元2、第二级中温热能相变回收储存单元3以及第三级低温热能相变回收储存单元4依次分布在导轨系统5上；渣料车盛装冶金高温废渣，在导轨系统5上进行移动，然后依次通过第一级高温热能相变回收储存单元2、第二级中温热能相变回收储存单元3、第三级低温热能相变回收储存单元4，分别在各级相变储能单元中进行不同温度能量的回收与储存。
所述控制系统1通过控制导轨系统5，实现高温废渣在各级相变回收储存单元间的传输。
所述第一级高温热能相变回收储存单元2包括储热池、高温相变储能材料以及水管；所述相变储能材料封装在所述储热池内；所述水管回形盘绕并插入所述相变储能材料中；所述储热池为无底的长方体结构，其内部封装高温相变储能材料后，仍在中间形成中空区域，以便载着冶金高温废渣的渣料车通过和停留储热。所述储热池朝向冶金高温废渣源方向的一面为前侧壁，所述储热池的前侧壁和后侧壁均可移动，以便载着冶金高温废渣的渣料车进入第一级高温热能相变回收储存单元中进行第一级能量回收与储存。为了使能量回收更加充分，当载着冶金高温废渣的渣料车进入第一级高温热能相变回收储存单元后，储热池的前侧壁和后侧壁关闭。
第一级高温热能相变回收储存单元2中封装的高温相变储能材料优选铝硅合金，铝硅合金的相变温度范围为577-800℃。所述铝硅合金优选过共晶铝硅合金和共晶铝硅合金，所述过共晶铝硅合金和共晶铝硅合金的区别在于硅含量的不同。共晶铝硅合金中硅的含量为12％，相变温度为577℃，当硅铝合金中硅含量超过12％时，形成过共晶铝硅合金，过共晶铝硅合金中硅元素含量越高，其相变温度也越高，所对应的相变潜热也增大。
在过共晶铝硅合金熔化/凝固过程中，也包括在577℃温度以上的初生硅的溶解/形成和在577℃的共晶反应。本发明选用的过共晶硅铝合金的最大相变温度为800℃，硅的含量为35％。
需要说明的是，后续实施例介绍中，均以共晶铝硅合金作为高温相变储能材料。
优选地，所述硅铝合金中可添加微量的Cu、Fe、Ni、Ti等元素，以提高高温相变储能材料体系的稳定性，增强抗氧化性，需要说明的是，所述稳定剂对相变储能材料的相变温度影响较小，仅起到调节稳定性的作用。第一级高温热能相变回收储存单元2中的高温相变储能材料，可对577℃以上的高温热量进行良好的回收储存。
经试验验证，1吨钢渣在从1400～640℃降温过程中所释放的余热，仅需15.7kg从25℃升温至640℃的共晶铝硅合金即可实现充分回收。
与第一级高温热能相变回收储存单元2的结构相似，所述第二级中温热能相变回收储存单元3包括外壳、中温相变储能材料、水管；所述中温相变储能材料封装在所述外壳内；所述水管回形盘绕并插入所述相变储能材料中；优选地，所述相变储能材料为共晶铝锡相变储能材料，其共晶反应温度为230℃，可对230℃以上的高温热量进行良好的回收储存。
所述外壳为无底的长方体结构，其内部封装中温相变储能材料后，仍形成中空区域，以便载着冶金中温废渣的渣料车通过和停留储热。所述外壳朝向冶金高温废渣源方向的一面为前侧壁，所述储热池的前侧壁和后侧壁均可移动，以便载着冶金高温废渣的渣料车进入第二级中温热能相变回收储存单元中进行第二级能量回收与储存。为了使能量回收更加充分，当载着冶金高温废渣的渣料车进入第二级中温热能相变回收储存单元后，第二级中温热能相变回收储存单元的前侧壁和后侧壁关闭。
第二级中温热能相变回收储存单元3中封装的中温相变储能材料优选铝锡合金，其相变温度为230℃。经过第一级高温相变储能单元的回收储存后，到达第二级中温相变回收储能单元的中温冶金废渣温度在577℃左右，适合在第二级中温相变储能单元中进行第二级中温能量的吸收和储存。
同样地，所述铝锡合金中也可添加Cu、Fe、Ni、Ti等元素，以提高中温相变储能材料体系的稳定性，增强抗氧化性。
与第一级高温热能相变回收储存单元2和第二级中温热能相变回收储存单元3的结构相似，所述第三级低温热能相变回收储存单元4包括外壳、低温相变储能材料、水管；所述低温相变储能材料封装在所述外壳内；所述水管回形盘绕并插入所述低温相变储能材料中；所述相变储能材料优选为结晶水合盐，相变温度为30-100℃，可对来第二级中温相变储能单元3的低温废渣进行有效的热回收与储存。
所述外壳为无底的长方体结构，其内部封装低温相变储能材料后，仍形成中空区域，以便载着冶金低温废渣的渣料车通过和停留储热。所述外壳朝向冶金高温废渣源方向的一面为前侧壁，所述储热池的前侧壁和后侧壁均可移动，以便载着冶金低温废渣的渣料车进入第三级低温热能相变回收储存单元中进行第三级能量回收与储存。为了使能量回收更加充分，当载着冶金高温废渣的渣料车进入第三级低温热能相变回收储存单元后，第三级低温热能相变回收储存单元的前侧壁和后侧壁关闭。
第三级低温热能相变回收储存单元3中封装的中温相变储能材料优选结晶水合盐，其相变温度为30-100℃。经过第二级中温相变储能单元的回收储存后，到达第三级低温相变回收储能单元的低温冶金废渣温度在230℃左右，适合在第三级低温相变储能单元中进行第三级低温能量的吸收和储存。
所述结晶水合盐可选用MgCl2·6H2O、Mg(NO3)2·6H2O、CaCl2·6H2O中的一种或几种。
本发明中，第一级高温热能相变回收储存单元2、第二级中温热能相变回收储存单元3以及第三级低温热能相变回收储存单元4的前后侧壁均可移动，以便载着冶金废渣的渣料车通过，当进行各级相变储能时，相应的前后侧壁均处于关闭状态，使得能量回收更加充分。
进一步地，所述第一级高温热能相变回收储存单元2、第二级中温热能相变回收储存单元3以及第三级低温热能相变回收储存单元4均位于地下，使得本发明的装置大大节省了地面空间，提高了空间利用率。
优选地，所述第一级高温热能相变回收储存单元2、第二级中温热能相变回收储存单元3以及第三级低温热能相变回收储存单元4的外部罩有保温材料，防止热量散失影响相变储能材料的储能效率。
本发明的冶金高温渣废热的多级次相变回收与储存装置在运作时，由渣料车盛载冶金高温废渣，并沿着导轨系统5移动，首先移动到第一级高温热能相变回收储存单元2，此时控制系统1控制第一级高温热能相变回收储存单元2的前侧壁打开，渣料车进入其内部，释放的热量被高温相变储能材料吸收，该阶段进行高温热量回收。储热池是热回收的起点，可对577℃以上的冶金高温废渣进行良好的热回收，并可以对所收集热量实现在577℃的恒温储存。当外部需要使用热量时，冷却水从水管入口6流入，由高温相变储能材料(共晶铝硅合金)储存的高温热量通过热交换使冷却水成为过热蒸汽，并通过水管出口7导出进行蒸汽发电。
当冶金废渣的温度逐渐降至高温相变储能材料的相变温度后，其右侧壁上的热电偶获得热信息，并将热信号转化为电信号传输到控制系统1，控制开关打开储热池的后侧壁和第二级中温热能相变回收储存单元3的前侧壁，并启动电机，使导轨系统5运行，渣料车载着温度在577℃的中温冶金废渣，沿着导轨系统5继续移动，到达第二级中温相变热能回收储存单元3进行中温热能回收。完成中温废渣的运输后，所有侧壁和电机关闭，使得各级装置密闭、导轨系统5停止运行。
当中温冶金废渣的温度降到第二级中温热能相变回收储存单元3内的中温相变储能材料的相变温度时，低温冶金废渣被运送至第三级低温热能相变回收储存单元4进行第三级低温热量回收。同样的，当释放储存的热量时，冷却水从水管入口流入、水管出口流出，水管内的水与储存的中温热量进行热交换，依旧以过热蒸汽的形式进行蒸汽发电。当温度再次降到铝锡合金的相变温度时，第二级中温热能相变回收储存单元3后侧壁上的热电偶获得热信号，并反馈至控制中心，使得第二级中温热能相变回收储存单元3的后侧壁和第三级低温热能相变回收储存单元4的前侧壁打开，导轨系统5再次运行并将完成第二次热回收的低温废渣运往第三级低温热能相变回收储存单元4中，运输结束后封闭装置并停转电机。
第三级低温热能相变回收储存单元4适用于低温冶金废渣的热回收。由于此时冶金废渣温度较低，回收储存得到的热量温度也较低，所以在这一级热量回收利用的过程中，通入的冷却水由于温度限制无法过热成蒸汽，只能以热水的形式加以使用。完成上述三级热回收的废渣静置冷却至室温后，打开第三级低温热能相变回收储存单元4的后侧壁，将冷渣全部取出。
经过上述三级热回收后，废渣内热量已经达到最大化的回收，金属废渣已接近室温。由于废渣内有部分金属还可回收再利用，故可将冷渣进行磁选，从而实现金属资源的循环利用。
相变储能材料进行能量储存是具有限度的，达到储能极限后相变储能材料就会失效。因此在该装置运行过程中，应注意各级热回收储存装置是否达到储存极限，在储满能量前要将其及时释放出去，防止某一级回收装置失效，导致整个过程回收效率降低。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明做其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.一种冶金高温渣废热的多级次相变回收与储存装置，其特征在于，所述装置包括控制系统、导轨系统、第一级高温热能相变回收储存单元、第二级中温热能相变回收储存单元以及第三级低温热能相变回收储存单元；所述各级热能相变回收储存单元中装有不同相变温度的相变储能材料；
所述第一级高温热能相变回收储存单元、第二级中温热能相变回收储存单元以及第三级低温热能相变回收储存单元沿导轨系统呈直线分布；
所述各级热能相变回收储存单元的前侧壁和后侧壁可以打开，所述控制系统控制各级热能相变回收储存单元的前侧壁后侧壁打开和关闭；冶金高温废渣通过导轨系统依次在各级热能相变回收储存单元间进行传输。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一级高温热能相变回收储存单元包括储热池、高温相变储能材料以及水管；
所述高温相变储能材料封装在所述储热池内；所述水管回形盘绕并插入高温相变储能材料中；
所述高温相变储能材料为铝硅合金，其相变温度为577-800℃。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二级中温热能相变回收储存单元包括外壳、中温相变储能材料、水管；
所述中温相变储能材料封装在所述外壳内；所述水管回形盘绕并插入中温相变储能材料中；
所述中温相变储能材料为铝锡合金，其相变温度为230℃。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第三级低温热能相变回收储存单元包括外壳、低温相变储能材料、水管；
所述低温相变储能材料封装在所述外壳内；所述水管回形盘绕并插入低温相变储能材料中；
所述低温相变储能材料为结晶水合盐，其相变温度为30-100℃。
5.如权利要求2-4任一项所述的装置，其特征在于，所述储热池以及外壳均为无底的长方体结构，所述储热池内封装高温相变储能材料、外壳内封装低温相变储能材料或低温相变储能材料后，其中间形成中空区域，所述中空区域用于冶金高温废渣的通过。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一级高温热能相变回收储存单元、第二级中温热能相变回收储存单元以及第三级低温热能相变回收储存单元均位于地下。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一级高温热能相变回收储存单元、第二级中温热能相变回收储存单元以及第三级低温热能相变回收储存单元外部罩有保温材料。
8.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述第一级高温热能相变回收储存单元和第二级中温热能相变回收储存单元回收和储存的高温和中温热能与水管中的冷却水进行热量交换，产生过热蒸汽，所述过热蒸汽用于蒸汽发电。
9.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述第三级低温热能相变回收储存单元回收和储存的低温热能与水管中的冷却水进行热量交换，得到的热水用于生活用水。
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