CN111998711A - 利用高、低温双循环技术回收工业小单元物料显热的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用高、低温双循环技术回收工业小单元物料显热的系统，所述低温循环槽内储存有低温吸热介质，所述高温循环槽内储存有高温吸热介质，所述低温循环槽的低温循环出口管和低温循环进口管分别通过一管道与低温循环进口管和低温循环出口管相连通，所述高温循环槽的高温循环出口管和高温循环进口管分别通过一管道与高温循环进口管和高温循环出口管相连通。本发明具有以下有益效果：既可以将吸热介质加热至足够高温，又可以将高温物料冷却至工艺要求的低温，还能实现高达85‑90%的显热回收率，为存在小单元物料显热不足类似问题的工业领域的余热回收提供了高效解决方案，具有很好的现实意义及应用价值。

Description

利用高、低温双循环技术回收工业小单元物料显热的系统
技术领域
本发明涉及一种利用高、低温双循环技术回收工业小单元物料显热的系统，属于再生能源回收技术技术领域。
背景技术
很多工业领域在产品生产过程中，会因为煅烧、焙烧等工艺产生高温物料，从而蕴含大量显热。这一部分显热，具有“品位高，总热量大”的特点，具有很大的回收价值。在现有的生产工艺中，该部分高温物料普遍采用水作为冷却介质，水吸热后温度升至约50-80℃，然后通过冷却水塔将热量排向大气中浪费掉。
申请号为201910880110.4的专利申请公开了一种工业高温物料显热系统高效回收装置及方法，可以高效回收这一部分显热。
但是，在实际生产中，部分工业高温物料在煅烧或者焙烧后，会分成很多个小通道排出，导致每个小通道的单位时间排热量很小，回收难度很大。主要描述如下：
(1)如果回收显热采用的吸热介质只通过一个小通道，因单通道高温物料的显热量较小，如果需要将吸热介质加热到较高的温度，在放热量一定的情况下，只能减小吸热介质流量，而流速太低或管径太小都无法实现。即吸热介质如只通过一个小通道无法被加热到足够高的温度。
(2)如果吸热介质依次通过多个小通道，可以将吸热介质加热到足够高温，也可以解决流速太低及管径太小的问题，但因为吸热介质是依次通过多个小通道，则吸热介质的温度从第一个通道到最后一个通道依次增加，这样就无法将靠后通道的高温物料冷却到要求的温度，同时显热回收率也会降低。
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，提供一种利用高、低温双循环技术回收工业小单元物料显热的系统。
本发明所述的利用高、低温双循环技术回收工业小单元物料显热的系统，其特征在于：包括换热器、低温循环槽、高温循环槽、低温循环泵和高温循环泵，所述低温循环槽内储存有低温吸热介质，所述高温循环槽内储存有高温吸热介质，所述换热器具有高温循环出口管、低温循环进口管、高温循环进口管和低温循环出口管，所述低温循环槽的低温循环出口管和低温循环进口管分别通过一管道与所述换热器的低温循环进口管和低温循环出口管相连通，所述高温循环槽的高温循环出口管和高温循环进口管分别通过一管道与所述换热器的高温循环进口管和高温循环出口管相连通，所述低温循环出口管和低温循环进口管之间的管道上安装有低温循环泵，所述高温循环出口管和高温循环进口管之间的管道上安装有高温循环泵，所述低温循环槽还具有连通放热系统的外接进口管，所述高温循环槽还具有连通放热系统的外接出口管。
优选地，还包括高低温平衡管，所述高低温平衡管的一端与低温循环槽的内腔相连通，所述高低温平衡管的另一端与高温循环槽的内腔连通，所述高低温平衡管上安装有平衡泵，平衡泵可将低温循环槽中的吸热介质直接输送至高温循环槽内，用于实现吸热系统吸热介质的流量平衡及热量平衡。
优选地，所述换热器包括中空设置的换热器外壁和设置在所述换热器外壁内的换热组件，所述换热组件包括两个螺旋状的换热管，螺旋状的所述换热管中心围合成内环换热通道（可以是单通道、双通道或三通道，甚至更多通道）。
优选地，所述换热组件包括二个螺旋状的换热管，分别是上层高温换热管和下层低温换热管，上层高温换热管和下层低温换热管分别分布在回收器外壁的内上部和内下部，上层高温换热管和下层低温换热管中心分别围合成内环换热通道，上层高温换热管在上端和下端上分别连通有高温循环出口管和高温循环进口管，下层低温换热管在上端和下端上分别连通有低温循环出口管和低温循环进口管，高温循环出口管、低温循环进口管、高温循环进口管和低温循环出口管均贯穿所述换热器外壁延伸至换热器外壁外。
优选地，所述上层高温换热管和下层低温换热管均具有光滑的外环周面，其中螺旋状的所述上层高温换热管和下层低温换热管的外环周面和所述换热器外壁内环周面接触。
优选地，所述换热器外壁的上下两端分别为高温物料进料口和高温物料出料口，所述换热器外壁的截面为中空的圆形或矩形，螺旋状的所述上层高温换热管和下层低温换热管的外环周面均与换热器外壁的形状相适配，所述高温物料进料口和高温物料出料口均与内环换热通道相连通。
优选地，所述低温循环槽包括槽体A，槽体A内储存有低温吸热介质，所述槽体A上连通有低温循环出口管、低温循环进口管、外接进口管、高低温平衡管，低温循环出口管及高低温平衡管的出液口设在所述槽体A的底部。
优选地，所述高温循环槽包括槽体B，槽体B内储存有低温吸热介质，所述槽体B上连通有高温循环出口管、高温循环进口管、外接出口管和高低温平衡管，高温循环出口管及外接出口管的出液口设在所述槽体B的底部。
优选地，所述外接出口管上安装有输送泵。
优选地，所述上层高温换热管和下层低温换热管的管径从单循环方式的5~8mm增大到20~38mm，不再存在超温分解风险，且能将吸热介质加热到350~450℃甚至更高。
优选地，所述低温吸热介质和高温吸热介质之间的温差大于10摄氏度。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明所述的利用高、低温双循环技术回收工业小单元物料显热的系统，既可以将吸热介质加热至足够高温，又可以将高温物料冷却至工艺要求的低温，还能实现高达85-90%的显热回收率，为存在小单元物料显热不足类似问题的工业领域的余热回收提供了高效解决方案，具有很好的现实意义及应用价值。
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为本发明的原理图；
图2为换热器的结构示意图；
图3为换热管的俯视图；
图中：1、换热器 1.1、高温循环出口管 1.2、低温循环进口管 1.3、高温循环进口管1.4、低温循环出口管 1.5、高温物料进料口 1.6、高温物料出料口 1.7、换热器外壁1.8、上层高温换热管 1.9、下层低温换热管 2、低温循环槽 2.1、低温循环出口管2.2、低温循环进口管 2.3、外接进口管 2.4、槽体A 3、高温循环槽 3.1、高温循环出口管 3.2、高温循环进口管 3.3、外接出口管 3.4、槽体B 4、低温循环泵 5、高温循环泵6、高低温平衡管 7、平衡泵 8、输送泵。
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1-3所示，所述利用高、低温双循环技术回收工业小单元物料显热的系统，包括换热器1、低温循环槽2、高温循环槽3、低温循环泵4和高温循环泵5，所述低温循环槽2内储存有低温吸热介质，所述高温循环槽3内储存有高温吸热介质，所述换热器1具有高温循环出口管1.1、低温循环进口管1.2、高温循环进口管1.3和低温循环出口管1.4，所述低温循环槽2的低温循环出口管2.1和低温循环进口管2.2分别通过一管道与低温循环进口管1.2和低温循环出口管1.4相连通，所述高温循环槽3的高温循环出口管3.1和高温循环进口管3.2分别通过一管道与高温循环进口管1.3和高温循环出口管1.1相连通，所述低温循环出口管2.1和低温循环进口管1.2之间的管道上安装有低温循环泵4，所述高温循环出口管3.1和高温循环进口管1.3之间的管道上安装有高温循环泵5，所述低温循环槽2还具有连通放热系统的外接进口管2.3，所述高温循环槽3还具有连通放热系统的外接出口管3.3。
本实施例中，还包括高低温平衡管6，所述高低温平衡管6的一端与低温循环槽2的内腔相连通，所述高低温平衡管6的另一端与高温循环槽3的内腔连通，所述高低温平衡管6上安装有平衡泵7，平衡泵7可将低温循环槽2中的吸热介质直接输送至高温循环槽3内，用于实现吸热系统吸热介质的流量平衡及热量平衡；所述换热器1包括中空设置的换热器外壁1.7和设置在所述换热器外壁1.7内的换热组件，所述换热组件包括两个螺旋状的换热管，螺旋状的所述换热管中心围合成内环换热通道（可以是单通道、双通道或三通道，甚至更多通道）；所述换热组件包括二个螺旋状的换热管，分别是上层高温换热管1.8和下层低温换热管1.9，上层高温换热管1.8和下层低温换热管1.9分别分布在回收器外壁2的内上部和内下部，上层高温换热管1.8和下层低温换热管1.9中心分别围合成内环换热通道，上层高温换热管1.8在上端和下端上分别连通有高温循环出口管1.1和高温循环进口管1.3，下层低温换热管1.9在上端和下端上分别连通有低温循环出口管1.4和低温循环进口管1.2，高温循环出口管1.1、低温循环进口管1.2、高温循环进口管1.3和低温循环出口管1.4均贯穿所述换热器外壁1.7延伸至换热器外壁1.7外；所述上层高温换热管1.8和下层低温换热管1.9均具有光滑的外环周面，其中螺旋状的所述上层高温换热管1.8和下层低温换热管1.9的外环周面和所述换热器外壁1.7内环周面接触；所述换热器外壁1.7的上下两端分别为高温物料进料口1.5和高温物料出料口1.6，所述换热器外壁1.7的截面为中空的圆形或矩形，螺旋状的所述上层高温换热管1.8和下层低温换热管1.9的外环周面均与换热器外壁1.7的形状相适配，所述高温物料进料口1.5和高温物料出料口1.6均与内环换热通道相连通；所述低温循环槽2包括槽体A2.4，槽体A2.4内储存有低温吸热介质，所述槽体A2.4上连通有低温循环出口管2.1、低温循环进口管2.2、外接进口管2.3、高低温平衡管6，低温循环出口管2.1及进入高低温平衡管6的出液口设在所述槽体A2.4的底部；所述高温循环槽3包括槽体B3.4，槽体B3.4内储存有低温吸热介质，所述槽体B3.4上连通有高温循环出口管3.1、高温循环进口管3.2、外接出口管3.3和高低温平衡管6，高温循环出口管3.1及外接出口管3.3的出液口设在所述槽体B3.4的底部；所述外接出口管3.3上安装有输送泵8；所述上层高温换热管1.8和下层低温换热管1.9的管径从单循环方式的5-8mm增大到20-38mm，不再存在超温分解风险，且能将吸热介质加热到350-450℃甚至更高；所述低温吸热介质和高温吸热介质之间的温差大于10度。
主要设备和作用：换热器1，用于实现高温物料与吸热介质之间的热交换；低温循环槽2和高温循环槽3用于储存高、低温吸热介质并实现储能平衡；低温循环泵4和高温循环泵5用于将低、高温储能循环槽中的吸热介质输送至换热器中吸热；输送泵8，用于输送高温吸热介质至放热端（通常是蒸汽发生系统）；平衡泵7，用于实现吸热系统吸热介质的流量平衡及热量平衡。
利用高温物料加热换热器1，换热器1的内上部为高温区、下部为低温区，分别加热上层高温换热管1.8和下层低温换热管1.9内的吸热介质；槽体A2.4内为低温吸热介质，低温吸热介质在槽体A2.4和下层低温换热管1.9之间循环；槽体B3.4内为高温吸热介质，高温吸热介质在槽体B3.4和上层高温换热管1.8之间循环；从放热系统回归的低温吸热介质温度更低，用以平衡槽体A2.4中的低温吸热介质进入下层低温换热管1.9的吸热量；槽体A2.4中的低温吸热介质经平衡泵7进入槽体B3.4中，用以平衡槽体B3.4中的高温吸热介质进入上层高温换热管1.8的吸热量。
工作原理：高温循环槽3设定一个较高的运行温度，该温度要满足吸热介质去放热系统放热（如产过热蒸汽）所需的最低值；低温槽设定一个较低的运行温度。
对整个系统而言，假设换热效率为100%，则存在下述热量平衡式：
Q高吸 + Q低吸 = Q放
式中，Q高吸是高温吸热介质在换热器高温段的吸热量；Q低吸是低温吸热介质在换热器低温段的吸热量；Q放是高温吸热介质在放热系统中的放热量，也即放热系统中吸热介质（通常是水蒸气）的吸热量。
对高温槽系统而言，吸热端为吸热介质在换热器高温段的吸热量，即上式中Q高吸；放热端可视为吸热介质从高温槽运行温度降到低温槽运行温度。吸热端吸热总量应始终等于放热端放热量。
对低温槽系统而言，吸热端为吸热介质在换热器低温段的吸热量，即上式中Q低吸；放热端可视为吸热介质从低温槽运行温度降到放热后返回低温槽的温度。吸热端吸热总量应始终等于放热端放热量。
同时，吸热介质在吸热系统中的流量也必须维持平衡状态，即从高温槽去放热系统的流量必须等同于从低温槽至高温槽的流量。
本发明就是通过高、低温双循环吸热系统的精准控温运行，产出足够高温度的吸热介质，以满足吸热介质在放热系统中的持续、高效放热，达到“持续稳定生产设定参数的热介质”的目的。
发明的效果对比
A. 单循环方式
如果按照单循环方式进行换热，因为单元高温物料的排量很小（只有70~200kg/h），要想把吸热介质加热到350~450℃，计算换热盘管管径只有5~8mm，这样很容易造成管内吸热介质过热分解，致使传热恶化，整个吸热系统无法正常运行。
B. 高、低温双循环方式采用高、低温双循环专用换热器（如图2所示），配合高、低温储能平衡循环槽，以及精准的自动控温系统，换热盘管管径从单循环方式的5~8mm增大到20~38mm，不再存在超温分解风险，且能将吸热介质加热到350~450℃甚至更高，完全能满足放热端对于温度、压力的参数要求。
这样就能高效回收工业小单元高温物料显热，从而产生巨大的经济价值和社会效益。
吸热介质的选择
选择一般工业物料煅烧或焙烧后的温度为700~1300℃，大多为固体或液体状态，蕴含的显热量较大且相对集中。要想高效回收高温物料显热，在吸热介质的选择上应该同时考虑以下因素：
①应具备良好的高温稳定性，保证在吸热、放热过程中能长期在较高温度下安全、稳定运行。
②因很多工业领域的高温物料产品存在大量粉尘及小颗粒，所以不能直接输送气体进入物料内部冷却；而如果气体在盘管内与高温物料进行换热，因气体的体积比热较小，冷却效果会相对较差。所以，应选择液体作为吸热介质，以满足在换热面积有限的条件下，也能够高效吸热同时将高温物料冷却至要求温度。
③应具备足够低的凝固温度。这样，在做系统设计时，吸热介质在吸热前的温度相应较低，才能够将高温物料冷却到较低的温度，同时有利于整个系统换热效率的提升。
综合各方面因素，本设备使用的吸热介质主要有以下两种：
a. 储能油（导热油），适用于运行温度不高于300℃的显热回收系统（仅能生产低温低压蒸汽）。包括以下组分（按质量百分比）：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%。
b. 储能盐（专利多元盐），适用于运行温度不高于550℃的显热回收系统（能生产500℃以下参数蒸汽）。包括以下组分（按质量百分比）：碳酸钠20~22%，氯化钾9~10%，硝酸钠40~45%，亚硝酸钾12~14%，硫酸钠16~8%。
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)

1.一种利用高、低温双循环技术回收工业小单元物料显热的系统，其特征在于：包括换热器（1）、低温循环槽（2）、高温循环槽（3）、低温循环泵（4）和高温循环泵（5），所述低温循环槽（2）内储存有低温吸热介质，所述高温循环槽（3）内储存有高温吸热介质，所述换热器（1）具有高温循环出口管（1.1）、低温循环进口管（1.2）、高温循环进口管（1.3）和低温循环出口管（1.4），所述低温循环槽（2）的低温循环出口管（2.1）和低温循环进口管（2.2）分别通过一管道与换热器上的低温循环进口管（1.2）和低温循环出口管（1.4）相连通，所述高温循环槽（3）的高温循环出口管（3.1）和高温循环进口管（3.2）分别通过一管道与换热器上的高温循环进口管（1.3）和高温循环出口管（1.1）相连通，所述低温循环出口管（2.1）和低温循环进口管（1.2）之间的管道上安装有低温循环泵（4），所述高温循环出口管（3.1）和高温循环进口管（1.3）之间的管道上安装有高温循环泵（5），所述低温循环槽（2）还具有连通放热系统的外接进口管（2.3），所述高温循环槽（3）还具有连通放热系统的外接出口管（3.3）。
2.根据权利要求1所述的利用高、低温双循环技术回收工业小单元物料显热的系统，其特征在于：还包括高低温平衡管（6），所述高低温平衡管（6）的一端与低温循环槽（2）的内腔相连通，所述高低温平衡管（6）的另一端与高温循环槽（3）的内腔连通，所述高低温平衡管（6）上安装有平衡泵（7），平衡泵（7）可将低温循环槽（2）中的吸热介质直接输送至高温循环槽（3）内，用于实现吸热系统吸热介质的流量平衡及热量平衡。
3.根据权利要求2所述的利用高、低温双循环技术回收工业小单元物料显热的系统，其特征在于：所述换热器（1）包括中空设置的换热器外壁（1.7）和设置在所述换热器外壁（1.7）内的换热组件，所述换热组件包括两个螺旋状的换热管，螺旋状的所述换热管中心围合成内环换热通道，可以是单通道、双通道或三通道，甚至更多通道。
4.根据权利要求3所述的利用高、低温双循环技术回收工业小单元物料显热的系统，其特征在于：所述换热组件包括二个螺旋状的换热管，分别是上层高温换热管（1.8）和下层低温换热管（1.9），上层高温换热管（1.8）和下层低温换热管（1.9）分别分布在回收器外壁（2）的内上部和内下部，上层高温换热管（1.8）和下层低温换热管（1.9）中心分别围合成内环换热通道，上层高温换热管（1.8）在上端和下端上分别连通有高温循环出口管（1.1）和高温循环进口管（1.3），下层低温换热管（1.9）在上端和下端上分别连通有低温循环出口管（1.4）和低温循环进口管（1.2），高温循环出口管（1.1）、低温循环进口管（1.2）、高温循环进口管（1.3）和低温循环出口管（1.4）均贯穿所述换热器外壁（1.7）延伸至换热器外壁（1.7）外。
5.根据权利要求4所述的利用高、低温双循环技术回收工业小单元物料显热的系统，其特征在于：所述上层高温换热管（1.8）和下层低温换热管（1.9）均具有光滑的外环周面，其中螺旋状的所述上层高温换热管（1.8）和下层低温换热管（1.9）的外环周面和所述换热器外壁（1.7）内环周面接触。
6.根据权利要求5所述的利用高、低温双循环技术回收工业小单元物料显热的系统，其特征在于：所述换热器外壁（1.7）的上下两端分别为高温物料进料口（1.5）和高温物料出料口（1.6），所述换热器外壁（1.7）的截面为中空的圆形或矩形，螺旋状的所述上层高温换热管（1.8）和下层低温换热管（1.9）的外环周面均与换热器外壁（1.7）的形状相适配，所述高温物料进料口（1.5）和高温物料出料口（1.6）均与内环换热通道相连通。
7.根据权利要求6所述的利用高、低温双循环技术回收工业小单元物料显热的系统，其特征在于：所述低温循环槽（2）包括槽体A（2.4），槽体A（2.4）内储存有低温吸热介质，所述槽体A（2.4）上连通有低温循环出口管（2.1）、低温循环进口管（2.2）、外接进口管（2.3）及高低温平衡管（6），低温循环出口管（2.1）及进入高低温平衡管（6）的出液口设在低温槽的底部。
8.根据权利要求7所述的利用高、低温双循环技术回收工业小单元物料显热的系统，其特征在于：所述高温循环槽（3）包括槽体B（3.4），槽体B（3.4）内储存有低温吸热介质，所述槽体B（3.4）上连通有高温循环出口管（3.1）、高温循环进口管（3.2）、外接出口管（3.3）和高低温平衡管（6），高温循环出口管（3.1）及外接出口管（3.3）的出液口设在高温槽的底部。
9.根据权利要求8所述的利用高、低温双循环技术回收工业小单元物料显热的系统，其特征在于：所述外接出口管（3.3）上安装有输送泵（8），通过所述输送泵（8）将高温吸热介质泵送至放热系统放热。
10.根据权利要求9所述的利用高、低温双循环技术回收工业小单元物料显热的系统，其特征在于：所述上层高温换热管（1.8）和下层低温换热管（1.9）的管径从单循环方式的5~8mm增大到20~38mm，不再存在超温分解风险，且能将吸热介质加热到350~450℃甚至更高。
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