CN213873849U - 用于回收炼钢厂转炉高温烟气余热的储热节能系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种用于回收炼钢厂转炉高温烟气余热的储热节能系统，包括管道组件、蒸汽冷却系统和熔盐储热发电系统，管道组件包括同时与汽化冷却通道相连通的第一烟气分通道和第二烟气分通道，汽化冷却通道、第一烟气分通道和第二烟气分通道构成三通管道，三通管道上设置有三通阀；蒸汽冷却系统包括蒸发冷却器，蒸发冷却器安装在第一烟气分通道内，熔盐储热发电系统包括熔盐吸热器，熔盐吸热器安装在第二烟气分通道内。本案的储热节能系统通过增加了熔盐储热发电系统，实现了中低温烟气废热的连续性和高品质利用，安全高效的回收了中低温的余热，由此产生的电能可以24小时连续供应，实现了余热回收的连续性。

Description

用于回收炼钢厂转炉高温烟气余热的储热节能系统

技术领域

本实用新型涉及余热回收领域，特别涉及一种能够用于回收炼钢厂转炉高温烟气余热的储热节能系统。

背景技术

现有技术中，对炼钢厂转炉排放的烟气通常采用干法除尘系统。如图1所示，转炉高温烟气经汽化冷却烟道冷却，烟气温度降为约900℃，然后通过蒸发冷却器降温、除尘，温度降至约250℃。冷却后的烟气经粗灰香蕉弯和管道进入圆筒形静电除尘器进行精除尘。从静电除尘器的烟气经管道送至引风机，由引风机升压后进入煤气切换站。当烟气符合煤气回收条件时，烟气由密闭杯阀切换至煤气冷却器，煤气经过冷却后温度降至 70℃左右再进入转炉煤气柜；当烟气不符合煤气回收条件时，烟气由密闭杯阀切换至放散烟囱，然后通过烟囱点火放散。

蒸发冷却器下方香蕉弯收集的粗灰通过气动插板阀和气动双层卸灰阀进入粗灰仓，储存在粗灰仓内的灰尘定期用汽车外运集中处置。静电除尘器除下的细灰由内置高温刮板输灰机输送，细灰经刮板输灰机、斗式提升机送入细灰仓储存，在细灰仓下方设置插板阀、星形卸灰阀和双轴粉尘加湿机，细灰定期由汽车外运集中处置。

上述的烟气余热回收技术主要存在如下两个问题：一、余热回收不充分：转炉烟气采用的干法除尘系统，仅实现了烟气中化学能的回收，但对烟气显热的回收并不充分，仅采用汽化冷却的方式回收烟气中900℃以上高温显热，然后通过喷水进行冷却和粗除尘，造成烟气900℃以下中温显热的浪费，并由此带来水资源消耗、环境污染和能源的高消耗，严重制约了炼钢转炉工序能耗水平的提高；二、余热回收利用不连续：由于转炉炼钢具有不连续的特点，导致余热回收系统在出钢、倒渣期间无法正常回收余热，造成系统间歇性工作，从而引起其他关联系统频繁启停，不仅大大增加了工作量，还不利于设备长期稳定运行。

实用新型内容

为了解决上述技术问题，本实用新型的目的提供一种用于回收炼钢厂转炉高温烟气余热的储热节能系统，以解决现有的转炉烟气显热吸收不充分以及由此带来的水资源消耗、环境污染和能源的高消耗的问题。

为了实现上述实用新型的目的，本实用新型采用如下技术方案：一种用于回收炼钢厂转炉高温烟气余热的储热节能系统，所述的炼钢厂转炉包括具有排烟口的转炉和所述转炉排烟口相连通的汽化冷却烟道，所述的储热节能系统包括管道组件、蒸汽冷却系统和熔盐储热发电系统，所述的管道组件包括同时与所述汽化冷却烟道相连通的第一烟气分通道和第二烟气分通道，所述的汽化冷却烟道、所述的第一烟气分通道和所述的第二烟气分通道构成三通管道，所述的三通管道上设置有三通阀；所述的蒸汽冷却系统包括蒸发冷却器和汽包，所述的蒸发冷却器安装在所述的第一烟气分通道内；所述的熔盐储热发电系统包括至少一组熔盐吸热器、至少一个熔盐储热罐、熔盐阀、熔盐管路、蒸汽发生系统、汽轮机以及发电机，所述的至少一个熔盐吸热器安装在所述的第二烟气分通道内，所述的三通阀与一控制装置相信号连接，所述的汽化冷却烟道内设置有用于对流过所述汽化冷却烟道内的烟气流量、压力和温度进行检测的烟气检测单元，所述的烟气检测单元与所述的控制装置相信号连接，所述的控制装置能够基于所述烟气检测单元的检测结果控制所述三通阀的关闭、开启以及开启状态下的开度。

上述技术方案中，优选的，所述的熔盐储热发电系统包括多组并联设置的熔盐吸热器，多组所述的熔盐吸热器分别分段安装在所述第二烟气分通道的各区间段内。

上述技术方案中，优选的，所述的熔盐吸热器包括多根上下迂回的蛇形换热管、同时与所述多根蛇形换热管的一端部相连通的冷熔盐进口管、同时与所述多根蛇形换热管的另一端部相连通的热熔盐出口管以及若干个用于将所述的熔盐吸热器安装于所述的汽化冷却烟道内的快拆式安装支架。

上述技术方案中，优选的，所述的熔盐储热发电系统包括电伴热系统，所述的电伴热系统包括电伴热带，所述的电伴热带缠绕在所述熔盐储热罐、熔盐阀以及熔盐管路上。

上述技术方案中，优选的，所述的蒸汽发生系统包括用于给水预热的预热器、用于产生饱和蒸汽的蒸汽发生器、用于将饱和蒸汽加热成高温高压过热蒸汽的过热器以及再热器，所述的预热器、蒸汽发生器以及再热器均是利用所述熔盐储热罐内的高温熔盐进行加热。

上述技术方案中，优选的，所述的第一烟气分通道和第二烟气分通道上均设置有与一灰仓相连通的排灰口。

上述技术方案中，优选的，所述的熔盐储热发电系统中仅设置有单一熔盐储热罐。

本实用新型在原有余热回收技术上，增加了熔盐储热发电系统，实现了中低温烟气废热的连续性和高品质利用，安全高效的回收了中低温的余热，将低品位的热能转变为高品位的电能，由此产生的电能可以24小时连续供应，实现了余热回收的连续性，有利于各项设备的长期稳定运行。熔盐储热的使用，使蒸汽在熔盐储热发电系统中循环利用，减少喷淋水的使用，实现余热的充分利用和超低排放的目的。

附图说明

图1是本实用新型提供的用于回收炼钢厂转炉高温烟气余热的储热节能系统的流程示意图。

图2是本实用新型提供的熔盐储热发电系统流程示意图。

图3是本实用新型提供的熔盐吸热器示意图。

图4是本实用新型提供的熔盐吸热器左视图。

图5是本实用新型提供的蒸汽发生器结构示意图。

图6是本实用新型提供的蒸汽发生器俯视图。

图7是本实用新型提供的过热器结构示意图。

图8是本实用新型提供的过热器俯视图。

其中：1、转炉；101、排烟口；102、汽化冷却烟道；103、第一烟气分通道；104、第二烟气分通道；105、三通阀；106、熔盐阀；107、烟气检测单元；110、控制装置；200、蒸汽冷却系统；2、蒸汽冷却器；20、汽包；3、熔盐吸热器； 4、静电除尘器；5、引风机；6、净煤气分析仪；7、煤气冷却器；8、煤气柜；9、放散烟囱；10、点火装置；11、粗灰仓；12、粗灰仓；13、细灰仓；300、熔盐储热发电系统；301、熔盐储热罐；302、过热器；303、蒸汽发生器；304、预热器；305、再热器；306、汽轮机；307、凝汽器；308、除氧器；309、给水泵；310、发电机；311、冷熔盐泵；312、热熔盐泵；313、电伴热带；31、冷熔盐进口管，32、快拆式安装支架；33、冷熔盐总管；34、蛇形换热管；35、熔盐吸热器外壳；36、热熔盐总管；37、热熔盐出口管；3031、蒸汽出口；3032、给水进口；3033、U型换热管；3034、热熔盐进口；3035、冷熔盐出口；3036、蒸汽发生器外壳；3021、热熔盐进口；3022、冷熔盐出口；3023、U型换热管；3024、饱和蒸汽进口；3025、过热蒸汽出口；3026、过热器外壳。

具体实施方式

为详细说明实用新型的技术内容、构造特征、所达成目的及功效，下面将结合实施案例并配合附图予以详细说明。

参见图1、2，其示出了一种用于回收炼钢厂转炉高温烟气余热的储热节能系统流程，转炉1带有排烟口101，汽化冷却烟道102与排烟口101接通应将转炉1内的高温烟气转移到外界。本例中，汽化冷却烟道102与位于其下游的第一烟气分通道103和第二烟气分通道104接通，汽化冷却烟道102、第一烟气分通道103和第二烟气分通道104构成的三通管道。第一烟气分通道103内设置有传统蒸汽冷却系统200中的蒸汽冷却器2，蒸汽冷却系统200还包括汽包20。第二烟气分通道104内设置有熔盐储热发电系统300的熔盐吸热器3，第一烟气分通道103和第二烟气分通道104的下游设置有静电除尘器4，静电除尘器4的下游依次设置有引风机5和净煤气分析仪6。净煤气分析仪6下游分成两路，一路连接带有点火装置10的分散烟囱9，另一路接带有煤气柜8的煤气冷却器7。

汽化冷却烟道102内还设置有能够至少对高温烟气的温度、流量以及压力进行检测的烟气检测单元107，由汽化冷却烟道102、第一烟气分通道103和第二烟气分通道104构成的三通管道中设置有三通阀105，烟气检测单元107和三通阀105均与控制装置110相信号连接，控制装置110能够基于烟气检测单元107反馈的烟气温度、流量以及压力参数来控制三通阀105的开、关以及阀门开度。具体为：高温烟气经过烟气检测单元107的感应，在控制装置110的控制下将分别或择一进入第一烟气分通道103和第二烟气分通道104中。在实际工作时，温度较高的高温烟气（约900℃以上）将进入第一烟气分通道103，中低温烟气（900℃以下）将进入到第二烟气分通道104内；这样，进入第一烟气分通道103的高温烟气在蒸汽冷却器2经喷水冷却后降温为低温烟气以实现热量回收，被加热后的蒸汽将进入汽包20中；进入第二烟气分通道104的中低温烟气在与熔盐吸热器3热量交换后，被熔盐吸热器3吸收余热后降温为低温烟气；第一烟气分通道103和第二烟气分通道104内的烟气在经过冷却后，炉渣分别进入第一粗灰仓11和第二粗灰仓12；两路烟气被回收大部分热量后，将重新汇合并进入静电除尘器4，随后在再由引风机5的作用进入到净煤气分析仪6中分离，合格的煤气进入煤气冷却器7并存储在煤气柜8中，废气进入分散烟囱9分散并在点火装置10的作用下燃烧放散。

因此，本例中由转炉1排出的烟气，温度较高的烟气进入蒸汽冷却器2，经喷水冷却后，炉渣进入粗灰仓11，剩余烟气进入静电除尘器4；中低温烟气（约900℃以下）进入熔盐吸热器3，经熔盐储热发电系统300冷却后，炉渣进入粗灰仓12，剩余烟气进入静电除尘器4；由蒸汽冷却器2及熔盐吸热器3分离出的烟气经由静电除尘器4后，灰尘进入细灰仓13，由引风机5将剩余烟气送入到净煤气分析仪6中，分离出合格的煤气，由煤气冷却器7冷却后存入煤气柜8，废气送入放散烟囱9，由点火装置10点燃放散。

如图2所示，熔盐储热发电系统300除了熔盐吸热器3外，还包括熔盐储热罐301、蒸汽发生器303、过热器302、再热器305（可选）、预热器304、汽轮机306、发电机310、熔盐泵（冷熔盐泵311，热熔盐泵312）、熔盐阀106、伴热系统、辅机系统等几大主要部件组成。

熔盐吸热器3布置在汽化冷却烟道102后第二烟气分通道104内，与蒸发冷却器2并联。本例中，熔盐吸热器3有多组，并且多组熔盐吸热器3沿着第二烟气分通道104分段并联安装；控制装置110可以通过熔盐阀106控制每个熔盐吸热器3中的熔盐流量，调整温度。熔盐吸热器3吸收来自汽化冷却烟道102的900℃中温余热并将排烟温度降低至250℃，同时冷熔盐吸收烟气余热升温至425℃，作用到熔盐储热发电系统300内，系统内的水/蒸汽经过热熔盐的换热后，在汽轮机306做功下，由热能转化为电能，最终由发电机310实现电能生产。

如图3-4所示，熔盐吸热器3采用蛇形换热管34交错排布，增加单位体积内的换热面积，节省空间；熔盐吸热器3的上下均有快拆式安装支架32，便于安装维修。

熔盐储热罐301采用单罐储热，在转炉1运行频繁，单次冶炼过程间歇时间较短的情况下，采用单罐储热，保证储热需求同时可以大幅度降低成本。

蒸汽发生系统由预热器304、蒸汽发生器303、过热器302、再热器305组成，预热器304主要利用高温熔盐加热来自给水泵的给水，蒸汽发生器303用于产生饱和蒸汽，过热器302用于将饱和蒸汽加热成高温高压的高品质过热蒸汽，再热器305用于使汽轮机306中压缸中抽取的部分抽汽达到过热状态后再次进入汽轮机306高压缸做功，以此提高发电效率。另外高温熔盐经由蒸汽发生系统后，熔盐降温至205℃，再次进入熔盐吸热器3使用，减少熔盐总用量，节省资金。

如图5所示，蒸汽发生器303在壳体上下均有若干排孔，下部为给水进口3032，经过预热后的给水由此进入蒸汽发生器303，经U型换热管3033加热后形成饱和蒸汽，从上部的蒸汽出口3031输出。

如图6所示，热熔盐由热熔盐进口3034进入蒸汽发生器303内的U型换热管3033，与预热给水进行换热，换热后的冷熔盐由冷熔盐出口3035输出。

如图7，8所示，过热器外壳3026为圆柱体，内部也设置了和蒸汽发生器303类似的U型换热管3023，熔盐储热罐301中的热熔盐从热熔盐进口3021进入过热器302，将从饱和蒸汽进口3024中进入的饱和蒸汽再次加热到过热状态，由过热蒸汽出口3025输出到汽轮机306，降温后的熔盐从冷熔盐出口3022送到熔盐吸热器3重新吸热。

预热器304与再热器305的工作原理同过热器302类似，在此不再赘述。

汽轮机306是熔盐储热发电系统300的核心动力设备，是实现热能向电能转换的关键设备；发电机310是实现电能生产的关键设备。目前在国内外汽轮机306与发电机310均已有比较成熟的产品。

熔盐是储热和传热介质，用于储热和传热的熔盐主要有三元盐和二元盐两类，三元盐通常是7% NaNO₃、40% NaNO₂、53% KNO₃混合物，二元盐通常是60% NaNO₃、40% KN0₃混合物，由于二元盐凝固点约为207℃，不适用于中低温热利用系统，三元盐的凝固点为142℃，所以选用三元熔盐作为熔盐储热发电系统300的储热和传热介质。

如图2所示，熔盐泵作为输送熔盐的关键设备，本例中分为冷熔盐泵311、热熔盐泵312两大类。冷熔盐泵311用于从预热器304、熔盐储热罐301、再热器305向熔盐吸热器3泵送与水/蒸汽换热之后的低温熔盐；热熔盐泵312用于从熔盐储热罐301向过热器302、再热器305泵送未经换热的高温熔盐。熔盐吸热器3和熔盐储热罐301之间不设置热熔盐泵312，来自熔盐吸热器3的高温熔盐依靠重力流向熔盐储热罐301。

熔盐阀106是用于各个关键储热、换热设备之间的关键阀门，一般包括截止阀、调节阀等几种。在熔盐储热发电系统300中，控制装置110可以根据实际温度情况控制熔盐阀106的开关及开启状态下的开度，对熔盐管路中的熔盐流量实现控制，调节各设备的温度。

由于熔盐具有低温凝固的缺点，因此，在采用熔盐储热发电的电站中，伴热系统必不可少，在熔盐储热发电系统300中，电伴热系统主要包含电伴热带313和控制装置110，通过在熔盐储热罐301、熔盐阀106、熔盐管路等部位缠绕电伴热带313，结合控制装置110，将冷熔盐温度控制在180℃以上，确保熔盐不发生凝固，保障熔盐储热发电系统300的安全可靠。

辅机系统主要包括凝汽器307、除氧器308、疏水加热器、给水泵309等组成，此部分和现有燃煤电站相同，容易获得物美价廉的成熟产品。

在转炉1运转情况下，每个吹炼周期约25min，如图2流程图所示，以熔盐吸热器3进、出口作为参考段，进口中温烟气温度（T_high）为900℃，进口中温烟气风量（v）为10万m³/h，出口低温烟气温度（T_low）为250℃，中温烟气连续产气时间为20min，中温烟气停止产气时间为5min，低温熔盐设计温度为205℃，高温熔盐设计温度为425℃，给水设计温度为180℃，过热蒸汽设计温度为400℃，过热蒸汽设计压力为10.0MPa，过热蒸汽流量为8.15t/h。

烟气物性参考标准烟气，具体参数如下：

根据以上参数计算出可回收的烟气余热功率为：

Q_loss=ρqvCp（T_high-T_low）=0.301×（10⁵÷3600）×1.290×（900-250）=7010kW

由此可知，在冶炼期间转炉1排放的烟气热功率约为7.01MW，但考虑到转炉1排烟具有工作20min，间歇5min的工作特性，因此实际可用热功率为排烟热功率的四分之三，即实际可回收利用的余热热功率约为5.26MW。参考当前小型亚临界燃煤机组的发电效率，将此处热电转换效率取值35%，则单台炼钢转炉利用转炉1烟气余热每小时可提供1.84MWh的电能。由此可见，利用熔盐储热发电系统300进行余热回收利用将有良好的经济效益。

在上述条件下，利用熔盐从烟气中回收热量，冷熔盐由205℃升温至425℃变成热熔盐，因此根据热平衡和烟气最大热功率可得到熔盐吸热器3的换热面积为：

A=Q_loss÷K÷（t_hot-t_cold）=7010×1000÷800÷（425-205）=39.83m²

此处计算参考光热发电熔盐吸热器，将熔盐吸热器3传热系数（K）取值800 W/(m²·K),得出熔盐吸热器3换热面积约为43.81m²，按照10%的设计余量，可得出熔盐吸热器3实际传热面积约为35m²。

根据示例中烟气实际流动情况，初步将熔盐吸热器3设计为蛇形管换热器，烟气从烟道上部向下流过熔盐吸热器3，冷熔盐从熔盐吸热器3底部向上流动，吸收烟气热量成为热熔盐。根据相关设计规范和熔盐具有腐蚀性的特性，选用Φ25管径的625合金钢管作为熔盐吸热器3传热管，按照单根管长10m计算，结果表明仅需56根传热管即可满足需求，考虑到传热管将按照蛇形设计，因此，熔盐吸热器3体积将十分小巧，同样的，对应的其他换热器体积也将具有体积小的优势。

对于系统储热，本方案采用单罐储热的方式储存来自熔盐吸热器3的热熔盐，熔盐选用7% NaNO₃、40% NaNO₂、53% KNO₃三元熔盐，熔盐的物性参数如下：

根据热平衡，在排烟期间，吸收排烟余热所需要的熔盐量为：

M_salt=Q_loss×T÷Cp÷（t_hot-t_cold）=7010×10³×1200÷1660÷（425-205）=23.03t

由于采用单罐储热，不考虑长时间储热，按照10%的设计余量，计算得出25.3t熔盐即可满足示例熔盐储热电站正常运行，同时可以看出，示例中熔盐用量很少，可以节省大量资金。

本实用新型提供的一种回收炼钢厂转炉高温烟气余热的储热节能系统，能够实现中低温烟气废热的连续性和高品质利用，有利于增加收益；项目相关设备体积小，便于改造安装，模块化设计有利于提高改造效率，节省成本；关键设备熔盐吸热器3体积小巧，熔盐吸热器3以外设备通过熔盐管路连接，可有效避免与现有系统的干涉，同时大多数设备可以地面安放，安全可靠，维护方便。主要设备体积小巧，节省材料，制造成本低、周期短，熔盐储热经济型好，储热量大。熔盐储热发电系统300的应用，减少喷淋水的使用，蒸汽在系统内的循环利用，实现余热的充分利用和超低排放的目的。

上述实施案例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型精神所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于回收炼钢厂转炉高温烟气余热的储热节能系统，所述的炼钢厂转炉包括具有排烟口（101）的转炉（1）以及与所述转炉（1）的排烟口（101）相连通的汽化冷却烟道（102），其特征在于：所述的储热节能系统包括管道组件、蒸汽冷却系统（200）和熔盐储热发电系统（300），所述的管道组件包括同时与所述汽化冷却烟道（102）相连通的第一烟气分通道（103）和第二烟气分通道（104），所述的汽化冷却烟道（102）、所述的第一烟气分通道（103）和所述的第二烟气分通道（104）构成三通管道，所述的三通管道上设置有三通阀（105）；所述的蒸汽冷却系统（200）包括蒸发冷却器（2）和汽包（20），所述的蒸发冷却器（2）安装在所述的第一烟气分通道（103）内，所述的熔盐储热发电系统（300）包括至少一组熔盐吸热器（3）、至少一个熔盐储热罐（301）、熔盐阀（106）、熔盐管路、蒸汽发生系统、汽轮机（306）以及发电机（310），所述的至少一个熔盐吸热器（3）设置在所述的第二烟气分通道（104）内，所述的三通阀（105）与一控制装置（110）相信号连接，所述的汽化冷却烟道（102）内设置有用于对流过所述汽化冷却烟道（102）内的烟气流量、压力和温度进行检测的烟气检测单元（107），所述的烟气检测单元（107）与所述的控制装置（110）信号相连接，所述的控制装置（110）能够基于所述烟气检测单元（107）的检测结果控制所述三通阀（105）的关闭、开启以及开启状态下的开度。

2.根据权利要求1所述的用于回收炼钢厂转炉高温烟气余热的储热节能系统，其特征在于：所述的熔盐储热发电系统（300）包括多组并联设置的熔盐吸热器（3），多组所述的熔盐吸热器（3）分别分段安装在所述第二烟气分通道（104）的各区间段内。

3.根据权利要求1所述的用于回收炼钢厂转炉高温烟气余热的储热节能系统，其特征在于：各组所述的熔盐吸热器（3）包括多根上下迂回的蛇形换热管（34）、同时与所述多根蛇形换热管（34）的一端部相连通的冷熔盐进口管（31）、同时与所述多根蛇形换热管（34）的另一端部相连通的热熔盐出口管（37）以及若干个用于将所述的熔盐吸热器（3）安装于所述的汽化冷却烟道（102）内的快拆式安装支架（32）。

4.根据权利要求1所述的用于回收炼钢厂转炉高温烟气余热的储热节能系统，其特征在于：所述的熔盐储热发电系统（300）包括电伴热系统，所述的电伴热系统包括电伴热带（313），所述的电伴热带（313）缠绕在所述熔盐储热罐（301）、熔盐阀（106）以及熔盐管路上。

5.根据权利要求1所述的用于回收炼钢厂转炉高温烟气余热的储热节能系统，其特征在于：所述的蒸汽发生系统包括用于给水预热的预热器（304）、用于产生饱和蒸汽的蒸汽发生器（303）、用于将饱和蒸汽加热成高温高压过热蒸汽的过热器（302）以及再热器（305），所述的预热器（304）、蒸汽发生器（303）以及再热器（305）被设置成均是利用所述熔盐储热罐（301）内的高温熔盐进行加热。

6.根据权利要求1所述的用于回收炼钢厂转炉高温烟气余热的储热节能系统，其特征在于：所述的第一烟气分通道（103）和第二烟气分通道（104）上均设置有与一灰仓相连通的排灰口。

7.根据权利要求1所述的用于回收炼钢厂转炉高温烟气余热的储热节能系统，其特征在于：所述的熔盐储热发电系统（300）中仅设置有单一熔盐储热罐（301）。

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