一种钢铁冶金用的蒸汽发生器及其余热利用系统的制作方法

本发明提供了一种钢铁冶金用的蒸汽发生器及其余热利用系统，涉及钢铁冶金的余热利用领域，特别是涉及炼铁高炉铁水、铁渣的余热处理领域。

背景技术：

随着煤炭、石油、天然气等化石能源消耗量的不断攀升，以及由于能源消耗带来的环境负担，能源和环境问题已经成为全世界共同关注的重大问题。钢铁冶金行业作为能源的消耗大户，如果能够提高化石能源的利用率，不仅可以间接的创造可观的经济效益，更是对于环境治理做出巨大的贡献。目前钢铁产业高炉领域的余热项目主要有高炉煤气余压透平发电装置（简称TRT），高钛铁渣余热利用系统以及高炉冲渣水余热发电装置。

目前高炉煤气余压透平发电装置的技术已经相当成熟，在大型钢铁企业有着较高的应用，短期便能收回投入成本。但是对于铁水、铁渣的余热利用却不能发挥作用。高钛铁渣余热利用系统用惰性气体吸收渣坑铁的渣热量加以回收利用，具有较高的效率和用途的多样化，但是需要占用较多的空间，且凝固的铁渣处理依旧需要投入一定量的破碎成本。高炉冲渣水余热发电装置能吸收100℃左右的热能加以利用且有着较高的效率，但是对于高温位热能则无法利用。

技术实现要素：

为了解决以上问题，本发明提供了一种钢铁冶金用的蒸汽发生器能够有效回收高、低温位热能。

本发明的技术方案如下：一种钢铁冶金用的蒸汽发生器，包括壳体，所述壳体内设置有回收区，所述回收区内安装有渣铁通管，所述渣铁通管竖直贯穿壳体，所述渣铁通管的出口下方设置有破碎装置，所述回收区外设置有工质区，所述工质区设置有工质进口、工质出口和工质蒸汽出口，所述回收区设置有热水进口、热水出口和水蒸气出口。

本发明技术方案还包括：所述工质区外设置有二次回收区，所述二次回收区的下部与回收区连通，所述二次回收区的上部设置冷媒入口。

本发明技术方案还包括：所述渣铁通管包括耐热套管和耐热衬管，所述耐热衬管嵌套在耐热套管内。

本发明技术方案还包括：所述壳体外部安装有工质液位计和水液位计，所述工质液位计连通工质区，所述水液位计连通回收区。

本发明技术方案还包括：所述二次回收区内水平安装有至少一段槽钢，所述槽钢的上端面上设有至少一个漏水口。

本发明技术方案还包括：所述破碎装置包括料柱固定组件和破碎杆，所述破碎杆位于料柱固定组件的下方，所述破碎杆与驱动装置连接。

本发明技术方案还包括：所述料柱固定组件为两个并列设置的弧形滚轴，所述两个弧形滚轴的弧形部分在水平面形成圆孔，圆孔的半径与耐热衬管半径相同。

本发明还提供了一种钢铁冶金用的余热利用系统，其技术方案如下：包括循环系统，所述循环系统包括至少一个膨胀机和回热器，所述蒸汽发生器与膨胀机连通，所述膨胀机与回热器连通，所述回热器连接有冷凝器，所述冷凝器连接有工质泵，所述工质泵与回热器连通，所述回热器与蒸汽发生器连接，循环利用工质，有效节约能源。

本发明技术方案还包括：所述膨胀机包括连通发电机，提高对钢铁冶金的余热的利用率。

本发明技术方案还包括：所述蒸汽发生器的水蒸气出口处设置有水泵，所述水泵下端深入回收区液面内，所述水泵距离液面的液位高度为回收区液体液位高度的七分之一到五分之一，所述自吸泵连通供暖系统，提高对钢铁冶金的余热的利用率。

高炉渣的潜热约为：h=187kj/kg，一个40吨的渣罐所释放的潜热与显热合计，约相当于3.22吨标准煤的发热量。铁水的潜热约为：h=121kj/kg,一个40吨的铁罐所释放的潜热与显热合计，约相当于2.08吨标准煤的发热量。可见，在高炉的炼铁领域，能源的可利用空间是非常大的。

本发明的有益效果为：本发明为了提高钢铁冶金产生的余热的利用率，改变了传统蒸汽发生器的结构，分设工质区和回收区，回收区内的热水与竖直安装在回收区内、贯穿回收区上下的渣铁通管进行热交换，加热回收区内的热水产生蒸汽排出，从而进行下一步利用；工质区位于回收区外，能够收集回收区外散的热量，从而加热工质区内部的工质，产生工质蒸汽排出从而进行下一步利用，有效提高了高位热能的利用率。

待渣铁及铁水在下降的过程中逐渐冷却成料柱，在重力作用下向下运动，在渣铁出口下方安装的破碎装置对料柱进行破碎处理，能够保证设备的正常运行。

此外工质区也可作为保温区，对回收区的保温提供支持，减少热能的损耗。

本发明的蒸汽发生器不仅能回收铁水、铁渣的热量有效回收钢铁冶金产生的高、低温热能，减少自身的热损，并且整体结构简单，取材方便，能够有效地节约成本，并保证对钢铁冶金产生的余热有较好的利用效果，具有良好的实用性和市场推广价值。

附图说明

图1为本发明蒸汽发生器的正面剖视示意图；

图2为本发明蒸汽发生器的侧面示意图；

图3为本发明蒸汽发生器的俯视示意图；

图4为本发明蒸汽发生器的破碎装置正视示意图；

图5为本发明蒸汽发生器的破碎装置左视示意图；

图6为本发明蒸汽发生器的破碎装置俯视示意图；

图7为本发明蒸汽发生器的耐热不锈钢管的嵌套结构示意图；

图8为本发明余热利用系统流程图。

其中，1、冷媒入口，2、连接管，3、热水进口，4、工质进口，5、水蒸气出口，6、工质蒸汽出口，7、渣铁进口，8、渣铁通管，81、耐热套管，82、耐热衬管，9、槽钢，10、热水出口，11、工质出口，12、渣铁出口，13、工质液位计，14、水液位计，15、工质区观察孔，16、回收区观察孔，17、料柱，18、弧形滚轴，19、破碎杆，20、二次回收区，21、工质区，22、回收区。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步介绍。

同时，由于下文所述的只是部分实施例，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

一种钢铁冶金用的蒸汽发生器，包括壳体，所述壳体内设置有回收区22，所述回收区22内安装有渣铁通管8，所述渣铁通管8竖直贯穿壳体，所述渣铁通管8的出口下方设置有破碎装置，所述回收区22外设置有工质区21，所述工质区21设置有工质进口4、工质出口11和工质蒸汽出口6，所述回收区22设置有热水进口3、热水出口10和水蒸气出口5。

在回收区22的顶端和底部由高强度的渣铁通管8贯穿，回收区22通过吸收铁水或铁渣的热量将水加热，直至沸腾，水蒸气在通过液面之上的加热区继续吸收能量，具有一定的压力，然后通过管道到达汽轮机，推动汽轮机做功，将热能转化为机械能，最终变为电能。

回收区22所对应的为常规的水蒸气朗肯循环系统。工质区21对应的则是通过向工质区21填充低沸点的有机物（五氟丙烷，沸点15.3℃，做制冷剂时，代号为R245fa）为工质的有机朗肯循环系统。有机朗肯循环在回收显热方面有较高的效率，通过吸收工质区21与回收区22之间钢板的热量，可以回收较多的热能，生成具有一定压力和温度的蒸汽，从工质蒸汽出口6进入汽轮机膨胀做功，继而产生电力，将原本散失到环境中的热量进一步利用。

所述渣铁通管8为耐高温材料管（能耐1580℃以上高温）。也可以选用耐高温腐蚀金属材料如耐热不锈钢管作为渣铁通管，目前耐热不锈钢的常年工作温度已经达到1200℃，相对于铁渣、铁水1000℃左右的温度，完全可以满足使用条件。

实施例1：所述工质区21外设置有二次回收区20，所述二次回收区20的下部与回收区22连通，所述二次回收区22的上部设置冷媒入口1。冷水通过自上而下的流动，将二次回收区与工质区之间的钢板热量通过底端的管道带入回收区22进一步加以利用，实现能量损失的最小化。

实施例2：所述渣铁通管8包括耐热套管81和耐热衬管82，所述耐热衬管82嵌套在耐热套管81内。耐热套管81能够起到保护耐热衬管82的作用，如避免耐热衬管82内外温度差较大而产生热应力变形，保证其正常的使用，从而确保工作效率。

当耐热衬管82磨损到一定程度时，可以在检修时对耐热衬管82进行更换，节省成本。所述耐热衬管82与耐热套管81通过法兰连接并固定在蒸汽发生器的壳体上。

所述耐热套管的两端分别焊接在第二法兰的内壁上，所述第一法兰焊接在渣铁通管安装口的外侧。所述第二法兰与第一法兰通过紧固件连接。耐热衬管则通过顶端焊接第三法兰，固定在第二法兰的上面。所述第三法兰与第二法兰不通过紧固件连接

耐热套管和耐热钢管优选耐热不锈钢管，其具有降低成本、导热性好、耐高温不会发生卡料的情况。

通过对耐热不锈钢衬管或其他耐高温腐蚀金属材料的厚度进行设计，可以保证耐热不锈钢套管所承受的温度远低于其能承受的物理极限。耐热套管的作用为耐高温、抗拉伸，抗蠕变，衬管的作用为耐高温、抗腐蚀、耐磨损。通过对衬管的厚度进行调整，以实现对加热区的不锈钢管热辐射进行调控。比如衬管薄，不锈钢管的温度就高，这就有可能会接近他的物理极限。反之，温度就低，影响加热蒸汽的效果，因此，对耐热衬管的厚度进行适当的调整，可以使不锈钢管的温度在一个适当的范围上波动。

实施例3：在以上实施例的基础上进行改进，所述壳体上设置有工质区观察孔15和回收区观察孔16，设备检修时观察内部情况使用，如有无水垢、管道是否应该更换等等。

实施例4：在以上实施例的基础上进行改进，所述壳体外部安装有工质液位计13和水液位计14，所述工质液位计13连通工质区21，所述水液位计14连通回收区22，便于施工人员观察、调控。

实施例5：在以上实施例的基础上进行改进，所述二次回收区20内水平安装有至少一段槽钢9，所述槽钢9的上端面上设有至少一个漏水口，以控制冷水自上而下的一层一层缓慢流动来吸收热量。当冷水流到底部时，就已经变成了热水。事实上，冷却区的的水量是有限的，保护壳体的温度不高就可以了。壳体温度高了，长时间会影响设备寿命。因此，在横向的槽钢上只需留有几个孔就能满足要求了。

实施例6：所述破碎装置包括料柱固定组件和破碎杆19，所述破碎杆19位于料柱固定组件的下方，所述破碎杆19与驱动装置连接。所述料柱固定组件为两个并列设置的弧形滚轴18，所述两个弧形滚轴18的弧形部分在水平面形成圆孔，圆孔的半径与耐热衬管82半径相同。

具体操作过程如下：设备投入运行时，首先将渣铁通管8的管道下端填塞大颗粒的铁末或者铁渣，从下端往上，颗粒逐渐细碎，然后压牢填实，生产时，铁水或铁渣覆盖在渣铁通管8进口的上面（此时的渣铁通管8进口已经浇筑了耐高温材料），然后启动蒸汽发生器下方的破碎装置，使填充在渣铁通管8中的填充物依次下落，随着冷却时间的不断增加，渣铁逐渐放出热量，缓慢结晶，凝结为固体，以料柱的形式出现，且料柱的直径比耐热衬管82的直径小（热胀冷缩），当管道中的填充物全部排除，则料柱由于重力作用自动到达底部的破碎装置，依据冷却的情况，逐级破碎。

回收区22中的水经加热，迅速的升温，然后汽化为水蒸气，在由湿饱和蒸汽变为干饱和蒸汽的过程中，持续吸收液面之上渣铁通管8的辐射热并最终成为过热蒸汽，也就是变为具有一定压力的气体，经出气阀门到达汽轮机，推动透平机做功发电。

当回收区22的水温逐渐升高且恒定持续时，处于工质区21的五氟丙烷已经先一步吸收钢板的热量然后汽化，变为具有一定压力的气体，经阀门到达汽轮机，推动透平机做功，实现二次发电。即便是处于回收区的热量已经停止一段时间，处于工质区21的系统依然能够运行很长时间。因为五氟丙烷的沸点很低，只有15.3℃，比热容也小，所以假设的情况是渣铁进口已经停止供料，此时回收区的热源停止供应，因为水的比热大，所以，工质区21依然可以继续吸收来自回收区22的热量来产生过热蒸汽，直到两端的温度基本持平。

实施例7：当暂时不具备安装有机朗肯循环系统，比如资金不到位，场地还不具备施工条件或者有机朗肯循环系统正在建设之中时，此时的工质区的工质为水，通过工质蒸汽出口连接供暖系统。

实施例8：在设置有二次回收区的情况下，当暂时不具备安装有机朗肯循环系统，比如资金不到位，场地还不具备施工条件或者有机朗肯循环系统正在建设之中时，此时的工质区的工质为水，工质进口设置在在壳体的较上部位，如冷媒入口1的左右两侧位置，备用管道分别连接外部和工质区内部。由于工质区的温度最多与回收区的温度相持平，且有冷媒在一旁冷却，因此不会沸腾，可以起到保温的作用。

本发明还提供了一种钢铁冶金用的余热利用系统，包括循环系统，所述循环系统包括至少一个膨胀机和回热器，所述蒸汽发生器与膨胀机连通，所述膨胀机与回热器连通，所述回热器连接有冷凝器，所述冷凝器连接有工质泵，所述工质泵与回热器连通，所述回热器与蒸汽发生器连接，循环利用工质，有效节约能源。

实施例1：所述膨胀机包括连通发电机，提高对钢铁冶金的余热的利用率。

实施例2：所述蒸汽发生器的水蒸气出口处设置有水泵，如自吸泵，所述自吸泵的下端深入回收区22液面内，所述水泵距离液面的液位高度为回收区液体液位高度的六分之一左右，所述自吸泵连通供暖系统，提高对钢铁冶金的余热的利用率。

与现有的技术相比，本发明的优点是用途的多样化与较高的热源利用率。不仅能回收铁水、铁渣的热量，而且能回收低温位的热能加以利用，减少自身的热损，投入运行之后，对于不同的需求，可以通过设备的功能切换得以实现，位于高寒地区的钢铁企业可以将设备对接到供暖系统中，为供暖系统提供稳定的热源。在设备投入运行后，只需短时间便能收回投入成本。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡在本发明的精神和原则之内所做任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。