一种用于固体散料余热高效梯级回收利用的集成系统的制作方法

本发明属于余热高效利用和新型节能技术领域，涉及一种用于固体散料余热高效梯级回收利用的集成系统。

背景技术：

工业生产中冶金、建材、化工、电力等行业都会涉及到高温固体散料，温度较高，直接排放不符合标准同时又会造成能量的损失，针对相关的工业余热进行回收利用提出了很多方法，利用余热发电是其中的一种。

目前高温工业余热利用主要是在采用蒸汽朗肯循环进行余热发电，余热源多为高温烟气，高温热水，比较成熟的应用如水泥窑余热发电系统，利用固体散料余热发电的应用比较少，高温固体散料余热利用领域技术大部分处在研究阶段。主要原因在于工业固体散料的颗粒粒径大小不一，流动性较差，直接换热难以操作，间接换热难以充分接触，造成了余热难以利用的现状，同时工业废料的排放也有最高的排放温度这一规定，高温的固体散料也不能直接排放，因此如何有效地分离散料以及找到合适的动力循环利用这部分余热成了难题。

高温固体散料余热利用最大的问题在于热能的传递，目前一套比较合理的方案，现有针对高温固体散料利用的换热器几乎没有考虑散料的粒径问题，而且不同的工艺流程散料温度不一样，目前没有一套结构设计合理、使用方便且适用范围较广的高温散料余热利用的解决方案。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种用于固体散料余热高效梯级回收利用的集成系统，解决散料粒径不同所需的分离问题，充分利用了生产工艺中固体散料的余热，减少了对环境的热污染。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种用于固体散料余热高效梯级回收利用的集成系统，包括固体散料处理系统和余热发电系统；

所述固体散料处理系统包括从上到下依次设置在散料分离炉中的散料分离系统、散料冷却系统和散料收集系统；

所述散料分离系统用于将固体散料按照设定粒径分离为细颗粒和粗颗粒；细颗粒和粗颗粒分别进入散料冷却系统；

所述散料冷却系统包括并列设置的细颗粒冷却腔和粗颗粒冷却腔，以及贯穿设置在细颗粒冷却腔和粗颗粒冷却腔上部的一次风预热器，设置在细颗粒冷却腔下部的高温热水-散料换热器；粗颗粒冷却腔的底部设置二次风进口，顶部设置二次风出口；高温热水-散料换热器与余热发电系统输入端连接，高温热水-散料换热器吸收细颗粒的余热向余热发电系统供能；热交换后的一次风与二次风均回收通入产生固体散料的炉体中用于助燃；

所述散料收集系统散料冷却系统的底部。

优选的，所述散料分离系统包括用于将固体散料进入散料分离炉的散料进口和散料分离带，散料分离带水平角度倾斜放置，且设置有若干自上而下孔径依次变大的通孔，散料进口设置在散料分离带最高点。

优选的，散料分离带下方设置有散料降落缓冲带，散料降落缓冲带上设置有若干间隙，位于粗颗粒冷却腔部位的间隙大于位于细颗粒冷却腔部位的间隙。

优选的，在散料分离带下方竖直放置隔板，将散料冷却系统分为细颗粒冷却腔和粗颗粒冷却腔。

优选的，一次风预热器与高温热水-散料换热器均采用间壁式换热，逆流式布置，一次风预热器换热器管间距大于高温热水-散料换热器换热器管间距。

优选的，散料收集系统包括粗颗粒散料收集仓和细颗粒散料收集仓；粗颗粒散料收集仓位于粗颗粒区底部，并与其连通；细颗粒散料收集仓位于细颗粒区底部，并与其连通。

优选的，所述余热发电系统包括高温热水循环、中间热水缓冲循环和有机朗肯循环发电系统；

所述高温热水循环包括依次连接的高温热水-散料换热器出口端、一级中间换热器热侧、二级中间换热器热侧和高温热水-散料换热器入口端形成的回路；

所述中间热水缓冲循环包括依次连接的二级中间换热器冷侧、一级中间换热器冷侧、高压蒸发器热侧和低压蒸发器热侧形成的回路；

所述有机朗肯循环发电系统包括依次连接的高压蒸发器冷侧、补汽式透平、回热器冷侧、冷凝器、工质增压泵、回热器热侧和高压工质泵组成的回路；低压蒸发器冷侧出口与补汽式透平上设置的补汽入口连接，低压蒸发器冷侧入口与回热器热侧出口连接。

进一步，二级中间换热器冷侧出口与低压蒸发器热侧入口连接。

进一步，高压蒸发器和低压蒸发器冷侧出入口均设置有调节阀；一级中间换热器冷侧入口与二级中间换热器冷侧出口之间设置有第五调节阀。

进一步，中间换热器与蒸发器间的循环回路，所用循环工质为水或导热油。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明所述的集成系统通过对高温固体散料的分离冷却实现了对不同粒径高温散料的分离，在散料分离炉中从上至下依次布置一次风换热器，高温热水-散料换热器和二次风冷却系统，在不同的粒径范围内分别利用余热，避免了混合粒径散料在利用上带来的换热不充分的问题，实现了对不同粒径散料的冷却，充分考虑了粗颗粒散料的低刮落性以及细颗粒散流动性较好的特点，通过一次风、二次风、低温余热发电从而实现对高温散料的余热高效梯级回收利用，整体换热比较充分。

进一步，通过散料分离带上孔径依次变大的通孔，散料经过散料分离带后依靠自身的重力下落，粒径小的颗粒穿过小孔落入一侧，粒径大的散料颗粒则落入另一侧，对散料依据粒径进行分离，既实现了对不同粒径高温散料的分离，又能够在一定的温度范围内将热能回收利用，应用范围广，实用性强。

进一步，缓冲带不仅有效地缓冲散料的掉落，一定程度上减少散料对换热器的磨损，同时也具备散料分离的功能。

进一步，将冷却后的废渣进行了分粒径收集，便于废渣的珍贵元素的提炼。

进一步通过设置平行双蒸发器，产生了两股不同参数的蒸汽，两股蒸汽带动发电机最大程度地向外输出电能，同时降低了排汽的温度；通过设置中间热水缓冲系统，将热水温度冷却到可以供有机朗肯循环直接使用的范围，同时增加了系统应对外界干扰的稳定性。

进一步，通过在高压和低压回路对称地设置了调节阀，能够更为方便地调节两个回路工质的流量，更好地与运行工况相匹配。

附图说明

图1为本发明的实例中所述集成系统的结构示意图；

图2为本发明的实例中所述集成系统的内部流体流动示意图。

其中：1为散料进口；2为散料分离带；3为散料降落缓冲带；4为散料分离炉；5为细颗粒冷却腔；6为粗颗粒冷却腔；7为一次风预热器；8为二次风出口；9为二次风鼓风机；10为二次风进口；11为粗颗粒收集仓；12为细颗粒收集仓；13为高温热水-散料换热器；；14为一次风入口；15为一次风鼓风机；16为高温热水增压泵；17为二级中间换热器；18为中间循环增压泵；19为低压蒸发器；20为第一调节阀；21第二为调节阀；22为工质增压泵；23为冷凝器；24为回热器；25为发电机；26为补汽式透平；27为补汽入口；28为第三调节阀；29为高压工质泵；30为第四调节阀；31为高压蒸发器；32为第五调节阀；33为一级中间换热器。

具体实施方式

一种用于固体散料余热高效梯级回收利用的集成系统，包括固体散料分离、冷却、收集系统和余热发电系统；

所述的固体散料分离、冷却、收集系统包括三个子系统：散料分离系统、散料冷却系统、散料收集系统。其中散料分离系统包括散料分离炉4、散料进料口1、散料分离带2、散料降落缓冲带3、细颗粒冷却腔5、粗颗粒冷却腔6；散料冷却系统包括二次风出口8、二次风鼓风机9、二次风进口10、高温热水-散料换热器13、一次风鼓风机15、一次风预热器7、一次风入口14和一次风出口；散料分离炉底部布置的是粗颗粒收集仓11和细颗粒收集仓12，用来收集经过冷却后的散料。

所述的余热发电系统包括三个循环：高温热水循环、中间热水缓冲循环、动力循环，其中高温热水循环包括高温热水-散料换热器13、其进口通过管道与高温增压水泵16连接，出口由管道依次串联两个中间换热器：一级中间换热器23和二级中间换热器17，二级中间换热器出口与高温增压水泵16连接；中间热水缓冲系统是一级中间换热器33、二级中间换热器17冷水侧通过管道分别与高压蒸发器31、低压蒸发器19热水侧以及中间循环增压泵18组成的水回路；动力循环包括高压蒸发器31、低压蒸发器19冷水侧通过管道连接补汽式透平26，带动发电机25输出电能，补汽式透平26出口通过管道依次与回热器24、冷凝器23、工质增压泵22连接，回热器24冷侧分别连接高压蒸发器31和低压蒸发器19的冷侧进口，形成一个循环回路。

所述的散料分离系统中所设计的分离带从上至下依次开孔，利用散料自身重力依次通过分离带从而实现散料的分离，散料分离带2和散料降落缓冲带3从上到下依次布置在散料通道的上方，散料降落缓冲带3不仅有效地缓冲散料的掉落，一定程度上减少散料对换热器的磨损，同时也具备散料分离的功能；同时通过设置隔板在散料分离炉4中隔离形成细颗粒冷却腔和粗颗粒冷却腔两个区域，分别通过颗粒大小不同的散料，更好地进行散料余热的回收。

所述的散料冷却系统中，一次风预热器7布置在散料分离炉4的上方，散料降落缓冲带3的正下方，横跨细颗粒冷却腔5和粗颗粒冷却腔6，布置得比较稀疏；二次风冷却布置在粗颗粒冷却腔6中，在一次风预热器7的下方，高温热水-散料换热器13布置在细颗粒冷却腔5，同样也位于一次风预热器7的下方。

一次风预热器7采用间壁式换热，对全粒径范围内的散料进行冷却，作为散料的一级冷却，产生的一次风直接回炉重新利用，其进风口连接一次风鼓风机15，促使一次风强制循环。

二次风冷却系统只布置在粗颗粒冷却腔6，进口设置在散料分离炉4的下方，出口设置在散料分离炉4的上方，采用直接混合换热的方式冷却粗颗粒冷却腔6，作为粗颗粒冷却腔6的二级冷却，产生的二次风也直接回炉利用，二次风进口连接有二次风鼓风机9，带动二次风强制循环。

细颗粒冷却腔5下方布置的高温热水-散料换热器13布置得比较紧凑，充分利用细颗粒较好的流动性对其进行充分的冷却。

高温热水循环中，经过冷却后的高温热水经高温热水增压泵16加压进入散料分离炉4中冷却细颗粒散料，使经过一次风预热器7冷却后的细颗粒散料温度能进一步降低，达到排渣的要求，产生的高温热水依次进入两个中间换热器加热中间循环热水。

中间热水缓冲循环中，二级中间换热器17冷侧出口热水发生了分流，一部分通过阀门进入一级中间换热器33吸热，另一部分直接与来自高压蒸发器31被冷却的出口热水进行混合，然后进入低压蒸发器19中放热，最后经中间循环增压泵18增压泵入二级中间换热器17中吸热，完成一个循环。

二级中间换热器17冷侧出口与一级中间换热器33冷侧进口之间布置了一个第五调节阀32，用于控制进入一级中间换热器33的流量。

中间热水缓冲循环中，工质可以是水，也可以是除水以外的导热油。

循环工质经回热器24冷端流出后分流，一部分流经工质增压泵22泵入高压蒸发器31吸热，产生高温高压的蒸汽进入补汽式透平26中做功，另一部分流经低压蒸发器19吸热，产生参数较低的蒸汽，与部分做功后的高温高压蒸汽混合后继续推动补汽式透平26做功，带动发电机25输出电能，产生的乏汽先进入回热器24中加热液态的工质，然后再进入冷凝器23中冷凝成饱和液，经工质增压泵22增压进入回热器24，完成一个循环。

所述的动力循环为双压orc循环，能够产生两股不同参数的蒸汽，最大化地降低了乏汽的排汽温度。

回热器24与高压蒸发器31、高压蒸发器31与补汽式透平26、回热器24与低压蒸发器19、低压蒸发器19与补汽式透平26之间均设置了调节阀，分别控制高压、低压分路中的工质流量，从而更好地进行相应的调节。

在补汽式透平26中间某一部位进行开孔，汇入低压蒸汽，高压蒸汽从补汽式透平26进口进入后部分做功后与低压蒸汽混合，继续做功，避免采用两个独立透平带来的系统复杂程度增加。

动力循环中在补汽式透平26排汽后面设置了回热器24，进一步降低了排汽的温度，最大程度上利用余热；另外需要指出，回热器24的设置需要根据实际排汽温度高低来确定是否有必要设置。

工质增压泵22布置在冷凝器23的出口，而不是布置在回热器24出口至低压蒸发器19的低压回路中间，避免了高压工质泵29的工作压比太高带来的安全隐患与经济损失，图1中这种布置方式采用了分级压缩的原则，更有利于系统的安全运行。

本发明既能够解决散料粒径不同所需的分离问题，又能够在一定的温度范围内将热能回收利用，同时使得有机朗肯循环的直接热源温度降低在可以正常利用的范围，并采用双压的有机朗肯循环系统最大程度地向外输出电能。本发明第一充分利用了生产工艺中固体散料的余热，减少了对环境的热污染；第二采用了一次风和二次风回炉利用的措施，减少了生产中所必须的热耗，同时将散料温度降低到了有机朗肯循环能够正常利用的范围；第三能够利用余热向外输出电能，实现了中低温余热的高效利用；第四冷却后的废渣进行了分粒径收集，便于废渣的珍贵元素的提炼；第五，在有机朗朗肯循环中设置了两个平行的蒸发器和阀门，便于调节两路蒸汽的流量，最大程度地向外输出电能，并且设置了回热器24，最大程度上降低排汽的温度，有效地利用余热。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

本发明是一种利用工业固体散料余热高效梯级回收利用的集成系统，如图1所示，包括散料分离、冷却、收集系统和余热发电系统；所述散料分离、冷却、收集系统集成在散料分离炉4中，主要包括散料分离带1、散料降落缓冲带3、一次风预热器6、一次风鼓风机15、二次风鼓风机9、粗颗粒散料收集仓11、粗颗粒散料收集仓12和14、高温热水-散料换热器13。

所述余热发电系统主要包括高温热水-散料换热器13、高温热水增压泵16、一级中间换热器33、二级中间换热器17、中间循环增压泵18、低压蒸发器19、高压蒸发器31、补汽式透平26、发电机25、回热器24、冷凝器23、循环工质泵22、高压循环工质泵29、相关的连接管道和控制阀门。

如图1所示，散料分离系统、散料冷却系统和散料收集系统从上到下依次设置在散料分离炉4中，散料分离系统包括用于固体散料进入散料分离炉4的散料进口1和散料分离带2，散料分离带2水平角度倾斜放置，且设置有若干自上而下孔径依次变大的通孔，在散料分离带2下方竖直放置隔板，使散料分离带2下方分为细颗粒冷却腔5和粗颗粒冷却腔6，散料进口1设置在散料分离带2最高点。散料分离带2下方设置有散料降落缓冲带3，散料降落缓冲带3上设置有若干间隙，位于粗颗粒冷却腔6部位的间隙大于位于细颗粒冷却腔5部位的间隙，在散料分离带2下方竖直放置隔板，将散料冷却系统分为细颗粒冷却腔5和粗颗粒冷却腔6。

散料冷却系统包括包括并列设置的细颗粒冷却腔5和粗颗粒冷却腔6，以及贯穿设置在细颗粒冷却腔5和粗颗粒冷却腔6上部的一次风预热器7，设置在细颗粒冷却腔5下部的高温热水-散料换热器13；粗颗粒冷却腔6的底部设置二次风进口10，顶部设置二次风出口8；高温热水-散料换热器13与余热发电系统输入端连接，高温热水-散料换热器13吸收细颗粒的余热向余热发电系统供能；热交换后的一次风与二次风均回收通入产生固体散料的炉体中用于助燃；高温热水-散料换热器13设置在一次风预热器7下方的细颗粒区5中，并与余热发电系统连接。一次风预热器7与高温热水-散料换热器13均采用间壁式换热，逆流式布置，一次风预热器7换热器管间距大于高温热水-散料换热器13换热器管间距。

散料收集系统包括粗颗粒散料收集仓11和细颗粒散料收集仓12；粗颗粒散料收集仓11位于粗颗粒区6底部，并与其连通；细颗粒散料收集仓12位于细颗粒区5底部，并与其连通。

工艺生产后的高温固体散料从散料进口1进入散料分离炉4，首先经过散料分离带2，散料经过散料分离带2后依靠自身的重力下落，粒径小的颗粒穿过小孔落入正下方的细颗粒区5，粒径大的散料颗粒则顺着散料分离带2进入粗颗粒区6，在散料分离带2的下方布置了间隙不等的散料降落缓冲带3，有效减少颗粒下落对换热器表面的磨损。细颗粒区5与粗颗粒区6之间通过钢板隔离形成两个相互独立的区域。

如图1所示，散料依靠自身重力下落后，首先会与横跨细颗粒区5和粗颗粒区6的一次风预热器7换热，由于一次风主要是回炉使用，主要起清洁助燃的作用，因此采用间壁式换热，同时为了增大换热系数，采用逆流式布置，考虑到部分与大颗粒散料换热，因此一次风预热器7管间距布置得比较大，如图2所示。通过一次风鼓风机15从一次风入口14，吹入一次风进入一次风预热器7与全粒径的散料颗粒进行换热，实现对散料的一级换热：粗颗粒部分，将散料温度降低至600℃左右，细颗粒部分，将散料温度降低至250℃以下。

粗颗粒区6在炉壁的上方靠近散料降落缓冲带2的地方和下方靠近粗颗粒散料收集仓11的地方分别设有开口，二次风通过二次风鼓风机9从二次风进口10进入散料分离炉4内与降落的大颗粒逆流接触式换热，这里考虑到大颗粒散料不易被风刮落掉而采用直接换热，产生的高温二次风经由二次风出口8排出，由管道连接回送至工艺炉内使用，二次风主要起加热的作用，带有一定的散料杂质，不影响它的工作，采用一次风预热器7结合二次风直接混合式换热，考虑到了大颗粒不易被刮落的特性，实现对散料的充分冷却；细颗粒部分采用一次风预热器7配合高温热水-散料换热器13上下依次布置冷却，实现降温。被充分冷却后的粗颗粒散料落入粗颗粒散料收集仓11中，便于散料的后续提炼。

右侧的细颗粒区5在一次风预热器7的下方布置了高温热水-散料换热器13，进一步对散料进行冷却，保证散料能够被充分冷却至80℃以下，高温热水-散料换热器13同样采用间壁式换热，逆流式布置，由于细颗粒散料的流动性比较好，因此该换热器管间距布置得窄，便于强化传热。同样地，被充分冷却后的细散料颗粒进入细颗粒收集仓12内，便于散料的后续提炼。

如图1所示，所述余热发电系统包括高温热水循环、中间热水缓冲循环和有机朗肯循环发电系统；所述高温热水循环包括依次连接的高温热水-散料换热器13出口端、一级中间换热器33热侧、二级中间换热器17热侧和高温热水-散料换热器13入口端形成的回路；所述中间热水缓冲循环包括依次连接的二级中间换热器17冷侧、一级中间换热器33冷侧、高压蒸发器31热侧和低压蒸发器19热侧形成的回路。

一级中间换热器33热侧入口与散料冷却系统出口连接，出口与二级中间换热器17热侧入口连接，冷侧出口与高压蒸发器31热侧入口连接；二级中间换热器17热侧出口与散料冷却系统入口连接，冷侧入口与低压蒸发器19热侧出口连接，出口分别与一级中间换热器33冷侧入口和低压蒸发器19热侧入口连接。

所述有机朗肯循环发电系统包括依次连接的高压蒸发器31冷侧、补汽式透平26、回热器24冷侧、冷凝器23、工质增压泵22、回热器24热侧和高压工质泵29组成的回路；高压蒸发器31和低压蒸发器19冷侧入口均与回热器24出口连接，高压蒸发器31冷侧出口与补汽式透平26入口连接，低压蒸发器19冷侧出口与补汽式透平26上设置的补汽入口连接，高压蒸发器31和低压蒸发器19热侧出口与入口连接。

高压蒸发器31和低压蒸发器19冷侧出入口均设置有调节阀；一级中间换热器33冷侧入口与二级中间换热器17冷侧出口之间设置有第五调节阀32。

余热发电系统热源为从高温热水-散料换热器13出口的高温热水，温度在200℃左右，该热水首先进入一级中间换热器33内，加热在二级中间换热器17内吸热后的部分中间缓冲热水。一级中间换热器33热侧出口热水继续进入二级中间换热器17内加热全部的中间缓冲热水，二级中间换热器17热侧出口热水经过高温热水增压泵16加压后再返回高温热水-散料换热器13内吸热，其循环流程如图2所示。

该余热发电系统设有一个中间缓冲循环，来自一级中间换热器33冷侧出口的热水进入高压蒸发器31中加热工质，然后再与来自二级中间换热器17冷侧出口的部分热水混合后进入低压蒸发器19内加热工质，最后经过中间循环增压泵18加压后进入二级中间换热器17内吸热。

特别的，在一级中间换热器33和二级中间换热器17之间设置了一个调节阀32，用来控制进入一级中间换热器33中的热水流量。当高压蒸发器31中的工质流量增加时，高压蒸发器31换热量增加，则增加调节阀32的开度，使热水流量增加以满足换热的要求。而高压蒸发器31中的工质流量减小时，则减小阀门32的开度则可满足调节的需求。增加中间缓冲循环不仅可以解决高温热水直接加热工质造成的传热端差过大而容易导致工质温度超临界，有效地将热源温度降低至可以安全利用的范围，同时可以对外界的干扰进行一定的缓冲，有利于系统的稳定运行。此外，中间缓冲系统内的工质可以是水，也可以是导热油。

有机朗肯循环是有效利用低品位热能进行发电的技术比较成熟的方案，双压有机朗肯循环则是在有机朗肯循环的基础上布置两个平行的蒸发器，分别产生两股不同参数的蒸汽，从而最大程度地降低乏汽的温度，利用余热，最大可能地向外输出电能，但是由于常用的有机工质临界温度不高，一般适用于有机朗肯循环的余热利用热源的温度不能太高。因此对于温度较高的高温固体散料的余热回收，只采用有机朗肯循环余热发电系统而不采用其它冷却措施的方案从目前比较经济化的操作来讲不可行。

有机朗肯循环发电系统，工质采用r245fa，为了更好地利用余热，更多地向外输出电能，使工质温升曲线与热源温降曲线更好地匹配，采用双压系统，即平行地布置一个高压蒸发器31和一个低压蒸发器19，回热器24冷侧出口的有机工质发生分流，一部分经过高压工质泵29增压后进入高压蒸发器吸热，产生一股参数比较高的蒸汽，进入补汽式透平26内做功；另一部分工质通过管道直接进入低压蒸发器19内吸热，转化成一股参数比较低的蒸汽，从补汽式透平26中间部位开设的补汽孔27进入补汽式透平26与部分做功后的高参数蒸汽混合后一同做功，驱动发电机发电。透平乏汽先进入回热器24内放热，提高能量的利用率，出口蒸汽再进入冷凝器23内进一步冷凝成饱和液，然后经过循环工质泵22增压后再次进入回热器24内，整个循环的工质流动图如图2所示。

当高压蒸发器31内的有机工质流量需要增加时，同时增加第四调节阀30和第三调节阀28的开度，同时增加第五调节阀调节阀32的开度，并且需要将第一调节阀20和第二调节阀21的开度减小，实现换热平衡；相反地，当高压蒸发器31内的有机工质流量需要减少时，则需减小第三调节阀调节阀28和第四调节阀30的开度，并关小第五调节阀32，相应的，第一调节阀20和第二调节阀21的开度应同幅度地增加。

另外，回热器24的布置也需要根据实际补汽式透平26出口的乏汽的温度来确定，一般适用在温度较高的情况下，温度较低的场合可去除。

低压工质循环泵22布置在冷凝器23的出口，而不是布置在回热器24出口至低压蒸发器19的低压回路中间，避免了高压工质泵23的工作压比太高带来的安全隐患与经济损失，这种布置方式采用了分级压缩的原则，更有利于系统的安全运行。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。