用于炭素单体炉的蓄热式余热利用装置、系统及控制方法与流程

本发明涉及工业余热利用设备，具体地，涉及一种用于炭素单体炉的蓄热式余热利用装置。此外，本发明还涉及一种蓄热式余热利用系统和控制方法。

背景技术：

随着现代铝电解技术向大型化、高效化、节能化的方向发展，对铝电解槽的“心脏”—预焙炭素阳极生产要求也日趋提高。铝电解技术典型特点为阳极属消耗性阳极，因此在铝电解的过程中需要消耗大量的预焙阳极，故炭素行业也随之高速发展。预焙炭素阳极质量的好坏直接影响铝电解过程的电流效率、能耗等关键技术经济指标以及电解槽的稳定高效运行，而其生产工艺过程中最为关键的是焙烧过程，该工艺过程采用阳极焙烧炉进行焙烧，随着预焙炭素阳极生产要求也日趋提高，炭素单体焙炉应运而生，该单体炉以天然气为燃气，天然气与空气预混后在炉膛顶部燃烧，通过顶部风扇的驱动烟气向下运动加热炉膛内部坩埚中的炭素，换热后的烟气通过单体炉底部排出。相比于传统的多室环式焙烧炉在空间上设置预热带、焙烧带、冷却带的结构，炭素单体炉从时间上完成焙烧的温度划分，该特征致使排烟温度具有不均匀的特点。

现有炭素单体炉的排烟温度在100℃～400℃之间变化，焙烧过程耗时长且烟气温度具有显著的阶段性特点。如果炉体的烟气未经处理直接排放到大气中，这既造成了能量浪费，也会造成环境污染。目前，工程上通常采用余热锅炉回收利用烟气余热，但其温度低且具有周期性波动的特征，导致回收过程中出现回收不稳定、余热利用效率低等现象。

有鉴于此，需要提供一种用于炭素单体炉的蓄热式余热利用装置，以保证燃烧后的烟气的热量被再次利用，且利用后的烟气不会造成环境污染，并且性能稳定，余热利用率高。

技术实现要素：

本发明一方面提供一种用于炭素单体炉的蓄热式余热利用装置，该余热利用装置余热利用率高，性能稳定。

本发明第二方面还提供一种蓄热式余热利用系统，该系统能够按照比例对多种气体进行放热，利用率高，且性能稳定。

本发明第三方面还提供一种蓄热式余热利用的控制方法，该控制方法能够实现对烟气余热的按需利用，利用率高。

为了实现上述目的，本发明提供一种用于炭素单体炉的蓄热式余热利用装置，包括壳体、设于所述壳体内的至少两个蓄热单元、连接各所述蓄热单元的管路、电捕焦油装置和控制系统，所述管路包括烟气冷端管路和烟气热端管路，所述烟气冷端管路和所述烟气热端管路上均设有四通换向阀，各所述蓄热单元适于通过各所述四通换向阀完成各所述蓄热单元之间的蓄热和放热；所述控制系统适于通过检测温度以控制各所述四通换向阀的开合；所述电捕焦油装置适于将低于设定温度的烟气或经过各所述蓄热单元的烟气进行分离。

作为本发明的一个具体地结构形式，所述蓄热单元包括蓄热体和设于所述蓄热体相对两端的蓄热体扩张端，其中一侧的所述蓄热体扩张端与所述烟气冷端管路连接，另一侧的所述蓄热体扩张端与所述烟气热端管路连接。

更具体地，所述蓄热体为蜂窝陶瓷蓄热体。

作为本发明的另一个具体的结构形式，所述烟气冷端管路包括连接各所述蓄热单元的冷端交替使用管路、烟气冷端出口管路和待预热气冷端管路，所述四通换向阀设于所述冷端交替使用管路上，所述烟气冷端出口管路的一端以及所述待预热气冷端管路的一端均与所述四通换向阀连接。

作为本发明的又一个具体的结构形式，所述烟气热端管路包括设于与所述烟气冷端管路相对的一侧的热端交替使用管路、烟气热端进口管路和待预热气热端管路，所述热端交替使用管路的两端连接于不同的所述蓄热单元，所述四通换向阀设于所述热端交替使用管路上，所述烟气热端进口管路的一端以及所述待预热气热端管路的一端均与所述四通换向阀连接。

作为本发明的一个优选实施方式，所述壳体包括中空结构的外壳、设于所述外壳腔体内的保温材料和与所述外壳内壁连接且能够将所述外壳内腔分隔为独立空间的壳体支撑板，所述外壳上相对的两侧侧面上设有所述管路能够通过的贯穿孔。

作为本发明的另一个优选结构形式，所述控制系统包括测温装置、智能温控系统、设于所述烟气热端进口管路上的高温烟气阀和流量调节阀以及设于所述待预热气热端管路上的低温烟气阀，所述测温装置能够检测进入所述烟气热端管路的烟气温度，所述智能温控系统能够根据所述烟气温度控制所述高温烟气阀和所述低温烟气阀的开合。

进一步地，本发明还提供一种用于炭素单体炉的蓄热式余热利用系统，包括低温烟气处理系统和高温烟气处理系统，所述低温烟气处理系统包括低温烟气阀和电捕焦油设备，所述高温烟气处理系统包括高温烟气阀、流量调节阀、电捕焦油设备和至少两个根据上述技术方案中任一项所述的蓄热式余热利用装置。

优选地，根据f(x)的模型计算出经过所述流量调节阀烟气的流量配比：

式中，t1为助燃空气进口温度，t3为天然气进口温度，t5为烟气温度，t设为烟气设定温度，ρ烟为烟气密度，ρ空为助燃空气密度，ρ燃为天然气密度，c烟为烟气比热容，c空为助燃空气比热容，c燃为天然气比热容，v烟1为进入第一个蓄热单元的烟气体积流量，v烟2为进入第二个蓄热单元的烟气体积流量，v空为助燃空气体积流量，v燃为天然气体积流量。

本发明第三方面还提供一种用于炭素单体炉的蓄热式余热利用的控制方法，根据上述技术方案中所述的蓄热式余热利用装置，包括如下步骤：

s01、检测烟气入口的温度，采集烟气温度信息；

s02、将烟气温度与设定值比较，如果烟气温度低于设定值，则进行烟气和焦油沥青的分离处理，并分别排出废烟气和焦油沥青；如果烟气温度高于设定值，则对高温烟气进行放热处理，同时对燃烧气体进行预热；

s03、对放热后的烟气进行烟气和焦油沥青的分离处理，并分别排出废烟气和焦油沥青，预热后的气体进入燃烧设备进行燃烧。

通过上述技术方案，本发明的用于炭素单体炉的蓄热式余热利用装置包括壳体、设于所述壳体内的至少两个蓄热单元、连接各所述蓄热单元的管路、电捕焦油装置和控制系统，所述管路上设有两个四通换向阀，分别连接管路包括烟气冷端管路和烟气热端管路，烟气冷端管路和烟气热端管路和待预热气热端管路、烟气热端管路和待预热气冷端管路上均设有四通换向阀所述控制系统适于通过检测温度以控制各所述四通换向阀的开合和流量调节阀的开度；所述电捕焦油装置适于将低于设定温度的烟气或经过各所述蓄热单元的烟气进行分离。本发明的用于炭素单体炉的蓄热式余热利用装置将燃烧后的温度高于设定温度的废弃烟气引入其中一个蓄热单元进行放热，同时在另一个蓄热单元中引入天然气或空气，对天然气和空气进行蓄热，并对放热后的烟气进行烟气和焦油沥青的分离处理。另外，本发明的蓄热式余热利用系统，通过设置至少两个蓄热式余热利用装置同时对天然气和空气按一定比例分配后进行蓄热，提高装置使用效率，且蓄热和放热性能稳定，分离处理后的烟气不会造成环境污染。

有关本发明的其他优点以及优选实施方式的技术效果，将在下文的具体实施方式中进一步说明。

附图说明

图1是本发明的蓄热式余热利用装置的一个实施例的结构示意图；

图2是图1的a处结构放大示意图。

图3是图1的b处结构放大示意图；

图4是图1的c处结构放大示意图；

图5是本发明的蓄热式余热利用装置的工作流程示意图；

图6是基于模型计算的流量调节控制示意图；

图7是烟气控制的流程示意图；

图8是待预热气控制的流程示意图；

图9是本发明的蓄热式余热利用控制方法的流程示意图。

附图标记说明

1壳体101外壳

102保温材料103壳体支撑板

2蓄热单元201蓄热体

202蓄热体扩张端

3管路301烟气冷端管路

301a冷端交替使用管路301b烟气冷端出口管路

301c待预热气冷端管路302烟气热端管路

302a热端交替使用管路302b烟气热端进口管路

302c待预热气热端管路303四通换向阀

4电捕焦油装置

401高温烟气阀402低温烟气阀

403流量调节阀

501烟气入口502天然气出口

503空气出口504预热天然气蓄热装置

505预热空气蓄热装置506流量调节阀

507高温烟气阀508低温烟气阀

509净化后废烟气出口510焦油沥青出口

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或者是一体连接；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参见图1所示，本发明一方面提供一种用于炭素单体炉的蓄热式余热利用装置，包括壳体1、设于所述壳体1内的至少两个蓄热单元2、连接各所述蓄热单元2的管路3、电捕焦油装置4和控制系统，所述管路3包括烟气冷端管路301和烟气热端管路302，所述烟气冷端管路301和所述烟气热端管路302上均设有四通换向阀303，各所述蓄热单元2适于通过各所述四通换向阀303完成各所述蓄热单元2之间的蓄热和放热；所述控制系统适于通过检测温度以控制各所述四通换向阀303的开合；所述电捕焦油装置4适于将低于设定温度的烟气或经过各所述蓄热单元2的烟气进行分离。

在图1中可以看出，在本发明的一个具体实施例中，本发明的用于炭素单体炉的蓄热式余热利用装置的壳体1内设置有两个蓄热单元2，其中一个蓄热单元2用于对高温烟气进行放热，另一个蓄热单元2用于对天然气和空气进行蓄热，以便于天然气和空气在进入炭素单体炉中燃烧前已完成预热；在其中一个蓄热单元2完成蓄热，另一个蓄热单元2完成预热后，两个蓄热单元2相互切换，这样，两个蓄热单元2可以同时工作，但是又不互相干扰，并且切换自如，不仅可以提高换热效率，还能够保证换热稳定性更稳定，换热效果更好。

当然，也可以设置三个蓄热单元2或者更多蓄热单元2，其工作原理与设置两个蓄热单元2相同，均为交替对高温烟气进行放热，对天然气和空气进行蓄热，且这两个过程同时进行，互不干扰。

控制系统不仅能够控制温度检测，将检测温度与设定温度对比，根据对比结果来控制各个四通换向阀303的开合，用以来控制烟气、天然气和空气的走向，并能够控制天然气和空气的进气配比。

在本发明的用于炭素单体炉的蓄热式余热利用装置中，温度低于设定温度的烟气以及经过蓄热单元2放热后的温度较低的烟气最终都会进入电捕焦油装置4，电捕焦油装置4会对烟气进行烟气和焦油沥青的分离处理，并分别排出废烟气和焦油沥青，分离净化后的废烟气可以直接排入大气，分离后的焦油沥青则可以作为副产品进行再利用。这样，不仅能够对炭素单体炉燃烧后排出的高温废气进行再次利用，节约了能源，还能够对温度低的废气进行再利用，减少对环境的污染，还能够带来一定的经济收益。

如图2所示，作为本发明的一个具体实施方式，所述蓄热单元2包括蓄热体201和设于所述蓄热体201相对两端的蓄热体扩张端202，其中一侧的所述蓄热体扩张端202与所述烟气冷端管路301连接，另一侧的所述蓄热体扩张端202与所述烟气热端管路302连接。

更具体地，所述蓄热体201为蜂窝陶瓷蓄热体。

在这里需要说明的是，蓄热体201为蜂窝陶瓷蓄热体，蜂窝陶瓷蓄热体的一端端面为多个正六边形或多个正方形连接而成，该蓄热体201的孔道是相互平行的直通道结构，该直通道结构的径向基本与水平面平行，这种结构的设置能够有效降低气孔流经的阻力，从而能够提高各个蓄热体201的单孔体积换热效率。

蓄热体扩张端202设置在蓄热体201的两端，蓄热体扩张端202连接蓄蓄热体201的一侧的结构与蓄热体201一致，这样可以保证两者完全重合以实现蜂窝陶瓷蓄热体的最大使用效率。

如图3所示，作为本发明的另一个具体实施方式，所述烟气冷端管路301包括连接各所述蓄热单元2的冷端交替使用管路301a、烟气冷端出口管路301b和待预热气冷端管路301c，所述四通换向阀303设于所述冷端交替使用管路301a上，所述烟气冷端出口管路301b的一端以及所述待预热气冷端管路301c的一端均与所述四通换向阀303连接。

结合图1和图3中所示的烟气冷端管路301，冷端交替使用管路301a的两端分别连接在两个蓄热单元2上，一般是连接在蓄热单元2中的蓄热体扩张端202上，冷端交替使用管路301a的中段上会连接有四通换向阀303，该四通换向阀303上还会连接烟气冷端出口管路301b和待预热气冷端管路301c，该四通换向阀303能够通过控制系统实现各个管路之间的自由切换，并能够实现各蓄热单元2之间的自由替换，提高了换热效率，降低了管路的复杂性。

如图4所示，作为本发明的又一个具体实施方式，所述烟气热端管路302包括设于与所述烟气冷端管路301相对的一侧的热端交替使用管路302a、烟气热端进口管路302b和待预热气热端管路302c，所述热端交替使用管路302a的两端连接于不同的所述蓄热单元2，所述四通换向阀303设于所述热端交替使用管路302a上，所述烟气热端进口管路302b的一端以及所述待预热气热端管路302c的一端均与所述四通换向阀303连接。

与烟气冷端管路301结构较相似，烟气热端管路302的热端交替使用管路302a的两端也连接在两个蓄热单元2上，且与冷端交替使用管路301a分别位于蓄热单元2的两端，热端交替使用管路302a设置有四通换向阀303，烟气热端进口管路302b和待预热气热端管路302c的一端分别与四通换向阀303连接，四通换向阀303能够实现热端各管路之间的自由切换，实现各蓄热单元2之间的自由转换。

作为本发明的一个优选结构形式，所述壳体1包括中空结构的外壳101、设于所述外壳101腔体内的保温材料102和与所述外壳101内壁连接且能够将所述外壳101内腔分隔为独立空间的壳体支撑板103，所述外壳101上相对的两侧侧面上设有所述管路3能够通过的贯穿孔。

外壳101由金属制成，其内部由壳体支撑板103将外壳101分隔开，根据所需蓄热单元2的数量而定，壳体支撑板103不仅可以作为分隔层，还可以作为蓄热单元2的支撑结构，将蓄热单元2设置或固定在壳体支撑板103上，蓄热单元2与外壳101之间的部分则全部填充保温材料102，外壳101和保温材料102组成，具有抗侵蚀和隔热的双重效果，可以保持本发明长期稳定的运行。

作为本发明的另一个优选结构形式，所述控制系统包括测温装置、智能温控系统、设于所述烟气热端进口管路302b上的高温烟气阀401和流量调节阀403以及设于所述待预热气热端管路302c上的低温烟气阀402，所述测温装置能够检测进入所述烟气热端管路302的烟气温度，所述智能温控系统能够根据所述烟气温度控制所述高温烟气阀401和所述低温烟气阀402的开合。

本发明采用测温装置，对燃烧后的废烟气的温度进行检测，利用智能温控系统，通过对检测温度与设定温度进行对比，低于设定温度的烟气可直接进入电捕焦油设备4进行烟气和焦油沥青的分离处理，并分别排出废烟气和焦油沥青。而检测温度高于设定温度的烟气进入蓄热单元2完成余热回收，并且能够根据烟气冷端进出口管路301b内烟气温度，适时调整高温烟气所进入的蓄热单元2，从而能够合理分配各蓄热单元2，使得各蓄热单元2在蓄热和放热过程中灵活转变，提高利用效率。同时采用基于模型计算的控制系统对流量调节阀403进行调整，使得高温烟气可以根据预热后气体温度波动而及时调整，提高系统稳定性。

如图5所示，本发明另一方面还提供一种蓄热式余热利用系统，该系统包括低温烟气处理系统和高温烟气处理系统，所述低温烟气处理系统包括低温烟气阀508和电捕焦油设备4，所述高温烟气处理系统包括高温烟气阀507、流量调节阀506、电捕焦油设备4和至少两个根据上述技术方案中任一项所述的蓄热式余热利用装置。该蓄热式余热利用系统的工作过程为：

第一步，燃烧后的高温废烟气通过高温烟气入口501时，进行测温，并对所测温度与设定温度进行对比；

第二步，如果温度低于设定值，高温烟气阀507关闭，低温烟气阀508打开，烟气直接进入电捕焦油设备4进行烟气和焦油沥青的分离处理，并分别排出废烟气和焦油沥青；如果温度高于设定值，则低温烟气阀508关闭，高温烟气阀507打开，烟气通过流量调节阀506按照一定比例分别分配给预热天然气蓄热装置504和预热空气蓄热装置505进行放热。

第三步，对放热后的烟气进行烟气和焦油沥青的分离处理，放热后的天然气和空气分别经由预热助燃空气出口503和预热天然气出口502排出。

在这里需要说明的是，天然气蓄热装置504和预热空气蓄热装置505即为上述技术方案中所述的蓄热式余热利用装置，仅是其预热的物质不同，两者之间并无本质区别，功能上可以进行互换。

优选地，根据f(x)的模型计算出烟气的流量配比：

式中，t1为助燃空气进口温度，t3为天然气进口温度，t5为烟气温度，t设为烟气设定温度，ρ烟为烟气密度，ρ空为助燃空气密度，ρ燃为天然气密度，c烟为烟气比热容，c空为助燃空气比热容，c燃为天然气比热容，v烟1为进入第一个蓄热单元的烟气体积流量，v烟2为进入第二个蓄热单元的烟气体积流量，v空为助燃空气体积流量，v燃为天然气体积流量。

如图6所示为基于模型计算的控制系统图，通过输入助燃空气进口温度t1、助燃空气出口温度t2、天然气进口温度t3、天然气出口温度t4、烟气温度t5的温度信号，根据f(x)的模型计算出烟气的流量配比，进而调节比例流量阀506的开度。

图7为针对烟气的控制方法，测温装置通过测定高温烟气入口501的烟气温度t5与设定温度进行比较，当烟气温度t5低于设定温度时，说明低于换热温度需求，则直接进入电捕焦油设备4，反之则进入蓄热系统管路，通过分别检测输送助燃空气进口温度t1、助燃空气出口温度t2、天然气进口温度t3、天然气出口温度t4、烟气温度t5的温度信号，通过基于模型计算的控制系统对比例流量阀506进行调整流量，后分别进入预热天然气蓄热炉504、预热助燃空气蓄热炉505蓄热，蓄热后烟气进入电捕焦油设备4进行烟气和焦油沥青的分离。

图8为针对预热空气的控制方法，本具体实施例以空气为研究对象，通过测温装置通过测定助燃空气出口温度t2与设定空气温度进行比较，当助燃空气出口温度t2高于设定空气温度时则四通换向阀303不换向，反之，则四通换向阀303换向实现蓄热单元的交替工作过程。

在此需要说明的是，预热天然气的控制方法与预热空气的方法相同，通过调节比例流量阀506来控制进入不同蓄热装置的天然气和空气的流量比例。

本发明第三方面还提供一种蓄热式余热利用控制方法，其利用根据上述技术方案中所述的蓄热式余热利用装置，包括如下步骤：

s01、检测烟气入口的温度，采集烟气温度信息；

s02、将烟气温度与设定值比较，如果烟气温度低于设定值，则进行烟气和焦油沥青的分离处理，并分别排出废烟气和焦油沥青；如果烟气温度高于设定值，则对高温烟气进行放热处理，同时对燃烧气体进行预热；

s03、对放热后的烟气进行烟气和焦油沥青的分离处理，并分别排出废烟气和焦油沥青，预热后的气体进入燃烧设备进行燃烧。

由以上描述可以看出，本发明的一种蓄热式余热利用装置包括壳体1、设于所述壳体1内的至少两个蓄热单元2、连接各所述蓄热单元2的管路3、电捕焦油装置4和控制系统，所述管路3包括烟气冷端管路301和烟气热端管路302，所述烟气冷端管路301和所述烟气热端管路302上均设有四通换向阀303，各所述蓄热单元2适于通过各所述四通换向阀303完成各所述蓄热单元2之间的蓄热和放热；所述控制系统适于通过检测温度以控制各所述四通换向阀303的开合；所述电捕焦油装置4适于将低于设定温度的烟气或经过各所述蓄热单元2的烟气进行分离。本发明的蓄热式余热利用装置将燃烧后的温度高于设定温度的废弃烟气引入其中一个蓄热单元2进行放热，同时在另一个蓄热单元2中引入天然气或空气，对天然气和空气进行蓄热，并对放热后的烟气进行烟气和焦油沥青的分离处理。另外，本发明的蓄热式余热利用系统，通过设置至少两个蓄热式余热利用装置同时对天然气和空气按一定比例分配后进行蓄热，提高装置使用效率，且蓄热和放热性能稳定，分离处理后的烟气不会造成环境污染。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。