一种窑炉的尾气回收及余热利用系统的制作方法

1.本实用新型涉及气体分离技术领域，具体涉及一种窑炉的尾气回收及余热利用系统。


背景技术：

2.许多工艺中要用到窑炉来进行有氧甚至是高氧含量的烧结操作，比如电池领域，特别是高镍三元锂离子电池的正极材料。
3.高镍三元锂离子电池正极材料lini1‑
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o2(ncm)凭借比容量高、成本较低和安全性优良等优势，已被广泛应用于锂离子动力电池领域，为保证高镍三元锂离子电池正极材料品质，在窑炉烧结过程中，需要往窑炉内部连续不断的通入大量的氧气，以保证炉膛内的气氛。而这些工艺过程所产生的尾气一般含有成分比重很高的氧气，传统的处理方式当中，一般经过环保处理后直接作为废气排放，但该种处理方式会造成资源的浪费以及生产成本的上升，因此，亟需设计一种可对窑炉尾气进行回收的系统。
4.现有技术，比如cn108786371a、cn110836608a专利方案，对窑炉尾气进行了回收利用，降低了用氧成本，但仍存在以下问题：
5.(1)现有技术未对尾气的余热进行利用，往往需要通过额外设施对尾气进行降温、对回收气进行升温，生产成本较高；
6.(2)现有技术一般对窑炉尾气简单处理后直接回用于前序烧结过程，对于部分对氧气含量需求较高的烧结工艺而言，其氧气浓度无法到达工艺要求，对窑炉烧结产品产生重大影响。


技术实现要素：

7.本实用新型提供了一种窑炉的尾气回收及余热利用系统，用以解决现有技术存在的技术问题。
8.为解决上述技术问题，本实用新型采用以下技术方案：
9.一种窑炉的尾气回收及余热利用系统，包括通过管道依次连接的尾气收集系统和尾气处理系统，尾气收集系统的进气口与窑炉的排气口相连通，尾气处理系统的出气口与窑炉的进气口相连通；还包括用于将尾气收集系统的出气的热量传输至尾气处理系统的出气中的第一换热装置。
10.上述技术方案的设计思路在于，通过可将窑炉所排尾气与窑炉回收进气进行换热的第一换热装置利用了尾气中的余热，一方面降低了尾气的温度，减少了后续对尾气降温的资源成本消耗，也降低了对系统后续所有装置对于温度的耐受要求，另一方面提升了回收进气温度，避免进气后窑炉内部温度的剧烈下降，也无需使用气体预热装置，节省了生产成本。
11.作为上述技术方案的进一步改进：
12.第一换热装置内设置有两条能互相换热的气体通路：第一条气体通路连通尾气收
集系统的出气口和尾气处理系统的进气口，第二条气体通路连通尾气处理系统的出气口和窑炉的进气口。通过气体管道接触式换热的换热装置结构简单，换热效率高。
13.尾气回收及余热利用系统还包括用于将窑炉末端的热量传递至尾气处理系统的出气中的第二换热装置，第二换热装置套设在窑炉末端外侧。本优选方案通过设置可以交换窑炉末端和回收进气的第二换热装置，利用了窑炉冷却段的余热，在加速窑炉冷却的同时，进一步提高了回收进气温度，避免进气后窑炉内部温度的剧烈下降，也无需使用气体预热装置，节省了生产成本。
14.第二换热装置内设置有一条气体通路，气体通路连通尾气处理系统的出气口和窑炉的进气口。通过气体管道接触式换热的换热装置结构简单，换热效率高。
15.第一换热装置后还设置有一气体加压装置。气体加压装置为尾气通往系统的各个装置提供了动力，将气体加压装置设置在第一换热装置后，可避免尾气回收及余热利用系统直接回收的尾气的温度过高对气体加压装置造成损伤。
16.尾气处理系统包括依次连接的粉尘处理系统、第一纯化系统、分馏系统和气体混合系统；粉尘处理系统的进气口与尾气收集系统的出气口相连通；气体混合系统的出气口通往窑炉进气口。通过依次设置的粉尘处理系统、第一纯化系统、分馏系统和气体混合系统，可将回收的尾气经洗涤除去固体杂质、经第一纯化系统除去水和二氧化碳后经分馏系统通过深冷法制备得到液态的氧含量在99.9％以上的纯氧，该纯氧经气体混合器直接或与低氧含量气体混合后通往窑炉中，以满足高镍三元锂电池正极材料或其他材料烧结时对窑炉内高氧含量的需求，避免现有技术对尾气回收后无法达到工艺需求的氧气浓度导致的产品质量不合格的问题。
17.尾气回收及余热利用系统还包括第二纯化系统，第二纯化系统的进气口与大气连通，第二纯化系统的出气口与分馏系统相连通。本优选方案相当于增加了一条尾气回收及余热利用系统的氧含量的来源，由于在烧结过程中会消耗部分氧气，因此只对为其进行回收处理再利用可能会导致通往要窑炉内部的气体流量不足，难以达到生产工艺要求，而本优选通过与大气相通的第二纯化系统将空气纯化后引入分馏系统，通过空气制取浓度在99.9％以上的纯氧，以弥补烧结时消耗的氧气，稳定系统整体的气体流量。
18.第一纯化系统和第二纯化系统均包括依次连接的加压预冷系统和吸附系统。加压预冷系统主要为后续分馏系统的气体分馏过程提供适宜的压力，以利于氧气的液化，满足分馏塔分馏空气时对压力的要求，并对温度提前降低，以节省能源。
19.粉尘处理系统包括洗涤系统，第一纯化系统的加压预冷系统包括依次连接的第一冷凝器、过滤器、加压机和第二冷凝器。由于尾气在经过第一纯化系统前还经过了粉尘处理系统的洗涤，尾气中的含水量较高，在加压机前设置冷凝器一方面可除水保证加压机的正常运行和使用寿命，以及后续空气分馏工艺的正常进行，另一方面可对尾气进行预冷处理，以减少后续空气分馏的消耗、降低使用成本。
20.第一纯化系统的出气口还与气体混合系统的进气口相连通，分馏系统与气体混合系统的连接管道上以及第一纯化系统与气体混合系统的连接管道上均设置有氧气浓度检测装置和流量监测装置。本优选方案将第一纯化系统出气口的气体分为了两路去向：往气体混合系统以及往分馏系统，这样一来，最终回用于窑炉的气体既可以是氧含量大于99.9％的纯氧，也可以是纯氧和含氧量较低的尾气混合后的混合气体，这一设计保证了使
用者对窑炉内氧气含量的调整功能，使得尾气回收系统最终回收并重新利用于窑炉的氧气含量可根据不同的烧结工艺进行针对性调整；设置氧气浓度检测装置和流量监测装置则便于使用者根据装置读数和实际需求调节各进气流量的比例。
21.尾气回收及余热利用系统还包括一纯氧补给系统，纯氧补给系统的出气口与气体混合系统的进气口相连通，纯氧补给系统与气体混合系统的连接管道上设置有氧气浓度检测装置和流量监测装置。本优选方案通过增设了一纯氧补给系统，可在开启的窑炉数量较少、开启尾气回收及余热利用系统能耗较大的情况通过外购的液氧经气体混合系统向窑炉进行供氧，提升了尾气回收及余热利用系统的工作灵活性。
22.分馏系统的出气口还与纯氧补给系统的进气口相连通；纯氧补给系统内的纯氧来源于外部和/或分馏系统。
23.气体混合系统的多路进气管道上均设置有氧气浓度检测装置和流量监测装置，通过采集氧气浓度检测装置和流量监测装置的数据信息，可对气体混合系统的各路进气管道的进气量进行分配调控，以使气体混合系统输出设定氧浓度和流量的气体。通过设置在气体混合系统进气管道和出气管道上的多个氧气浓度检测装置和流量监测装置，可辅助使用者根据使用需要对各个系统的阀门进行调节以控制气体混合系统最终出气中的氧浓度和出气流量，以达到最低的用氧成本。
24.尾气吸收系统包括与窑炉的排气口相连接的一条或多条气体管道，气体管道与窑炉的排气口通过一气体阀门密封连接。现有技术一般采取带负压的喇叭口形状的集气口对尾气进行回收，但该结构密封性不佳，造成回收的氧浓度不够，本优选方案则通过气体阀门直接连接尾气吸收系统和窑炉，提升了系统整体的密封性。
25.气体阀门采用耐高温防腐材料制成，耐高温防腐材料包括陶瓷和/或钛合金。对气体阀门材料的优选可以提升气体阀门的密封性和使用寿命，并进一步改善系统整体的密封性，避免空气进入造成氧含量下降。
26.与现有技术相比，本实用新型的优点在于：
27.(1)本实用新型的尾气回收及余热利用系统充分利用了各处余热，进一步降低了系统开启时的生产成本；
28.(2)本实用新型的尾气回收及余热利用系统回收的尾气可以满足高镍三元锂电池正极材料或其他材料烧结时对窑炉内高氧含量的需求，避免现有技术对尾气回收后无法达到工艺需求的氧气浓度导致的产品质量不合格的问题；
29.(3)本实用新型的尾气回收及余热利用系统使用灵活，使用者可以根据不同使用情形进行针对性调整，实现回收、用氧的成本最小化；
30.(4)本实用新型的尾气回收及余热利用系统具有良好的整体密封性，避免了空气进入造成的氧浓度下降问题。
附图说明
31.图1为实施例1的尾气回收及余热利用系统的结构示意图。
32.图例说明：
33.1、尾气收集系统；2、粉尘处理系统；3、第一纯化系统；4、分馏系统；5、气体混合系统；6、第二纯化系统；7、纯氧补给系统；8、窑炉；9、加压预冷系统；10、吸附系统；11、第一换
热器；12、气体阀门；13、喷淋塔；14、废水处理站；15、冷凝器；16、过滤器；17、加压机；18、分子筛；19、分馏塔；20、透平膨胀机；21、第三换热器；22、液氧储罐；23、汽化器；24、气体混合器；25、氧分仪；26、流量计；27、第二换热器。
具体实施方式
34.以下结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。
35.实施例1：
36.如图1所示，本实施例的窑炉的尾气回收及余热利用系统包括通过管道依次连接的尾气收集系统1和尾气处理系统(包括依次连接的粉尘处理系统2、第一纯化系统3、分馏系统4和气体混合系统5)；尾气收集系统1的进气口与窑炉8的排气口相连通，气体混合系统5的出气口经储气罐通往窑炉8的进气口；尾气回收及余热利用系统还包括同样与分馏系统4进气口相连通的第二纯化系统6，第二纯化系统6的进气口与大气连通；尾气回收及余热利用系统还包括同样与气体混合系统5进气口相连通的纯氧补给系统7；第一纯化系统3的出气口还与气体混合系统5的进气口直接连接；尾气回收及余热利用系统还包括第一换热装置，即第一换热器11，其包括两条能互相换热的气体通路，其中一条气体通路连通尾气收集系统1的出气口和粉尘处理系统2的进气口，另外一条气体通路连通气体混合系统5的出气口和窑炉8的进气口，该换热器用于交换窑炉8排气与进气的热量，对窑炉8的排气进行降温，对窑炉8的进气进行预热升温，第一换热器11后连接有一加压机17，用以给换热降温后的尾气进行加压。
37.尾气回收及余热利用系统由多条连接多个窑炉8排气口的气体管道组成，且上述气体管道通过陶瓷材质的气体阀门12与排气口直接连接，气体阀门12为蝶阀或插板阀；粉尘处理系统2包括喷淋塔13，喷淋塔13的气体入口连接尾气收集系统1的气体管道，喷淋塔13的液体出口通往废水处理站14；第一纯化系统3和第二纯化系统6均包括加压预冷系统9和吸附系统10，第一纯化系统3的加压预冷系统9包括依次连接的冷凝器15、过滤器16、加压机17、冷凝器15，第二纯化系统6的加压预冷系统9则包括依次连接的过滤器16、加压机17、冷凝器15，吸附系统10包括分子筛18；分馏系统4包括可输出纯氧气体、液氧和其他气体的分馏塔19、透平膨胀机20和第三换热装置(即第三换热器21)，该第三换热器21对进入分馏塔19的气体和出分馏塔19的气体进行换热；纯氧补给系统7包括相连接的液氧储罐22以及汽化器23，液氧储罐22的液氧入口与分馏塔19的液氧出口相连通，也可通过外部购买液氧进行补充；气体混合系统5包括气体混合器24以及设置在气体混合器24所有进气管道和出气管道上的氧分仪25以及流量计26。使用者可通过各进气管道上的氧分仪25和流量计26的读数以及最终需要通往窑炉8的氧气浓度和流量来调节各进气管道的进气量。窑炉8末端外侧还套设有可吸收窑炉8内部热量的第二换热装置(即第二换热器27)，所述第二换热器27内部也包括一气体通路，该气体通路连通第一换热器11的出气口和窑炉8的进气口，第二换热器27将窑炉8的热量传递至其内部的气体通路，用以给窑炉8的进气进行预热升温。
38.在实际使用时，使用者可以根据厂区窑炉8实际的开启数量来确定尾气回收及余热利用系统的使用方式，当用于生产的窑炉8较少时，可以通过纯氧补给系统7外购液氧对窑炉8进行供氧；当开启窑炉8数量较多时，开启本实施例的尾气回收及余热利用系统，从窑炉8排气口收集的尾气先经过第一换热器11换热降低温度，经加压机17加压后，再经粉尘处
理系统2的喷淋塔13喷淋洗去烟尘和部分气体，再经第一纯化系统3的冷凝器15冷凝除水、过滤器16过滤、加压机17加压、冷凝器15再次冷凝除水、分子筛18吸附二氧化碳和水后根据实际窑炉8需氧情况分两路去向：一路送往分馏系统4，先通过第三换热器21预先降温，再经分馏塔19深冷处理获得液氧，液氧经第三换热器21换热、加压机17加压后送往气体混合系统5(该液氧也可入纯氧补给系统7的液氧储罐22储存)；另一路则直接送往气体混合器24。使用者根据工作时窑炉8内对氧气氛围的具体要求以及各氧分仪25、流量计26读数调节该两路气体去向的体积量分配，必要时可开启纯氧补给系统7或第二纯化系统6向气体混合系统5补充99.9％的纯氧(补充气体需求量大的情况下开启第二纯化系统6，补充气体需求量不大则可开启纯氧补给系统7通过外购液氧进行补充)，以提高回收气的氧浓度和流量，实现用氧成本的最小化，回收处理后的高氧含量气体经过第一换热器11和第二换热器27换热升温后重新进入窑炉8利用。
39.以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型的保护范围并不仅局限于上述实施例。对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本实用新型技术构思前提下所得到的改进和变换也应视为本实用新型的保护范围。