一种高温烟气余热回收利用和储存装置及方法

一种高温烟气余热回收利用和储存装置及方法
【专利摘要】本发明提出一种高温烟气余热回收利用和储存装置及方法。一种高温烟气余热回收利用和储存装置，包括储热室箱体和储热室顶盖，储热室箱体上分别设有烟气入口、烟气出口、传热流体出口和传热流体入口，储热室箱体内均匀分布数个支撑结构架，与储热室箱体底部固定连接，支撑结构架上相互交错有空隙的固定设有规格相同的通烟气盘管和换热盘管，储热室箱体内部空隙填充有相变储热材料，高温烟气进入储热室箱体内，与传热流体进行换热，同时，相变储热材料以相变潜热的方式存储热量，并与传热流体热交换，冷却后结晶为固态并放出相变潜热。本发明传热蓄热一体化，结构简单、安全可行、换热效率高。
【专利说明】一种高温烟气余热回收利用和储存装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于高温烟气余热回收利用的【技术领域】，尤其涉及一种高温烟气余热回收利用和储存装置及方法。
【背景技术】
[0002]目前大部分企业生产制造中使用的燃气轮机在燃烧的时候要排放出大量的高温烟气，不仅让大量的热量白白被浪费，还对赖以生存的环境造成了日益严重的破坏。面对环境污染、资源和能源短缺等问题，必须寻求新的能源发展和节能减排的措施，才有可能提高能源利用效率，突破经济增长的瓶颈。所有节能减排的对象中，高耗能行业产生的效果是最为明显的。分布式功能系统的余热技术应用是有效实现节能减排的手段，在原基础上构建基于熔盐蓄能的主动蓄能型分布式能源系统应用原理模型，设计高效熔盐蓄能器和油水换热装置。相变储热材料为熔融盐相变材料(固液相变类型)。充热过程时，熔盐融化需要吸收大量的热量，从而能将通过的高温烟气提供的热量有效存储起来；放热过程时，相变材料凝固释放热量给传热介质。这种高温烟气利用蓄热装置与普通的换热设备相比，其突出特点是在传热装置布置流体管道的同时，还在其周围放置熔融盐相变储热材料，利用其储能密度高、相变潜热大、过冷度小、热稳定性好、成本低等优点，实现高温烟气余热利用效率的最大化。
[0003]目前，高温烟气余热利用的专利已有很多。专利《螺旋式换热装置》(CN1388339A)利用盘香式的换装热装置，扩大烟气通行的路程，实现锅炉或炉窑余热换热；专利《一种高效回收烟气余热加热锅炉助燃空气的装置》(CN203116073U)将箱体改装成上下两个部分，上部分为换热空气箱，下部分为高温烟气吸收箱，利用锅炉排空的高温烟气余热资源对锅炉助燃空气进行加热；专利《利用烟气换热的降温装置》(CN203116054U)通过两级换热器的运用，将高温烟气转换成低温烟气，降低了烟气内粉尘的比热阻，提高除尘器的除尘效率；专利《锅炉高温烟气热能回收装置》(CN202581383U)利用塔式均匀排列热交换横管，让烟气干进干出，并且设置雾化喷水装置实现热能的转化。已有的这些装置基本上是将高温烟气的热量通过中间介质直接传导出去进行利用，当高温烟气大量且源源不断通过时，利用这些余热会实现资源再利用。但是这些装置存在一定的缺陷，当高温烟气中断或者供应量不足时，热量的提供也必将中断，若是提前将高温烟气的余热存储起来，需要的时候再将其释放出来，就可以实现高温烟气余热的传热蓄热一体化，提高热能利用率，更好的实现节能减排、资源再利用的理念。

【发明内容】

[0004]本发明所要解决的技术问题在于针对上述存在的问题，提供一种高温烟气余热回收利用和储存装置及方法，。
[0005]本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是:一种高温烟气余热回收利用和储存装置，包括储热室箱体，所述储热室箱体顶部连接储热室顶盖，储热室箱体上分别设有烟气入口、烟气出口、传热流体出口和传热流体入口，储热室箱体内均匀分布数个支撑结构架，与储热室箱体底部固定连接，所述支撑结构架上相互交错有空隙的固定设有规格相同的通烟气盘管和换热盘管，通烟气盘管的两端口分别与烟气入口和烟气出口固定连接，换热盘管的两端口分别与传热流体出口和传热流体入口固定连接，储热室箱体内部空隙填充有相变储热材料。
[0006]按上述方案，所述的储热室箱体外表面包覆一层保温材料，形成密封的保温层。
[0007]按上述方案，所述的支撑结构架上由上往下依次设有数个通孔，通烟气盘管和换热盘管间隔穿过通孔呈螺旋状设置，两个盘管均盘绕数圈。
[0008]按上述方案，所述的支撑结构架上相对通烟气盘管和换热盘管的内外两侧平行设有数对翅片，每隔一个通孔设置一对翅片，每对翅片位于同一平面上。
[0009]按上述方案，所述的保温材料为多层高温矿纤维棉。
[0010]按上述方案，所述的储热室箱体为圆柱形筒体，烟气入口和传热流体入口设于储热室箱体下部相对位置，烟气出口和传热流体出口设于储热室箱体上部相对位置。
[0011]采用上述一种高温烟气余热回收利用和储存装置的方法，高温烟气从烟气入口进入通烟气盘管，同时传热流体入口通入传热流体，控制传热流体在换热盘管中的流速，使其到达传热流体出口时已经被高温烟气加热，完成换热的烟气从烟气出口排出储热室箱体；在换热的同时，填充在储热室箱体内部空隙的相变储热材料被高温烟气加热，其熔化前将以显热的方式储热，当温度达到其熔点开始熔化并以相变潜热的方式存储热量，当高温烟气供应不足或者中断时，相变储热材料处于高温熔融状态并将换热盘管层层包裹，通过热交换放出相变潜热，加热传热流体，从而使热能得以释放和利用，当相变储热材料冷却至相变温度时，液态相变储热材料结晶为固态并放出相变潜热，该循环蓄热-放热过程可达千次以上。
[0012]按上述方案，所述的高温烟气的温度范围为400°C?600°C，储存装置的工作温度范围为200°C?600°C。
[0013]本发明的有益效果是:1、实现高温烟气余热的传热蓄热一体化，提高热能利用率，更好的实现节能减排、资源再利用；2、通烟气的盘管通道为干进干出，且高温烟气入口和出口可以对调，既避免了管道的腐蚀和烟气吸水之后的沉积堵塞，又可以减小烟气颗粒在盘管的附着几率，降低维修保养的成本；3、通烟气的盘管和换热盘管交错有空隙的放置，确保高温烟气的热量充分传递给热流体，均匀高效地进行热量传递，其中填充的相变储热材料与盘管各个面紧密接触，极大地提高了该蓄热装置的储热传热效率。
【专利附图】

【附图说明】
[0014]图1为本发明一个实施例的剖视图。
[0015]图2为本发明一个实施例的通烟气盘管与换热盘管的装配示意图。
[0016]图3为图2的俯视图。
[0017]图4为本发明一个实施例的翅片及支撑结构架的结构示意图。
[0018]其中:1.储热室顶盖，2.储热室箱体，3.烟气出口，4.烟气入口，5.保温层，6.通烟气盘管，7.换热盘管，8.传热流体出口，9.传热流体入口，10.支撑结构架，11.翅片，12.相变储热材料，13.通孔。【具体实施方式】
[0019]为更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
[0020]如图1所示，一种高温烟气余热利用及储存装置，包括储热室箱体2，储热室箱体顶部连接储热室顶盖1，储热室箱体上分别设有烟气入口 3、烟气出口 4、传热流体出口 8和传热流体入口 9，储热室箱体内均匀分布数个支撑结构架10，与储热室箱体底部固定连接，支撑结构架上相互交错有空隙的固定设有通烟气盘管6和换热盘管7，通烟气盘管的两端口分别与烟气入口和烟气出口固定连接，换热盘管的两端口分别与传热流体出口和传热流体入口固定连接，储热室箱体内部空隙填充有相变储热材料12，储热室箱体外表面包覆一层保温材料，形成密封的保温层，保温材料能有效的防止热量的散失，增强储热效率，保温材料可以为多层高温矿纤维棉，储热室顶盖与储热室箱体可以用螺栓连接，储热室顶盖闭合后，拧紧螺栓，储热室箱体与储热室顶盖围成密封的储热空间。
[0021]如图2、3、4所示，储热室箱体2为圆柱体，内筒直径2.5m，高度3m，支撑结构架10由上往下依次设有数个通孔13，通烟气盘管6和换热盘管7间隔穿过通孔呈螺旋状设置，两个盘管均盘绕七圈(为区别通烟气盘管和通热流体盘管，将其绘制成不同直径大小的图形)，盘绕直径为1600mm,缝隙70mm,螺距330mm,盘管内径为80mm,盘管外径为90mm,体积约占储热室箱体内部空间的7.0%，支撑架构架的规格为138mmX 198mmX 1900mm ;支撑结构架将两个盘管固定，防止变形和移动，支撑结构架上相对通烟气盘管和换热盘管的内外两侧平行设有数对翅片11，每隔一个通孔设置一对翅片，每对翅片位于同一平面上，在相变储热材料12开始工作之前即可传递高温烟气的热量，起到增强传热的作用。
[0022]高温烟气余热回收利用和储存装置工作时，高温烟气在盘管中干进干出，同时从传热流体入口 9通入传热流体,控制传热流体的流速，当其到达传热流体出口 8时已经被高温烟气加热，该余热可以直接利用；与此同时，填充在储热室箱体内壁和双盘管之间的相变储热材料12被高温烟气加热，当其熔化前将以显热的方式储热，当温度达到其熔点时，相变储热材料12开始熔化并以相变潜热的方式存储热量。由于所选相变储热材料12有较大的储热潜能，而且装置内相变储热材料12的存储体积约达80%，当高温烟气供应不足或者中断时，相变储热材料12处于高温熔融状态并将换热盘管7层层包裹，通过热交换放出相变潜热加热流体从而使热能得以释放和利用。当相变储热材料12冷却至相变温度时，液态相变储热材料结晶为固态并放出相变潜热。这种储热及热利用率可以大大提高，该循环蓄热-放热过程可达千次以上。
[0023]高温烟气的温度范围为400°C?600°C，储存装置的工作温度范围为200°C?600°C，经过参数模拟及计算，本装置的传热储热总效率可达87.3%，适用于高温余烟热能转换。
[0024]实施例二:
[0025]与上述实施例一所述的高温烟气余热回收利用和储存装置不同之处为:通烟气盘管6和换热盘管7间隔穿过通孔呈螺旋状设置，两个盘管均盘绕六圈，盘绕直径为1700_，缝隙60mm,螺距300mm,盘管内径为70mm,盘管外径为80mm,体积约占储热室箱体内部空间的7.0%，支撑架构架的规格为140mmX200mmX 1900mm，经过参数模拟及计算，本装置的传热储热总效率可达85.1%，适用于高温余烟热能转换。[0026]实施例三:
[0027]与上述实施例一所述的高温烟气余热回收利用和储存装置不同之处为:通烟气盘管6和换热盘管7间隔穿过通孔呈螺旋状设置，两个盘管均盘绕八圈，盘绕直径为1500_，缝隙60mm,螺距340mm,盘管内径为90mm,盘管外径为100mm,体积约占储热室箱体内部空间的?.1%，支撑架构架的规格为136mmX196mmX 1900mm，经过参数模拟及计算，本装置的传热储热总效率可达88.9%,适用于高温余烟热能转换。
[0028]实施例四:
[0029]与上述实施例一所述的高温烟气余热回收利用和储存装置不同之处为:通烟气盘管6和换热盘管7间隔穿过通孔呈螺旋状设置，两个盘管均盘绕九圈，盘绕直径为1400_，缝隙50mm,螺距310mm,盘管内径为96mm,盘管外径为IlOmm,体积约占储热室箱体内部空间的7.2%，支撑架构架的规格为134mmX 194mmX 1900mm,经过参数模拟及计算，本装置的传热储热总效率可达89.9%,适用于高温余烟热能转换。
[0030]实施例五:
[0031]与上述实施例一所述的高温烟气余热回收利用和储存装置不同之处为:通烟气盘管6和换热盘管7间隔穿过通孔呈螺旋状设置，两个盘管均盘绕十圈，盘绕直径为1200_，缝隙30mm,螺距330mm,盘管内径为I IOmm,盘管外径为120mm,体积约占储热室箱体内部空间的6.8%，支撑架构架的规格为130mmX 190mmX 1900mm,经过参数模拟及计算，本装置的传热储热总效率可达86.4% ，适用于高温余烟热能转换。
[0032]实施例六:
[0033]与上述实施例一所述的高温烟气余热回收利用和储存装置不同之处为:通烟气盘管6和换热盘管7间隔穿过通孔呈螺旋状设置，两个盘管均盘绕十一圈，盘绕直径为1300mm,缝隙40mm,螺距320mm,盘管内径为100mm,盘管外径为IlOmm,体积约占储热室箱体内部空间的6.9%，支撑架构架的规格为132mmX 192mmX 1900mm,经过参数模拟及计算，本装置的传热储热总效率可达90.4%，适用于高温余烟热能转换。
【权利要求】
1.一种高温烟气余热回收利用和储存装置，其特征在于，包括储热室箱体，所述储热室箱体顶部连接储热室顶盖，储热室箱体上分别设有烟气入口、烟气出口、传热流体出口和传热流体入口，储热室箱体内均匀分布数个支撑结构架，与储热室箱体底部固定连接，所述支撑结构架上相互交错有空隙的固定设有规格相同的通烟气盘管和换热盘管，通烟气盘管的两端口分别与烟气入口和烟气出口固定连接，换热盘管的两端口分别与传热流体出口和传热流体入口固定连接，储热室箱体内部空隙填充有相变储热材料。
2.根据权利要求1所述的一种高温烟气余热回收利用和储存装置，其特征在于，所述的储热室箱体外表面包覆一层保温材料，形成密封的保温层。
3.根据权利要求2所述的一种高温烟气余热回收利用和储存装置，其特征在于，所述的支撑结构架上由上往下依次设有数个通孔，通烟气盘管和换热盘管间隔穿过通孔呈螺旋状设置，两个盘管均盘绕数圈。
4.根据权利要求3所述的一种高温烟气余热回收利用和储存装置，其特征在于，所述的支撑结构架上相对通烟气盘管和换热盘管的内外两侧平行设有数对翅片，每隔一个通孔设置一对翅片，每对翅片位于同一平面上。
5.根据权利要求2所述的一种高温烟气余热回收利用和储存装置，其特征在于，所述的保温材料为多层高温矿纤维棉。
6.根据权利要求1所述的一种高温烟气余热回收利用和储存装置，其特征在于，所述的储热室箱体为圆柱形筒体，烟气入口和传热流体入口设于储热室箱体下部相对位置，烟气出口和传热流体出口设于储热室箱体上部相对位置。
7.采用上述权利要求之一所述一种高温烟气余热回收利用和储存装置的方法，其特征在于，高温烟气从烟气入口进入通烟气盘管，同时传热流体入口通入传热流体，控制传热流体在换热盘管中的流速，使其到达传热流体出口时已经被高温烟气加热，完成换热的烟气从烟气出口排出储热室箱体；在换热的同时，填充在储热室箱体内部空隙的相变储热材料被高温烟气加热，其熔化前将以显热的方式储热，当温度达到其熔点开始熔化并以相变潜热的方式存储热量，当高温烟气供应不足或者中断时，相变储热材料处于高温熔融状态并将换热盘管层层包裹，通过热交换放出相变潜热，加热传热流体，从而使热能得以释放和利用，当相变储热材料冷却至相变温度时，液态相变储热材料结晶为固态并放出相变潜热，该循环蓄热-放热过程可达千次以上。
8.根据权利要求7所述的一种高温烟气余热回收利用和储存装置的方法，其特征在于，所述的高温烟气的温度范围为400 V?600 V，储存装置的工作温度范围为200 V?600。。。
【文档编号】F28D20/02GK103994683SQ201410215721
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2014年5月21日 优先权日:2014年5月21日
【发明者】程晓敏, 陶冰梅, 董琼, 李元元, 朱教群, 周卫兵, 朱闯 申请人:武汉理工大学