用于通過相變材料傳輸熱能的設備和方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及能夠從廢氣(Off-gas)提取熱流以將它們轉移至定義的外部用戶裝置(UE)的設備，該廢氣具有相當大的能量含量并且來自生產和服務過程。
[0002]該轉移是通過相變材料的幫助而實現的，該材料與溫度等于或高于100° C的熱廢氣接觸，并在固體/液體相變中運作，其中熱交換器與相變材料接觸或浸漬在其中，載熱流體在該熱交換器中流動，其將熱流提取以供給外部用戶設備。
[0003]所述外部用戶設備可以例如由具有延遲時間的電能和/或熱能生成器構成。再者，本發明具有調節作用，其減少設備下游的溫度和熱能(thermal power)的變化，從而在技術上和經濟上便于使用已知的技術進行后續的能量回收。
[0004]根據外部用戶設備的需要，可以在數值和相對于提取的時間延遲上管理從熱廢氣至外部用戶設備的熱流的轉移。所討論的熱能轉移設備將在下文中被綜合地稱為“TET”。
【背景技術】
[0005]多年來，能量載體成本的連續增加，以及各個國家的用于激勵來自替代來源和能量回收的熱能和電能生產的法規的連續增加，已經促進了具有高能量含量的來自多種生產和服務過程的廢氣的能量回收技術的發展。能量回收被用來供給外部用戶設備或者被用來增加已經生成熱氣體的過程的效率，降低能量因子(其被理解為每單元的產品或服務使用的能量)。
[0006]已知的設備是這樣的，它們進行來自燃燒過程或化學反應過程的高溫氣體的熱能回收，從而預熱裝載材料、或進入燃燒室的燃燒物，或者在低溫和中溫下開始化學過程。
[0007]直接的熱交換設備也是已知的，其中空氣、水、導熱油或蒸汽流作為載熱流體，供給熱能/電能用戶設備，以用于低溫/高溫預熱，從而生成電能和/或熱能。
[0008]已知的技術用于限制供給通用用戶設備的溫度和熱能的變化，其由具有儲蓄器(水、蒸汽、油)功能的罐組成。
[0009]一種具體的已知技術由熔鹽構成，其被用于例如熱動力太陽能發電系統的領域，同時作為載熱流體和熱儲蓄器。
[0010]作為象征的但非限制性的例子，參考電爐鋼工程，其中隨氣體消散的總能量是總能量輸入的大約38%。
[0011]在可用的能量商數上廢氣的回收干預(recovery intervenes)約等于21%，否則其會沿著油煙凈化線分散(包含排出進大氣)。
[0012]用于工藝氣體的熱回收的一種已知的設備采用直接的交換器，在其中載熱流體被強制流動并且其供給外部用戶裝置；直接的交換器生成各種熱流，這些熱流始終遵循油煙的溫度和流動速率的發展。
[0013]直接的交換設備的缺點是，交換器和用戶設備必須位于熱流的最大值，這降低了其平均使用，并且可能的電力發生器以小于最佳平均性能運行。
[0014]一種已知的用于限制供給用戶裝置的熱流的變化的技術是熱儲蓄器，但它的缺點是非常昂貴，特別是在被建造來抵抗高壓的場合。
[0015]一種技術已知被用來降低向外部用戶裝置的蒸汽供應的變化，它提供來使得產生的蒸汽在蒸汽儲蓄器中以可變的流動速率傳輸。
[0016]另一種已知的用于避免被提取的熱功率的變化的技術是，通過產生額外的熱能的裝置來結合回收系統；在這種情況中，設備系統具有更大的尺寸，其重要地且綜合地依賴傳統的燃料或載體，后者對回收的經濟性有負面影響。
[0017]一種已經在操作上被應用的方案是，預熱被包含在電爐的加載籃筐中的廢料。在這種情況中，除了籃筐的物流使設備復雜化之外，還有低熔點物質的裝載物的存在造成的技術問題，可能對熔爐的運作和生產能力造成負面影響。其他問題是環境性的，在預熱的油煙中可能存在二惡英，還可能由于預熱的裝載物的合成而產生有毒產物，這會要求油煙的后燃燒系統。
[0018]通過被放出至廢料的所述熱量來回收油煙的顯熱，可以在用漏氣稀釋之后進行，不需要采用低溫(300° -350° C)下的輔助綜合燃燒器，避免了在高溫預熱的復雜性，但是這離被認為對實現最大節能而言最佳的條件(600° -650° C)還很遠。
[0019]在改進的情況中，即在升級現存系統時，采用預熱系統的明顯的物流和設備設計的困難性限制了該技術的推廣。
[0020]該回收系統使人感興趣的是具有高生產能力的設備，其中油煙的流動速率和溫度使得它們能夠被充分利用，并且熔煉周期(出鋼至出鋼，Tap-to-Tap)的持續時間指示性地大于70分鐘。
[0021]被稱為“雙爐殼(Twin Shell)”工藝的一種技術，提供了帶有兩個爐殼的熔化爐，這兩個爐殼具有共同的電極承載系統。在這類工藝中，當材料在第一爐殼中被熔化時，籃筐被加載進第二爐殼，而當第一爐殼傳到出鋼時，在第二爐殼中開始熔煉。總體上來自正在熔煉裝載材料的熔爐的氣體被使得在正在進行加載的熔爐中運輸。但是，由于環境原因，在這種情況下也通常需要使用燃燒器來進行預熱。
[0022]同樣已知的是被稱為“Contiarc”的熔爐，它是輸入直流電(DV)的電弧爐，其中將被熔煉的金屬裝載料以與下部的熔煉速度相同的速度被連續地供給進爐殼的上部。在下降期間，廢料被上升的氣體撞擊，從而將其預熱。
[0023]被稱為“柯麥爾特(Comelt)”的另一種電爐也輸入直流電(DC)，它提供垂直的預熱爐殼，其使用在相鄰的(可傾斜的)熔煉主體中生成的氣體。
[0024]例如，殼式爐或“豎式爐”使用輔助爐殼(或兩個交替使用的爐殼)，水被置于熔化爐之上并被冷卻，其中產生將預熱廢料的氣體。在該配置中，氧-燃料燃燒器被提供來結合由煙氣放出的顯熱。
[0025]用于裝載反應器的技術旨在包含停機時間并縮短熔煉循環的持續時間，其發展已經引起連續的供給系統(所謂的“C0NSTEEL?”)的制造，其中通過來自電弧爐的熱廢氣在傳送帶上預熱廢料。該系統使得能夠減少電能的需求約10%，并給出更高的生產能力。
[0026]至于僅用于供熱的能量回收，考慮到工業領域中具有低熱量含量的熱能的經濟重要性較低，它與遠程供熱網絡相聯系時是可實行的。換句話說，需要對附近的工業或民用設施放棄熱能。
[0027]已知的另一種回收工藝雖然還沒有在工業上被實現，它基于具有高熔化溫度的相變材料(PCM)，例如在約1083° C熔化的銅。該技術將被包含在從熔爐放出的氣體中的能量儲蓄在相變材料中，該材料將會用作甲烷的蒸汽重整的吸熱反應的熱源，從而生成氫氣。
[0028]同樣已知的是，在鋼鐵工程中使用的電弧爐的特征通常是存在強大的水冷卻系統，它要求復雜而大量的消散性冷卻系統，后者不提供任何類型的熱量回收。這些冷卻系統位于爐殼的壁和熔化爐的頂板上，并位于將煙氣從熔爐的第四孔傳送至凈化系統的管道的第一段上，它們的目的是保護爐殼的完整性并降低被保護的耐火物和被冷卻的金屬部件的磨損。
[0029]在已知的能量回收技術中，熱水和蒸汽被用作載熱流體，由于廢氣的熱能的流動的可變性，它們具有較低的熱特性、相對低的溫度和壓力；它們給出的性能是受限制的。
[0030]電弧爐(但不僅是)中的已知的能量回收技術的另一個缺點是，對具有雙倍低效率的負載峰值確定設備的尺寸的問題，這是由于用于制造設備的平均初期投資僅部分被使用，并且能量回收產率受到額定功率的平均下降的限制。
[0031]本發明的主要目的是，獲得新的設備和新的方法，以從來自工業和服務過程的熱廢氣中提取熱能，并將所述熱能轉移以供給外部用戶裝置。
[0032]本發明的另一個目的是，獲得一種設備和方法以轉移熱能，它使得能夠將材料至少部分維持在恒定的相變條件中，并因此維持在幾乎恒定的溫度下，該條件在熱交換器中是特別有用的。
[0033]本發明的另一個目的是，獲得能夠從這樣的過程中提取熱能的設備和方法，該過程具有就溫度和/或流動速率和/或熱功率而言隨時間而變的高可變性，或者其具有間歇性的運作，從而通過恒定的熱流供給外部用戶裝置，或者在任何情況下根據所述用戶裝置的要求進行管理。
[0034]本發明的另一個目的是，獲得這樣的設備，它能夠得到在高溫下基本上是潛熱的形式的一致的能量儲備，并且可以用于調節如下過程，該過程在與熱量被提取的位置不同的設備區段(sect1n)中生成熱的廢氣，并且具有受管理的時間延遲。
[0035]本發明的另一個目的是，獲得能夠完全或部分更換回路的設備和方法，該回路例如被用于鋼鐵行業中，用來冷卻和保護結構，它通常要求高功率并且非常耗能。
[0036]本發明的另一個目的是，獲得能夠完全或部分更換熱交換系統的設備和方法，該系統非常耗能，它被需要來冷卻在加熱過程中(例如在火化爐中的)的廢氣。
[0037]本發明的另一個目的是，獲得能夠將環境空氣加熱至高溫的裝置，該空氣從而被引入至煙囪以消除可能的羽狀蒸汽。
[0038]本發明的另一個目的是，獲得使用熔鹽作為載熱流體的裝置，其具有能夠達到550° C的提取溫度并且具有相對高的熱能和溫度。
[0039]本發明的另一個目的是，獲得這樣的裝置和方法，它們選擇性地能夠進行完整的蘭金(Rankine)熱力循環，或者替代地能夠僅進行過度加熱步驟，這從熱力學角度(鑒于高工藝溫度)和從技術角度來看是特別微妙的，從而防止例如腐蝕和磨損。
[0040]申請人已經發明、制定并設計了本發明并定義了用于它的方法，從而克服現有技術的缺點并獲得這些和其他目標和優點。

【發明內容】

[0041]在獨立權利要求中闡述并表征了本發明，而從屬權利要求描述了本發明的其他特征或對主要發明構思的變形。
[0042]根據以上目的，提供了用于從來自生產或服務過程熱的廢氣提取熱能并將所述熱能傳輸至外部用戶裝置的設備，所述設備至少部分地被置于進行所述生產或服務過程的工廠的容納室或一個或多個管道內并且與所述廢氣接觸。
[0043]根據本發明的一個特征，所述設備包含至少兩個區段，每個區段由至少一個熱交換模塊界定，所述熱交換模塊具有:
容器/交換器，其具有中空形狀，由具有高的熱傳導率的金屬材料(特別地具有等于或大于10 W/mK的熱傳導率)制成，至少部分地與所述廢氣接觸，從而與它們交換熱能；
第一相變材料，其具有高的熱擴散率(即等于或大于10_7 m2/s，例如大于10_6 m2/s)，位于所述容器/交換器內；
提取交換器，其與所述第一相變材料接觸并具有傳送和返回管；
載熱流體，其與所述提取交換器相連并且在所述管中循環，以提取并傳輸由第一相變材料儲蓄的熱能；
移動裝置，其與所述管相連，從而移動流動通過它們的載熱流體，并傳送和管理所述載熱流體的流速，以對每個區段選擇性地確定從所述廢氣間接(即以介導的方式)提取的熱流的值的變化，并實現每個區段的相變材料的至少部分相變。
[0044]這有利地允許通過調節每個區段的載熱流體的流速，以從廢氣提取熱流，從而被并行地加入和傳送以供給外部用戶裝置，其整體特點是恒定的值、或者在任何情況下都受管理。
[0045]在本發明的變形中，移動載熱流體的裝置被設置來在所述區段之間交替地并互補地得到每個區段的第一相變材料的至少部分相變。
[0046]根據本發明的一個特征，下游的用戶裝置可以由每個區段的傳送或返回管的串行或并行的