一种工业废热梯度利用系统以及利用方法

1.本发明涉及工业废热领域，具体涉及一种工业废热梯度利用系统以及利用方法。


背景技术：

2.目前，大量的低品位热能广泛存在于冶金、化工、纺织产品的生产过程以及能源行业当中，比如，我国大中型钢企的余热约8.44gj/t，含有大量高、中、低温余热资源，尤其是现行工艺下的高温炉渣冷却环节，产生了大量的《70℃的低品味渣水废热，和少量间歇性大于200℃的中温废热，温度不稳定且能级跨度大，难以就地消纳利用。由于其间歇性和低品位特性，这部分热能通常被大量排放，造成了巨大能源浪费。
3.近年来，采用热化学反应储热实现低温余热的提质或增焓的研究得到了广泛关注。然而，热化学反应储热所需设备操作复杂，反应过程中物质的体积变化及产物的存储需求造成整体能量密度大幅度衰减。同时单一化学储热形式对低品位余热的品位要求较高，温度不对口造成匹配工业低品位余热能量利用效率低。


技术实现要素：

4.因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的低品位余热无法有效利用的缺陷，从而提供一种工业废热梯度利用系统以及利用方法。
5.为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：
6.一种工业废热的梯度利用系统，包括依次相连的低温相变储热单元、化学反应提质单元以及中温相变储热单元；所述低温相变储热单元通过换热流体l吸收低品位热源的热量后输送给化学反应提质单元，化学反应提质单元利用该吸收热量后的换热流体l作为反应物质进行提质增焓，提质增焓后的热量以气相形式传递给中温相变储热单元进行存储。
7.优选地，所述低温相变储热单元含有低温相变材料。
8.优选地，所述低温相变材料的相变温度为20～70℃。
9.优选地，所述低温相变材料包括无机水合盐类化合物、脂肪酸或链烷烃类化合物中的至少一种。
10.优选地，所述中温相变储热单元含有中温相变材料。
11.优选地，所述中温相变材料的相变温度高于100℃。
12.优选地，所述中温相变材料包括糖醇类、聚合物或硝酸盐类化合物中的至少一种。
13.优选地，所述化学反应提质单元包括：第一换热器、化学反应器以及第二换热器；
14.所述第一换热器用于吸收间歇性的中温废热的热量并通过热介质传递给化学反应器促使其内部物质发生气固相化学反应中的吸热反应；所述低温相变储热单元中换热流体l的出口与化学反应器入口相连，以实现低温相变储热单元和化学反应提质单元的连通；所述化学反应器中吸热反应剩余热量或者化学反应器中换热流体l提质增焓后的热量均通过第二换热器的热介质传递给中温相变储热单元进行存储。
15.优选地，所述化学反应提质单元还包括换热流体l的存储容器，经过第二换热器换热后的换热流体l输送到存储容器中暂存。进一步的，所述存储容器上设置有与低温相变储热单元中换热流体l的入口相连通的出口。
16.优选地，所述化学反应器的反应类型为气固相化学反应。
17.优选地，所述化学反应器优选为填充床结构，反应温度区间为80～165℃。
18.优选地，所述化学反应器的反应选自卤化物-水吸/脱附反应、沸石-水蒸气吸/脱附反应、有机质-氢吸/脱附反应、氢氧化物-水吸/脱附反应。所述反应物例如为氢氧化钙-水反应或沸石-水蒸气反应。
19.优选地，所述化学反应器和第二换热器之间设置有压力控制器。
20.一种工业废热的梯度利用方法包括：低品位热源进入低温相变储热单元进行储热，然后经换热流体l进行换热后，换热流体l进入化学反应提质单元进行化学反应实现提质增焓，提质增焓后的热源进入中温相变储热单元进行存储。
21.优选地，所述方法包括：间歇性的中温废热经过第一换热器进行换热后，进入化学反应器并触发气固相化学反应，一部分热量保存在固态化学反应物质中，另外一部分热量以气相形式经过第二换热器换热后进入中温相变储热单元。通过该方法，可以实现间歇性的中温废热的稳定的输入存储以及提质，完成间歇性的中温废热的储热；低品位热源进入低温相变储热单元进行储热，换热流体l从低温相变储热出口与化学反应器进口相连，所述换热流体l作为反应物质在化学反应器内发生气固相化学反应中的放热反应，一部分热量保存在固态化学物质中，另一部分热量以气相形式经过第二换热器，然后进入中温相变储热单元。
22.优选地，经过第二换热器冷却后的换热流体l存储在换热流体l的存储容器中。
23.优选地，通过压力控制器控制化学反应器的反应动力学参数。
24.有益效果：
25.本发明将相变储热与热化学储热结合，提供了一种废热资源相变存储与热化学反应提质一体化的梯次再利用系统，为化学反应热提质提供温度对口条件，为实现温度《70℃的低品位废热的提质利用提供了可行性；所述系统简单方便，可以高效实现低温废热的有效利用。
26.在本发明优选地方案中，化学反应提质单元包括：第一换热器、化学反应器以及第二换热器，所述低温相变储热单元的出口与化学反应器入口相连，所述第二换热器的出口和中温相变储热单元的入口相连，所述化学反应器的反应类型为气固相化学反应，所述第一换热器的热介质出口与化学反应器的热介质入口相连，所述化学反应器的热介质出口与第一换热器的热介质入口相连，形成第一换热器与化学反应器之间的热介质循环回路。本发明可以实现间歇性的中温废热的稳定的输入存储以及提质，完成间歇性的中温废热的储热。同时，低品位热源进入低温相变储热单元进行储热，换热流体l从低温相变储热出口流出并通过化学反应器进口进入到化学反应器中，所述换热流体l作为反应物质在化学反应器内发生放热反应，一部分热量保存在固态化学物质中，另一部分热量以气相形式经过第二换热器，然后进入中温相变储热单元，又可以实现低品位热源提质和梯次存储再利用，解决了余热资源的常规回收利用的间歇及不稳定问题。
附图说明
27.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
28.图1是本发明一个实施例的工业废热的梯度利用系统示意图；
29.图2是本发明一个实施例的化学反应单元的结构示意图。
30.附图标记：1-低温相变储热单元，2-化学反应提质单元，3-中温相变储热单元；201-第一换热器，202-化学反应器，203-第二换热器，204-存储容器，205-第一阀门，206-第二阀门，207-第三阀门，208-第四阀门，209-第五阀门，210-第六阀门，211-换热流体l，212-压力控制器。
具体实施方式
31.下面参考图1和图2描述根据本发明实施例的工业废热的梯度利用系统。
32.如图1所示，图1为工业废热的梯度利用系统，包括依次相连的低温相变储热单元1、化学反应提质单元2以及中温相变储热单元3。所述低温相变储热单元通过换热流体l吸收低品位热源的热量后输送给化学反应提质单元，化学反应提质单元利用该吸收热量后的换热流体l作为反应物质进行提质增焓，提质增焓后的热源的热量以气相形式传递给中温相变储热单元进行存储。
33.所述低温相变储热单元，是指含有低温相变材料的储热装置，以实现低品位热源的稳定输入和存储。所述低温相变材料是指，相变温度为20～70℃的相变材料。典型但非限制性的低温相变储热单元包括：相变材料容器和填充在所述相变材料容器内部的低温相变材料。此外，所述低温相变储热单元中还包括循环的换热流体l，以实现传热。
34.典型但非限制性的低温相变材料包括无机水合盐类化合物、脂肪酸或链烷烃类化合物中的至少一种。
35.所述无机水合盐类化合物特别优选为：三水醋酸钠、十水硫酸钠、六水氯化钙、六水硝酸镁、4.3％nacl+0.4％kcl+48％cacl2的水合盐或58.7％mg(no3)2·
6h2o+41.3％mgcl2·
6h2o中的至少一种，或者利用该无机水合盐类化合物作为基材开发的复合物。例如：以三水醋酸钠(sat)为基材，添加具有多孔网状结构的膨胀石墨(eg)构成复合相变材料。其中，4.3％nacl+0.4kcl+48％cacl2的水合盐是指由4.3％nacl、0.4％kcl、48％cacl2和47.3％h2o组成的混合物，58.7％mg(no3)2·
6h2o+41.3％mgcl2·
6h2o是指由58.7％mg(no3)2·
6h2o和41.3％mgcl2·
6h2o组成的混合物。
36.所述脂肪酸类相变材料优选为：棕榈酸、肉豆蔻酸、月桂酸和癸酸中的至少一种，或者利用其作为基材开发的复合物。
37.所述链烷烃类化合物优选为正十八烷、正十九烷和石蜡中的至少一种，或者利用其作为基材开发的复合物。
38.在本发明中，所述低品位热源是指，温度低于70℃的热源。所述热源来源包括：高炉渣/钢渣冲渣水、油田采出水或热电厂循环冷却水。所述间歇性的中温废热是指工厂排放的温度约在200-350℃的间歇性热源。
39.所述中温相变储热单元，是指含有中温相变材料的储热装置，以实现高品位热能的存储。所述中温相变材料是指，相变温度高于100℃的相变材料，优选为相变温度为110～190℃的相变材料。
40.典型但非限制性的中温相变储热单元包括：相变材料容器和填充在所述相变材料容器内部的中温相变材料，此外，所述中温相变储热单元还包括与换热流体l换热且与第二换热器形成的循环回路中循环利用的热介质，以实现传热；该中温相变储热单元中包括的热介质与第二换热器中的热介质为同一物质。
41.典型但非限制性的中温相变材料包括但不限于糖醇类、聚合物类或低共融熔盐类物质的至少一种。
42.所述低共融熔盐类物质优选为：硝酸盐或氯化物中任一种或者几种混合，或者利用其作为基材开发的复合物，特别优选的为kno3和ca(no3)2低共融系、67％kno3和33％lino3低共融系、nano3–
kno3–
ca(no3)2/硅酸钙复合相变储热材料，或者石墨掺杂的kno3/nano3复合体系。
43.所述的糖醇类相变材料优选为：麦芽糖、半乳糖醇、甘露醇或赤藓糖醇等其中任一种或者几种混合，或者利用其作为基材开发的复合物。
44.所述聚合物相变材料优选为：n大于100000的烯烃c
nh2n
聚合物，或者利用其作为基材开发的复合物，优选的为聚乙烯等。
45.如图2所示，所述化学反应提质单元包括：第一换热器201、化学反应器202以及第二换热器203，所述低温相变储热单元1的换热流体l 211的出口与化学反应器202入口相连，以实现低温相变储热单元1和化学反应提质单元2的连通，所述第一换热器201用于吸收间歇性的中温废热的热量并通过热介质传递给化学反应器202，实现将第一换热器201交换得到的热量输送到化学反应器202中促使其内部物质发生吸热反应；所述低温相变储热单元1中的换热流体l输送到所述化学反应器202中与其内部物质接触，产生放热反应实现换热流体l的提质增焓，提质增焓后的换热流体l通过化学反应器202上设置的气相出口进入到第二换热器中与其热介质换热后再返回到低温相变储热单元1中形成循环回路，或者用作其他用途；所述第二换热器的热介质则进入到中温相变储热单元3中实现热量的存储。
46.优选地，为了保证返回到低温相变储热单元1中换热流体l的稳定性，所述化学反应提质单元还包括换热流体l的存储容器204，所述第二换热器中换热流体l的出口与存储容器204的上端入口相连，实现热量回收后的换热流体l的暂存。
47.优选地，所述换热流体l的存储容器位于化学反应器和第二换热器之间。
48.优选地，所述化学反应器的反应类型为气固相化学反应。
49.优选地，所述化学反应器优选为填充床结构，反应温度区间为80～165℃。
50.优选地，所述化学反应器的反应选自卤化物-水吸/脱附反应、沸石-水蒸气吸/脱附反应、有机质-氢吸/脱附反应、氢氧化物-水吸/脱附反应。所述反应物例如为氢氧化钙-水反应或沸石-水蒸气反应。
51.优选地，所述化学反应器202和第二换热器203之间的管路上设置有压力控制器212。
52.采用如上所述的系统进行工业废热的梯度利用方法包括：低品位热源进入低温相变储热单元进行储热，然后经换热流体l进行换热后，换热流体l进入化学反应提质单元进
行化学反应提质增焓，提质增焓后的热量进入中温相变储热单元进行存储。
53.优选地，所述方法包括：间歇性的中温废热经过第一换热器进行换热后，进入化学反应器并触发气固相化学反应，其为吸热反应，一部分热量保存在固态化学反应物质中，另外一部分热量以气相形式经过第二换热器换热后进入中温相变储热单元。通过该方法，可以实现间歇性的中温废热的稳定的输入存储，完成间歇性的中温废热的储热。低品位热源进入低温相变储热单元进行储热，换热流体l从低温相变储热出口流出，通过化学反应器进口流入到化学反应器中，所述换热流体l作为反应物质在化学反应器内发生放热反应，一部分热量保存在固态化学物质中，另一部分热量以气相形式经过第二换热器与热介质换热，然后通过热介质将提升品位后的热量送入中温相变储热单元进行存储。
54.在本发明中，所述间歇性的中温废热，是指工厂排放的温度在200℃左右的间歇性热源。
55.优选地，经过第二换热器冷却后的换热流体l存储在换热流体l的存储容器204中。
56.优选地，通过压力控制器控制化学反应器的反应动力学参数。
57.具体地，以氢氧化钙-水为反应物，本发明的梯度利用系统的工作过程包括：
58.储热过程：间歇性的中温废热通常不能集中被利用，大量排放造成了巨大能源浪费。在本发明中，间歇性的中温废热经过第一换热器201进行换热，其中，水作为热介质(即，载热介质)，经过换热后，打开第二阀门206和第五阀门209，水携带热量进入化学反应器202中的内部管路，与填充在内部管路之间的反应物间接接触，将热量稳定传递给反应物，所述化学反应器内的反应物为氢氧化钙，氢氧化钙受热产生吸热反应并进行分解，生成氧化钙和水蒸汽。从该热介质中吸收得到的一部分热量保存在氧化钙中，另外一部分热量随水蒸气以气相形式进入第二换热器换热，换热后的热量进行中温相变储热模块进行储热。同时，第二换热器换热后的冷的换热流体l可以进入存储容器中进行存储，打开第六阀门210，即可排放该换热流体l，或者进行循环利用，或者其他用途。另外，第一换热器内的热介质也循环利用。通过上述过程，即可完成间歇性的中温废热的存储。在实际工业过程中，一旦有间歇性的废热产生，即可进行上述过程，完成间歇性的中温废热的存储，避免了由于不连续性而导致这部分热量无法有效利用的缺陷。
59.释热过程：低品位热源(小于70℃)首先进入低温相变储热单元1，所述低温相变储热单元内的相变材料的相变温度低于70℃，以和热源的温度进行匹配，所述相变材料例如为三十烷，进而实现了低品位热源的稳定输入和存储。打开第一阀门205，低温相变储热单元1中的换热流体l为水，该水携带稳定的热量进入化学反应器202，与化学反应器中的氧化钙直接接触发生放热反应，生成氢氧化钙和水蒸气，化学反应器中的一部分热量保存在氢氧化钙中，另外一部分热量随水蒸气以气相形式进入第二换热器203进行换热，换热后的热量进入到中温相变储热模块3中进行储热，实现≥100℃热源的稳定输出。通过第三阀门207和第四阀门208之间的压力控制器212可以调节化学动力学参数。同时，第二换热器203换热后冷的换热流体l可以进入存储容器204中进行存储，打开第六阀门210，即可排放该换热流体l，或者将换热流体l返回到低温相变储热单元1中进行循环利用，或者作为其他用途。
60.因此，本发明通过将相变储热和化学储热进行结合，可以实现间歇性的中温废热和低品位热源的存储和提质增焓。
61.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对
于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。