一種鋼鐵冶金用的蒸汽發生器及其余熱利用系統的制作方法

本發明提供了一種鋼鐵冶金用的蒸汽發生器及其余熱利用系統，涉及鋼鐵冶金的余熱利用領域，特別是涉及煉鐵高爐鐵水、鐵渣的余熱處理領域。

背景技術：

隨著煤炭、石油、天然氣等化石能源消耗量的不斷攀升，以及由于能源消耗帶來的環境負擔，能源和環境問題已經成為全世界共同關注的重大問題。鋼鐵冶金行業作為能源的消耗大戶，如果能夠提高化石能源的利用率，不僅可以間接的創造可觀的經濟效益，更是對于環境治理做出巨大的貢獻。目前鋼鐵產業高爐領域的余熱項目主要有高爐煤氣余壓透平發電裝置（簡稱TRT），高鈦鐵渣余熱利用系統以及高爐沖渣水余熱發電裝置。

目前高爐煤氣余壓透平發電裝置的技術已經相當成熟，在大型鋼鐵企業有著較高的應用，短期便能收回投入成本。但是對于鐵水、鐵渣的余熱利用卻不能發揮作用。高鈦鐵渣余熱利用系統用惰性氣體吸收渣坑鐵的渣熱量加以回收利用，具有較高的效率和用途的多樣化，但是需要占用較多的空間，且凝固的鐵渣處理依舊需要投入一定量的破碎成本。高爐沖渣水余熱發電裝置能吸收100℃左右的熱能加以利用且有著較高的效率，但是對于高溫位熱能則無法利用。

技術實現要素：

為了解決以上問題，本發明提供了一種鋼鐵冶金用的蒸汽發生器能夠有效回收高、低溫位熱能。

本發明的技術方案如下：一種鋼鐵冶金用的蒸汽發生器，包括殼體，所述殼體內設置有回收區，所述回收區內安裝有渣鐵通管，所述渣鐵通管豎直貫穿殼體，所述渣鐵通管的出口下方設置有破碎裝置，所述回收區外設置有工質區，所述工質區設置有工質進口、工質出口和工質蒸汽出口，所述回收區設置有熱水進口、熱水出口和水蒸氣出口。

本發明技術方案還包括：所述工質區外設置有二次回收區，所述二次回收區的下部與回收區連通，所述二次回收區的上部設置冷媒入口。

本發明技術方案還包括：所述渣鐵通管包括耐熱套管和耐熱襯管，所述耐熱襯管嵌套在耐熱套管內。

本發明技術方案還包括：所述殼體外部安裝有工質液位計和水液位計，所述工質液位計連通工質區，所述水液位計連通回收區。

本發明技術方案還包括：所述二次回收區內水平安裝有至少一段槽鋼，所述槽鋼的上端面上設有至少一個漏水口。

本發明技術方案還包括：所述破碎裝置包括料柱固定組件和破碎桿，所述破碎桿位于料柱固定組件的下方，所述破碎桿與驅動裝置連接。

本發明技術方案還包括：所述料柱固定組件為兩個并列設置的弧形滾軸，所述兩個弧形滾軸的弧形部分在水平面形成圓孔，圓孔的半徑與耐熱襯管半徑相同。

本發明還提供了一種鋼鐵冶金用的余熱利用系統，其技術方案如下：包括循環系統，所述循環系統包括至少一個膨脹機和回熱器，所述蒸汽發生器與膨脹機連通，所述膨脹機與回熱器連通，所述回熱器連接有冷凝器，所述冷凝器連接有工質泵，所述工質泵與回熱器連通，所述回熱器與蒸汽發生器連接，循環利用工質，有效節約能源。

本發明技術方案還包括：所述膨脹機包括連通發電機，提高對鋼鐵冶金的余熱的利用率。

本發明技術方案還包括：所述蒸汽發生器的水蒸氣出口處設置有水泵，所述水泵下端深入回收區液面內，所述水泵距離液面的液位高度為回收區液體液位高度的七分之一到五分之一，所述自吸泵連通供暖系統，提高對鋼鐵冶金的余熱的利用率。

高爐渣的潛熱約為：h=187kj/kg，一個40噸的渣罐所釋放的潛熱與顯熱合計，約相當于3.22噸標準煤的發熱量。鐵水的潛熱約為：h=121kj/kg,一個40噸的鐵罐所釋放的潛熱與顯熱合計，約相當于2.08噸標準煤的發熱量。可見，在高爐的煉鐵領域，能源的可利用空間是非常大的。

本發明的有益效果為：本發明為了提高鋼鐵冶金產生的余熱的利用率，改變了傳統蒸汽發生器的結構，分設工質區和回收區，回收區內的熱水與豎直安裝在回收區內、貫穿回收區上下的渣鐵通管進行熱交換，加熱回收區內的熱水產生蒸汽排出，從而進行下一步利用；工質區位于回收區外，能夠收集回收區外散的熱量，從而加熱工質區內部的工質，產生工質蒸汽排出從而進行下一步利用，有效提高了高位熱能的利用率。

待渣鐵及鐵水在下降的過程中逐漸冷卻成料柱，在重力作用下向下運動，在渣鐵出口下方安裝的破碎裝置對料柱進行破碎處理，能夠保證設備的正常運行。

此外工質區也可作為保溫區，對回收區的保溫提供支持，減少熱能的損耗。

本發明的蒸汽發生器不僅能回收鐵水、鐵渣的熱量有效回收鋼鐵冶金產生的高、低溫熱能，減少自身的熱損，并且整體結構簡單，取材方便，能夠有效地節約成本，并保證對鋼鐵冶金產生的余熱有較好的利用效果，具有良好的實用性和市場推廣價值。

附圖說明

圖1為本發明蒸汽發生器的正面剖視示意圖；

圖2為本發明蒸汽發生器的側面示意圖；

圖3為本發明蒸汽發生器的俯視示意圖；

圖4為本發明蒸汽發生器的破碎裝置正視示意圖；

圖5為本發明蒸汽發生器的破碎裝置左視示意圖；

圖6為本發明蒸汽發生器的破碎裝置俯視示意圖；

圖7為本發明蒸汽發生器的耐熱不銹鋼管的嵌套結構示意圖；

圖8為本發明余熱利用系統流程圖。

其中，1、冷媒入口，2、連接管，3、熱水進口，4、工質進口，5、水蒸氣出口，6、工質蒸汽出口，7、渣鐵進口，8、渣鐵通管，81、耐熱套管，82、耐熱襯管，9、槽鋼，10、熱水出口，11、工質出口，12、渣鐵出口，13、工質液位計，14、水液位計，15、工質區觀察孔，16、回收區觀察孔，17、料柱，18、弧形滾軸，19、破碎桿，20、二次回收區，21、工質區，22、回收區。

具體實施方式

下面將結合附圖和實施例對本發明作進一步介紹。

同時，由于下文所述的只是部分實施例，在不沖突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特征可以相互組合。

一種鋼鐵冶金用的蒸汽發生器，包括殼體，所述殼體內設置有回收區22，所述回收區22內安裝有渣鐵通管8，所述渣鐵通管8豎直貫穿殼體，所述渣鐵通管8的出口下方設置有破碎裝置，所述回收區22外設置有工質區21，所述工質區21設置有工質進口4、工質出口11和工質蒸汽出口6，所述回收區22設置有熱水進口3、熱水出口10和水蒸氣出口5。

在回收區22的頂端和底部由高強度的渣鐵通管8貫穿，回收區22通過吸收鐵水或鐵渣的熱量將水加熱，直至沸騰，水蒸氣在通過液面之上的加熱區繼續吸收能量，具有一定的壓力，然后通過管道到達汽輪機，推動汽輪機做功，將熱能轉化為機械能，最終變為電能。

回收區22所對應的為常規的水蒸氣朗肯循環系統。工質區21對應的則是通過向工質區21填充低沸點的有機物（五氟丙烷，沸點15.3℃，做制冷劑時，代號為R245fa）為工質的有機朗肯循環系統。有機朗肯循環在回收顯熱方面有較高的效率，通過吸收工質區21與回收區22之間鋼板的熱量，可以回收較多的熱能，生成具有一定壓力和溫度的蒸汽，從工質蒸汽出口6進入汽輪機膨脹做功，繼而產生電力，將原本散失到環境中的熱量進一步利用。

所述渣鐵通管8為耐高溫材料管（能耐1580℃以上高溫）。也可以選用耐高溫腐蝕金屬材料如耐熱不銹鋼管作為渣鐵通管，目前耐熱不銹鋼的常年工作溫度已經達到1200℃，相對于鐵渣、鐵水1000℃左右的溫度，完全可以滿足使用條件。

實施例1：所述工質區21外設置有二次回收區20，所述二次回收區20的下部與回收區22連通，所述二次回收區22的上部設置冷媒入口1。冷水通過自上而下的流動，將二次回收區與工質區之間的鋼板熱量通過底端的管道帶入回收區22進一步加以利用，實現能量損失的最小化。

實施例2：所述渣鐵通管8包括耐熱套管81和耐熱襯管82，所述耐熱襯管82嵌套在耐熱套管81內。耐熱套管81能夠起到保護耐熱襯管82的作用，如避免耐熱襯管82內外溫度差較大而產生熱應力變形，保證其正常的使用，從而確保工作效率。

當耐熱襯管82磨損到一定程度時，可以在檢修時對耐熱襯管82進行更換，節省成本。所述耐熱襯管82與耐熱套管81通過法蘭連接并固定在蒸汽發生器的殼體上。

所述耐熱套管的兩端分別焊接在第二法蘭的內壁上，所述第一法蘭焊接在渣鐵通管安裝口的外側。所述第二法蘭與第一法蘭通過緊固件連接。耐熱襯管則通過頂端焊接第三法蘭，固定在第二法蘭的上面。所述第三法蘭與第二法蘭不通過緊固件連接

耐熱套管和耐熱鋼管優選耐熱不銹鋼管，其具有降低成本、導熱性好、耐高溫不會發生卡料的情況。

通過對耐熱不銹鋼襯管或其他耐高溫腐蝕金屬材料的厚度進行設計，可以保證耐熱不銹鋼套管所承受的溫度遠低于其能承受的物理極限。耐熱套管的作用為耐高溫、抗拉伸，抗蠕變，襯管的作用為耐高溫、抗腐蝕、耐磨損。通過對襯管的厚度進行調整，以實現對加熱區的不銹鋼管熱輻射進行調控。比如襯管薄，不銹鋼管的溫度就高，這就有可能會接近他的物理極限。反之，溫度就低，影響加熱蒸汽的效果，因此，對耐熱襯管的厚度進行適當的調整，可以使不銹鋼管的溫度在一個適當的范圍上波動。

實施例3：在以上實施例的基礎上進行改進，所述殼體上設置有工質區觀察孔15和回收區觀察孔16，設備檢修時觀察內部情況使用，如有無水垢、管道是否應該更換等等。

實施例4：在以上實施例的基礎上進行改進，所述殼體外部安裝有工質液位計13和水液位計14，所述工質液位計13連通工質區21，所述水液位計14連通回收區22，便于施工人員觀察、調控。

實施例5：在以上實施例的基礎上進行改進，所述二次回收區20內水平安裝有至少一段槽鋼9，所述槽鋼9的上端面上設有至少一個漏水口，以控制冷水自上而下的一層一層緩慢流動來吸收熱量。當冷水流到底部時，就已經變成了熱水。事實上，冷卻區的的水量是有限的，保護殼體的溫度不高就可以了。殼體溫度高了，長時間會影響設備壽命。因此，在橫向的槽鋼上只需留有幾個孔就能滿足要求了。

實施例6：所述破碎裝置包括料柱固定組件和破碎桿19，所述破碎桿19位于料柱固定組件的下方，所述破碎桿19與驅動裝置連接。所述料柱固定組件為兩個并列設置的弧形滾軸18，所述兩個弧形滾軸18的弧形部分在水平面形成圓孔，圓孔的半徑與耐熱襯管82半徑相同。

具體操作過程如下：設備投入運行時，首先將渣鐵通管8的管道下端填塞大顆粒的鐵末或者鐵渣，從下端往上，顆粒逐漸細碎，然后壓牢填實，生產時，鐵水或鐵渣覆蓋在渣鐵通管8進口的上面（此時的渣鐵通管8進口已經澆筑了耐高溫材料），然后啟動蒸汽發生器下方的破碎裝置，使填充在渣鐵通管8中的填充物依次下落，隨著冷卻時間的不斷增加，渣鐵逐漸放出熱量，緩慢結晶，凝結為固體，以料柱的形式出現，且料柱的直徑比耐熱襯管82的直徑小（熱脹冷縮），當管道中的填充物全部排除，則料柱由于重力作用自動到達底部的破碎裝置，依據冷卻的情況，逐級破碎。

回收區22中的水經加熱，迅速的升溫，然后汽化為水蒸氣，在由濕飽和蒸汽變為干飽和蒸汽的過程中，持續吸收液面之上渣鐵通管8的輻射熱并最終成為過熱蒸汽，也就是變為具有一定壓力的氣體，經出氣閥門到達汽輪機，推動透平機做功發電。

當回收區22的水溫逐漸升高且恒定持續時，處于工質區21的五氟丙烷已經先一步吸收鋼板的熱量然后汽化，變為具有一定壓力的氣體，經閥門到達汽輪機，推動透平機做功，實現二次發電。即便是處于回收區的熱量已經停止一段時間，處于工質區21的系統依然能夠運行很長時間。因為五氟丙烷的沸點很低，只有15.3℃，比熱容也小，所以假設的情況是渣鐵進口已經停止供料，此時回收區的熱源停止供應，因為水的比熱大，所以，工質區21依然可以繼續吸收來自回收區22的熱量來產生過熱蒸汽，直到兩端的溫度基本持平。

實施例7：當暫時不具備安裝有機朗肯循環系統，比如資金不到位，場地還不具備施工條件或者有機朗肯循環系統正在建設之中時，此時的工質區的工質為水，通過工質蒸汽出口連接供暖系統。

實施例8：在設置有二次回收區的情況下，當暫時不具備安裝有機朗肯循環系統，比如資金不到位，場地還不具備施工條件或者有機朗肯循環系統正在建設之中時，此時的工質區的工質為水，工質進口設置在在殼體的較上部位，如冷媒入口1的左右兩側位置，備用管道分別連接外部和工質區內部。由于工質區的溫度最多與回收區的溫度相持平，且有冷媒在一旁冷卻，因此不會沸騰，可以起到保溫的作用。

本發明還提供了一種鋼鐵冶金用的余熱利用系統，包括循環系統，所述循環系統包括至少一個膨脹機和回熱器，所述蒸汽發生器與膨脹機連通，所述膨脹機與回熱器連通，所述回熱器連接有冷凝器，所述冷凝器連接有工質泵，所述工質泵與回熱器連通，所述回熱器與蒸汽發生器連接，循環利用工質，有效節約能源。

實施例1：所述膨脹機包括連通發電機，提高對鋼鐵冶金的余熱的利用率。

實施例2：所述蒸汽發生器的水蒸氣出口處設置有水泵，如自吸泵，所述自吸泵的下端深入回收區22液面內，所述水泵距離液面的液位高度為回收區液體液位高度的六分之一左右，所述自吸泵連通供暖系統，提高對鋼鐵冶金的余熱的利用率。

與現有的技術相比，本發明的優點是用途的多樣化與較高的熱源利用率。不僅能回收鐵水、鐵渣的熱量，而且能回收低溫位的熱能加以利用，減少自身的熱損，投入運行之后，對于不同的需求，可以通過設備的功能切換得以實現，位于高寒地區的鋼鐵企業可以將設備對接到供暖系統中，為供暖系統提供穩定的熱源。在設備投入運行后，只需短時間便能收回投入成本。

以上所述，僅是本發明的較佳實施例，并非對本發明做任何形式上的限制，凡在本發明的精神和原則之內所做任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。