《熔鋁爐餘熱利用系統》是佛山市廣旭節能自動化科技有限公司於2013年8月18日申請的發明專利，該專利的申請號為2013103597908，公布號為CN103398591A，授權公布日為2013年11月20日，發明人是劉效洲、李瑞宇、何志鋒。
《熔鋁爐餘熱利用系統》包括：爐體，爐體內設有爐膛；噴嘴，噴嘴設定在爐體的一側端壁上；以及煙氣管道，煙氣管道連線於爐體的另一側端壁上以將爐膛內產生的煙氣排出至煙囪。其中，熔鋁爐餘熱利用系統還包括沿煙氣管道的煙氣流動方向依次布置的用於使煙氣管道的煙氣與不同的流體分別進行熱交換的高溫換熱器、中溫換熱器以及蒸發器。該發明的熔鋁爐餘熱利用系統包括第一級餘熱利用系統、第二級餘熱利用系統以及第三級餘熱利用系統，能夠充分回收利用熔鋁爐的煙氣餘熱。
2016年12月7日，《熔鋁爐餘熱利用系統》獲得第十八屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《熔鋁爐餘熱利用系統》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：熔鋁爐餘熱利用系統
- 申請號：2013103597908
- 申請日：2013年8月18日
- 申請人：佛山市廣旭節能自動化科技有限公司
- 地址：廣東省佛山市禪城區華寶南路1號四座一樓南側之二
- 發明人：劉效洲、李瑞宇、何志鋒
- Int.Cl.：F27D17/00(2006.01)I、F23J15/06(2006.01)I、F23L15/04(2006.01)I
- 代理機構：北京獻智智慧財產權代理事務所（特殊普通合夥）
- 代理人：楊獻智、張春合
- 公布號：CN103398591A
- 公布日：2013年11月20日
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,有益效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
截至2013年8月，面對日益嚴峻的環境問題和能源危機，全世界都在大力提倡節能減排，尤其是對於耗能和污染都較嚴重的工業窯爐相關產業，如何進行節能減排改造，已經成為該領域技術人員在設計該類設備時必須要考慮的因素。
以熔鋁爐為例，其煙氣出口處的煙氣溫度通常會達到1000攝氏度左右。如果將這些高溫煙氣直接排放到環境中，不但會造成能源浪費還會對環境造成一定程度的破壞。
如中國專利200920241826.1號公開的一種熔鋁爐的餘熱回收裝置，其包括分別設於兩蓄熱桶的通風室的、相互串接的蛇形管，蛇形管的外周壁上相間隔分布連線有吸熱片，蛇形管通過其進出口串接於熔鋁爐的供油管。然而，該專利申請所設計的節能裝置僅採用一級餘熱利用裝置僅能部分利用熔鋁爐餘熱，還有大量的熱能將會白白浪費掉。
又如中國專利201220327875.9號公開的一種利用熱管技術換熱系統在熔鋁爐上的節能裝置，其包括殼體和熱管，所述熱管包括束熱端和束冷端，所述束熱端上套有護套，熱管束熱端的殼體上設有高溫煙氣入口和煙氣出口，熱管束冷端的殼體上設有助燃風入口和助燃風出口。同樣，該專利申請所設計的節能裝置僅採用一級餘熱利用裝置僅能部分利用熔鋁爐餘熱，還有大量的熱能將會白白浪費掉。
因此，提供一種可充分節能減排的熔鋁爐餘熱利用系統成為業內急需解決的問題。
發明內容
專利目的
《熔鋁爐餘熱利用系統》的目的是提供一種熔鋁爐餘熱利用系統，該系統能夠充分回收利用高溫煙氣的餘熱。
技術方案
《熔鋁爐餘熱利用系統》包括：爐體，爐體內設有爐膛；噴嘴，噴嘴設定在爐體的一側端壁上；以及煙氣管道，煙氣管道連線於爐體的另一側端壁上以將爐膛內產生的煙氣排出至煙囪。其中，熔鋁爐餘熱利用系統還包括沿煙氣管道的煙氣流動方向依次布置的用於使煙氣管道的煙氣與不同的流體分別進行熱交換的高溫換熱器、中溫換熱器以及蒸發器。
優選地，熔鋁爐餘熱利用系統可以包括第一級餘熱利用系統、第二級餘熱利用系統以及第三級餘熱利用系統。
可選擇地，熔鋁爐餘熱利用系統可以包括第一級餘熱利用系統、第二級餘熱利用系統以及第三級餘熱利用系統中的任意兩級。
其中，第一級餘熱利用系統可以包括設定於煙氣管道的上游位置處的高溫換熱器，高溫換熱器具有煙氣流路和流體流路，並且第一級餘熱利用系統還包括助燃風機，來自於助燃風機的環境空氣通過管線進入高溫換熱器的流體流路並在高溫換熱器中預熱後通過管線輸送至噴嘴。
可選擇地，高溫換熱器包括外殼、將所述外殼內部空間分隔為逆向平行的煙氣流路和流體流路的中隔板、以及穿設在中隔板中的若干熱管，其中，熱管的蒸發端延伸於煙氣流路中，熱管的冷凝端延伸於流體流路中。
優選地，高溫換熱器的熱管內的工質為適用於1000攝氏度左右工況的液態鈉或鉀等工質。
其中，第二級餘熱利用系統可以包括設定於煙氣管道的中游位置處的中溫換熱器，中溫換熱器具有煙氣流路和流體流路，並且第二級餘熱利用系統還包括渦輪發電裝置、混合器、螺桿發電裝置、冷凝器、壓縮機，其中，中溫換熱器的流體流路的出口、渦輪發電裝置、混合器、螺桿發電裝置、冷凝器、壓縮機、中溫換熱器的流體流路的入口通過管線依次連線形成第一工質循環迴路。
可選擇地，中溫換熱器包括外殼、將所述外殼內部空間分隔為逆向平行的煙氣流路和流體流路的中隔板、以及穿設在中隔板中的若干熱管，其中，熱管的蒸發端延伸於煙氣流路中，熱管的冷凝端延伸於流體流路中。
優選地，中溫換熱器的熱管內的工質為適用於500攝氏度左右工況的萘等工質。
作為一種可選擇操作方式，30～45攝氏度常壓空氣通過管線進入壓縮機後壓縮成30～45攝氏度的0.3～0.5兆帕壓縮空氣，30～45攝氏度的0.3～0.5兆帕壓縮空氣進入中溫換熱器的流體流路的入口並在中溫換熱器中加熱成350～450攝氏度的0.3～0.5兆帕壓縮空氣，350～450攝氏度的0.3～0.5兆帕壓縮空氣通過管線進入渦輪發電裝置中做功後變成80～120攝氏度的0.08～0.12兆帕壓縮空氣，80～120攝氏度的0.08～0.12兆帕壓縮空氣通過管線進入螺桿發電裝置中做功後變成50～70攝氏度常壓空氣，50～70攝氏度常壓空氣通過管線進入冷凝器後冷凝成30～45攝氏度常壓空氣，30～45攝氏度常壓空氣再進入壓縮機循環。
其中，第三級餘熱利用系統可以包括設定於煙氣管道的下游位置處的蒸發器，蒸發器具有煙氣流路和流體流路，並且第三級餘熱利用系統還包括混合器、螺桿發電裝置、冷凝器，其中，蒸發器的流體流路的出口、混合器、螺桿發電裝置、冷凝器、蒸發器的流體流路的入口通過管線依次連線形成第二工質循環迴路。
可選擇地，蒸發器包括外殼、將所述外殼內部空間分隔為逆向平行的煙氣流路和流體流路的中隔板、以及穿設在中隔板中的若干熱管，其中，熱管的蒸發端延伸於煙氣流路中，熱管的冷凝端延伸於流體流路中。
優選地，中溫換熱器的熱管內的工質為適用於150攝氏度左右工況的水或氨等工質。
可選擇地，第一級餘熱利用系統、第二級餘熱利用系統以及第三級餘熱利用系統設定成使得煙氣管道的高溫煙氣經過高溫換熱器、中溫換熱器以及蒸發器後分別降溫至500～600攝氏度、120～180攝氏度、80～100攝氏度。
優選地，第二級餘熱利用系統與第三級餘熱利用系統共用混合器、螺桿發電裝置以及冷凝器。
其中，混合器可以包括第一入口和第二入口，渦輪發電裝置通過管線連線於混合器的第一入口，蒸發器的流體流路的出口通過管線連線於混合器的第二入口，第一工質循環迴路中的第一工質和第二工質循環迴路中的第二工質在混合器中混合。
其中，冷凝器可以包括第一出口和第二出口，冷凝器的第一出口通過管線連線於壓縮機，冷凝器的第二出口通過管線連線於蒸發器的流體流路的入口，第一工質和第二工質在冷凝器中分離。
作為一種可選擇操作方式，35～45攝氏度的甲醇溶液進入蒸發器的流體流路的入口並在蒸發器中加熱成80～120攝氏度的甲醇蒸汽，80～120攝氏度的甲醇蒸汽通過管線進入混合器的第二入口，80～120攝氏度的甲醇蒸汽在混合器中與來自渦輪發電裝置的空氣混合，混合氣通過管線進入螺桿發電裝置中做功後變成50～70攝氏度常壓混合氣，50～70攝氏度常壓混合氣通過管線進入冷凝器中冷凝，50～70攝氏度常壓混合氣中的甲醇蒸汽冷凝成35～45攝氏度的甲醇溶液後再進入蒸發器的流體流路的入口以沿著第二工質循環迴路工作；並且，50～70攝氏度常壓混合氣中的空氣冷凝成30～45攝氏度常壓空氣並通過管線進入壓縮機中壓縮成30～45攝氏度的0.3～0.5兆帕壓縮空氣，30～45攝氏度的0.3～0.5兆帕壓縮空氣進入中溫換熱器的流體流路的入口以沿著第一工質循環迴路工作。
可替代地，第二級餘熱利用系統和第三級餘熱利用系統可以各自包括單獨的螺桿發電裝置以及冷凝器，此時，第二級餘熱利用系統和第三級餘熱利用系統可以都不包括混合器。
可選擇地，螺桿發電裝置採用螺桿膨脹機發電技術，其工作原理是通過陰陽螺桿槽道中熱流體的體積膨脹，推動陰陽螺桿向相反方向旋轉，實現將熱能轉換成機械能的做功過程。
有益效果
（1）沿煙氣管道的煙氣流動方向依次布置用於使煙氣管道的煙氣與不同的流體分別進行熱交換的高溫換熱器、中溫換熱器以及蒸發器，使得煙氣管道的煙氣餘熱分級由高溫換熱器、中溫換熱器以及蒸發器回收，充分提高了熱回收效率同時有效降低了排放污染；
（2）蒸發器的工質採用沸點較低的甲醇或乙醇，使得煙氣經蒸發器換熱以後的溫度可控制在80攝氏度左右，從而進一步提高了熱回收效率並降低了排放污染；
（3）第一級餘熱利用系統將空氣預熱成400攝氏度左右熱空氣用於助燃，能夠充分提高熔鋁爐燃燒效率；
（4）第二級餘熱利用系統和第三級餘熱利用系統共用混合器、螺桿發電裝置以及冷凝器，使得結構緊湊、成本降低。
附圖說明
圖1示出了《熔鋁爐餘熱利用系統》的熔鋁爐餘熱利用系統的示意圖。
技術領域
《熔鋁爐餘熱利用系統》涉及一種餘熱回收系統，特別涉及一種用於熔鋁爐的餘熱回收系統。
權利要求
1.一種熔鋁爐餘熱利用系統，包括：爐體，所述爐體內設有爐膛；噴嘴，所述噴嘴設定在所述爐體的一側端壁上；以及煙氣管道，所述煙氣管道連線於所述爐體的另一側端壁上以將所述爐膛內產生的煙氣排出至煙囪；其特徵在於：所述熔鋁爐餘熱利用系統還包括沿所述煙氣管道的煙氣流動方向依次布置的用於使所述煙氣管道的煙氣與不同的流體分別進行熱交換的高溫換熱器、中溫換熱器以及蒸發器。
2.如權利要求1所述的熔鋁爐餘熱利用系統，其特徵在於，所述熔鋁爐餘熱利用系統包括第一級餘熱利用系統，所述第一級餘熱利用系統包括設定於所述煙氣管道的上游位置處的所述高溫換熱器，所述高溫換熱器具有煙氣流路和流體流路，並且所述第一級餘熱利用系統還包括助燃風機，來自於所述助燃風機的環境空氣通過管線進入所述高溫換熱器的流體流路並在所述高溫換熱器中預熱後通過管線輸送至所述噴嘴。
3.如權利要求2所述的熔鋁爐餘熱利用系統，其特徵在於，所述熔鋁爐餘熱利用系統包括第二級餘熱利用系統，所述第二級餘熱利用系統包括設定於所述煙氣管道的中游位置處的所述中溫換熱器，所述中溫換熱器具有煙氣流路和流體流路，並且所述第二級餘熱利用系統還包括渦輪發電裝置、混合器、螺桿發電裝置、冷凝器、壓縮機，其中，所述中溫換熱器的流體流路的出口、所述渦輪發電裝置、所述混合器、所述螺桿發電裝置、所述冷凝器、所述壓縮機、所述中溫換熱器的流體流路的入口通過管線依次連線形成第一工質循環迴路。
4.如權利要求3所述的熔鋁爐餘熱利用系統，其特徵在於，30～45攝氏度常壓空氣通過管線進入所述壓縮機後壓縮成30～45攝氏度的0.3～0.5兆帕壓縮空氣，30～45攝氏度的0.3～0.5兆帕壓縮空氣進入所述中溫換熱器的流體流路的入口並在所述中溫換熱器中加熱成350～450攝氏度的0.3～0.5兆帕壓縮空氣，350～450攝氏度的0.3～0.5兆帕壓縮空氣通過管線進入所述渦輪發電裝置中做功後變成80～120攝氏度的0.08～0.12兆帕壓縮空氣，80～120攝氏度的0.08～0.12兆帕壓縮空氣通過管線進入所述螺桿發電裝置中做功後變成50～70攝氏度常壓空氣，50～70攝氏度常壓空氣通過管線進入所述冷凝器後冷凝成30～45攝氏度常壓空氣，30～45攝氏度常壓空氣再進入所述壓縮機循環。
5.如權利要求3所述的熔鋁爐餘熱利用系統，其特徵在於，所述熔鋁爐餘熱利用系統包括第三級餘熱利用系統，所述第三級餘熱利用系統包括設定於所述煙氣管道的下游位置處的所述蒸發器，所述蒸發器具有煙氣流路和流體流路，並且所述第三級餘熱利用系統還包括所述混合器、所述螺桿發電裝置、所述冷凝器，其中，所述蒸發器的流體流路的出口、所述混合器、所述螺桿發電裝置、所述冷凝器、所述蒸發器的流體流路的入口通過管線依次連線形成第二工質循環迴路。
6.如權利要求5所述的熔鋁爐餘熱利用系統，其特徵在於，所述第一級餘熱利用系統、所述第二級餘熱利用系統以及所述第三級餘熱利用系統設定成使得所述煙氣管道的高溫煙氣經過所述高溫換熱器、所述中溫換熱器以及所述蒸發器後分別降溫至500～600攝氏度、120～180攝氏度、80～100攝氏度。
7.如權利要求5所述的熔鋁爐餘熱利用系統，其特徵在於，所述混合器包括第一入口和第二入口，所述渦輪發電裝置通過管線連線於所述混合器的第一入口，所述蒸發器的流體流路的出口通過管線連線於所述混合器的第二入口，所述第一工質循環迴路中的第一工質和所述第二工質循環迴路中的第二工質在所述混合器中混合。
8.如權利要求7所述的熔鋁爐餘熱利用系統，其特徵在於，所述冷凝器包括第一出口和第二出口，所述冷凝器的第一出口通過管線連線於所述壓縮機，所述冷凝器的第二出口通過管線連線於所述蒸發器的流體流路的入口，所述第一工質和所述第二工質在所述冷凝器中分離。
9.如權利要求8所述的熔鋁爐餘熱利用系統，其特徵在於，所述第一工質為空氣，所述第二工質為甲醇或乙醇。
10.如權利要求9所述的熔鋁爐餘熱利用系統，其特徵在於，35～45攝氏度的甲醇溶液進入所述蒸發器的流體流路的入口並在所述蒸發器中加熱成80～120攝氏度的甲醇蒸汽，80～120攝氏度的甲醇蒸汽通過管線進入所述混合器的第二入口，80～120攝氏度的甲醇蒸汽在所述混合器中與來自所述渦輪發電裝置的空氣混合，混合氣通過管線進入所述螺桿發電裝置中做功後變成50～70攝氏度常壓混合氣，50～70攝氏度常壓混合氣通過管線進入所述冷凝器中冷凝，50～70攝氏度常壓混合氣中的甲醇蒸汽冷凝成35～45攝氏度的甲醇溶液後再進入所述蒸發器的流體流路的入口以沿著所述第二工質循環迴路工作；並且，50～70攝氏度常壓混合氣中的空氣冷凝成30～45攝氏度常壓空氣並通過管線進入所述壓縮機中壓縮成30～45攝氏度的0.3～0.5兆帕壓縮空氣，30～45攝氏度的0.3～0.5兆帕壓縮空氣進入所述中溫換熱器的流體流路的入口以沿著所述第一工質循環迴路工作。
實施方式
參照圖1，根據《熔鋁爐餘熱利用系統》的一種實施方式，熔鋁爐餘熱利用系統包括爐體100、噴嘴120、煙氣管道160、第一級餘熱利用系統200、第二級餘熱利用系統400以及第三級餘熱利用系統600。
爐體100內設有爐膛（未圖示）。噴嘴120設定在爐體100的一側端壁上。煙氣管道160連線於爐體100的另一側端壁上以將爐膛內產生的煙氣排出至煙囪190。
第一級餘熱利用系統200包括設定於煙氣管道160的上游位置處的高溫換熱器210，高溫換熱器210具有煙氣流路（未圖示）和流體流路（未圖示），並且第一級餘熱利用系統200還包括助燃風機230，來自於助燃風機230的環境空氣通過管線進入高溫換熱器210的流體流路，並在高溫換熱器中預熱至350～450攝氏度左右（比如400攝氏度）後通過管線輸送至噴嘴120用於助燃。
高溫換熱器210包括外殼（未圖示）將外殼內部空間分隔為逆向平行的煙氣流路和流體流路的中隔板（未圖示）以及穿設在中隔板中的若干熱管（未圖示），其中，熱管的蒸發端延伸於煙氣流路中，熱管的冷凝端延伸於流體流路中。高溫換熱器210的熱管內的工質為適用於大約800～1200攝氏度（比如1000攝氏度左右）工況的液態鈉或鉀。
在圖1所示的非限制性實施方式中，第二級餘熱利用系統400與第三級餘熱利用系統600共用混合器430、螺桿發電裝置440以及冷凝器450。
第二級餘熱利用系統400包括設定於煙氣管道160的中游位置處的中溫換熱器410，中溫換熱器410具有煙氣流路（未圖示）和流體流路（未圖示），並且第二級餘熱利用系統400還包括渦輪發電裝置420、混合器430、螺桿發電裝置440、冷凝器450、壓縮機460。其中，中溫換熱器410的流體流路的出口、渦輪發電裝置420、混合器430、螺桿發電裝置440、冷凝器450、壓縮機460、中溫換熱器410的流體流路的入口通過流體管線依次連線形成第一工質循環迴路。
中溫換熱器410包括外殼（未圖示）將外殼內部空間分隔為逆向平行的煙氣流路和流體流路的中隔板（未圖示）以及穿設在中隔板中的若干熱管（未圖示），其中，熱管的蒸發端延伸於煙氣流路中，熱管的冷凝端延伸於流體流路中。中溫換熱器410的熱管內的工質為適用於大約500～600攝氏度（比如550攝氏度左右）工況的萘。
第三級餘熱利用系統600包括設定於煙氣管道160的下游位置處的蒸發器610，蒸發器610具有煙氣流路（未圖示）和流體流路（未圖示），並且第三級餘熱利用系統600還包括與第二級餘熱利用系統400共用的混合器430、螺桿發電裝置440以及冷凝器450。其中，蒸發器610的流體流路的出口、混合器430、螺桿發電裝置440、冷凝器450、蒸發器610的流體流路的入口通過流體管線依次連線形成第二工質循環迴路。
蒸發器610包括外殼（未圖示）將外殼內部空間分隔為逆向平行的煙氣流路和流體流路的中隔板（未圖示）以及穿設在中隔板中的若干熱管（未圖示），其中，熱管的蒸發端延伸於煙氣流路中，熱管的冷凝端延伸於流體流路中。中溫換熱器610的熱管內的工質為適用於大約120～180攝氏度（比如150攝氏度左右）工況的水或氨。
其中，混合器430包括第一入口431和第二入口433，渦輪發電裝置420通過流體管線連線於混合器430的第一入口431，蒸發器610的流體流路的出口通過流體管線連線於混合器430的第二入口433，第一工質循環迴路中的第一工質和第二工質循環迴路中的第二工質在混合器430中混合。此外，冷凝器450包括第一出口451和第二出口453，冷凝器450的第一出口451通過流體管線連線於壓縮機460，冷凝器450的第二出口453通過流體管線連線於蒸發器610的流體流路的入口，第一工質和第二工質在冷凝器450中分離。
在圖1所示非限制性實施例中，用於第二級餘熱利用系統400的第一工質循環迴路的第一工質為空氣，用於第三級餘熱利用系統600的第二工質循環迴路的第二工質為甲醇或乙醇。
作為一種非限制性示例操作方式，40攝氏度左右的常壓空氣通過流體管線進入壓縮機460後壓縮成40攝氏度左右的約0.4兆帕壓縮空氣，40攝氏度左右的約0.4兆帕壓縮空氣通過流體管線輸送至中溫換熱器410的流體流路的入口並在中溫換熱器410中加熱成400攝氏度左右的約0.4兆帕壓縮空氣，400攝氏度左右的約0.4兆帕壓縮空氣通過流體管線進入渦輪發電裝置420中做功後變成100攝氏度左右的約0.1兆帕壓縮空氣，100攝氏度左右的約0.1兆帕壓縮空氣通過流體管線進入混合器430的第一入口431。
40攝氏度左右的甲醇溶液進入蒸發器610的流體流路的入口並在蒸發器610中加熱成100攝氏度左右的甲醇蒸汽，100攝氏度左右的甲醇蒸汽通過流體管線進入混合器430的第二入口433。
來自蒸發器610的100攝氏度左右的甲醇蒸汽與來自渦輪發電裝置420的100攝氏度左右的約0.1兆帕壓縮空氣在混合器430中混合，混合氣通過流體管線進入螺桿發電裝置440中做功後變成65攝氏度左右常壓混合氣，65攝氏度左右常壓混合氣通過流體管線進入冷凝器450中冷凝。
65攝氏度左右常壓混合氣中的甲醇蒸汽冷凝成40攝氏度左右的甲醇溶液後，由冷凝器450的第二出口453通過甲醇泵630進入蒸發器610的流體流路的入口以沿著第二工質循環迴路工作。
65攝氏度左右常壓混合氣中的空氣冷凝成40攝氏度左右常壓空氣由冷凝器450的第一出口451通過流體管線進入壓縮機460中壓縮成40攝氏度左右的約0.4兆帕壓縮空氣，40攝氏度左右的約0.4兆帕壓縮空氣再進入中溫換熱器410的流體流路的入口以沿著第一工質循環迴路工作。
第一級餘熱利用系統200、第二級餘熱利用系統400以及第三級餘熱利用系統600設定成使得煙氣管道160的高溫煙氣經過高溫換熱器210、中溫換熱器410以及蒸發器610後分別降溫至550攝氏度左右、150攝氏度左右、80攝氏度左右。
作為一種可替代實施方式，第二級餘熱利用系統400和第三級餘熱利用系統600可以各自包括單獨的螺桿發電裝置以及冷凝器，此時，第二級餘熱利用系統400和第三級餘熱利用系統600可以不包括混合器。
作為又一種可替代實施方式，熔鋁爐餘熱利用系統可以包括第一級餘熱利用系統200、第二級餘熱利用系統400以及第三級餘熱利用系統600中的任意兩級。
榮譽表彰
2016年12月7日，《熔鋁爐餘熱利用系統》獲得第十八屆中國專利優秀獎。
