CN101033897A - 一种中低温余热转化为蒸汽的系统及方法 - Google Patents

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Abstract

一种中低温余热转化为蒸汽的系统及方法，属于能源技术、热能工程以及材料工程等相互交叉的技术领域。由蒸发器、吸收器和发生器组成热泵开路循环系统，并在吸收器和发生器之间设置冷却晶析器和固液分离器。将发生器蒸汽引至外部加于利用并冷凝，实际上将冷凝器置于外部。用300－1300℃的中高温热源作为热泵循环系统发生器的热源，而用90－300℃的低温余热作为蒸发器的热源，同时从吸收器和发生器得到蒸汽。其优点在于，热回收效率高，每一份中温余热或低谷电与一份低温余热可产2份中低压蒸汽；流程简单，设备造价低。

Description

一种中低温余热转化为蒸汽的系统及方法
技术领域
本发明属于新能源技术、热能工程、化学工程以及材料工程等相互交叉的技术领域，特别涉及一种中低温余热转化为蒸汽的系统及方法。
背景技术
随着我国经济发展走进了追求循环经济的新阶段，进一步的节能降耗已成为了钢铁、化工、建材等高能耗行业必需面对的重要课题。
经过了企业多年的努力，工厂内品位较高的余热、废气大都已得到了有效的利用，因而剩下的挖潜空间主要是品位低、数量大、回用难度大的低品位能量，即温度范围在90-500℃的中低温余热。典型的中低温余热有温度300℃左右的蒸汽锅炉出口烟气和钢坯、炉渣所携带的显热等。
通常，中低温余热、尤其低温余热的利用方法是将该余热转化为60-90℃的热水，以此作为职工生活热水或供暖供冷的热源。对于大中型企业来说，由于职工生活区和产区通常相距甚远，该利用方法显然是不适用的。此外，也有一些通过采用第二类吸收式热泵技术将低温余热转化为蒸汽的研究报告(赵晓巍，王树昆.第二类吸收式热泵及其在冶金企业中的应用前景.山东冶金，2004，26(6)：37-39.)。可是，传统的第二类吸收式热泵循环系统存在着三个缺点，即所产蒸汽压力低、热效率低(1份热值的蒸汽需耗两份以上热值的低温余热)以及需要用于冷却的低温热源。
发明内容
本发明的目的在于提供一种中低温余热转化为蒸汽的系统及方法，解决了上述第二类吸收式热泵系统存在的三个缺点。
本发明的系统采用蒸发器1、吸收器2、发生器3和送液泵9组成吸收式热泵开路循环系统。蒸发器1和吸收器2之间用蒸汽通路7连接，吸收器2、发生器3和送液泵9之间用吸收溶液管路18、19连接；换热器4置于蒸发器1中，换热器5置于吸收器2中，换热器6置于发生器3中。用250-1300℃热源作为发生器3的热源，通过置于发生器3的换热器6加热发生器3中的吸收溶液，使之蒸发并产生蒸汽20；在吸收器2吸收溶液吸收来自蒸发器1的蒸汽并产生吸收热，通过置于吸收器2中的换热器5加热冷凝水，使之蒸发并产生蒸汽21；用90-500℃中低温余热作为蒸发器1的热源，通过置于蒸发器1中的换热器4加热蒸发器1中的冷凝水，使之蒸发并产生蒸汽，通过蒸汽连接通道7将该蒸汽引入吸收器2。
本发明将发生器蒸汽21引至本循环的外部加以利用并使之得到冷凝，之后以冷凝水的形式返回到蒸发器1和吸收器2。这实际上是将冷凝器置于本循环系统的外部。因此，本循环相对于传统的第二类热泵循环所采用的的封闭式(闭路)循环来说，是一种热泵开路循环。如图1所示，由送液泵9将吸收器2的吸收溶液送入发生器3，然后利用发生器3与吸收器2的压力差将发生器3的吸收溶液引入吸收器2，从而构成吸收溶液的循环。
本发明还可在上述系统中设置蒸汽喷射泵8，用蒸汽管路16将喷射泵8的高压侧入口14与吸收器2的蒸汽出口12相连接，用蒸汽管路17将蒸汽喷射泵8的低压侧入口15与发生器3的蒸汽出口13相连接，通过蒸汽喷射泵8的作用将分别从吸收器2和发生器3得到的不同参数的蒸汽20和蒸汽21合流为同一参数的蒸汽22，从而使发生器蒸汽21的压力得到提升。
为了进一步提高吸收器蒸汽20和发生器蒸汽21的压力，本发明的第二个系统如图2所示，在吸收器2和发生器3之间设置冷却晶析器10和固液分离11，通过冷却晶析器10和固液分离器11的作用使引入发生器的吸收溶液的浓度降低。更具体地说，通过对吸收器出口吸收溶液进行冷却，使溶质过饱和晶析，经固液分离后，将分离液送入发生器。根据吸收溶液汽液平衡的特性，在温度一定的条件下吸收溶液的浓度越低饱和蒸汽的压力就越高。由于吸收溶液中的部分溶质在冷却晶析器10晶析，溶质结晶在固液分离器10得到分离，从而发生器3中吸收溶液的浓度得到了降低，发生器蒸汽21的压力也就随之升高。同时，将在固液分离器得到的溶质结晶和发生器出口吸收溶液送入吸收器2，使溶质结晶在吸收器2中得到溶解。根据吸收溶液汽液平衡的特性，在所吸收蒸汽压力即蒸发器压力一定的条件下吸收溶液的浓度越高吸收温度就越高，由于溶质结晶的溶解吸收器2中吸收溶液的浓度得到了提高，吸收器2工作温度就随之升高，以吸收过程放出的吸收热为热源的吸收器蒸汽20的压力也就随之升高。本发明第二个系统的特征在于，通过在吸收器2和发生器3之间设置冷却晶析器10和固液分离器11，达到了可分别设定和优化吸收器2与发生器3吸收溶液工作浓度的目的。也就是说，本发明的第二个系统可实现一种对于吸收式热泵循环十分有益的工艺条件，即吸收器在高吸收溶液浓度条件下工作的同时，发生器在比吸收器吸收溶液浓度低的吸收溶液浓度条件下工作，而这是传统的吸收式热泵循环所难以做到的。
本发明对所采用吸收溶液的种类并无特别的限制，可采用LiBr溶液，亦可采用LiBr，NaBr，KBr，MgBr2等的混合溶液。
本发明可利用低谷电作为发生器3的热源。
本发明的的方法是采用蒸发器、吸收器和发生器组成吸收式热泵开路循环系统进行转化；用250-1300℃热源作为发生器3的热源，通过置于发生器3的换热器6加热发生器3中的吸收溶液，使之蒸发并产生蒸汽21；在吸收器2吸收溶液吸收来自蒸发器1的蒸汽并产生吸收热，通过置于吸收器2中的换热器5加热冷凝水，使之蒸发并产生蒸汽20；用90-500℃中低温余热作为蒸发器1的热源，通过置于蒸发器1中的换热器4加热蒸发器1中的冷凝水，使之蒸发并产生蒸汽，通过蒸汽连接通道7将该蒸汽引入吸收器2。
本发明也可以在图1所示的系统中设置蒸汽喷射泵8，用蒸汽管路16将喷射泵8的高压侧入口14与吸收器2的蒸汽出口12相连接，用蒸汽管路17将蒸汽喷射泵8的低压侧入口15与发生器3的蒸汽出口13相连接，通过蒸汽喷射泵8的作用将蒸汽20和发生器21合流为蒸汽22。
本发明还可以用图2所示的系统进行转化，即在吸收器2和发生器3之间设置冷却晶析器10和固液分离器11，通过冷却晶析器10和固液分离器11的作用使引入发生器的吸收溶液的浓度降低。
根据本发明的原理，每一份热量的发生器热源除了自身可生产一份热量的蒸汽之外，同时还可将一份热量的中低温余热转化为蒸汽。进而，所产两份蒸汽可通过蒸汽喷射泵的作用合流为同一参数的蒸汽，该蒸汽可直接用于蒸汽轮机发电，也可用作现有蒸汽轮机冷凝水的加热热源，通过减少或省去透平抽气量而达到增加发电量的目的。进而，本发明所产蒸汽还可通过第二个蒸汽喷射泵的作用，并入工厂的蒸汽管网。此外，本发明所产蒸汽还可用作天然气、焦炉煤气等的水蒸气重整制氢过程所需的水蒸汽。
本发明的又一个特征是，通过调整吸收液的容量，吸收器和发生器既可同步连续运行，又可分别独立间歇式运行，该特点对于炼钢过程间歇排放的中低温余热的利用十分有益。
本发明的效果
第一、热回收效率高，每一份热值的发生器热源与一份热值的中低温余热可产生2份热值的蒸汽；
第二、流程简单，设备造价低。这是由于无需低温冷却热源及其系统，且装置均在压力较高的条件下运行，无需设置非冷凝气体处理系统；
第三、吸收器和发生器既可同步连续运行，亦可分别独立间歇式运行，十分适合于钢铁生产过程的特点。
第四、可有机融入企业现有能源使用体系如蒸汽轮机发电机组或蒸汽管网等，从而达到最佳节能降耗与经济效益的目的。
附图说明
图1是本发明的第一个吸收式热泵开路循环系统的流程图；图2是本发明的第二个吸收式热泵开路循环系统的流程图。其中，蒸发器1、吸收器2、发生器3、蒸发器换热器4、吸收器换热器5、发生器换热器6、蒸汽通路7、蒸汽喷射泵8、送液泵9、冷却晶析器10、固液分离器11、吸收器蒸汽出口12、发生器蒸汽出口13、蒸汽喷射泵高压侧入口14、蒸汽喷射泵低压侧入口15、蒸汽管路16、蒸汽管路17、吸收溶液管路18、吸收溶液管路19、吸收器出口蒸汽20、发生器出口蒸汽21、蒸汽喷射泵出口蒸汽22。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，以约500℃的烟气为发生器3的热源，通过置于发生器3的换热器6加热发生器3中的吸收溶液，使之蒸发并产生约200℃，0.2MPa的蒸汽21，同时发生器3中吸收溶液的浓度升高；发生器3的吸收溶液被引入吸收器2。在吸收器2吸收溶液吸收来自蒸发器1的蒸汽并产生吸收热，通过置于吸收器2中的换热器5加热冷凝水，使之蒸发并产生约150℃，0.5MPa的蒸汽20，同时吸收器2中吸收溶液的浓度降低。以约250℃的低温烟气为蒸发器1的热源，通过置于蒸发器1中的换热器4加热蒸发器1中的冷凝水，使之蒸发并产生温度约90℃的蒸汽，并通过蒸汽连接通道7将该蒸汽引入吸收器2。将吸收器2和发生器3所产生的蒸汽20和蒸汽21引入蒸汽喷射泵8，在蒸汽喷射泵8的出口得到约160℃，0.3MPa的蒸汽22。蒸汽22可通过另一个蒸汽喷射泵并入蒸汽管网，亦可引入蒸汽轮机系统作直接或间接发电。本实施例所采用的吸收溶液为溴化锂溶液，吸收器2吸收溶液的溴化锂质量百分比约为65％；发生器3吸收溶液的溴化锂质量百分比约为67％；
实施例2
本发明的第一个系统具有流程简单的优点，但是存在所产蒸汽压力较低的不足。这是由于吸收器吸收溶液工作浓度与发生器吸收溶液工作浓度受到相互制约的结果。为了进一步提高所产蒸汽压力，本发明的第二个系统如图2所示，其流程特点是在吸收器2和发生器3之间设置了冷却晶析器10和固液分离器11。本实施例与上述实施例一一样，以约250℃的低温烟气为蒸发器1的热源，而以约500℃的烟气为发生器3的热源。在蒸发器1产生约90℃的蒸汽，该蒸汽通过连接通道7进入吸收器2；在吸收器2吸收溶液吸收来自蒸发器1的蒸汽并产生吸收热，通过置于吸收器2中的换热器5加热冷凝水，使之蒸发并产生约170℃，0.8MPa的蒸汽20，同时吸收器2中吸收溶液的浓度降低。从吸收器2引出的吸收溶液被送入冷却晶析器10，以约8℃的冷却水作为冷媒进行冷却晶析，在固液分离器11进行固液分离后，得到的分离液由送液泵11送入发生器3。发生器3中的吸收溶液蒸发产生约200℃，0.3MPa的蒸汽21，同时发生器3中的吸收溶液浓度升高；由发生器3引出的吸收溶液和固液分离器11得到的溶质结晶被送入吸收器2。进而，将蒸汽20和蒸汽21引入蒸汽喷射泵8，在蒸汽喷射泵8出口得到约180℃，0.5MPa的蒸汽22。本实施例所采用的吸收溶液为溴化锂溶液，吸收器2吸收溶液的溴化锂质量百分比约为70％；发生器3吸收溶液的溴化锂质量百分比约为60％。

Claims (7)

1.一种中低温余热转化为蒸汽的系统，其特征在于：采用蒸发器(1)、吸收器(2)、发生器(3)和送液泵(9)组成吸收式热泵开路循环系统；蒸发器(1)和吸收器(2)之间用蒸汽通路(7)连接，吸收器(2)、发生器(3)和送液泵(9)之间用吸收溶液管路(18、19)连接；换热器(4)置于蒸发器(1)中，换热器(5)置于吸收器(2)中，换热器(6)置于发生器(3)中；用250-1300℃热源作为发生器(3)的热源，用温度90-500℃中低温余热作为蒸发器(1)的热源，同时在吸收器(2)和发生器(3)得到蒸汽(20)和蒸汽(21)。
2、按照权利要求1所述的系统，其特征在于：设置蒸汽喷射泵(8)，用蒸汽管路(16)将喷射泵(8)的高压侧入口(14)与吸收器(2)的蒸汽出口(12)相连接，用蒸汽管路(17)将蒸汽喷射泵(8)的低压侧入口(15)与发生器(3)的蒸汽出口(13)相连接。
3、按照权利要求1所述的系统，其特征在于：在吸收器(2)和发生器(3)之间设置冷却晶析器(10)和固液分离器(11)。
4、按照权利要求1、2或3所述的系统，其特征在于：利用低谷电作为发生器(3)的热源。
5.一种采用权利要求1所述系统将中低温余热转化为蒸汽的方法，其特征在于：用蒸发器、吸收器和发生器组成吸收式热泵开路循环系统进行转化；用250-1300℃热源作为发生器(3)的热源，通过置于发生器(3)的换热器(6)加热发生器(3)中的吸收溶液，使之蒸发并产生蒸汽(21)；在吸收器(2)吸收溶液吸收来自蒸发器(1)的蒸汽并产生吸收热，通过置于吸收器(2)中的换热器(5)加热冷凝水，使之蒸发并产生蒸汽(20)；用90-500℃中低温余热作为蒸发器(1)的热源，通过置于蒸发器(1)中的换热器(4)加热蒸发器(1)中的冷凝水，使之蒸发并产生蒸汽，通过蒸汽连接通道(7)将该蒸汽引入吸收器(2)。
6.按照权利要求5所述的方法，其特征在于：设置蒸汽喷射泵(8)，用蒸汽管路(16)将喷射泵(8)的高压侧入口(14)与吸收器(2)的蒸汽出口(12)相连接，用蒸汽管路(17)将蒸汽喷射泵(8)的低压侧入口(15)与发生器(3)的蒸汽出口(13)相连接，通过蒸汽喷射泵(8)的作用将蒸汽(20)和发生器(21)合流为蒸汽(22)。
7.按照权利要求5所述的方法，其特征在于：在吸收器(2)和发生器(3)之间设置冷却晶析器(10)和固液分离器(11)，通过冷却晶析器(10)和固液分离器(11)的作用使引入发生器的吸收溶液的浓度降低。
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