CN102927547A - 一种热管式有机工质降膜蒸发低温余热利用系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热管式有机工质降膜蒸发低温余热利用系统，其中，包括烟道、热管管组、蒸发室、储液罐、升压泵、布液器、回流管、滤液器、主蒸汽管道、冷凝系统和DCS控制系统；热管管组受热端伸入烟道，热管管组冷端伸入蒸发室中，所述布液器设置在热管管组上方；所述滤液器设在主蒸汽管道与蒸发室连接处，蒸发室中的蒸汽经滤液器进入主蒸汽管道，输送至蒸汽利用装置，乏汽经冷凝系统回至储液罐；在所述蒸发室底部设回流管，所述回流管连接装有有机工质的储液罐，储液罐连接升压泵，所述升压泵经管道连接布液器。本发明是一种造价低廉的高效低温烟气余热回收系统，可将低温余热用于生产高品位的蒸汽，用于提供动力、发电、制冷、供暖等。

Description

一种热管式有机工质降膜蒸发低温余热利用系统

技术领域

本发明涉及一种余热回收利用系统，具体涉及一种热管式有机工质降膜蒸发低温余热利用系统，适用于工业低温烟气中的余热进行回收并生产一定质量的蒸汽。

背景技术

我国每年排放的约十亿吨标准煤当量的工业余热大部分为低温烟气余热，采用水作为朗肯循环工质则效率较低，甚至无法回收。如，发明专利CN02128858.5介绍了一种熔融还原炼铁二甲醚生产与发电相结合的联产方法及装置，其采用水作为工质对工艺过程的余热进行回收，水蒸汽最高温度220℃。经计算其循环效率最高仅为9.17%。而同温戊烷蒸汽循环效率为25.95%。发明专利CN03119050.2一种合成氨生产中的余热回收利用方法，其效率较高，但采用了补燃工艺对水蒸汽进行过热，不属于纯低温余热回收。

余热回收系统一般采用管壳式换热器回收烟气余热，但低温烟气在管壳式换热器中换热系数较低。为了提高换热效率，管壳式换热器体积庞大，金属耗材多。如，发明专利CN201110371040.3立式热管有机介质蒸发中低温烟气余热发电系统、CN201110371010.2套管式热管有机介质蒸发中低温烟气余热发电系统为了减小投资、简化设备，均采用高效热管作为导热元件。

现有的有机朗肯循环热力系统一般为亚临界参数、汽包式池沸腾生产蒸汽，发明专利CN201110371040.3、CN201110371010.2虽然采用热管作为导热元件，但是汽包式池沸腾所需工质量很大，有机工质价格昂贵其吨成本在万元左右，造成了系统投资较高；池沸腾所需过热度一般在10℃以上才能保证蒸汽产量，而降膜蒸发的过热度在2~3℃即可保证较高的蒸汽产量，扩大了低温余热资源的利用范围。

发明内容

本发明的目的在于提供一种热管式有机工质降膜蒸发低温余热利用系统，该系统是一种造价低廉的高效低温烟气余热回收系统，可将低温余热用于生产高品位的蒸汽，用于提供动力、发电、制冷、供暖等。

本发明采用以下技术方案：

一种热管式有机工质降膜蒸发低温余热利用系统，其中，包括烟道、热管管组、蒸发室、储液罐、升压泵、布液器、回流管、滤液器、主蒸汽管道、冷凝系统和DCS控制系统；所述DCS控制系统与工业生产线监测控制系统连接；热管管组受热端伸入烟道，热管管组冷端伸入蒸发室中，所述布液器设置在热管管组上方，将有机工质由布液器均匀布流至热管管组；所述滤液器设在主蒸汽管道与蒸发室连接处，蒸发室中的蒸汽经滤液器进入主蒸汽管道，输送至蒸汽利用装置，乏汽经冷凝系统回至储液罐；在所述蒸发室底部设回流管，所述回流管连接装有有机工质的储液罐，储液罐连接升压泵，所述升压泵经管道连接布液器。

所述热管管组受热端位于烟道内，烟气横向冲刷热管，热管冷端位于蒸发室内，将受热端吸收的热量传载入蒸发室，升压泵将储液罐中的有机工质升压泵入蒸发室内布置于热管管组上方的布液器中，由布液器将有机工质均匀布流至热管管组冷端受热蒸发，蒸发生成的蒸汽经滤液器过滤掉未蒸发的小液滴进入主蒸汽管道，输送至蒸汽利用装置，例如有机工质汽轮机、发电机、余热制冷设备等，利用完之后的乏汽经冷却器冷却为液态送回储液罐完成一次循环。在工业生产不稳定即烟气流量发生波动时，可通过调节旁路阀门的开度进而调节主回路的有机工质流量来保证主蒸汽参数在所需的范围内（蒸汽温度与设计值偏差＜±10℃）。在主蒸汽管道上增设补汽口，提高了蒸汽供应能力和系统调节能力。

所述有机工质一般为烷烃及其卤化物、多甲基硅氧烷等有机物，300℃以下一般采用苯、戊烷、丁烷及其卤化物等沸点较低的有机物。

作为优选，所述热管式有机工质降膜蒸发低温余热利用系统还包括一由DCS控制系统控制的旁路系统，所述旁路系统一端连接储液罐，一端连接布液器。

本发明增加旁路系统，与其他来源蒸汽混合利用，提高了蒸汽的质量和产量，便于蒸汽调节。

作为优选，所述主蒸汽管道上设有补汽口。

作为优选，所述热管管组为直管或Z形管。

作为优选，所述热管管组受热端上设置有散热肋片。

作为优选，所述热管管组的排列方式为顺排或叉排。

作为优选，所述热管管组受热端为防磨防腐蚀的热管。

作为优选，所述热管管组与蒸发室的连接处使用封闭焊接或者紧密螺栓进行连接，并在蒸发室的与热管管组连接一侧设有密封板。在热管管组与蒸发室的连接处安设有密封板，用以维持蒸发室的密闭性，防止有机工质的泄露。

作为优选，所述布液器为板式、管槽式、管孔式布液器。

作为优选，所述滤液器采用两级百叶窗或钢丝网滤液器。

本发明的有益效果为： 

1、由于采用了技术成熟的热管作为导热元件，增强了低温烟气与受热面之间的换热系数，减少热阻，大大减少热损，提高热能利用，同时减少受热面积，减小了工程造价。本发明用热管作为导热元件将热量由低温烟气传载至蒸发器内，有机工质通过降膜蒸发的形式蒸发成为蒸汽。适用于工业锅炉、大量废热烟道、能量回收利用场合。

2、由于低沸点有机物的蒸发潜热比水小很多，降低了蒸发段传热温差损失和凝汽器冷凝热损失，因此采用低沸点有机物作为工质，可以提高循环效率。

3、鉴于低沸点有机物价格昂贵，汽包式的池沸腾蒸发装置需要大量的有机工质，本发明采用横管降膜蒸发的蒸发形式，可以大大减少对有机工质的需求量，从而降低投资。

4、本发明将DCS控制系统与工业生产线控制与监测系统相连接，保证余热回收系统与工业生产线数据与控制的联动。当工业生产线调整生产量时，烟气量会发生相应的变化，DCS控制系统通过联动获得生产线生产动态，并实时监测烟气通道内烟气流量和温度值，调节旁路阀门的开关，保证蒸发室内的温度和压力在正常范围内，避免余热回收系统对生产线造成不利影响。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。

附图说明：

图1为本发明的结构示意图；

    图2 为本发明的热管肋片示意图。

    图3为本发明给出的Z形热管管组的结构及安装示意图；

图4为本发明热管管组的两种排列方式示意图；

图中：101 烟气入口；102 烟气出口；103 烟道；104 热管管组受热端；105 密封板；106 蒸发室；107 储液罐；108 有机工质；109 升压泵；110 旁路系统；111 布液器；112 热管管组冷端；113 回流管；114 滤液器；115 主蒸汽管道；116蒸汽利用装置；117 凝汽器；118 输液泵；119 补汽口；120 DCS控制系统。

具体实施方式：

以下用实施例结合附图对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，本系统包括烟道103、热管管组、蒸发室106、储液罐107、升压泵109、布液器111、回流管113、滤液器114、主蒸汽管道115、冷凝系统117和DCS控制系统120。DCS系统120对蒸发系统、主回路、旁路系统110和冷凝系统117进行控制，DCS系统120与工业生产线监测控制系统（121）相通，实时监测工业烟气的流量和温度值等数据，通过调节旁路阀的开度调节主回路工质流量。该系统增加旁路系统110，与其他来源蒸汽混合利用，提高了蒸汽的质量和产量，便于蒸汽调节。

热管管组受热端104伸入烟道103内，热管管组冷端112伸入蒸发室106中，低温烟气经烟气入口101流经烟道103，烟气热量由热管管组受热端104吸收，经热管管组冷端112传载至蒸发室106内。热管管组受热端104经过防磨防腐蚀处理，防止粉尘和腐蚀性气体对热管的损害。

布液器设置在蒸发室106内热管管组上方，有机工质108由布液器均匀布流至热管管组最上一排热管表面，有机工质108沿热管表面向下流动，吸收热管传递的热量并部分蒸发称为蒸汽，未蒸发的液体继续向下流动并滴落至下一排热管表面吸热部分蒸发，直至最后一排热管，最终未蒸发的工质流入蒸发室106底部经回流管113回到储液罐107。采用管式或者板式布液器将有机工质均匀布流于热管管组冷端112。布液器111采用钢管或钢板槽均匀钻孔或者开缝隙槽道制造而成。

滤液器114设在主蒸汽管道115与蒸发室106连接处，蒸发室106中的蒸汽经滤液器进入主蒸汽管道，输送至蒸汽利用装置116，乏汽经冷凝系统回至储液罐。有机工质108蒸汽被膨胀机或者制冷机等蒸汽用户利用之后，乏汽经冷却回流至储液罐107完成循环。有机工质108被利用之后以低温低压力蒸汽形式存在，为提高利用率对有机工质108进行回收，将乏汽冷凝至对应压力的饱和温度以下，然后输送回储液罐107。

本发明的工作流程为：工业生产所排放的烟气进入烟道103，热管管组安装在蒸发室侧壁上，热管管组受热端104伸入烟道并吸收烟道103中烟气的热量，通过管内工质受热蒸发，蒸汽在热管冷端112凝结将热量传递至热管管组冷端112的外表面。主回路中有机工质由升压泵109从储液罐107中抽出并升压至主蒸汽压力，一部分工质进入主回路的布液器111，另一部分工质进入旁路110并回到储液罐107，布液器111将工质均匀布流至热管管组冷端112上，工质逐级滴落并吸收热管传递的热量蒸发，未蒸发工质由排液管113输送回储液罐107。全部系统采用一套DCS控制系统120进行控制。

烟气通道（103）的施工建设必须考虑余热利用系统的施工建设，为蒸发器预热器预留足够的空间。尾部烟道必须采取保温措施，可使用硅酸盐铝纤维轻型护板，保温效果一般保证外表面与环境温差不超过15℃。

工业烟气含有大量烟尘和腐蚀性气体，尤其是在尾部烟道103烟气温度较低的情况下，换热器的外表面要经受高硬度烟尘的磨蚀和凝结的腐蚀性流体的腐蚀，所以需要对热管管组受热端104的外表面采取防磨防腐蚀措施。为了保证换热，可在热管受热端外边面焊接肋片，用于扩大换热表面，如图2所示。也可加装带有扩展肋片的防腐蚀套管并在套管外表面采用超音速电弧焊喷涂防磨料。

由于工业烟气的温度随着生产工艺的不同有着很大的变化范围，例如烧结废气仅150~450℃，水泥窑烟气为500~1000℃，金属冶炼炉烟气在500~1200℃，高炉烟气大于1000℃。并且热管依照不同的设计方案和规格，以及内部工质的不同使其有一定的环境限制。本发明可以对温度低至200℃的烟气余热进行回收，在实际工程中必须按照烟气特征和安装环境进行热管的设计、制造和安装。热管中的工质一般可选择水、酒精、丙酮等介质即可满足需求。

热管的安装方法对其发挥良好的导热性能有很大影响，图1所示为典型的直管型热管水平安装，结构最为简单，安装施工也最方便。图3中介绍了另外一种类型的Z形热管和其安装结构示意，热管的结构对其导热性能有很大影响，在定制前需要按照客观条件进行设计。图4为管组之间的结构关系，分为叉排和顺排两种。管组叉排在烟气侧有较好的换热系数，但是由于管子上下距离较大，在蒸发侧可能会导致有机工质液滴飞溅以及相邻管组相互影响；管组顺排则烟气侧有利于清灰除渣，但是排列相对稀疏，换热系数相对较低，在蒸发侧则比叉排会形成更优质的降膜液膜。

蒸发室106与热管管组冷端112的连接部位由于钻孔的因素导致其强度较弱，并且蒸发室106为压力容器，存在较大的工质泄漏风险。热管管组冷端112与蒸发室（106）的连接部位需要使用钎焊进行封闭焊接或者使用紧密螺栓进行连接，然后加装强度较大的密封板105进行强化处理。

蒸发室106为压力容器，内部装设布液器111、蒸发管组冷端112以及集液结构，需要较大的内部空间，设计制造要满足国家标准以及机械部颁布的相应标准。

布液器111的设计和安装应满足将升压泵泵入的有机工质均匀布流至热管管组冷端112最上一排管子的能力，一般为板式、管槽式、管孔式布液器。有机工质在重力的作用下依次流过热管管组冷端112所有管子，部分工质吸收热管冷端的热量蒸发，未蒸发的工质流入蒸发室底部的集液结构，通过回流管113返回储液罐107。

升压泵109为系统有机工质循环的主要动力传送装置，泵须与相连管路密封连接，工质循环泵的选择需要与有机工质的物性参数（粘度、腐蚀度等）合理配合选型。

旁路系统110的可调节流量必须进行合理设计，以满足系统可靠安全稳定运行，旁路流量与正循环额定工况的蒸汽流量需与蒸汽用户设备（如汽轮机）额定性能指标匹配。

滤液器114的作用是滤掉蒸汽中悬浮的未蒸发小液滴，保证主蒸汽纯净，保证蒸汽用户116中动力设备的安全。一般可采用两级百叶窗或钢丝网滤液器即可保证绝大部分的未蒸发液滴被过滤。

主蒸汽管道115开设补汽口119，目的是可以在此引入其他汽源，有利于多汽源综合利用，提高了供汽能力，便于调参数运行。

冷凝系统117的凝汽器可采用水冷，在缺水地区也可采用空冷，但必须保证乏汽能够有效冷却。

DCS控制系统120的设计应能实现余热利用系统内部与余热源生产线控制系统的实时通讯、数据互传、联锁及程序控制。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，如对本发明的元件进行改变和等同替换，根据本发明的指导做出的变换以适合特殊的情况或材料，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种热管式有机工质降膜蒸发低温余热利用系统，其特征在于：包括烟道、热管管组、蒸发室、储液罐、升压泵、布液器、回流管、滤液器、主蒸汽管道、冷凝系统和DCS控制系统；所述DCS控制系统与工业生产线监测控制系统连接；热管管组受热端伸入烟道，热管管组冷端伸入蒸发室中，所述布液器设置在热管管组上方，将有机工质由布液器均匀布流至热管管组；所述滤液器设在主蒸汽管道与蒸发室连接处，蒸发室中的蒸汽经滤液器进入主蒸汽管道，输送至蒸汽利用装置，乏汽经冷凝系统回至储液罐；在所述蒸发室底部设回流管，所述回流管连接装有有机工质的储液罐，储液罐连接升压泵，所述升压泵经管道连接布液器。

2.根据权利要求1所述的一种热管式有机工质降膜蒸发低温余热利用系统，其特征在于：所述热管式有机工质降膜蒸发低温余热利用系统还包括一由DCS控制系统控制的旁路系统，所述旁路系统一端连接储液罐，一端连接布液器。

3.根据权利要求1或2所述的一种热管式有机工质降膜蒸发低温余热利用系统，其特征在于：所述主蒸汽管道上设有补汽口。

4.根据权利要求3所述的一种热管式有机工质降膜蒸发低温余热利用系统，其特征在于：，所述热管管组为直管或Z形管。

5.根据权利要求4所述的一种热管式有机工质降膜蒸发低温余热利用系统，其特征在于：所述热管管组受热端上设置有散热肋片。

6.根据权利要求5所述的一种热管式有机工质降膜蒸发低温余热利用系统，其特征在于：所述热管管组的排列方式为顺排或叉排。

7.根据权利要求6所述的一种热管式有机工质降膜蒸发低温余热利用系统，其特征在于：所述热管管组受热端为防磨防腐蚀的热管。

8.根据权利要求7所述的一种热管式有机工质降膜蒸发低温余热利用系统，其特征在于：所述热管管组与蒸发室的连接处使用封闭焊接或者紧密螺栓进行连接，并在蒸发室的与热管管组连接一侧设有密封板。

9.根据权利要求8所述的一种热管式有机工质降膜蒸发低温余热利用系统，其特征在于：所述布液器为板式、管槽式、管孔式布液器。

10.根据权利要求9所述的一种热管式有机工质降膜蒸发低温余热利用系统，其特征在于：所述滤液器采用两级百叶窗或钢丝网滤液器。

Images