CN103604107B - 一种热泵式太阳能生物质锅炉系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种热泵式太阳能生物质锅炉系统及其方法。软化水箱与补水泵连接后分为两出口，软化水箱第一出口、给水泵、生物质锅炉、第三节流阀、锅炉汽包第一出口、第二节流阀、供用户分汽缸、第四节流阀顺次相连，软化水箱第二出口、第一节流阀、冷凝式热交换器、高位蓄热水箱、槽式聚光太阳能集热器、蒸发器、喷射器第二入口顺次相连，锅炉汽包第二出口与喷射器第一入口相连，生物质锅炉排烟管道出口与冷凝式热交换器、引风机、烟囱顺次相连，蒸发器冷凝水出口经电磁阀与软化水箱相连；本发明具有生物质锅炉的环保优势，将太阳能、排烟余热及生物质的低品位热能转变为供热用的中品位热能，大大提高了泵供热系统热效率，实现了“热能增值”。
Description
技术领域
本发明涉及一种热泵式太阳能生物质锅炉系统及其方法，属于清洁能源利用的技术领域。
背景技术
当今世界正在面临着一次能源日益紧缺枯竭的问题，大力发展可再生能源无疑为此提供了一条新的出路。我国陆地面积960万km2，居世界第三位，太阳能辐射能力约为1.59×1011KWh，相当于陆地表面积每年接受太阳能量约有69000亿吨煤炭。其中年日照时略大于2200h，每年太阳能辐射总量高于5016MJ/m2的面积占全国总面积的2/3以上。相当于每年有4500-5000亿吨标煤可以用太阳能光热技术来获取。太阳能热利用是可再生能源利用的重要领域，技术成熟，应用前景广阔。在能源替代，减少排放、安全用等等方面优势明显。目前太阳能热利用仅仅限于低温热水器，中高温热利用尚未介入，工业、农业、商业中高温利用的项目无雷声也无雨点。阻碍我国光热发展最为显著的挑战是现阶段国内尚未成熟适合大规模推广的本地化光热综合利用技术，也没有商业化太阳能热利用整套系统集成和运行经验。太阳能与锅炉结合不仅可替代锅炉供汽还可以利用锅炉烟道尾部余热回收能量供太阳能配套，节能效果更显著。槽式系统单位面积所需钢和玻璃镜材料最少，造价成本低、容量可大可小、地面放置维护安装方便，所有的聚光集热器可同步跟踪，成本大大降低。因此，槽式太阳能热发电具有规模大，寿命长，成本低，安装维护方便等特点。
此外我国生物质能储量丰富，而且生物质能具有可再生性、分布广泛、低污染等特性，是对一次能源的理想补充能源之一。为促进可再生能源的发展，应对气候变化，提高现有能源的利用效率，使用不排碳能源，如风能、太阳能、生物质能等可再生能源的热利用，加快推进秸秆能源化利用，培育秸秆能源产品应用市场，把太阳能锅炉与热泵式生物质锅炉结合在一起，互为补充，完善可再生能源的热利用，形成热泵式太阳能生物质锅炉。
热泵式太阳能生物质锅炉特点是保持原有锅炉的单纯产热特性，利用热泵技术与槽式太阳能集热器相结合，使系统具有直接转换为更多热量的功能。通过提高系统的效率，大幅度提高泵系统的热效率。热泵利用蒸汽发生器产生高品位热能作为动力，将环境（太阳能）、废热（排烟余热）及生物质的低品位热能转变为供热用的中品味热能，从而实现“热能增值”。
发明内容
本发明目的在于提高锅炉系统热效率，促进清洁能源利用，提供一种高效率、充分利用烟气余热、可再生能源（太阳能）和生物质能产生高温高压蒸汽的热泵式太阳能生物质锅炉系统及其方法。
热泵式太阳能生物质锅炉系统包括槽式聚光太阳能集热器、蒸发器、喷射器、软化水箱、烟囱、引风机、高位蓄热水箱、压力表、冷凝式热交换器、补水泵、锅炉汽包、生物质锅炉、供用户分汽缸、电磁阀、给水泵、第一节流阀，第二节流阀, 第三节流阀、第四节流阀；软化水箱上连接有压力表, 软化水箱与补水泵连接后分为两出口，软化水箱第一出口、给水泵、生物质锅炉、第三节流阀、锅炉汽包第一出口、第二节流阀、供用户分汽缸、第四节流阀顺次相连，软化水箱第二出口、第一节流阀、冷凝式热交换器、高位蓄热水箱、槽式聚光太阳能集热器、蒸发器、喷射器第二入口顺次相连，锅炉汽包第二出口与喷射器第一入口相连，生物质锅炉排烟管道出口与冷凝式热交换器、引风机、烟囱顺次相连，蒸发器冷凝水出口经电磁阀与软化水箱相连；
热泵式太阳能生物质锅炉的方法是：补水泵抽取常温常压下的水进入软化水箱，软化水箱中的第一路水经给水泵提供动力直接进入生物质锅炉，生物质锅炉由生物质燃料直接供给热量，从而在锅炉内产生温度TH1为260-320℃，压力PH1为1.5-2.5MPa的高温高压的过热水蒸汽，之后高温高压的水蒸汽经管道进入锅炉汽包供使用；软化水箱中的第二路水则是经第一节流阀进入冷凝式热交换器，利用从生物质锅炉排出温度Ty1为110-180℃的的高温烟气对进入冷凝式热交换器中的水进行加热，排烟温度Ty2为60-80℃，从而充分利用了烟气余热，大大降低了烟气的排烟温度和余热损失，被吸收余热后的烟气经引风机送入烟囱排入大气。流经冷凝式热交换器的水再进入高位蓄热水箱，接着流进槽式太阳能集热器中进行加热，产生温度T01为140-180℃的高温水进入蒸发器产生温度Ts为180-200℃，压力Ps约为0.3-0.5MPa的水蒸汽，蒸发器内的水蒸汽的温度和压力相对于锅炉汽包内的高温高压蒸汽都要低，故称为低温低压蒸汽，高温高压蒸汽进入喷射器后进行高速喷射，从而产生压力差，将蒸发器中的低温低压蒸汽吸入喷射器，从而实现了两部分蒸汽的汇合，直至产生温度Tst为220-260℃，压力Pst为0.45-0.7MPa的蒸汽供使用。蒸发器内的部分水蒸汽会冷凝成水，这些水通过电磁阀控制送回软化水箱；锅炉汽包内的部分饱和蒸汽直接进入供用户分汽缸内供给用户使用。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明结构简单，操作方便，易于控制，并且具有生物质锅炉的环保优势，大大减少了一次能源的消耗。
2、本发明所产生的符合一定参数要求的蒸汽是由生物质锅炉所产生的高温高压蒸汽和利用太阳能产生的低温低压蒸汽在喷射器内混合制成。
3、本发明利用热泵技术，将环境（太阳能）、废热（排烟余热）及生物质的低品位热能转变为供热用的中品位热能，大幅度提高了泵供热系统热效率，并实现了“热能增值”。
4、采用槽式太阳能集热器对蓄热水箱中的水进行加热，充分利用了清洁无污染的太阳能，有利于环境保护和可持续发展。
5、本发明中对锅炉排烟烟气余热进行了有效的利用，从而降低了烟气排放的温度，提高了锅炉整体的热效率。
6、本发明所使用的喷射器可以根据高、低压蒸汽的参数可以对设备进行不同的结构设计，得到各种压力等级的蒸汽，满足不同热用户的要求。通过蒸汽喷射式热泵吸入的低压蒸汽既可以是放散的废蒸汽，也可以是凝结水产生的闪蒸汽，使低焓热能得到充分利用，达到节约能源的目的。
7、本发明使用的喷射器可保证供汽压力稳定，具有很好的实用性，节能效益显著。
附图说明
图1热泵式太阳能生物质锅炉系统的主结构图。
具体实施方式
如图1所示，热泵式太阳能工业锅炉系统包括槽式聚光太阳能集热器1、蒸发器2、喷射器3、软化水箱4、烟囱5、引风机6、高位蓄热水箱7、压力表8、冷凝式热交换器9、补水泵10、锅炉汽包11、生物质锅炉12、供用户分汽缸13、电磁阀14、给水泵15、第一节流阀16，第二节流阀17, 第三节流阀18、第四节流阀19；软化水箱4上连接有压力表8, 软化水箱4与补水泵10连接后分为两出口，软化水箱4第一出口、给水泵15、生物质锅炉12、第三节流阀18、锅炉汽包11第一出口、第二节流阀17、供用户分汽缸13、第四节流阀19顺次相连，软化水箱4第二出口、第一节流阀16、冷凝式热交换器9、高位蓄热水箱7、槽式聚光太阳能集热器1、蒸发器2、喷射器3第二入口顺次相连，锅炉汽包11第二出口与喷射器3第一入口相连，生物质锅炉12排烟管道出口与冷凝式热交换器9、引风机6、烟囱5顺次相连，蒸发器2冷凝水出口经电磁阀14与软化水箱4相连；
图中，QL为生物质燃料热量，Qy为锅炉排烟热量，Q01为太阳能供高温热水热量，QH为过热蒸汽热量，QH1为过热蒸汽热量，QH2为饱和汽供热量，Qf为太阳能吸热量，Qst为热泵后供汽热量，Qy为吸收废热量，Ty1、Ty2分别为烟气进、出口温度，TH1为锅炉过热蒸汽温度，PH1为过热蒸汽压力，T0为软化水温度，Ts为低温低压蒸汽温度，Ps为低温低压蒸汽压力，Ty0为冷凝式交换器出口热水水温，Tst为输出蒸汽温度，Pst为输出蒸汽压力，Gs为低温低压蒸汽流量，GH1为过热蒸汽流量，GH2为饱和蒸汽流量，G为输出蒸汽流量。
所述冷凝式热交换器连接有排烟烟气管道，由软化水箱4流出的部分水经冷凝式热交换器9进入高位蓄热水箱7。吸收余热后的烟气通过引风机6由烟囱5排出。
所述高位蓄热水箱7与槽式太阳能集热器1相连，经过槽式太阳能集热器1加热，所产生的高温水进入太阳能蒸发器2蒸发产生水蒸汽，太阳能蒸发器2中的一部分水蒸汽被吸入喷射器3，一部分冷凝下来，由冷凝管道通过电磁阀16控制送回软化水箱4。
所述生物质锅炉12与给水泵15直接相连，由生物质燃料提供热量，将进入生物质锅炉12内的软化水生成的高温高压蒸汽送入锅炉汽包11内。
所述喷射器3分别与锅炉汽包11和太阳能蒸发器2相连。
所述锅炉汽包11另经节流阀14与供用户分汽缸13相连。
热泵式太阳能生物质锅炉的方法是:补水泵10抽取常温常压下的水进入软化水箱4，软化水箱4中的第一路水经给水泵15提供动力直接进入生物质锅炉12，生物质锅炉12由生物质燃料直接供给热量，从而在锅炉内产生温度TH1为260-320℃，压力PH1为1.5-2.5MPa的高温高压的过热水蒸汽，之后高温高压的水蒸汽经管道进入锅炉汽包11供使用；软化水箱4中的第二路水则是经第一节流阀16进入冷凝式热交换器9，利用从生物质锅炉12排出温度Ty1为110-180℃的的高温烟气对进入冷凝式热交换器9中的水进行加热，排烟温度Ty2为60-80℃，从而充分利用了烟气余热，大大降低了烟气的排烟温度和余热损失，被吸收余热后的烟气经引风机6送入烟囱5排入大气。流经冷凝式热交换器9的水再进入高位蓄热水箱7，接着流进槽式太阳能集热器1中进行加热，产生温度T01为140-180℃的高温水进入蒸发器2产生温度Ts为180-200℃，压力Ps约为0.3-0.5MPa的水蒸汽，蒸发器2内的水蒸汽的温度和压力相对于锅炉汽包11内的高温高压蒸汽都要低，故称为低温低压蒸汽，高温高压蒸汽进入喷射器3后进行高速喷射，从而产生压力差，将蒸发器2中的低温低压蒸汽吸入喷射器3，从而实现了两部分蒸汽的汇合，直至产生温度Tst为220-260℃，压力Pst为0.45-0.7MPa的蒸汽供使用。蒸发器2内的部分水蒸汽会冷凝成水，这些水通过电磁阀14控制送回软化水箱4；锅炉汽包11内的部分饱和蒸汽直接进入供用户分汽缸13内供给用户使用。
实施例
以下结合具体实例对本发明进行阐述，但不会以任何方式限制本发明。
本实例中的锅炉热效率ηt大约为0.83～0.75，取0.8，工业锅炉相关温度为锅炉过热蒸汽温度TH=250℃=523K，输出蒸汽温度Tst=150℃=423K，软化水温度T0=30℃=303K,则热泵系数ψr=1.483,系统的热效率为ηk=ηtψr=1.186>1，说明了热泵效益。若将锅炉过热蒸汽温度提高到TH=400℃=673K,软化水温度提高到T0=30℃=333K，则系统热效率就会提高至1.97，热泵的系统效率的提高说明高压蒸发器（锅炉）供汽需求量减少，一次能源燃料投入减少，热泵经济效益更好。工业锅炉相关温度为软化水温度T0=20℃,锅炉过热蒸汽温度TH=260-320℃，输出饱和蒸汽温度Tst=150℃，太阳能高温水温度T01为140-180℃，烟气进口温度约为110-180℃，烟气出口温度为60-80℃。
Claims (2)
1.一种热泵式太阳能工业锅炉系统，其特征在于包括槽式聚光太阳能集热器（1）、蒸发器（2）、喷射器（3）、软化水箱（4）、烟囱（5）、引风机（6）、高位蓄热水箱（7）、压力表（8）、冷凝式热交换器（9）、补水泵（10）、锅炉汽包（11）、生物质锅炉（12）、供用户分汽缸（13）、电磁阀（14）、给水泵（15）、第一节流阀（16），第二节流阀（17）, 第三节流阀（18）、第四节流阀（19）；
所述软化水箱（4）上连接有压力表（8）, 软化水箱（4）与补水泵（10）连接后分为两出口，软化水箱（4）第一出口、给水泵（15）、生物质锅炉（12）、第三节流阀（18）、锅炉汽包（11）第一出口、第二节流阀（17）、供用户分汽缸（13）、第四节流阀（19）顺次相连，软化水箱（4）第二出口、第一节流阀（16）、冷凝式热交换器（9）、高位蓄热水箱（7）、槽式聚光太阳能集热器（1）、蒸发器（2）、喷射器（3）第二入口顺次相连，锅炉汽包（11）第二出口与喷射器（3）第一入口相连，生物质锅炉（12）排烟管道出口与冷凝式热交换器（9）、引风机（6）、烟囱（5）顺次相连，蒸发器（2）冷凝水出口经电磁阀（14）与软化水箱（4）相连。
2.一种使用如权利要求1所述系统的热泵式太阳能生物质锅炉的方法，其特征在于补水泵（10）抽取常温常压下的水进入软化水箱（4），软化水箱（4）中的第一路水经给水泵（15）提供动力直接进入生物质锅炉（12），生物质锅炉（12）由生物质燃料直接供给热量，从而在锅炉内产生温度TH1为260-320℃，压力PH1为1.5-2.5MPa的高温高压的过热水蒸汽，之后高温高压的水蒸汽经管道进入锅炉汽包（11）供使用；软化水箱（4）中的第二路水则是经第一节流阀（16）进入冷凝式热交换器（9），利用从生物质锅炉（12）排出温度Ty1为110-180℃的高温烟气对进入冷凝式热交换器（9）中的水进行加热，排烟温度Ty2为60-80℃，从而充分利用了烟气余热，大大降低了烟气的排烟温度和余热损失，被吸收余热后的烟气经引风机（6）送入烟囱（5）排入大气，流经冷凝式热交换器（9）的水再进入高位蓄热水箱（7），接着流进槽式太阳能集热器（1）中进行加热，产生温度T01为140-180℃的高温水进入蒸发器（2）产生温度Ts为180-200℃，压力Ps为0.3-0.5MPa的水蒸汽，蒸发器（2）内的水蒸汽的温度和压力相对于锅炉汽包（11）内的高温高压蒸汽都要低，故称为低温低压蒸汽，高温高压蒸汽进入喷射器（3）后进行高速喷射，从而产生压力差，将蒸发器（2）中的低温低压蒸汽吸入喷射器（3），从而实现了两部分蒸汽的汇合，直至产生温度Tst为220-260℃，压力Pst为0.45-0.7MPa的蒸汽供使用，蒸发器（2）内的部分水蒸汽会冷凝成水，这些水通过电磁阀（14）控制送回软化水箱（4）；锅炉汽包（11）内的部分饱和蒸汽直接进入供用户分汽缸（13）内供给用户使用。
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