CN103954039A - 以热泵方式回收燃气锅炉烟气冷凝热能的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及以热泵方式回收燃气锅炉烟气冷凝热能的装置和方法。现在还没有一种热能回收率高的回收燃气锅炉烟气冷凝热能的装置和方法。本发明的装置包括高效冷凝换热器、一次循环水换热器出口管、烟气入口管和烟气出口管，其特点是：还包括热泵机组、一次循环水热泵入口管、一次循环水热泵出口管、一次循环水泵、生活热水取水管、一次循环水补水管、二次循环水泵、二次循环水热泵入口管和二次循环水热泵出口管，一次循环水热泵出口管的一端和一次循环水补水管的一端均连接在一次循环水换热器入口管的另一端上，二次循环水泵安装在二次循环水热泵入口管上，二次循环水热泵出口温度计均安装在二次循环水热泵出口管上。本发明的热能回收率高。

Description

以热泵方式回收燃气锅炉烟气冷凝热能的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种回收燃气锅炉烟气冷凝热能的装置和方法，尤其是涉及以热泵方式回收燃气锅炉烟气冷凝热能的装置和方法。

背景技术

燃气锅炉排烟一般在150℃以上，烟气中含有体积分数达15%-20%的水蒸气，这部分水蒸气呈过热状态，其汽化潜热得不到利用，这些呈过热状态的水蒸气随烟气排出时造成热量的巨大损失。目前燃气锅炉逐步取代燃煤锅炉，燃气锅炉在城市生活、生产供热中得到了广泛使用，燃气锅炉的冷凝回收装置开始得到应用。

目前燃气锅炉冷凝回收主要是通过单一烟气-水换热器，将烟气温度降温，回收烟气余热，如公开日为2012年04月11日，公开号为CN102410550A的中国专利中，公开了一种冷凝式防腐蚀燃气/燃油锅炉的余热回收系统，该余热回收系统包括一个普通的热管换热器本体和一个溶液喷洒装置，热管换热器本体将热量由烟气侧通过热管的震荡传输将热量传递至另一侧，用以加热空气或水，喷头喷出的溶液均匀的散布在烟气侧的换热管和换热器内壁上，消除锅炉烟气中水蒸气凝结形成的弱酸性溶液的腐蚀。这种通过单一烟气-水换热器的简单的利用方式存在以下三点不足。

（1）热水温度过低，仅可以用于生活热水或者加热锅炉给水等。

（2）烟气温度无法降至足够低。烟气加热的水主要是生活热水或者锅炉给水，蒸汽锅炉给水量少，热水锅炉回水温度较高，均无法将烟气温度降至足够低，生活热水需要出水温度在40-60℃，排烟温度大都在60℃以上，烟气中水蒸气的冷凝比例不高，热能回收率较低。

（3）冷凝换热器中喷头喷洒的溶液与烟气直接接触换热，烟气中部分热量随溶液排出，降低了热能回收效率。

现在也有采用其他方式回收燃气锅炉烟气冷凝热能的，如公开日为2012年08月29日，公开号为CN102650431A的中国专利中，公开了一种燃气烟气余热梯级回收利用方法，该燃气烟气余热梯级回收利用方法利用气水间接换热和气水直接换热两种不同传热方式的串联，梯级回收烟气中的低品位热能，用于被加热水温度连续提升，被加热水温度经过两次连续提升，温度升高到60-100℃，作为蒸汽锅炉补水、余热锅炉补水、其他工艺用水或生活热水使用，该系统需消耗高品位电能，且功能较为单一。

综上所述，现在还没有一种热能回收率高，一次循环水的水温在15-30℃，能够将烟气充分冷却，使烟气降至露点以下，充分回收烟气的显热和水蒸气的汽化潜热的回收燃气锅炉烟气冷凝热能的装置和方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，而提供一种结构设计合理，热能回收率高，一次循环水的水温在15-30℃，能够将烟气充分冷却，使烟气降至露点以下，充分回收烟气的显热和水蒸气的汽化潜热的以热泵方式回收燃气锅炉烟气冷凝热能的装置和方法。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：该以热泵方式回收燃气锅炉烟气冷凝热能的装置包括高效冷凝换热器、一次循环水换热器出口管、一次循环水换热器入口管、烟气入口管和烟气出口管，所述高效冷凝换热器中设置有冷凝换热器冷凝水排水口、烟气入口、烟气出口、一次循环水入口和一次循环水出口，所述烟气入口管的一端和烟气出口管的一端分别连接在高效冷凝换热器的烟气入口和烟气出口上，所述一次循环水换热器出口管的一端和一次循环水换热器入口管的一端分别连接在高效冷凝换热器的一次循环水出口和一次循环水入口上，其结构特点在于：还包括热泵机组、一次循环水换热器出口温度计、一次循环水流量计、一次循环水热泵入口管、一次循环水热泵出口管、一次循环水泵、一次循环水换热器入口温度计、生活热水取水管、一次循环水补水管、二次循环水泵、二次循环水回水温度计、二次循环水热泵入口管、二次循环水热泵出口管、二次循环水流量计和二次循环水热泵出口温度计，所述一次循环水泵和一次循环水换热器入口温度计均安装在一次循环水换热器入口管上，所述一次循环水换热器出口温度计和一次循环水流量计均安装在一次循环水换热器出口管上；所述一次循环水热泵出口管的一端和一次循环水补水管的一端均连接在一次循环水换热器入口管的另一端上，所述一次循环水热泵入口管的一端和生活热水取水管的一端均连接在一次循环水换热器出口管的另一端上；所述热泵机组上设置有一次循环水入口、一次循环水出口、二次循环水入口和二次循环水出口，所述一次循环水热泵入口管的另一端和一次循环水热泵出口管的另一端分别连接在热泵机组的一次循环水入口和一次循环水出口上，所述二次循环水热泵入口管的一端和二次循环水热泵出口管的一端分别连接在热泵机组的二次循环水入口和二次循环水出口上，所述二次循环水泵和二次循环水回水温度计均安装在二次循环水热泵入口管上，所述二次循环水流量计和二次循环水热泵出口温度计均安装在二次循环水热泵出口管上。由此使得本发明的结构设计合理，能够将烟气充分冷却，使烟气降至露点以下，烟气热能的回收率高，大大降低了对高效冷凝换热器的腐蚀，延长了设备的使用寿命。

作为优选，本发明所述高效冷凝换热器中沿烟气流动方向的末端换热管束采用耐腐蚀材质。

作为优选，本发明所述高效冷凝换热器中的底板沿烟气流动方向逐渐向下倾斜。

一种以热泵方式回收燃气锅炉烟气冷凝热能的方法，其特征在于：包括如下步骤：以热泵工况运行时，烟气通过烟气入口管进入高效冷凝换热器内降温放热，降温后的烟气通过烟气出口管排出高效冷凝换热器，此时烟气的温度在40℃以下，烟气中的水蒸气冷凝后从冷凝换热器冷凝水排水口流出；在一次循环水泵的推动下，一次循环水经一次循环水换热器入口管进入高效冷凝换热器内吸收烟气放出的热能，使得一次循环水的温度升高到15-30℃之间，升温后的一次循环水经一次循环水换热器出口管流出高效冷凝换热器，并作为热泵机组的低温热源水，通过一次循环水热泵入口管进入热泵机组进行放热，降温后的一次循环水通过一次循环水热泵出口管流出，并在一次循环水泵的推动下再次进入高效冷凝换热器中吸热升温，如此反复循环；二次循环水在二次循环水泵的推动下通过二次循环水热泵入口管进入热泵机组中，吸收一次循环水放出的热能，使得二次循环水的温度升高到50-90℃之间，升温后的二次循环水经二次循环水热泵出口管流出热泵机组，输送至用户处进行放热，并在二次循环水泵的推动下进行循环。由此使得本发明的操作简单，能够充分回收烟气的显热和水蒸气的汽化潜热。

作为优选，本发明一次循环水通过调节一次循环水泵的出力改变进入高效冷凝换热器的水量，从而控制高效冷凝换热器中一次循环水的进口温度和出口温度，使得升温后的一次循环水的温度控制在15-30℃之间，从而使高效冷凝换热器的烟气出口处的温度尽可能的低，充分利用烟气中的余热，并减少环境污染；二次循环水根据热用户用热温度的要求，选取合适的热泵机组，控制二次循环水泵的水流量，以调节热泵机组的回水温度和供水温度。

作为优选，本发明当热泵设备出现故障或二次循环水不使用时，启用生活热水取水管，通过一次循环水泵控制一次循环水流量，使一次循环水经高效冷凝换热器后的温度达到生活热水的温度要求，作为生活热水使用，一次循环水的失水通过一次循环水补水管进行补充。由此使得本发明具有提供生活热水的功能，当热泵设备出现故障时，也能够实现利用烟气热能的功能，更加有利于节能环保。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：1.先采用低温的一次循环水和高温烟气进行热交换的方式，有利于将高温烟气的温度降到40℃以下，提高了烟气中热能的利用率；再使用二次循环水和一次循环水通过热泵机组进行热交换的方式，大大提高了热能的回收效率，能够将二次循环水的温度提高了50-90℃，扩大了二次循环水的适用面。2.采用高效冷凝换热器，高效冷凝换热器末级换热管束采用耐腐蚀材质，减轻高效冷凝换热器的低温腐蚀，高效冷凝换热器底板沿烟气方向向下倾斜，可将冷凝水及时排出，减少腐蚀并可避免水分蒸发造成热量损失。3.一次循环水温度可控，一般一次循环水出水温度控制在20℃左右，保证高效冷凝换热器烟气出口温度可降至40℃以下，以充分回收烟气余热。4.根据实际条件不同选择电驱动热泵或吸收式热泵，二次循环水温度可控制在50-90℃之间。5.适用性广泛，由于二次循环水热能品质在生活供暖、生产供热可用范围之内，且温度可控，因而使用范围较广。6.以热泵方式回收燃气锅炉烟气冷凝热能，采用高效冷凝换热器将烟气的热量换热至一次热源水中，通过热泵将一次循环水的热量换热至二次循环水中，相对于常规冷凝式换热系统，具有排烟温度低、节能效果好、适用性广泛、系统稳定可靠的优点。7.一次循环水换热器出口管分别连接一次循环水热泵入口管和生活热水取水管，一次循环水热泵入口管和生活热水取水管的水温要求不同，由一次循环水泵通过调节一次循环水流量来控制，使用灵活。

附图说明

图1是本发明实施例中以热泵方式回收燃气锅炉烟气冷凝热能的装置的结构示意图。

图中：1-高效冷凝换热器，2-热泵机组，3-一次循环水换热器出口管，4-一次循环水换热器出口温度计，5-一次循环水流量计，6-一次循环水热泵入口管，7-一次循环水热泵出口管，8-一次循环水泵，9-一次循环水换热器入口温度计，10-一次循环水换热器入口管，11-烟气入口管，12-烟气出口管，13-生活热水取水管，14-一次循环水补水管，15-二次循环水泵，16-二次循环水回水温度计，17-二次循环水热泵入口管，18-二次循环水热泵出口管，19-二次循环水流量计，20-二次循环水热泵出口温度计，21-冷凝换热器冷凝水排水口。

具体实施方式

下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

实施例。

参见图1，本实施例中以热泵方式回收燃气锅炉烟气冷凝热能的装置包括高效冷凝换热器1、热泵机组2、一次循环水换热器出口管3、一次循环水换热器出口温度计4、一次循环水流量计5、一次循环水热泵入口管6、一次循环水热泵出口管7、一次循环水泵8、一次循环水换热器入口温度计9、一次循环水换热器入口管10、烟气入口管11、烟气出口管12、生活热水取水管13、一次循环水补水管14、二次循环水泵15、二次循环水回水温度计16、二次循环水热泵入口管17、二次循环水热泵出口管18、二次循环水流量计19和二次循环水热泵出口温度计20。

本实施例中的高效冷凝换热器1中设置有冷凝换热器冷凝水排水口21、烟气入口、烟气出口、一次循环水入口和一次循环水出口，烟气入口管11的一端和烟气出口管12的一端分别连接在高效冷凝换热器1的烟气入口和烟气出口上，一次循环水换热器出口管3的一端和一次循环水换热器入口管10的一端分别连接在高效冷凝换热器1的一次循环水出口和一次循环水入口上。

本实施例中的一次循环水泵8和一次循环水换热器入口温度计9均安装在一次循环水换热器入口管10上，一次循环水换热器出口温度计4和一次循环水流量计5均安装在一次循环水换热器出口管3上。本实施例中的一次循环水热泵出口管7的一端和一次循环水补水管14的一端均连接在一次循环水换热器入口管10的另一端上，一次循环水热泵入口管6的一端和生活热水取水管13的一端均连接在一次循环水换热器出口管3的另一端上。

本实施例中的热泵机组2上设置有一次循环水入口、一次循环水出口、二次循环水入口和二次循环水出口，热泵机组2内设置有冷凝器和蒸发器，一次循环水热泵入口管6的另一端和一次循环水热泵出口管7的另一端分别连接在热泵机组2的一次循环水入口和一次循环水出口上，二次循环水热泵入口管17的一端和二次循环水热泵出口管18的一端分别连接在热泵机组2的二次循环水入口和二次循环水出口上，二次循环水泵15和二次循环水回水温度计16均安装在二次循环水热泵入口管17上，二次循环水流量计19和二次循环水热泵出口温度计20均安装在二次循环水热泵出口管18上。

通常情况下，本发明中的高效冷凝换热器1中沿烟气流动方向的末端换热管束采用耐腐蚀材质，高效冷凝换热器1中的底板沿烟气流动方向逐渐向下倾斜。

本实施例中以热泵方式回收燃气锅炉烟气冷凝热能的方法包括如下步骤：以热泵工况运行时，烟气通过烟气入口管11进入高效冷凝换热器1内降温放热，降温后的烟气通过烟气出口管12排出高效冷凝换热器1，此时烟气的温度在40℃以下，烟气中的水蒸气冷凝后从冷凝换热器冷凝水排水口21流出；在一次循环水泵8的推动下，一次循环水经一次循环水换热器入口管10进入高效冷凝换热器1内吸收烟气放出的热能，使得一次循环水的温度升高到15-30℃之间，升温后的一次循环水经一次循环水换热器出口管3流出高效冷凝换热器1，并作为热泵机组2的低温热源水，通过一次循环水热泵入口管6进入热泵机组2进行放热，降温后的一次循环水通过一次循环水热泵出口管7流出，并在一次循环水泵8的推动下再次进入高效冷凝换热器1中吸热升温，如此反复循环；二次循环水在二次循环水泵15的推动下通过二次循环水热泵入口管17进入热泵机组2中，吸收一次循环水放出的热能，使得二次循环水的温度升高到50-90℃之间，升温后的二次循环水经二次循环水热泵出口管18流出热泵机组2，输送至用户处进行放热，并在二次循环水泵15的推动下进行循环。

一次循环水通过调节一次循环水泵8的出力改变进入高效冷凝换热器1的水量，从而控制高效冷凝换热器1中一次循环水的进口温度和出口温度，使得升温后的一次循环水的温度控制在15-30℃之间，从而使高效冷凝换热器1的烟气出口处的温度尽可能的低，充分利用烟气中的余热，并减少环境污染；二次循环水根据热用户用热温度的要求，选取合适的热泵机组2，控制二次循环水泵15的水流量，以调节热泵机组2的回水温度和供水温度。

当热泵设备出现故障或二次循环水不使用时，启用生活热水取水管13，通过一次循环水泵8控制一次循环水流量，使一次循环水经高效冷凝换热器1后的温度达到生活热水的温度要求，作为生活热水使用，一次循环水的失水通过一次循环水补水管14进行补充。

本发明基于热泵原理，以较低温度的一次循环水利用高效冷凝换热器1将燃气锅炉排烟温度降至露点以下，吸收烟气显热和水蒸气汽化潜热，通过热泵机组2将一次循环水作为低温热源水将二次循环水加热至设计温度，整个装置的结构设计合理、巧妙，装置中的各个部件形成一个有机的整体，各个部件共同作用，实现热能回收效率高，节能减排，对设备的腐蚀性小的作用。

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同，本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例说明。凡依据本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效变化或者简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种以热泵方式回收燃气锅炉烟气冷凝热能的装置，包括高效冷凝换热器、一次循环水换热器出口管、一次循环水换热器入口管、烟气入口管和烟气出口管，所述高效冷凝换热器中设置有冷凝换热器冷凝水排水口、烟气入口、烟气出口、一次循环水入口和一次循环水出口，所述烟气入口管的一端和烟气出口管的一端分别连接在高效冷凝换热器的烟气入口和烟气出口上，所述一次循环水换热器出口管的一端和一次循环水换热器入口管的一端分别连接在高效冷凝换热器的一次循环水出口和一次循环水入口上，其特征在于：还包括热泵机组、一次循环水换热器出口温度计、一次循环水流量计、一次循环水热泵入口管、一次循环水热泵出口管、一次循环水泵、一次循环水换热器入口温度计、生活热水取水管、一次循环水补水管、二次循环水泵、二次循环水回水温度计、二次循环水热泵入口管、二次循环水热泵出口管、二次循环水流量计和二次循环水热泵出口温度计，所述一次循环水泵和一次循环水换热器入口温度计均安装在一次循环水换热器入口管上，所述一次循环水换热器出口温度计和一次循环水流量计均安装在一次循环水换热器出口管上；所述一次循环水热泵出口管的一端和一次循环水补水管的一端均连接在一次循环水换热器入口管的另一端上，所述一次循环水热泵入口管的一端和生活热水取水管的一端均连接在一次循环水换热器出口管的另一端上；所述热泵机组上设置有一次循环水入口、一次循环水出口、二次循环水入口和二次循环水出口，所述一次循环水热泵入口管的另一端和一次循环水热泵出口管的另一端分别连接在热泵机组的一次循环水入口和一次循环水出口上，所述二次循环水热泵入口管的一端和二次循环水热泵出口管的一端分别连接在热泵机组的二次循环水入口和二次循环水出口上，所述二次循环水泵和二次循环水回水温度计均安装在二次循环水热泵入口管上，所述二次循环水流量计和二次循环水热泵出口温度计均安装在二次循环水热泵出口管上。

2.根据权利要求1所述的以热泵方式回收燃气锅炉烟气冷凝热能的装置，其特征在于：所述高效冷凝换热器中沿烟气流动方向的末端换热管束采用耐腐蚀材质。

3.根据权利要求1所述的以热泵方式回收燃气锅炉烟气冷凝热能的装置，其特征在于：所述高效冷凝换热器中的底板沿烟气流动方向逐渐向下倾斜。

4.一种采用如权利要求1或2或3所述的装置进行的以热泵方式回收燃气锅炉烟气冷凝热能的方法，其特征在于：包括如下步骤：以热泵工况运行时，烟气通过烟气入口管进入高效冷凝换热器内降温放热，降温后的烟气通过烟气出口管排出高效冷凝换热器，此时烟气的温度在40℃以下，烟气中的水蒸气冷凝后从冷凝换热器冷凝水排水口流出；在一次循环水泵的推动下，一次循环水经一次循环水换热器入口管进入高效冷凝换热器内吸收烟气放出的热能，使得一次循环水的温度升高到15-30℃之间，升温后的一次循环水经一次循环水换热器出口管流出高效冷凝换热器，并作为热泵机组的低温热源水，通过一次循环水热泵入口管进入热泵机组进行放热，降温后的一次循环水通过一次循环水热泵出口管流出，并在一次循环水泵的推动下再次进入高效冷凝换热器中吸热升温，如此反复循环；二次循环水在二次循环水泵的推动下通过二次循环水热泵入口管进入热泵机组中，吸收一次循环水放出的热能，使得二次循环水的温度升高到50-90℃之间，升温后的二次循环水经二次循环水热泵出口管流出热泵机组，输送至用户处进行放热，并在二次循环水泵的推动下进行循环。

5.根据权利要求4所述的以热泵方式回收燃气锅炉烟气冷凝热能的方法，其特征在于：一次循环水通过调节一次循环水泵的出力改变进入高效冷凝换热器的水量，从而控制高效冷凝换热器中一次循环水的进口温度和出口温度，使得升温后的一次循环水的温度控制在15-30℃之间，从而使高效冷凝换热器的烟气出口处的温度尽可能的低，充分利用烟气中的余热，并减少环境污染；二次循环水根据热用户用热温度的要求，选取合适的热泵机组，控制二次循环水泵的水流量，以调节热泵机组的回水温度和供水温度。

6.根据权利要求4所述的以热泵方式回收燃气锅炉烟气冷凝热能的方法，其特征在于：当热泵设备出现故障或二次循环水不使用时，启用生活热水取水管，通过一次循环水泵控制一次循环水流量，使一次循环水经高效冷凝换热器后的温度达到生活热水的温度要求，作为生活热水使用，一次循环水的失水通过一次循环水补水管进行补充。