CN108050731A - 一种烟气驱动余热回收型吸收式热泵 - Google Patents

一种烟气驱动余热回收型吸收式热泵 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种烟气驱动余热回收型吸收式热泵。该吸收式热泵主要由发生器、冷凝器、溶液换热器、吸收器和蒸发器组成，烟气首先进入发生器，在其流动过程中与发生器内的内降膜传热管接触释放热量，然后再进入蒸发器，与蒸发器内的内降膜传热管接触，再次放热后离开吸收式热泵。本发明的吸收式热泵采用烟气驱动并同时实现烟气余热回收，由于吸收式热泵的蒸发温度较低，能把烟气降低到更低的温度，进而提升各种产生烟气的能源系统的能源利用效率。此外，吸收式热泵可以使烟气温度降低到露点温度以下，使烟气中的水蒸气冷凝，回收了水蒸气的冷凝热，产生的凝结水可以洗涤净化烟气，从而实现节能和减少污染物排放的双重效果。

Description

一种烟气驱动余热回收型吸收式热泵
技术领域
本发明属于吸收式热泵技术领域，特别涉及一种实现深度回收烟气余热的吸收式热泵。
背景技术
天然气、煤炭和燃油广泛的应用在各种工业和民用场合，就供热领域而言，燃煤热电厂、燃气热电厂、燃煤锅炉、燃气锅炉、燃油锅炉、燃气热泵等被广泛应用。但是由于排烟温度较高，各种烟气中余热资源丰富，如果能充分回收这些烟气余热，则会显著的提升能源系统的能源利用效率。同时烟气中含有较多的污染物(粉尘、SO2、NOx、TSP和CO)。如果能够在回收烟气余热同时降低污染物排放则具有重要的应用价值。
目前烟气余热回收方式可以分为直接接触式和间接接触式。就直接接触式而言，由于烟气中含有大量的NOx和SO2等物质，如果把烟气降低到露点温度以下，则烟气中的水蒸气将会冷凝成液态，由于NOx和SO2等酸性气体存在，凝结水则呈酸性，对换热器材质防腐性要求较高，同时由于凝结水呈酸性，需要进行加药中和和沉淀处理后才能继续使用。而间接接触式所采用的循环水不与烟气直接接触，水质不会被烟气污染，无须进行水质处理可以长期循环使用。
目前采用间接接触式回收烟气余热的方式中都是采用烟气-水换热或者烟气-空气换热的换热器进行回收，因烟气-水换热回水温度较高和烟气-空气换热器传热系数较低的原因，换热后排出的烟气温度还是比较高。
中国专利CN200910238452.2“热泵型燃气锅炉余热回收机组”中提出了采用吸收式热泵回收烟气余热加热供热系统回水的方式，烟气与循环水换热的方式为烟气-水间接换热的方式。此系统由吸收式热泵、烟气-水换热器、烟气冷凝换热器以及各种连接管路和附件组成。一次侧天然气进入吸收式热泵的发生器作为驱动热源后与燃气锅炉的排烟依次进入烟气-水换热器、烟气冷凝换热器，首先通过烟气-水换热器的水侧环路加热二次侧热水回水，其次通过烟气冷凝换热器的中间水环路将热量换到吸收式热泵的蒸发器侧作为低位热源，通过吸收式热泵将热量送热网中。该发明称可降低排烟温度，并提高能源利用效率。
该专利中的吸收式热泵是由天然气驱动，燃气锅炉的烟气中的余热是由烟气-水换热器和烟气冷凝换热器回收，因此该专利中的吸收式热泵不是用于回收烟气中的余热，而用烟气-水换热器和烟气冷凝换热器回收烟气中的余热时，其排烟温度还是比较高，不能使烟气中的水蒸气冷凝，因此不能充分回收烟气中的水蒸气的冷凝热，同时排烟中含有NOx和SO2等污染物。
为了把烟气降低到更低的温度，充分回收烟气中的余热和水蒸气的冷凝热，同时降低排烟中的NOx和SO2等污染物，本发明提出一种深度回收烟气余热的吸收式热泵系统。
发明内容
本发明的目的是设计一种深度回收烟气余热的吸收式热泵系统，使烟气降低到更低的温度，充分回收烟气中的余热和水蒸气的冷凝热，同时降低排烟中的NOx和SO2等污染物。
本发明的技术方案是一种烟气驱动余热回收型吸收式热泵，该吸收式热泵由烟气入口1、内降膜传热管2、液体分布装置3、发生器4、浓溶液管路5、冷剂蒸汽管路6、烟气管路7、冷凝器8、热水出口9、节流装置10、冷剂管路11、溶液换热器12、热水入口13、稀溶液管路14、吸收器15、热水管路16、冷剂蒸汽管路17、烟气出口18、蒸发器19和烟气凝水排出口20组成，烟气首先通过烟气入口1进入发生器4，在其流动过程中与发生器4内的内降膜传热管2阵列的管外腔体接触释放热量，然后烟气再通过烟气管道7进入蒸发器19，与蒸发器19内的内降膜传热管2阵列的管外腔体接触，再次放热后通过烟气出口18离开吸收式热泵。
所述液体分布装置3的外围面上带有旋转沟槽通道26，在其中间有中空通道27。
所述吸收式热泵的发生器4的结构是内降膜传热管2外为翅片结构，内降膜传热管2阵列采用竖直布置方式，烟气在内降膜传热管2外侧流动，溶液在内降膜传热管2内流动，内降膜传热管2的上下两端通过隔板固定并与烟气隔开，烟气不与溶液直接接触；液体分布装置3安装在内降膜传热管2的内侧，液体分布装置3外围带有旋转沟槽通道26，液体分布装置3的中间有中空通道27，稀溶液通过液体分布装置3的旋转沟槽通道26后在内降膜传热管2的内壁旋转并形成液膜，液膜由上而下贴壁流动同时与内降膜传热管2外的烟气进行换热，稀溶液从内降膜传热管2下部流出，产生的蒸汽通过内降膜传热管2上部经过液体分布装置3的中空通道27流出。
所述吸收式热泵的蒸发器19的结构是内降膜传热管2外为翅片结构，内降膜传热管2阵列采用竖直布置方式，烟气在内降膜传热管2外侧流动，液态冷剂在内降膜传热管2内流动，内降膜传热管2的上下两端通过隔板固定并与烟气隔开，烟气不与液态冷剂直接接触；液体分布装置3安装在内降膜传热管2的内侧，液体分布装置3外围带有旋转沟槽通道26，液体分布装置3的中间有中空通道27，液态冷剂通过液体分布装置3的旋转沟槽通道26后在内降膜传热管2的内壁旋转并形成液膜，液膜由上而下贴壁流动同时与内降膜传热管2外的烟气进行换热，液态冷剂被加热变成蒸汽后从内降膜传热管上方经过液体分布装置3的中空通道27流出。
通过烟气入口1进入发生器4的烟气为燃煤、燃气、燃油或者生物质原料燃烧后产生的烟气。
所述吸收式热泵还可以设置二级发生器22形成两级烟气驱动余热回收型吸收式热泵，二级发生器22设置在发生器4与冷凝器8之间。
本发明的所提供的一种烟气驱动余热回收型吸收式热泵具有以下优点：
1.本发明所设计的烟气驱动余热回收型吸收式热泵采用烟气驱动并同时实现烟气余热回收。在工作时，烟气首先进入发生器，与发生器内的内降膜传热管阵列的管外腔体接触释放热量，然后烟气再进入蒸发器，与蒸发器内的内降膜传热管阵列的管外腔体接触，再次放热后离开吸收式热泵。烟气经过发生器和蒸发器两次换热后，烟气的余热能实现深度回收。
由于吸收式热泵的蒸发温度较低，相比目前现有报道的烟气余热回收技术能把烟气降低到更低的温度，进而提升各种产生烟气的能源系统的能源利用效率。
2.本发明所设计的烟气驱动余热回收型吸收式热泵可以使烟气温度降低到露点温度以下，烟气中包含的水蒸气被冷凝，回收了水蒸气的冷凝热，产生的凝结水可以起到洗涤净化烟气的作用，从而实现节能和减少污染物排放的双重效果。
3.本发明所设计的液体分布装置结构简单，布液效果好，在本发明所设计的发生器和蒸发器中使用这种液体分布装置，提高了发生器和蒸发器的热交换效率。
附图说明
图1为一种烟气驱动余热回收型吸收式热泵的系统原理示意图。
图2为液体分布装置的主视结构放大示意图。
图3为液体分布装置的俯视结构放大示意图。
图4为发生器的结构原理放大示意图。
图5为蒸发器的结构原理放大示意图。
图6为一种两级烟气驱动余热回收型吸收式热泵的系统原理示意图。
图中标号说明如下：
1.烟气入口，2.内降膜传热管，3.液体分布装置，4.发生器，5.浓溶液管路，6.冷剂蒸汽管路，7.烟气管路，8.冷凝器，9.热水出口，10.节流装置，11.冷剂管路，12.溶液换热器，13.热水入口，14.稀溶液管路，15.吸收器，16.热水管路，17.冷剂蒸汽管路，18.烟气出口，19.蒸发器，20.烟气凝水排出口，21.中间溶液管道，22.二级发生器，23.冷剂蒸汽管路，24.二级溶液热交换器，25.冷剂蒸汽管路，26.旋转沟槽通道，27.中空通道。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。
实施例
本实施例所述的一种烟气驱动余热回收型吸收式热泵的系统原理结构示意图见图1到图5所示。
本实施例是一宽泛实施例，本发明的目的是为了把烟气降低到更低的温度以充分回收烟气余热。目前烟气余热的回收方式主要是通过对进锅炉的空气进行预热或者用热网回水对烟气进行冷却，因烟气-空气换热器传热系数较低和热网回水温度较高的原因，两种方式都难以把烟气冷却到露点温度以下，烟气中所包含的水蒸气的冷凝热无法回收。为了把烟气降低到显著低于露点温度的水平，本发明采用烟气驱动和利用蒸发器再次回收烟气余热的吸收式热泵回收烟气余热，相比现有技术更大幅度的降低排烟温度，具有更高的能源利用效率。
如图1所示，本发明的烟气驱动余热回收型吸收式热泵工作时，烟气首先通过烟气入口1进入发生器4。发生器4为烟气与溶液进行换热的部件，发生器4的结构原理放大示意图见图4所示。烟气进入发生器4的腔体，发生器4内安装有竖直放置的内降膜传热管2阵列，内降膜传热管2的外侧包有翅片结构，内降膜传热管2上端管内侧安装液体分布装置3。液体分布装置3外围加工有旋转沟槽通道26，液体分布装置3的中间加工有中空通道27，液体分布装置3的主视结构放大示意图见图2所示，液体分布装置3的俯视结构放大示意图见图3所示。液体分布装置3的外径和内降膜传热管2的内径相同，在吸收式热泵安装时，液体分布装置3从内降膜传热管2上方装入并卡在内降膜传热管2管内上方。稀溶液通过稀溶液管路14从发生器4的上方进入发生器4，稀溶液在经过液体分布装置3外围的旋转沟槽通道26后在内降膜传热管2的管内壁旋转流动形成液膜由上而下流动，同时被内降膜传热管2管外流动的烟气加热，进而稀溶液沸腾后产生冷剂蒸汽，冷剂蒸汽经过液体分布装置3的中空通道27从发生器4的上方通过冷剂蒸汽管路6离开发生器4，稀溶液沸腾后变成浓溶液，浓溶液从发生器4底部的浓溶液管路5离开发生器。内降膜传热管2的上下两端固定在发生器4的隔板上并确保接触部位密封，确保烟气侧不与溶液侧直接接触。
从发生器4离开的烟气通过烟气管道7进入蒸发器19。蒸发器19为烟气与液态冷剂换热的部件，蒸发器19的结构原理放大示意图见图5所示。烟气进入蒸发器19的腔体，蒸发器19内安装有竖直布置的内降膜传热管2阵列，内降膜传热管2的外侧包有翅片结构，内降膜传热管2上端管内侧安装液体分布装置3。液体分布装置3外围加工有旋转沟槽通道26，液体分布装置3的中间加工有中空通道27，液体分布装置3的主视结构放大示意图见图2所示，液体分布装置3的俯视结构放大示意图见图3所示。液体分布装置3的外径和内降膜传热管2的内径相同，在吸收式热泵安装时，液体分布装置3从内降膜传热管2上方装入并卡在内降膜传热管2管内上方。烟气在内降膜传热管2的管外空间流动。液态冷剂通过冷剂管路11从蒸发器19的顶部进入蒸发器19，液态冷剂经过液体分布装置3后在内降膜传热管2的管内壁旋转流动形成液膜由上而下的流动，在液态冷剂流动过程中被内降膜传热管2管外的烟气加热进而由液态变成汽态，产生的冷剂蒸汽从液体分布装置3的中空通道27流出后经冷剂蒸汽管路17离开蒸发器19。烟气在内降膜传热管2阵列的腔体放热后从烟气出口18离开蒸发器19。由于烟气中含有水蒸气，在烟气冷凝的过程中烟气中水蒸气冷凝产生的液态水从烟气凝水排出口20排出，同时回收了水蒸气的冷凝热。内降膜传热管2的上下两端固定在蒸发器19的隔板上并确保接触部位密封，确保烟气侧不与液态冷剂侧直接接触。
烟气经过在发生器4和蒸发器19中两次换热后，烟气的余热能实现深度回收。
由于吸收式热泵的蒸发温度较低，相比目前现有报道的烟气余热回收技术能把烟气降低到更低的温度，进而提升各种产生烟气的能源系统的能源利用效率。
由于在蒸发器19中可以使烟气温度降低到露点温度以下，烟气中包含的水蒸气被冷凝，回收了水蒸气的冷凝热，产生的凝结水可以起到洗涤净化烟气的作用，从而实现节能和减少污染物排放的双重效果。
由于液体分布装置3结构简单，布液效果好，在发生器4和蒸发器19中使用这种液体分布装置3，提高了发生器4和蒸发器19的热交换效率。
从发生器4离开的浓溶液从发生器4底部的浓溶液管路5进入吸收器15。吸收器15为浓溶液吸收冷剂蒸汽后释放热量再加热热水的部件。从热网回来的热水从热水入口13进入吸收器15，热水被加热后进入热水管道16后离开吸收器15。浓溶液从吸收器15的顶部进入后通过喷嘴或者滴淋装置在热水管道的外部流动，流动的同时吸收来自冷剂蒸汽管路17的冷剂蒸汽而放热，浓溶液吸收冷剂蒸汽后变成稀溶液，稀溶液从吸收器15底部进入稀溶液管路14离开吸收器。
从发生器4离开的冷剂蒸汽经过冷剂蒸汽管路6进入冷凝器8。冷凝器8是为冷剂蒸汽被冷却而由汽态变成液态的换热器。经过吸收器15加热过的热水由热水管道16进入冷凝器8，由于冷凝器8内热水管路的温度低于冷剂蒸汽的饱和温度，所以冷剂蒸汽在冷凝器8的腔体内冷凝，冷凝后的液态冷剂从冷凝器底部的冷剂管路11离开冷凝器8。热水管路中的热水吸收冷剂蒸汽的冷凝热，使热水温度进一步提高，提高温度后的热水从热水出口9流出冷凝器8，供给用户使用。
溶液换热器12用于浓溶液和稀溶液换热以提升热泵的换热量。
烟气驱动余热回收型吸收式热泵中的各种介质工作原理如下：
(1)烟气侧
烟气首先通过烟气入口1进入发生器4进行首次放热，烟气在发生器4中的内降膜传热管2阵列的管外空间内流动。完成首次放热后再经过烟气管道7进入蒸发器19再次放热，烟气在蒸发器19中的内降膜传热管2阵列的管外空间内流动放热，烟气被再次冷却后从烟气出口18离开吸收式热泵，在烟气降温过程中产生的凝水从烟气凝水排出口20排出吸收式热泵，全部循环过程中烟气不与溶液和冷剂直接接触。
(2)溶液循环
稀溶液离开吸收器15后首先进入溶液热交换器12被加热，然后被送至发生器4，稀溶液通过液体分布装置3后进入内降膜传热管2的管内侧，稀溶液在内降膜传热管2的管内壁呈膜状流动同时被内降膜传热管2管外的烟气加热而沸腾，稀溶液被浓缩后变成浓溶液后进入浓溶液管路5离开发生器4。浓溶液经过溶液热交换器12后进入吸收器15，浓溶液在热水管路的管外流动时吸收来自冷剂蒸汽管路17的冷剂蒸汽后释放热量，进而加热热水管路内的热水，浓溶液吸收水蒸气后变成稀溶液后进入稀溶液管路14离开吸收器15，以此连续循环。
(3)冷剂循环
稀溶液在发生器4内被加热沸腾产生冷剂蒸汽，冷剂蒸汽通过冷剂蒸汽管路6进入冷凝器8，冷剂蒸汽在冷凝器8内被热水管路冷却进而变成液态冷剂后进入液态冷剂管路11离开冷凝器8，液态冷剂经过节流装置10后被减温减压后进入蒸发器19，液态冷剂进入液体分布装置3后在内降膜传热管2的管内侧形成液膜，流动的过程中被内降膜传热管2管外的烟气加热变成冷剂蒸汽，冷剂蒸汽进入冷剂蒸汽管路17被送至吸收器15后被浓溶液吸收，以此循环。
(4)热水循环
从热网回来的热水在吸收器15和冷凝器8的热水管路内被两次加热后，从冷凝器8的热水出口9流出冷凝器8，供给用户使用。热水管路在吸收器15和冷凝器8的进出口均与吸收器15和冷凝器8的壳体密封连接，热水仅在管内流动，不与冷剂和溶液接触。
如图6所示，本发明所设计的烟气驱动余热回收型吸收式热泵还可以设置二级发生器22形成两级烟气驱动余热回收型吸收式热泵，适用于烟气温度较高的场合，二级发生器22设置在发生器4与冷凝器8之间。发生器4产生的冷剂蒸汽首先进入二级发生器22的冷剂蒸汽管路23，用于继续加热来自发生器4的中间溶液管道21的中间溶液以提升浓度，中间溶液被加热沸腾后浓度提升变成浓溶液进入浓溶液管路5后离开二级发生器22。二级发生器22产生的冷剂蒸汽通过冷剂蒸汽管道25进入冷凝器8，同时发生器4产生的冷剂蒸汽在经过二级发生器22后继续通过冷剂蒸汽管路6进入冷凝器8。
此外，在两级烟气驱动余热回收型吸收式热泵中增加了二级溶液热交换器24，用于浓溶液和稀溶液换热以提升热泵的换热量。
本发明所设计的烟气驱动余热回收型吸收式热泵可以利用的烟气为燃煤、燃气、燃油或者生物质原料燃烧后产生的烟气。
本发明采用烟气驱动和利用蒸发器19降低烟气温度的吸收式热泵，充分回收烟气余热，是一种深度回收烟气余热的吸收式热泵。由于吸收式热泵的蒸发温度较低，相比目前现有报道的烟气余热回收技术能把烟气降低到更低的温度水平，进而提升烟气的利用效率。此外，该发明可以烟气降低到露点温度以下，烟气中包含的水蒸气被冷凝，因此蒸发器19底部安装溢流装置以排出多余凝水，同时产生的凝结水可以起到洗涤净化烟气的作用，烟气中的NOx和SO2等成分能够溶解在烟气的凝结水中，实现节能和环保的双重效果。
利用本发明可以组成一种深度回收烟气余热的集中供热系统，热网回水在经过吸收式热泵加热后还可以再经过其它热网加热器进一步提升温度。
最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种烟气驱动余热回收型吸收式热泵，其特征在于，该吸收式热泵由烟气入口(1)、内降膜传热管(2)、液体分布装置(3)、发生器(4)、浓溶液管路(5)、冷剂蒸汽管路(6)、烟气管路(7)、冷凝器(8)、热水出口(9)、节流装置(10)、冷剂管路(11)、溶液换热器(12)、热水入口(13)、稀溶液管路(14)、吸收器(15)、热水管路(16)、冷剂蒸汽管路(17)、烟气出口(18)、蒸发器(19)和烟气凝水排出口(20)组成，烟气首先通过烟气入口(1)进入发生器(4)，在其流动过程中与发生器(4)内的内降膜传热管(2)阵列的管外腔体接触释放热量，然后烟气再通过烟气管道(7)进入蒸发器(19)，与蒸发器(19)内的内降膜传热管(2)阵列的管外腔体接触，再次放热后通过烟气出口(18)离开吸收式热泵。
2.根据权利要求1所述的一种烟气驱动余热回收型吸收式热泵，其特征在于，所述液体分布装置(3)的外围面上带有旋转沟槽通道(26)，在其中间有中空通道(27)。
3.根据权利要求1所述的一种烟气驱动余热回收型吸收式热泵，其特征在于，所述吸收式热泵的发生器(4)的结构是内降膜传热管(2)外为翅片结构，内降膜传热管(2)阵列采用竖直布置方式，烟气在内降膜传热管(2)外侧流动，溶液在内降膜传热管(2)内流动，内降膜传热管(2)的上下两端通过隔板固定并与烟气隔开，烟气不与溶液直接接触；液体分布装置(3)安装在内降膜传热管(2)的内侧，液体分布装置(3)外围带有旋转沟槽通道(26)，液体分布装置(3)的中间有中空通道(27)，稀溶液通过液体分布装置(3)的旋转沟槽通道(26)后在内降膜传热管(2)的内壁旋转并形成液膜，液膜由上而下贴壁流动同时与内降膜传热管(2)外的烟气进行换热，稀溶液从内降膜传热管(2)下部流出，产生的蒸汽通过内降膜传热管(2)上部经过液体分布装置(3)的中空通道(27)流出。
4.根据权利要求1所述的一种烟气驱动余热回收型吸收式热泵，其特征在于，所述吸收式热泵的蒸发器(19)的结构是内降膜传热管(2)外为翅片结构，内降膜传热管(2)阵列采用竖直布置方式，烟气在内降膜传热管(2)外侧流动，液态冷剂在内降膜传热管(2)内流动，内降膜传热管(2)的上下两端通过隔板固定并与烟气隔开，烟气不与液态冷剂直接接触；液体分布装置(3)安装在内降膜传热管(2)的内侧，液体分布装置(3)外围带有旋转沟槽通道(26)，液体分布装置(3)的中间有中空通道(27)，液态冷剂通过液体分布装置(3)的旋转沟槽通道(26)后在内降膜传热管(2)的内壁旋转并形成液膜，液膜由上而下贴壁流动同时与内降膜传热管(2)外的烟气进行换热，液态冷剂被加热变成蒸汽后从内降膜传热管(2)上方经过液体分布装置(3)的中空通道(27)流出。
5.根据权利要求1所述的一种烟气驱动余热回收型吸收式热泵，其特征在于，通过烟气入口(1)进入发生器(4)的烟气为燃煤、燃气、燃油或者生物质原料燃烧后产生的烟气。
6.根据权利要求1所述的一种烟气驱动余热回收型吸收式热泵，其特征在于，所述吸收式热泵还可以设置二级发生器(22)形成两级烟气驱动余热回收型吸收式热泵，二级发生器(22)设置在发生器(4)与冷凝器(8)之间。
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