CN108131867A - 一种天然气烟气余热全热回收装置 - Google Patents

Abstract

一种天然气烟气余热全热回收装置。属于能源技术领域，特别涉及一种将燃气燃烧装置(锅炉、直燃机、燃气内燃机、燃气轮机等)排放的烟气余热全热回收技术。本发明针对目前天然气锅炉热能利用率较低的现状，采用三级降温两级换热的工艺流程，通过换热器和热泵使烟气梯级降温，特别是将烟气中的汽化潜热回收利用，将天然气锅炉的排烟温度降到了与天然气进锅炉时相同的温度，真正实现了天然气热能的全部利用。在烟气降温与热能回收的过程中，回收了大量的冷凝水，水中溶解了烟气中部分的硫化物和氮氧化物，降低了污染物的排放。本发明应用于热电联产电厂时，供暖期可消少量电能，增加30％以上的供热面积，减少10‑15％供热燃气的消耗量。

Description

一种天然气烟气余热全热回收装置

技术领域

本发明属于能源技术领域，特别涉及一种将燃气燃烧装置(锅炉、直 燃机、燃气内燃机、燃气轮机等)排放的烟气余热全热回收，同时可以降 低烟气中硫化物、氮氧化物等污染物的排放的装置。

背景技术

天然气虽然属于化石能源，但是，由于其燃烧的直接产物是二氧化碳 和水，在低氮燃烧的工况下，对环境的影响较小，是一种改善大气质量的 清洁燃料，因此应将其热能全部转化利用。但目前天然气热能利用率和烟 气回收的效率的现状并不尽人意，采暖锅炉的热能利用率普遍低于80％(以 高热值计)。最先进的热电联供技术也不超过80％，有超过20％的热能通过 烟筒排放到空中，特别是由于燃烧时产生的水在烟气中的汽化潜热没有回 收，浪费了宝贵的不可再生的能源资源，还对大气环境造成了影响。目前， 成熟的烟气余热回收技术已将烟气温度降到30℃左右，只能回收部分潜 热。根据国际标准化组织的规定：燃气轮机ISO标准工况为：环境温度15℃、 大气压力0.10135MPa、大气相对湿度60％。据此，当烟气温度降到15℃ 以下，并低于天然气进锅炉的温度时才能实现烟气余热的“全热回收”，充 分利用天然气的热能。

目前，燃气锅炉烟气余热回收采用的吸收式热泵系统和烟气源热泵系 统均为现场安装，设备分体，施工期长，调试、维修管理工作量较大。中 国专利“200810188037.6”《一种燃气锅炉烟气全热回收的装置》公开了一 种采用电动热泵回收燃气锅炉烟气余热的装置，其中的烟气源热泵的蒸发 器和冷凝器、混合降温器等设备需要现场组装。中国专利“201110110470.x” 《利用吸收式热泵回收烟气余热的集中供热系统》公开了一种采用吸收式 热泵回收燃气锅炉和燃气轮机的烟气余热的集中供热系统，其吸收式热泵 要在燃气热电联产系统用燃气或高温蒸汽作为热泵的驱动源，需要对电厂 内部相关设备和一次、二次供暖系统进行相应的改造，特别是大容量的回 收设备体积庞大，需要较大的占地面积，不适用已建成电厂进行节能改造。

随着煤改气的推进，北京市燃煤热电厂全部由大型燃气热电中心代替， 增加了大量燃气供热面积。由于燃煤电厂的热电比是燃气电厂的两倍。在 采暖季，燃气热电厂是以热定电，产生了热电需求不匹配，热电联产机组 产生的电力超出了用电负荷的现象。同时，采暖期是北京天然气消耗的高 峰期，供需矛盾较为突出(目前采暖高峰期燃气供需缺口为20％)，产生了 电偏多而气不足的矛盾。同时，热电联产电厂天然气燃烧的过量空气系数大于采暖的燃气锅炉，在同样排烟气温度90℃的情况下，比燃气锅炉产生 更多烟气量，有更多的热能排放到空中而浪费。

分布式能源三连供系统是高效利用天然气热能系统，有助于改变能源 结构、提高能源利用率和减少环境污染。天然气分布式能源中小型的热电 联产机组的排烟温度在90℃以上，有大量的烟气余热没有利用。如果将烟 气余热全部回收利用，可以增加50％以上的采暖供热面积，有助于北方采 暖季大气环境的改善。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明提出一种天然气烟气余热全热回收装置， 可以实现以下目的：

1、采用集成式烟气源热泵烟气余热回收装置，将燃气烟气从90-120℃ 降到15℃，实现天然气热能全部回收利用，在采暖期回供到二次供热系统， 减少天然气的消耗量；

2、采用三级降温两级换热的工艺，通过调整混合降温器的进烟流量， 保持热泵蒸发器进口烟温在30±5℃，使热泵高效运行；

3、采用集成式模块设备，出厂前进行整体调试，性能稳定，对外仅留 有烟气进出口和采暖循环水进出口，根据电厂烟气温度和采暖区域的热负 荷进行模块组合安装，可以立体叠加，向空间发展。整体运输、安装，可 安装在烟筒周边上方的空间或厂外的空地，无需对锅炉房内部进行改造；

4、烟气回收过程中，产生大量冷凝水，经过处理可直接供给电厂余热 锅炉，节约水资源；

5、本装置在余热回收过程可将烟气中的硫化物去除50％以上，氮氧化 物去除10％以上，实现减排的环境效益；

6、由于本装置采用的是热电联产电厂的电，供暖期可消纳部分多余电 能，增加了电厂的供热面积，减少10-15％供热燃气的消耗量，降低了供热 成本，改善了电厂的经济效益，提高了热电联产系统的热电比。

本发明的技术方案如下：

一种天然气烟气余热全热回收装置，其特征是，采用三级降温两级换 热的工艺流程，将燃气锅炉等天燃气燃烧装置产生烟气中的热能梯级回收 利用，特别是利用烟气源热泵吸收低品位热能特点，将60℃以下的烟气中 的潜热回收，应用到供暖或供应热水等用途，最终排烟温度降到15±5℃， 实现了烟气中的热能的全热(显热和潜热)回收利用。随着烟气温度的降 低，烟气中的水蒸气凝结为液态水，水中溶解了硫化物和氮氧化物呈弱酸性，需要经过中和处理后再利用或排放。

所述的三级降温两级换热，其特征是，第一级降温、换热是将90-120℃ 的烟气通过气-水换热器6降至60℃左右，水侧的水温提升6-10℃；第二 级降温是通过混合降温器5将烟气从60℃降到30±5℃；第三级降温、换热 是通过烟气源热泵蒸发器1将烟气降到15±5℃后排放，热泵的冷凝器2将 水温提升6-10℃。三级降温烟道串联连接，二级换热的热水管道可串联和 并联。烟气降温过程中凝结的冷凝水吸收烟气中的部分硫化物和氮氧化物，实现了节能减排。

所述的烟气源热泵，其特点是由蒸发器1、冷凝器2、压缩机4、膨胀 阀、气液分离器组成的气源热泵。是基于逆卡诺循环原理建立起来的一种 节能制热技术，这种热泵适合在燃气锅炉的烟气条件下运行，以低温烟气 为热源，经过热泵提升为高温热源供热或供热水，可以将低温烟气中的气 化潜热全部回收。

所述的烟气源热泵蒸发器1，其特征是烟气进口温度设计为30±5℃， 以适应回收烟气余热的运行条件，又可使热泵在最佳条件下运行，蒸发器 1进出口的温差为10-15℃，最终温度为15±5℃，可以实现烟气中潜热的全 部回收。为防止烟气中的酸性冷凝水的腐蚀，蒸发器1采用整体镀膜的方 式进行防腐处理，在蒸发器1的烟气出口侧装有风扇3，作为烟气循环换 热的动力。

所述的热泵冷凝器2，其特征是采用双螺旋套管换热器或管壳式换热 器或其他形式的换热器，其作用是将蒸发器1吸收的热能通过工质在压缩 机4压缩，温度提高并在冷凝器2内将热量转换为高温热水。

所述的压缩机4，其特征是采用电驱动的涡旋式压缩机或螺杆式压缩 机或离心式压缩机。

所述的膨胀阀、气液分离器是保障烟气源热泵正常运行的配套设备。

所述的气-水换热器6，其特征是通过换热器的换热使来自燃气燃烧设 备的高温烟气降温到60℃左右的中温烟气，通过风机7的驱动进入混合降 温器5。气-水换热器6采用耐腐蚀的不锈钢或其他材料制作，将烟气中的 热能交换到水中，烟气侧进口与燃气锅炉等燃烧装置的烟筒相连，出口连 接风机7。

所述的混合降温器5，其特征是混合降温器5安装在热泵蒸发器1的 下方，为腔体结构，内设导流装置，联通蒸发器1的烟气进出口侧的风道。 60℃的烟气在混合降温器5内与来自蒸发器1出口的低温烟气混合，烟气 降温到热泵所需温度。借助于安装在蒸发器1烟气出口侧的风扇3，在蒸 发器1的出口形成正压，在蒸发器1进口形成负压，使烟气在风扇3的驱 动下，通过混合降温器5在蒸发器1进出口之间循环流动，以循环烟气为 载体吸收高气温烟气的热能，然后释放到蒸发器1，通过工质在压缩机4 的升温和冷凝器2的降温，完成烟气低位热能的转换和提升。

所述的烟道，其特征是不锈钢制作的保温烟道，烟道一端连接天然气 燃烧设备的排烟烟筒，一端通过热泵蒸发器1通向大气，中间贯穿电动烟 道阀、气-水换热器、风机、调节阀、混合降温器和热泵蒸发器等设备。

所述的热水管道，其特征是连接供热循环系统、储热水箱与热泵冷凝 器和板式换热器的水侧的保温管道，管道安装有截止阀、调节阀、排气阀 等管件。

所述的中和处理设备，其特征是由碱液箱、计量泵、PH控制仪等设备 构成，中和处理设备收集来自三级降温产生的冷凝水，将酸性冷凝水处理 为中性水或适合锅炉及采暖管道的碱性水。

本发明的技术是这样实现的：

一种天然气烟气余热全热回收装置，其特征是该装置包括安装在集成 底座及框架上的烟气源热泵、混合降温器5、气-水换热器6、风机7和供 热或热水循环水泵及管道等附属设备。烟气从天然气燃烧装置的烟筒通过 烟道8引入气-水换热器6再经过风机7送入混合降温器5，最后经低温烟 道11排到大气，热水或采暖系统的循环水经过气-换热器和热泵的加热供 给采暖或热水系统。

一种天然气烟气余热全热回收装置，其特征是以集成底座及框架为依 托，设备安装分为两层，上层安装有蒸发器1、风扇3、导流风道、低温排 烟道8，底层为压缩机4、冷凝器2、混合降温器5、膨胀阀、气液分离器、 中温进烟道、冷凝水收集及中和处理设备。上述设备在整体装置横剖面上 的分布位置是以垂直中心线为轴对称布置。按照压缩机的单机输入功率和 整套机组的功率以及撬装设备的长度偶数安装。

所述天然气烟气余热全热回收装置，其特征是，装置的上层安装有烟 气源热泵的蒸发器1，蒸发器1下方是混合降温器5，蒸发器1的烟气出口 侧装有风扇3，通过风扇3驱动烟气在蒸发器1的出口侧形成正压，在蒸 发器1进口侧形成负压，使烟气在由混合降温器5和蒸发器1之间构成的 环形通道内循环流动。烟气通过蒸发器1时所含的热量被蒸发器1内低温 工质吸收温度下降(温差10-15℃)成为低温烟气。来自于烟气管道的60℃ 的烟气通过导流管道进入混合降温器5，与来自蒸发器1出口的低温烟气(15℃左右)在混流装置的作用下充分混合，形成30℃的烟气在风扇3负 压的作用下进入蒸发器1换热。

所述天然气烟气余热全热回收装置，其特征是，装置的下层安装来自 连接风机7出口的烟气管道8，在混合降温器一侧设有送风口，将60℃的 烟气通过导流板均匀进入混合降温器5，中温烟气管道进口处安装有电动 阀门，在进口烟气温度波动时，自动调节进入混合降温器5的烟量，使中 温与低温烟气混合进入蒸发器1的烟气温度保持在30±5℃，使热泵高效运 行。

所述天然气烟气余热全热回收装置，其特征是，30±5℃的烟气经过蒸 发器1的换热降到15±5℃，烟气在风扇3和导流板的作用下，大部分下行 进入到混合降温器5，一部分上行通过装置的上方的低温烟气出口进入大 气。由于混合降温器5及蒸发器1的进出口形成的风道是密闭的空间，低 温烟气排到大气的动能源自风机7在低温烟气出口的余压，风量与从烟道 进入混合降温器5的烟量相等。系统运行时，始终有一定量的烟气在混合 降温器5内循环进行热量转换。烟气在逐级降温过程中，水蒸气凝结成水， 烟气中的硫化物、氮氧化物部分溶解到水中，减少了向大气中的污染物的 排放。当排放的烟气不满足环境影响评价对氮氧化物落地浓度的要求时， 可在低温烟道11出口设置风机抬高烟气扩散高度。

所述天然气烟气余热全热回收装置，其特征是，装置的下层安装热泵 系统的压缩机4，采用电驱动的涡旋式压缩机或螺杆式压缩机或离心式压 缩机。压缩机所消耗的电能起到补偿作用，使循环工质不断地从低温环境 (蒸发器1)中吸热并向高温环境(冷凝器2)放热周而往复地进行循环。 为使热泵系统正常运行，安装有气水分离器和膨胀阀。压缩机4、冷凝器2、 气水分离器、膨胀阀均布置在底层用铜管连接。

所述天然气烟气余热全热回收装置，其特征是，装置的一端安装气- 水换热器6和风机7，气-水换热器6进口与燃气燃烧装置的烟筒相连，出 口接风机7进口，风机7出口连接混合降温器5进口。装置的另一端安装 热水或采暖期系统的循环泵，将热水输送出去。

所述天然气烟气余热全热回收装置，其特征是装置的下层安装有冷凝 水收集及中和处理设备。烟气在混合降温器5和蒸发器1降温过程中产生 大量的冷凝水，采用耐腐蚀的管道将冷凝水收集并输送到中和处理设备， 中和处理设备10由碱液箱、计量泵、PH控制仪、储水箱等设备构成，将 酸性冷凝水处理为中性水或适合锅炉及采暖管道的碱性水。由PH控制仪 检测储水箱的PH值并控制计量泵从碱液箱中抽取碱液加到储水箱，使储 水箱中的冷凝水保持为中性或设定的PH值。

附图说明：

附图1 烟气余热全热回收装置工艺流程图

图中：1、烟气源热泵蒸发器 5、混合降温器 6、气- 水换热器 7、风机 8、烟道

附图2 混合降温器原理图

图中：1、烟气源热泵蒸发器 2、烟气源热泵冷凝器 3、烟气源热泵风扇 5、混合降温器 8、烟道 11、低温排烟口

附图3 天然气烟气余热全热回收装置设备布置纵剖面图

图中：

1、烟气源热泵蒸发器 4、烟气源热泵压缩机

6、气-水换热器 7、风机

9、供热循环泵 10、中和处理设备

附图4 天然气烟气余热全热回收装置设备布置横剖面图

图中：

1、烟气源热泵蒸发器 2、烟气源热泵冷凝器

3、烟气源热泵风扇 4、烟气源热泵压缩机

5、混合降温器 8、烟道 11、低温排烟口

附图5：天然气烟气余热全热回收装置实施例

图中：1、燃气电厂烟筒 2、烟道

3、天然气烟气余热全热回收装置

4、低温排烟道 5、6、供暖循环管

附图6：天然气烟气余热全热回收装置实施例

图中：1、燃气电厂烟筒 2、烟道

3、天然气烟气余热全热回收装置

4、低温排烟道 5、设备平台

具体实施方式

实施例1：(附图5)

本实施案是本发明技术典型实施方法。适用于已建燃气-蒸汽联循环热 电联产电厂的烟气余热回收，电厂内部不作任何改造。烟气侧仅需要在烟 筒上连接高温烟道将90℃的烟气引出进入气-水换热器降温为中温烟气 (60℃左右)，通过风机引入撬装式燃气烟气余热全热回收装置，烟气在装 置内经过烟道进入混合降温器降为30±5℃、再进入热泵蒸发器降到 15±5℃，从低温烟道排向大气。采暖系统的循环回水进入冷凝器换热升温 后经过循环泵加压与原供暖系统衔接或进入新建供热系统。

实施例2：(附图6)

本实施案是本发明技术典型实施方法。适用于已建燃气-蒸汽联循环热 电联产电厂的烟气余热回收，电厂内外均无空间和面积安装余热回收装置， 需将电厂或锅炉房的烟筒周边上方的空间增加设备平台，将余热回收装置 安装在平台上。烟气侧仅需要在烟筒上连接高温烟道将90℃的烟气引出进 入气-水换热器降温为中温烟气(60℃左右)，通过风机引入燃气烟气余热 全热回收装置，烟气在装置内经过烟道进入混合降温器降为30±5℃、再进 入热泵蒸发器降到15±5℃，从低温烟道回送到原有的烟筒或另设烟道将烟 气排向大气。采暖系统的循环回水进入冷凝器换热升温后经过循环泵加压 与原供暖系统衔接或进入新建供热系统。

实施例3：

本实施案是本发明技术一种实施方法。适用于已建烟气温度低于70℃ 的燃气燃烧装置的节能改造。近年来，一些燃气锅炉进行了节能改造，安 装了一级烟气余热回收装置，排烟温度低于70℃，仍有部分显热和大部分 潜热没有回收而浪费。本方案在原有的烟筒上安装烟道连接风机，将70℃ 以下的烟气通过风机引入撬装式燃气烟气余热全热回收装置，烟气在装置 内经过烟道进入混合降温器降为30±5℃、再进入热泵蒸发器降到15±5℃， 从低温烟道排向大气。采暖系统的循环回水进入冷凝器换热升温后经过循 环泵加压与原供暖系统衔接或进入新建供热系统。

上述实施案仅阐述了本专利技术部分适用条件，没有全部覆盖本专利 技术所涉及的燃气烟气余热全热回收装置适用条件，凡是在本发明的技术 方案的基础上进行的没有实质改变的位置变换、结构调整、材料替代、流 程和温度变化等均不能排除在本专利的保护范围。

Claims (10)

1.一种天然气烟气余热全热回收装置，其特征是，采用三级降温两级换热的工艺流程回收燃气烟气余热，全部设备安装在集成底盘上，分两层布置，所述的设备包括：一级气-水换热器6、二级混合降温器5、三级烟气源热泵以及配套的风机7、供热循环水泵9和冷凝水中和处理设备11。

2.权利要求1所述的天然气烟气余热全热回收装置，其特征是，烟气从天然气燃烧装置的烟筒通过烟道8引入气-水换热器6再经过风机7送入混合降温器5，再进入烟气源热泵，最后经低温烟道11放大气，热水或采暖系统的循环水经过气-水换热器6和热泵的加热供给采暖或热水系统。

3.权利要求1所述的三级降温两级换热工艺流程，其特征是，第一级降温、换热是将90-120℃的烟气通过气-水换热器6降至60℃左右，水侧的水温提升6-10℃；第二级降温是通过混合降温器5将烟气从60℃降到30±5℃；第三级降温、换热是通过烟气源热泵蒸发器1将烟气降到15℃左右后排放，热泵的冷凝器2将水温提升6-10℃，三级降温烟道串联连接，二级换热的热水管道可串联和并联。

4.权利要求书1所述集成底盘，其特征是，由角钢或槽钢焊接成的撬装底座及框架，共分为两层，安装在撬装底座及框架上的设备包括：一级气-水换热器6、二级混合降温器5、三级烟气源热泵、配套的风机7、供热循环水泵9和冷凝水中和处理设备10。

5.权利要求1所述的烟气源热泵，其特征是，烟气源热泵以低温烟气为热源，经过热泵系提升为高温热源供热或供热水，所述的烟气源热泵由蒸发器1、冷凝器2、压缩机4、膨胀阀、气液分离器等设备组成。

6.权利要求5所述的烟气源热泵蒸发器，其特征是，蒸发器1烟气进口温度设计为30±5℃，以适应回收烟气余热的运行条件，蒸发器1进出口的温差为10-15℃，烟气最终排放温度为15±5℃。

7.权利要求1所述天然气烟气余热全热回收装置，其特征是，所述的集成底盘的上层安装有烟气源热泵的蒸发器1，蒸发器下方是混合降温器5，蒸发器1的烟气出口侧装有风扇3，通过风扇3驱动烟气在由混合降温器5和蒸发器1之间构成的环形通道内循环流动，烟气通过蒸发器1时所含的热量被蒸发器内低温工质吸收温度下降(温差10-15℃)成为低温烟气，来自于气-水换热器6出口烟道的60℃的烟气通过导流管道进入混合降温器5，与来自蒸发器1出口的低温烟气(15℃左右)在混流装置的作用下充分混合，形成30±5℃的烟气在风扇3负压的作用下进入蒸发器1换热。

8.权利要求5所述天然气烟气余热全热回收装置，其特征是，所述的撬装底盘的下层安装来自连接风机7出口的烟气管道，在混合降温器5一侧设有送风口，将60℃的烟气通过导流板均匀进入混合降温器5，烟气管道进口处安装有电动阀门，在进口烟气温度波动时，自动调节进入混合降温器5的烟量，改变与低温烟气混合比例，使进入蒸发器1的烟气温度保持在30±5℃。

9.一种天然气烟气余热全热回收装置，其特征是，当烟气温度低于90℃时，采用二级降温一级换热的工艺流程回收燃气烟气余热，全部设备安装在集成底盘上，分两层布置，包括：一级混合降温器5、二级烟气源热泵以及配套的风机7、供热循环泵9和冷凝水中和处理设备10，烟气从天然气燃烧装置的烟筒通过烟道8和风机7送入混合降温器5，将烟气温度调节后再进入烟气源热泵，最后经低温烟道11排放大气，热水或采暖系统的循环水经过热泵的加热供给采暖或热水系统。

10.权利要求9所述的二级降温一级换热工艺流程，其特征是，第一级降温将90℃以下的烟气通过混合降温器5降到30±5℃；第二级降温、换热是通过烟气源热泵蒸发器1将烟气降到15±5℃后排放，热泵的冷凝器2将水温提升6-10℃，二级降温烟道串联连接。