CN109564028A - 烟道气处理系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于同时热回收和烟道气清洁的系统，包括至少一个热泵(300)，包括热交换器(10)的至少一个组合式热回收和烟道气清洁单元(1)，所述单元具有引导烟道气流进入所述单元的入口(20)，用于允许所述烟道气流离开所述单元的出口(40)，其中所述热泵适于在约‑4℃至约+4℃的温度范围内将冷却介质流输送至热交换器。该系统结构紧凑、高效且易于操作。由于采用模块化概念，该系统可轻松扩展，并且其非常适合移动应用。本文还公开了一种用于热回收和烟道气清洁的方法。

Description

烟道气处理系统和方法
技术领域
本公开主要涉及用于同时热回收和烟道气清洁的系统。本公开尤其涉及为达此目的的设备和方法，并且涉及包含此类设备并实现此类方法的系统。
背景技术
从居住在洞穴和简陋的小屋中以来，人类已经燃烧固体和液体碳质燃料来加热他们的住所。从篝火、简单的火坑和基本炉灶开始，加热布置随着时间的推移而发展。对于安全性、便利性、燃料节省性以及最近的环境问题的要求推动了朝向越来越先进的加热布置的发展。
20世纪见证了中央暖气系统的发展和广泛使用，该布置包括燃烧器、蓄热器、循环热水和散热器。诸如煤和石油的化石燃料成为最常用的燃料。然而，今天人们强烈希望用可再生燃料替代诸如煤、石油和天然气等化石燃料，该可再生燃料诸如植物基碳质燃料，诸如生物气、木材、秸秆和其他生物质，诸如燃料作物，以及来自农业和林业的残余物。城市废物以及工业副产品，主要是来自纸浆和造纸工业的副产品，也用作燃料。
不仅为了清洁烟道气，也为了回收能量，已经提出了用于冷却烟道气的不同布置。由于烟道气通常含有大量的水蒸气，因此冷却导致形成冷凝物，该冷凝物还含有至少一部分诸如水溶性含硫氧化物和烟灰微粒的化学和颗粒污染物。此类布置的示例可以在SE501505和SE 468651中找到。为了进一步清洁烟道气，可如EP 2 644 993中所述将它们引导通过洗涤器。
LU 2012 0092073公开了一种用于处理气体燃料燃烧气体的方法，主要是在气体燃料含有氢的情况下，其中燃烧气体(烟道气)在多步骤过程中被冷却和干燥。
SE 438 547(EP 0013018)涉及一种加热装置，其具有加热回路和加热炉，特别地燃油或燃气式的。该装置包括排气烟道，在排气烟道中以热交换关系布置热泵的蒸发器，在该热泵的蒸发器中循环制冷剂，其中所述蒸发器可在鼓风机的帮助下随意选择通过烟道气、烟道气和外部空气的混合物，或外部空气起作用，并且所述热泵的冷凝器在加热回路中处于热交换关系，其特征在于，提供有控制装置，该控制装置与鼓风机一起根据蒸发器中制冷剂的压力(或温度)和低于预定的下限值的压力(或温度)打开加热炉，并且在超过预定的压力(或温度)极限值时关闭加热炉。
虽然在上面引用的文献和其他文献中已经公开了涉及改善的效率和减少的排放的各种布置，但仍然需要进一步改善。
发明内容
根据第一方面，本公开提供了一种用于同时热回收和烟道气清洁的系统，包括
-包括热交换器的至少一个组合式热回收和烟道气清洁单元，所述单元具有引导烟道气流进入所述单元的入口，用于允许所述烟道气流离开所述单元的出口，
-至少一个适于在约-4℃至约+4℃的温度范围内将冷却介质流输送到热交换器的热泵；以及
-用于所述系统的控制单元，
其中所述控制单元适于测量烟道气的流量和冷却介质的温度，以控制所述系统的操作，从而在检测到足够的烟道气流速时，保持冷却介质的输入温度在约-4℃至约+4℃的范围内，并且在流速低于预设值时，中断冷却介质流或允许冷却介质的温度升高到0℃以上。
存在控制热泵的不同方式，例如通过调节压缩机的速度或冷却介质的流量。当热泵连接到能量消耗器时，例如用于加热建筑物的循环空气或水，可以调节该二级热介质的循环，增加或减少输出。
根据所述第一方面的实施例，所述控制单元适于测量烟道气的流量和温度，并适于控制所述单元的操作以保持烟道气的出口温度低于约40℃，优选地，低于约30℃，最优选地，约20℃或更低。
根据所述第一方面的优选实施例，所述至少一个入口和所述出口位于在烟道气流的方向上的所述热交换器的相对侧上；所述至少一个入口和所述出口在高度上偏移；所述单元包括冷凝物排水管；并且所述单元具有大致为菱形的竖直横截面。
根据可与上述自由组合的实施例，所述第一入口位于所述菱形形状单元的上部区段，所述热交换器位于中部区段；所述烟道气出口和冷凝物排水管位于下部区段；并且所述排水管位于所述菱形形状单元的最低点。
优选地，所述冷凝物排水管位于距所述烟道气出口一定距离处，该距离等于或大于所述出口的直径。
根据可与上述自由组合的实施例，该系统还包括位于烟道气出口下游的烟道气管道中的风扇。
根据可与上述实施例自由组合的另一个实施例，至少一个板或挡板在通过入口进入单元之后并且在进入热交换器之前布置在烟道气的流动路径中，所述板或挡板在热交换器上均匀地分布烟道气。
根据另一个实施例，热交换器连接到热泵，该热泵向所述热交换器供应冷却介质并从烟道气收集热且将所述热输送给二级热消耗器。
优选地，所述热泵和热交换器适于将烟道气冷却到约40℃或更低的温度。更优选地，该系统适于将烟道气冷却到约30℃或更低的温度，更优选地约20℃，最优选地在单次通过热交换器期间。
根据可与上述方面和实施例中的任一个自由组合的另一个实施例，所述组合式热回收和烟道气清洁单元包括至少两个串联连接的热交换器。
根据另一个实施例，所述系统包括至少两个并联连接的组合式热回收和烟道气清洁单元。
根据本公开的一个方面，所述系统适于与锅炉集成，优选地与使用选自天然气、生物气、柴油、球团矿、木屑、生物燃料、森林残余物、木质纤维素废物、再循环建筑材料和再循环木材、燃料作物、农业残余物、林业残余物及其混合物的燃料操作的锅炉集成。
根据上述方面的实施例，系统被组装或内置在移动模块中，优选地是在运输容器中。
本公开的另一方面涉及一种用于在加热布置中操作根据第一方面或其实施例中的任一个的用于同时热回收和烟道气清洁的系统的方法，该加热布置包括锅炉、控制单元、由所述锅炉加热的主回路和由来自所述锅炉的烟道气加热的二级回路、热泵和烟道气通过的至少一个热交换器，其中所述二级回路中的所述热泵向所述热交换器供应温度范围在-4℃至+4℃的冷却介质，并且所述控制单元测量所述烟道气的所述流量和所述冷却介质的所述温度，控制所述系统的所述操作，以当检测到烟道气流速高于预设值时，将冷却介质的输入温度保持在-4℃至+4℃的范围内，并且其中，当流速低于所述预设值时，所述控制单元中断冷却介质流或允许冷却介质的温度升高到0℃以上。
根据可与上述自由组合的另一实施例，控制所述二级回路、热泵和热交换器的操作以保持烟道气的出口温度低于约40℃，优选地低于约30℃，最优选地约20℃或更低。
根据另一个实施例，测量烟道气的流量和温度，并且控制所述二级回路、热泵和热交换器的操作以大致除去来自烟道气的颗粒物质中的全部或至少大部分，将所述颗粒物质浓缩在冷凝物中。
例如，优选地控制所述二级回路、热泵和热交换器的操作，以便每100kWh由燃烧器中的燃料产生的热产生至少5升冷凝物，优选地至少8升冷凝物/100kWh。
根据该方法的实施例，所述二级回路向例如风扇盘管单元、对流加热器、散热器、建筑物干燥器等外部消耗器供应热。
根据可与上述实施例自由组合的该方法的实施例，所述锅炉使用选自生物气、天然气、柴油、球团矿、木屑、生物燃料、森林残余物、木质纤维素废物、再循环建筑材料和再循环木材、燃料作物、农业残余物、林业残余物及其混合物的碳质燃料操作。
根据以下描述并结合附图，上述和其他方面和实施例以及它们的特征和优点将变得显而易见，其中相同的附图标记表示相同的元件。
附图说明
为了更完整地理解所公开的设备和方法，现在参考附图，其中：
图1示出包括组合式热回收和烟道气清洁单元(1)的系统的示意性概述；
图2示出组合式热回收和烟道气清洁单元(2)的示意性概述；
图3示出包括若干串联连接的热交换器的组合式热回收和烟道气清洁单元(3)的示意性概述；
图4示出两个并联连接的组合式热回收和烟道气清洁单元(4’、4”)的示意性概述；
图5示意性地示出了组合式热回收和烟道气处理单元的四种另选配置；
图6是示出在两小时测试运行期间根据本公开的实施例的系统的性能的图示。曲线表示穿过组合式热回收和烟道气清洁单元之前(A)和之后(B)的烟道气温度。
图7是示出在相同的两小时测试运行期间根据本文公开的实施例的单元的性能的图示。上面的曲线(C)表示系统的输出，下面的曲线(D)表示系统的能量消耗，指示可以可靠地实现高于6的COP。
附图并不旨在限制权利要求中所陈述的范围，而是仅用于阐明和例示本文公开的方面和实施例。
具体实施方式
在描述本发明之前，应理解，本文使用的术语仅用来描述具体的实施例，不是为了限制目的，因为本发明的范围将仅由所附的权利要求及其等同物限制。
必须注意到，本说明书和所附权利要求书所用单数形式“a”、“an”和“the”也包括复数含义，除非文中另有明确说明。
本发明人注意到缺乏用于组合式热回收和烟道气清洁的有效、紧凑和可靠的系统。他观察到许多现有技术系统涉及擦洗，即将水引入烟道气中。对于发明人而言同样显而易见的是，作为性能系数(COP)测量的现有技术系统的功效通常不令人满意。因此，他着手改善此类系统的构造、控制和设计。
因此，根据第一方面，本公开提供了一种用于同时热回收和烟道气清洁的系统，包括：
-包括热交换器(10)的至少一个组合式热回收和烟道气清洁单元(1)，所述单元(1)具有引导烟道气流进入所述单元(1)的入口(20)，用于允许所述烟道气流离开所述单元(1)的出口(40)，
-至少一个适于在约-4℃至约+4℃的温度范围内将冷却介质流输送到热交换器(10)的热泵(300)；以及
-用于所述系统的控制单元，
其中所述控制单元适于测量烟道气的流量和冷却介质的温度，以控制所述系统的操作，从而在检测到足够的烟道气流速时，保持冷却介质的输入温度在约-4℃至约+4℃的范围内，并且在流速低于预设值时，中断冷却介质流或允许冷却介质的温度升高到0℃以上。术语“足够的流量”和“预设值”是指对于本领域技术人员而言清楚的参数，但是由于尺寸、管道的直径和横截面积等的差异，这些参数可能因不同的装置而异。
根据所述系统的实施例，所述至少一个入口和所述出口位于在烟道气流的方向上的所述热交换器的相对侧；所述至少一个入口和所述出口在高度上偏移；所述单元包括冷凝物排水管；并且所述单元具有大致为菱形的竖直横截面。
根据所述系统的实施例，所述第一入口位于所述菱形形状单元的上部区段，所述热交换器位于中部区段，所述烟道气出口和冷凝物排水管位于下部区段；并且所述排水管位于所述菱形形状单元的最低点。
在图1中示意性地示出了示例，其中组合式热回收和烟道气清洁单元(1)经由热泵(300)连接到锅炉(100)和二级热消耗器(200)，使得在清洁烟道气的同时，回收烟道气中剩余的热。离开锅炉(100)的烟道气直接引入烟囱(110)或经由入口(20)引入组合式热回收和烟道气清洁单元(1)。冷却和清洁的烟道气经由出口(40)存在于单元(1)中并且其通过烟囱(110)释放。可提供烟道气风扇(80)。通过排水管(70)除去含有很大部分的颗粒物质、烟灰等的冷凝物。阻尼器(21、22、41)用于控制穿过单元(1)的烟道气的比例。
图2示意性地示出了实施例，在该实施例中组合式热回收和烟道气清洁组件(2)经由入口(20)连接到烟道气管。可以提供阻尼器(21、22)以将烟道气中的全部或一部分引导到所述单元(2)中。例如，当第一阻尼器(21)关闭而第二阻尼器(22)打开时，整个烟道气流可能经由烟囱(未示出)或烟道气管直接进入环境。优选地，烟道气管包括烟道气风扇(80)。组合式热回收和烟道气清洁单元(2)容纳热交换器(10)。已经穿过热交换器(10)的烟道气通过位于单元下部部分的出口(40)离开单元(2)。在出口(40)的前面，可以任选地放置板(42)，以防止冷凝物被拉入出口。单元被设计成使得冷凝物收集在单元的最低点，在该最低点可以通过排水管(70)将其排出。任选地，附加阻尼器(41)布置在管或管道(60)中的合适位置处。
根据可与上述中的任一个自由组合的实施例，所述冷凝物排水管位于距所述烟道气出口一定距离处，该距离等于或大于所述出口的直径。优选地，烟道气出口的直径为约150mm、约200mm或约250mm，但也可以是更大或更小的直径，这取决于锅炉的容量。
根据可与上述中的任一个自由组合的实施例，所述系统还包括位于烟道气出口(40)的下游的烟道气管道中的风扇(80)。当根据本文公开的实施例中的任一个的系统集成到现有系统中时，可能存在位于锅炉和烟囱之间的现有烟道气风扇。然后，当前系统优选地以可以使用现有风扇的方式集成。
根据可与上述实施例自由组合的另一个实施例，至少一个板或挡板(42)在通过入口进入单元之后并且在进入热交换器之前布置在烟道气的流动路径中，所述板或挡板在热交换器上均匀地分布烟道气。该板或挡板优选地为产生湍流的板或挡板，可能与引导烟道气的板或挡板组合。
根据另一个实施例，热交换器连接到热泵，该热泵向所述热交换器供应冷却介质并从烟道气收集热且将所述热输送给二级热消耗器。优选地，所述热泵和热交换器适于将烟道气冷却至约40℃或更低的温度，优选地约30℃或更低，最优选地约20℃或更低。
所述二级热消耗器可以循环用于加温的热水或热空气，并且它可以包括第二热交换器，或例如风扇盘管单元、对流加热器、散热器、建筑物干燥器等外部消耗器。
根据另一个实施例，所述组合式热回收和烟道气清洁单元包括至少两个串联连接的热交换器。这在图3中示出，其中组合式热回收和烟道气清洁单元(3)包括总共四个热交换器(10、11、12和13)。目前预期两个热交换器就足够了，因为更多数量的热交换器将导致增加的阻力和更低的烟道气流量。本领域技术人员可以修改确切的配置。
根据另一个实施例，所述系统包括至少两个并联连接的组合式热回收和烟道气清洁单元。这在图4中示意性地示出，其中两个组合式热回收和烟道气清洁单元(4’和4”)并联连接。每个单元(4’和4”)示出为保持两个热交换器(分别为：10’、11’和10”、11”)。这种模块化构造使得系统方便地适应不同的终端用户，例如具有不同功率的燃烧器。所示系统具有与图1和图2中类似的布置，加以必要的变更。例如，一个区别是存在附加的阻尼器(23)，当打开时，其有可能绕过第二单元(4”)。
根据本公开的一个方面，所述系统适于与锅炉集成，最优选地与使用选自生物气和生物质的燃料，诸如球团矿、木屑、废木材和森林残余物操作的锅炉集成。
根据上述方面的实施例，系统被组装在移动模块中，优选地是在运输容器中。该移动模块优选地具有外部耦接件或连接件，用于将其快速地连接到离开燃烧器的烟道气管道，并用于连接进出的热和冷却介质等。
根据可与上述方面和实施例自由组合的实施例，该系统包括控制单元，其中所述控制单元测量烟道气的流量和温度，并控制所述单元的操作以维持烟道气的出口温度约20℃或更低。
本公开的另一方面涉及一种用于在加热布置中操作根据权利要求1至14中任一项所述的用于同时热回收和烟道气清洁的系统的方法，该加热布置包括锅炉、控制单元、由所述锅炉加热的主回路和由来自所述锅炉的烟道气加热的二级回路、热泵和烟道气通过的至少一个热交换器，其中所述二级回路中的所述热泵向所述热交换器供应温度范围在-4℃至+4℃的冷却介质，并且所述控制单元测量烟道气的流量和冷却介质的温度，控制所述系统的操作以当检测到烟道气流速高于预设值时，将冷却介质的输入温度保持在-4℃至+4℃的范围内，并且其中当流速低于所述预设值时，所述控制单元中断冷却介质的流动或允许冷却介质的温度升高到0℃以上。
根据上述方法的实施例，控制所述二级回路、热泵和热交换器的操作以保持烟道气的出口温度为约20℃或更低。
根据另一个实施例，测量烟道气的流量和温度，并且，例如可以控制所述二级回路、热泵和热交换器的操作，以便每100kWh由燃烧器中的燃料产生的热产生至少5升冷凝物，优选地至少8升冷凝物/100kWh。
根据可与上述自由组合的又一个实施例，测量烟道气的流量和温度，并控制所述二级回路、热泵和热交换器的操作以大致除去所有或至少大部分来自烟道气的颗粒，例如，至少95％，将所述颗粒物质浓缩在冷凝物中。
根据该方法的实施例，所述二级回路向例如风扇盘管单元、对流加热器、散热器、建筑物干燥器的外部消耗器供应热。
根据可与所有上述实施例自由组合的该方法的实施例，所述锅炉使用选自生物气、天然气、柴油、球团矿、木屑、生物燃料、森林残余物、木质纤维素废物、再循环建筑材料和再循环木材、燃料作物、农业残余物、林业残余物及其混合物的碳质燃料操作。
根据本文公开的方面和实施例的系统优选地是模块化系统，其适于在构造时集成到新的锅炉布置中，或适于改装到现有的锅炉布置中，适于连接到现有的固定的或移动的锅炉布置。
该系统优选地包括用于将所述烟道气处理单元和控制单元连接到锅炉的适配器，所述适配器将烟道气从所述锅炉引入所述烟道气处理单元。最优选地，所述系统与现有的烟道气管相交，使得烟道气(在热回收和清洁之后)可以通过现有的烟囱或烟道管释放。
图1示出了其中锅炉(100)向消耗器(200)供应热的实施例。来自锅炉(100)的烟道气由风扇(80)抽出并通过烟囱或烟道管(110)释放。根据本文呈现的实施例的系统经由烟道气入口(20)连接到烟道气管，该烟道气入口将热烟道气引导到组合式热回收和烟道气清洁单元(1)中。该系统和方法的优点是烟道气不潮湿并且对烟囱或烟道管的腐蚀性很小。
当在竖直横截面中观看时，优选地，单元(1)的形状是大致菱形的。附图未按比例绘制，且仅指示单元的配置。例如，该单元的拐角可例如是圆形的，并且烟道气管可以不同地引导并且优选地被圆形弯曲且适于最小化流动阻力，这是技术人员公知的。图5A至图5D示出了不同的配置，其示出了烟道处理单元的四种另选配置，从具有尖角的菱形形状(A)开始，具有圆角的菱形形状(B)，具有截头拐角的菱形形状(C)和具有大致平坦的上部部分和截头下角(D)的形状。
这些形状的变体和组合也是可能的。目前的经验表明，图5C中所示的截头菱形形状性能非常好。这已在实际现场测试中得到证实，测量单元表面的温度，寻找可能的局部热区或冷区。发明人还委托对流动模式和温度分布进行计算机模拟，并且结果证实了图5C所示形状的实用性。这种形状具有额外的优点，因为它仅需要有限的空间并且可以容易地安装在现有的系统中。
在如图1中示意性示出的系统中，热烟道气通过通向单元(1)上部部分的入口(20)的通道或管道从锅炉进入。阀或阻尼器(21、22)在原烟道气管和组合式热回收和烟道气清洁单元之间分离烟道气。阀或阻尼器可以是打开的、部分打开的或关闭的，将烟道气中的一部分或全部引到组合式热回收和烟道气清洁单元。
该系统包括第一回路或热消耗器，例如由燃烧器加热的循环热水，和第二回路，例如由热泵供应并在热交换器(10)中加热的冷却介质，然后，其用于预热所述第一回路(200)中的热水，或其充当外部热量消耗器，例如，风扇盘管单元、对流加热器、散热器、建筑干燥器、循环热水、循环暖风等。此类加热器的示例包括但不限于TVS加热器和TF加热器的El-Bjorn系列(瑞典安德什托普的El-Bjorn AB公司)。
可任选地将板放置在单元的上部部分中以产生湍流(未示出)。热交换器(10)插入单元(1)中，优选地，可移除地插入，以允许检查和清洁热交换器。
单元(1)的下部部分具有通向具有第二阻尼器(41)的管道的出口(40)。通过调节阻尼器的位置，可以将穿过热交换器(10)的烟道气的部分在0和100％之间进行调节。优选地，在正常操作期间，100％的烟道气被迫穿过热交换器(10)，但是可以想到在系统的启动和关闭期间使用另一种设定。在启动期间，有利的是能够连续增加引导通过热交换器(10)的烟道气部分直到系统平衡并完全操作。
冷凝物出口或排水管(70)位于单元(1)的下部部分中。冷凝物排水管(70)优选地位于单元的最低部分，从而允许完全排空其中收集的冷凝物。冷凝物排水管(70)可包括阀。在正常操作中，所述阀优选地打开并且冷凝物通向排水管或收集用于进一步净化。冷凝物收集的优点是烟道气中存在的杂质集中在一点处，在没有任何烟道气清洁的情况下，这些杂质被处理，而不是让其随风稀释和散布。
第二出口(40)优选地位于距单元(1)的最低点一定距离处，消除或至少最小化进入流出的冷却烟道气的冷凝物过量。任选地，板或挡板(42)布置在单元(1)的下部部分中，进一步消除或至少最小化进入流出的冷却烟道气的冷凝物过量。该实施例示意性地在图2中示出。可以实施用于捕获冷凝物液滴的其他布置，例如一系列挡板，其为流出的烟道气产生曲折路径。
图2示意性地示出了组合式热回收和烟道气清洁单元(2)。通过调节阻尼器(21、22)的位置，一部分烟道气，或优选地，整个烟道气流被引入组合式热回收和烟道气清洁单元(2)并被迫穿过热交换器(10)。然后，流出的烟道气通过管道(40)被引导到烟囱(未示出)。优选地，风扇(80)布置在管道(60)中。图2还示出了入口(20)和出口(40)如何位于单元的相对侧上并且在高度上偏移，从而迫使烟道气均匀地穿过热交换器。
图3示出了组合式热回收和烟道气清洁单元(3)如何适于保持超过一个的热交换器，这里由四个串联的热交换器(10、11、12和13)示出。
用全尺寸原型进行的测试运行表明，本文公开的设备和方法具有许多优点。随着从烟道气中回收热，锅炉的整体效率得到显着改善。结果，由于相同量的燃料产生更多的热，燃料经济性得到改善。从经济的观点来看以及考虑到对环境的影响，这都是有利的，因为消耗的燃料较少，并且需要加工、处理和运输更小的体积到燃烧器。
本文公开的实施例的一个优点是冷却非常快速和有效，并且可以收集形成的冷凝物。因此，可以有效地清洁烟道气，而无需使用任何经常需要维护的过滤器、旋风除尘器或其他常规设备。此外，无需擦洗即可实现清洁，这是一种经常使用的方法。涉及向烟道气中注入水的擦洗大大增加了需要处理的水量。
事实上，本发明人进行的测试表明，颗粒物质(主要是烟灰)有效地从烟道气中除去。此外，水溶性污染物在冷凝物中浓缩。水溶性污染物的示例是诸如盐酸和氨的腐蚀性气体。预计，其他污染物，诸如含硫氧化物(SOx)和氮氧化物(NOx)也至少部分地收集在冷凝物中。也可以减少诸如总烃(THC)、多环芳烃(PAH)的有机污染物和诸如镉、汞的重金属的排放。将进行进一步测试以对此进行调查。然而，对冷凝物的初步分析表明了这一点。
这使得可以分离已经在源处的污染物，而不是将这些污染物与烟道气一起分布。根据燃烧器中使用的燃料，该浓缩物可以排到城市废水，或收集用于后续处理。此种后续处理可以是中和、沉淀、离子交换等，所有这些方法都是本领域技术人员公知的。
冷凝物的分离也显著降低水分含量。随着烟道气的水分含量降低，管道和烟囱中的腐蚀风险降低。除去诸如盐酸的水溶性腐蚀性物质进一步延长管道和烟囱的寿命。
附加优点在于，如本文所公开的设备易于扩展并且可以适用于不同尺寸(不同功率)的燃烧器。如图3和图4示意性所示，主要有两个扩展布置的原理。如图3所示，一个设备可以包括1至4个热交换器，它们相对于烟道气流串联连接。另外，如图4所示，可以并联连接若干设备。目前认为，最小的布置将包括一个组合式热回收和烟道气清洁单元，其具有一个安装的热交换器。中等大小的布置包括一个具有2至4个热交换器的单元，或甚至两个并联的单元，每个单元具有2至4个热交换器。对应地，大型装置可以包括例如4个单元，每个单元具有2至4个热交换器。
该模块化构造提供了附加的优点，因为现有的安装可以很容易地扩展。还可以实现这样的布置，使得并联设备使得有可能改变效果或在必要时断开和绕过布置的部分以进行清洁和维护。
除了上面概述的那些之外，实施例的一般优点包括可以使该布置紧凑和可移动。在优选的实施例中，系统组装在或装入运输容器中。这使得系统易于运输并且放置在期望的位置，其作为独立单元连接到烟道气管。优选地，所述容器或移动单元具有外部耦接件或连接件，便于连接到进出心脏介质等。
本文公开的系统也易于操作和维护。
示例
示例1.该系统表现出稳定的性能和高COP。
发明人将中试规模组装成全尺寸测试单元，包括封闭的控制单元(CCU，其来自瑞典维斯兰达的SCMREF AB公司)，用于使用液体传热介质、交叉流热交换器(Airec Cross30，其来自瑞典马尔默的AIREC AB公司)、电控阻尼器、可连续调节的烟道气风扇、压力和温度传感器以及控制电子设备进行精确冷却。
本发明人对该热交换器进行了修改，并装配到如本文所公开的移动式热回收和烟道气处理单元中。标准的8x8英尺(2.43x2.43米)运输容器用于容纳所有器械。
CCU连接到扩展容器(vessel)，并在闭合循环中连接到热交换器。CCU向所述热交换器供应的冷却介质保持在-4℃至+4℃的温度范围内。来自CCU的输出被引导到放置在室外的两个热水风扇加热器(Model TF 50HWI，其来自瑞典安德什托普的El-Bjorn AB公司)。
将该烟道气处理单元放置在标准450kW移动燃烧器旁边，该燃烧器设计用于供应用于供暖的热空气，例如，用于建筑工地、运动场和其他大型空间的供暖。发明人在烟道气管道上装配了T形连接件，并且如本文所公开的那样将烟道气引入烟道气处理单元。
该烟道气的温度约为120℃。在不同的测试运行期间，烟道气处理单元将烟道气冷却至20℃至40℃的温度。在图6和图7中反映的测试运行中，系统全效运行，平均进入的烟道气温度(A)约为118℃，并且平均流出的烟道气温度(B)约为43℃。在其他实验中，甚至达到了更低的流出烟道气温度并保持稳定。如从图6中可以看出的，该系统表现良好并且在整个两小时的测试运行期间是稳定的。
图7示出了系统产生的输出(kW)(曲线C)与系统消耗的功率(D)的比较。结果表明，该系统产生的稳定输出功率约为85kW，而消耗仅为13kW，因此COP为6.5。这是一个令人惊讶的高COP，因为热泵的COP通常在2到4的范围内。在其他实验中，甚至记录了更高的COP值。
示例2.有效地从烟道气中除去颗粒物质
为了测试烟道气清洁能力，发明人在烟道气管中放置滤纸，以收集烟道气中所含的颗粒物质或烟灰。在之前和之后对滤纸进行称重，给出在不同操作条件下烟灰含量的数值。然后将烟道气引导通过组合式热回收和烟道气清洁单元，并将清洁的滤纸放置在烟道气管中的相同位置中并保持相同的时间长度。这些测量表明，通过组合式热回收和烟道气清洁单元平均至少95％重量的颗粒物质被除去，并收集在冷凝物中。
将锅炉使用球团矿操作时获得的冷凝物样品送去分析。分析结果表明，冷凝物可以释放到城市废水系统中。
相信无需进一步详述，本领域技术人员使用包括示例的本说明书可以最大程度地利用本发明。另外，尽管本发明已经关于构成本发明人目前已知的最佳模式的优选实施例在本文进行了描述，但是应理解在不偏离所附权利要求中提出的本发明的范围的情况下，可进行对于本领域普通技术人员而言显而易见的任何改变和修改。
因此，虽然本文已经公开各种方面和实施例，其他方面和实施例对于本领域技术人员而言将是显而易见的。本文公开的各种方面和实施例用于示出目的而不是限制，其真正的范围和精神由后面的权利要求书来指示。

Claims (19)

1.一种用于同时热回收和烟道气清洁的系统，包括
-包括热交换器(10)的至少一个组合式热回收和烟道气清洁单元(1)，所述单元(1)具有引导烟道气流进入所述单元(1)的入口(20)，用于允许所述烟道气流离开所述单元(1)的出口(40)，
-至少一个适于在-4℃至+4℃的温度范围内将冷却介质流输送到所述热交换器(10)的热泵(300)；以及
-用于所述系统的控制单元，
其特征在于，所述控制单元适于测量所述烟道气的所述流量和所述冷却介质的所述温度，以控制所述系统的所述操作，从而在检测到足够的烟道气流速时，保持所述冷却介质的输入温度在-4到+4℃的温度范围内，并且在所述流速低于预设值时，中断所述冷却介质流或允许冷却介质的所述温度升高到0℃以上。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述控制单元适于测量所述烟道气的所述流量和温度，并控制所述单元的所述操作以保持所述烟道气的出口温度低于40℃，优选地，小于30℃，最优选地20℃或更小。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述至少一个入口(20)和所述出口(40)位于在所述烟道气流的所述方向上的所述热交换器(10)的相对侧；所述至少一个入口(20)和所述出口(40)在高度上偏移；所述单元(1)包括冷凝物排水管(70)；并且所述单元(1)具有大致为菱形的横截面。
4.根据权利要求3所述的系统，其中所述第一入口(20)位于所述菱形形状单元(1)的上部区段，所述热交换器(10)位于中部区段；并且所述烟道气出口(40)和冷凝物排水管(70)位于下部区段；并且所述排水管(70)位于所述菱形形状单元(1)的最低点。
5.根据权利要求3所述的系统，其中所述冷凝物排水管(70)位于距所述烟道气出口(40)一定距离处，该距离等于或大于所述出口(40)的所述直径。
6.根据前述权利要求中任一项所述的系统，还包括位于所述烟道气出口(40)下游的烟道气管道中的风扇(80)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中至少一个板或挡板在通过所述入口(20)进入所述单元(1)之后并且在进入所述热交换器(10)之前布置在所述烟道气的所述流动路径中，所述板或挡板在所述热交换器(10)上均匀地分布所述烟道气。
8.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述热交换器(10)连接到热泵(300)，所述热泵向所述热交换器供应冷却介质并从所述烟道气收集热且将所述热输送给二级热消耗器(200)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中所述热泵和热交换器适于将所述烟道气冷却至40℃或更低的温度。
10.根据权利要求9所述的系统，其中所述烟道气冷却至30℃或更低的温度，更优选地20℃或更低的温度，以及最优选在单次通过所述热交换器期间。
11.根据权利要求1所述的系统，其中所述组合式热回收和烟道气清洁单元(1)包括至少两个串联连接的热交换器(10、11)。
12.根据权利要求1所述的系统，其中所述系统包括至少两个并联连接的组合式热回收和烟道气清洁单元(4’、4”)。
13.根据权利要求1所述的系统，适于与锅炉集成，优选地与使用选自天然气、生物气、柴油、球团矿、木屑、生物燃料、森林残余物、木质纤维素废物、再循环建筑材料和再循环木材、燃料作物、农业残余物、林业残余物及其混合物的燃料操作的锅炉集成。
14.根据权利要求1所述的系统，被组装在移动模块中，优选地是在运输容器中。
15.一种用于在加热布置中操作根据权利要求1至14中任一项所述的用于同时热回收和烟道气清洁的系统的方法，所述加热布置包括锅炉、控制单元、由所述锅炉加热的主回路和由来自所述锅炉的烟道气加热的二级回路、热泵和烟道气通过的至少一个热交换器，其特征在于所述二级回路中的所述热泵向所述热交换器供应温度范围在-4至+4℃的冷却介质，并且所述控制单元测量所述烟道气的所述流量和所述冷却介质的所述温度，控制所述系统的所述操作，以当检测到烟道气流速高于预设值时，将所述冷却介质的输入温度保持在-4℃至+4℃的范围内，并且其中，当所述流速低于所述预设值时，所述控制单元中断所述冷却介质流或允许冷却介质的所述温度升高到0℃以上。
16.根据权利要求15所述的方法，其中控制所述二级回路、热泵和热交换器的所述操作以保持所述烟道气的出口温度低于40℃，优选地低于30℃，最优选地为20℃或更低。
17.根据权利要求15所述的方法，其中测量所述烟道气的所述流量和温度，并控制所述二级回路、热泵和热交换器的所述操作以大致除去来自所述烟道气的所述颗粒物质中的全部或至少大部分，将所述颗粒物质浓缩在所述冷凝物中。
18.根据权利要求15所述的方法，其中所述二级回路向例如风扇盘管单元、对流加热器、散热器、建筑物干燥器的外部消耗器供应热。
19.根据权利要求15至18中任一项所述的方法，其中所述锅炉使用选自生物气、天然气、柴油、球团矿、木屑、生物燃料、森林残余物、木质纤维素废物、再循环建筑材料和再循环木材、燃料作物、农业残余物、林业残余物及其混合物的碳质燃料操作。
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