CN109631391B - 一种锅炉内置双级吸收式热泵 - Google Patents

Abstract

本发明涉及锅炉热泵耦合领域，特别涉及一种锅炉内置双级吸收式热泵，包括发生器、冷凝器、溶液热交换器、蒸发器和吸收器，所述蒸发器包括第一蒸发器和第二蒸发器，吸收器包括第一吸收器和第二吸收器，冷凝器通过回水加热管道与第二吸收器和锅炉节能器连通，锅炉回水依次经第二吸收器、冷凝器加热后进入锅炉节能器；第一蒸发器通过烟气冷却管道与排烟换热器连通，烟气冷却管道内的水与排烟换热器内的排烟换热；第二蒸发器通过溶液冷却管道与第一吸收器连通，溶液冷却管道内的水与第一吸收器内的溶液换热。本发明所述锅炉内置双级吸收式热泵，可最大程度地满足锅炉供水需求和排烟温度需求，节能减排，具有较大的市场推广潜力。

Description

一种锅炉内置双级吸收式热泵

技术领域

本发明涉及锅炉热泵耦合领域，特别涉及一种锅炉内置双级吸收式热泵。

背景技术

目前真空锅炉的安全和节能性能已经得到社会的认可，但随着节能要求的提高，真空锅炉的排烟热损失并未得到充分利用，现有技术多通过安装尾部烟气空气预热器来吸收烟气余热，余热后的空气送入炉膛燃烧器，该方式只能使高温烟气降温至60-65℃排入大气中，余热利用效率不高。

为解决锅炉余热利用效率不高的问题，公开号为CN104359103A，发明名称为“一种吸收式热泵循环的烟气余热回收系统”的专利提出采用吸收式热泵中的蒸发器来进一步回收60-65℃低温烟气的废热，降低给水在锅炉中的吸热量，以减少燃气量，达到节能减排的目的。然而，实际工况中，单级吸收式热泵与锅炉耦合时，由于锅炉排烟温度很高，导致单级吸收式热泵的制冷效率很低，不能将烟气降低至所需温度，且空气预热器的设置增大了系统复杂性，空气预热效果并不显著。

公开号为105466016A，发明名称为“一种内置吸收式热泵的真空锅炉”的专利，提出采用吸收式热泵的低温水来冷却尾部烟气，用锅炉采暖回水作为冷凝器和吸收器的载体，从而提高回水温度，但是，该真空锅炉在实际工况下，由于锅炉的排烟温度和回水温度较高，导致单级吸收式热泵的制冷效率和制热效率均较低，蒸发温度和冷凝温度均过高，锅炉性能并未得到有效改善。同时，现有水冷式烟气冷凝器基本都用鳍片管制作，耐腐蚀性差，水容量较小，需要做连续补水才能确保在冷凝器内不发生气化，增加了控制难度和控制成本。而且，该真空锅炉采用的直燃型高压发生器体积较大、内部结构较为复杂，无法降低烟气中NOx的含量，使得整个真空锅炉难以在市面上推广。

发明内容

为解决上述现有技术存在的问题，本发明提供一种锅炉内置双级吸收式热泵，采用双级吸收式热泵解决锅炉的排烟余热回收和供暖回水加热问题，降低烟气排出温度和烟气中NOx的含量。

为实现上述技术目的，本发明采用以下技术方案：

一种锅炉内置双级吸收式热泵，包括发生器、冷凝器、溶液热交换器、蒸发器和吸收器，所述蒸发器包括第一蒸发器和第二蒸发器，所述吸收器包括第一吸收器和第二吸收器，所述第一蒸发器与第一吸收器集成一体，所述第二蒸发器与第二吸收器集成一体；

所述发生器的出液口经溶液热交换器与第二吸收器的进液口连通，所述第二吸收器的出液口与第一吸收器的出液口连通，所述第一吸收器的出液口经溶液热交换器与发生器的进液口连通；

所述冷凝器的出水口经节流阀分别与第一蒸发器的进水口和第二蒸发器的进水口连通，或，所述冷凝器的出水口经节流阀与第二蒸发器的进水口连通，所述第二蒸发器的出水口与第一蒸发器的进水口连通；

所述冷凝器通过回水加热管道与第二吸收器和锅炉节能器连通，锅炉回水依次经第二吸收器、冷凝器加热后进入锅炉节能器；

所述第一蒸发器通过烟气冷却管道与排烟换热器连通，烟气冷却管道内的水经第一蒸发器冷却进入排烟换热器，与排烟换热后，返回至第一蒸发器；

所述第二蒸发器通过溶液冷却管道与第一吸收器连通，溶液冷却管道内的水经第二蒸发器冷却进入第一吸收器，与第一吸收器内的溶液换热后，返回至第二蒸发器。

优选地，所述锅炉回水的温度为50-65℃，所述溶液冷却管道的出水温度为30-40℃。

优选地，所述第一蒸发器和第二蒸发器均为喷淋结构，第一吸收器吸收第一蒸发器产生的水蒸汽，第二吸收器吸收第二蒸发器产生的水蒸汽。

优选地，所述发生器为直燃型高压发生器，所述锅炉的排烟与发生器的排烟汇集后送入排烟换热器。

优选地，所述排烟换热器为立式壳管式换热器，烟气自上而下沿管层流动，水自下而上沿壳层流动，烟气与水进行逆流换热。

优选地，所述管层由多根烟管构成，烟管之间设有管板，所述烟管与管板之间胀接。

优选地，所述发生器包括预混燃烧器、炉膛和炉体，炉膛内设有炉排管和稳焰管，炉体内设有溶液管，溶液在炉排管、稳焰管和溶液管内流通，

混合气体经预混燃烧器送入炉膛内，依次经炉排管、稳焰管形成稳定火焰并产生高温烟气，高温烟气加热溶液管内的溶液。

优选地，所述炉体的上端设有浓溶液槽，炉排管、稳焰管和溶液管的出口均与所述浓溶液槽连通，所述浓溶液槽的顶部设有蒸汽出口，所述蒸汽出口与冷凝器连通，所述浓溶液槽的一侧连通溶液热交换器的入口；所述炉体的下端设有稀溶液槽，炉排管、稳焰管和溶液管的入口均与所述稀溶液槽连通，所述稀溶液槽的一侧连通溶液热交换器的出口。

相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：

一、相比于单级吸收式热泵，本发明所述双级吸收式热泵用于锅炉回水的加热和尾气的放热时，可达到更高的冷量输出效果和热量输出效果，热量输出与冷量输出温差较大，可最大程度地满足锅炉供水需求和排烟温度需求，节能减排。

二、通过在第二蒸发器与第一吸收器之间设置溶液冷却管路，提高了第一吸收器的蒸汽吸收效果以及第一蒸发器的冷量输出效果。

三、排烟换热器采用立式壳管式换热器，烟气自上而下走管层，水自下而上走壳层，可大大提高烟气与水的换热效果，降低了水量的控制难度和控制成本。

四、双级吸收式热泵的发生器采用超低氮预混燃烧器，并在炉膛内炉排管和稳焰管，在炉体内设置溶液管，混合气体先经炉排管降温燃烧，再经稳焰管稳焰，最后加热溶液管内的溶液，不仅能通过冷却管中的溶液带走火焰热量，还可最大程度减少烟气中NOx的排放量，使烟气中NOx排放量小于30mg/Nm3。

附图说明

图1为本发明所述锅炉内置双级吸收式热泵原理图；

图2为本发明所述排烟换热器结构示意图；

图3为本发明所述发生器结构示意图。

图中：100-发生器，200-冷凝器，300-溶液热交换器，410-第一蒸发器，420-第二蒸发器，510-第一吸收器，520-第二吸收器，600-锅炉节能器，700-排烟换热器；10-回水加热管道，20-烟气冷却管道，30-溶液冷却管道；110-预混燃烧器，120-炉膛，130-炉体，121-炉排管，122-稳焰管，131-溶液管，140-浓溶液槽，150-稀溶液槽。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明的技术方案作进一步描述说明。

如图1所示，本实施例所述锅炉内置双级吸收式热泵，包括发生器100、冷凝器200、溶液热交换器300、蒸发器和吸收器，所述蒸发器包括第一蒸发器410和第二蒸发器420，所述吸收器包括第一吸收器510和第二吸收器520，所述第一蒸发器410与第一吸收器510集成一体，所述第二蒸发器420与第二吸收器520集成一体；所述发生器100的出液口经溶液热交换器300与第二吸收器520的进液口连通，所述第二吸收器520的出液口与第一吸收器510的出液口连通，所述第一吸收器510的出液口经溶液热交换器300与发生器100的进液口连通；所述冷凝器200的出水口经节流阀(图中未示出)分别与第一蒸发器410的进水口和第二蒸发器420的进水口连通，所述冷凝器300通过回水加热管道10与第二吸收器420和锅炉节能器600连通，锅炉回水依次经第二吸收器420、冷凝器300加热后进入锅炉节能器600；所述第一蒸发器410通过烟气冷却管道20与排烟换热器700连通，烟气冷却管道20内的水经第一蒸发器410冷却进入排烟换热器700，与排烟换热后，返回至第一蒸发器410；所述第二蒸发器420通过溶液冷却管道30与第一吸收器510连通，溶液冷却管道30内的水经第二蒸发器420冷却进入第一吸收器510，与第一吸收器510内的溶液换热后，返回至第二蒸发器420。

本实施例所述锅炉回水的温度为50-65℃，所述溶液冷却管道30的出水温度为30-40℃。

以锅炉回水温度为50℃，溶液冷却管道的出水温度为30℃为例，对本发明所述锅炉内置双级吸收式热泵的工作原理做如下阐释：

制冷剂循环：

稀溶液在发生器100内产生水蒸汽，水蒸汽在冷凝器200中冷凝为72℃冷剂水，经节流降压后，分别进入第一蒸发器410和第二蒸发器420，喷淋蒸发被溶液吸收。

在此过程中，溶液冷却管道30中的30℃出水进入第一吸收器510，吸收第一吸收器510的热量后，升温至35℃，返回至第二蒸发器420。同时，由于第一吸收器510与第一蒸发器410的蒸汽吸收热量得到溶液冷却管道30的实时吸收，因此，蒸汽吸收效果和第一蒸发器410的制冷效果得到显著提高，使得烟气冷却管道30的制冷回水温度始终维持在20℃左右，制冷出水温度维持在15℃左右，满足高温烟气降温所需的制冷输出量，提高烟气降温效果。

同时，锅炉的回水经回水加热管道10，依次被第二吸收器520、冷凝器200加热，50℃的锅炉回水可加热至66.3℃，制热输出量较大。因此，本发明所述锅炉内置双级吸收式热泵可达到较低的制冷温度、较高的制热温度，形成双级制冷大温差吸收式热泵，满足锅炉的热水和排烟降温需求，节能减排。

溶液循环：

发生器100内的浓溶液经溶液热交换器300放热后，进入第二吸收器520吸收水蒸汽，再进入第一吸收器510内进一步吸收水蒸汽，变成稀溶液后经溶液热交换器300返回至发生器100内。在此过程中，浓溶液经过两次降温和水分吸收，满足了溶液的再生需求，换热效率高。

作为本实施例的替代方案之一，冷凝器300的出水口经节流阀与第二蒸发器420的进水口连通，所述第二蒸发器420的出水口与第一蒸发器410的进水口连通。也即，第一蒸发器410和第二蒸发器420串联，与并联相比，冷剂水经第二蒸发器420升温后，再进入第一蒸发器410，可使得第一蒸发器410的热量吸收效果更佳，满足更低的制冷输出需求。

本实施例所述发生器100为直燃型高压发生器，所述锅炉的排烟与发生器100的排烟汇集后送入排烟换热器700。

现有水冷式排烟换热器基本都用鳍片管制作，耐腐蚀性差，水容量较小，需要做连续补水才能确保在冷凝器内不发生气化，增加了控制难度和控制成本。基于此，本实施例采用立式壳管式换热器作为排烟换热器，以解决水容量小、控制难度大、排烟降温效果不佳的问题。

如图2所示，所述排烟换热器700为立式壳管式换热器，烟气自上而下沿管层流动，水自下而上沿壳层流动，烟气与水进行逆流换热。烟气自上而下流动时，可冲刷管壁的冷凝水，减小管壁的液模热阻，提高冷凝换热系数。同时，水靠受热后温度上升往上走，形成自然循环水动力，即，低温水在下面，高温水在上面，使得水温在整个换热器方向有一定的温度梯度，提高换热效果。由于壳层水容量较大，间断补水也不会发生气化现象，连续补水与间断补水的能耗基本没有差别，大大降低了控制难度以及控制成本。

为了提高排烟换热器7的耐腐蚀性能，排烟换热器7内的烟管采用316L等耐腐蚀材料制作，烟管与管板之间采用胀接，无焊接，确保换热器的抗腐蚀性能。

由于该双级吸收式热泵主要用于满足锅炉的供热需求和排烟降温需求，锅炉的低氮排放要求较高，因此，采用常规的直燃型高压发生器为吸收式热泵提供热源，不能满足生产需求。因此，本实施例中，双级吸收式热泵的发生器采用超低氮预混燃烧器，以达到超低氮排放的需求。

如图3所示，所述发生器100包括预混燃烧器110、炉膛120和炉体130，炉膛120内设有炉排管121和稳焰管122，炉体130内设有溶液管131，溶液在炉排管121、稳焰管122和溶液管130内流通，混合气体经预混燃烧器110送入炉膛120内，依次经炉排管121、稳焰管122形成稳定火焰并产生高温烟气，高温烟气加热溶液管131内的溶液。

本实施例中，炉排管121和稳焰管122均由多根管道并排制成，优选地，炉排管121的管道为矩形状，稳焰管122的管道为圆柱状，以确保火焰的高效降温和稳定燃烧。炉膛120内，炉排管121和稳焰管122内的溶液吸收火焰热量，有效降低火焰温度，从而形成稳定火焰，并产生高温烟气，高温烟气再加热溶液管131内的溶液，使得稀溶液中的水分得到有效蒸发，同时烟气得到有效降温，再从发生器的排烟口排出，由此，可有效抑制混合气体燃烧过程中生成的NOx含量。

所述炉体130的上端设有浓溶液槽140，炉排管121、稳焰管122和溶液管131的出口均与所述浓溶液槽140连通，所述浓溶液槽140的顶部设有蒸汽出口，所述蒸汽出口与冷凝器200连通，所述浓溶液槽140的一侧连通溶液热交换器300的入口。

所述炉体130的下端设有稀溶液槽150，炉排管121、稳焰管122和溶液管131的入口均与所述稀溶液槽150连通，所述稀溶液槽150的一侧连通溶液热交换器300的出口，由此保证溶液的高效换热和循环再生效率。

由于采用了低氮排放的发生器、高效逆流换热的排烟换热器以及双级制冷大温差吸收式热泵，因此，将本发明所述双级吸收式热泵内置于锅炉时，可使得锅炉的制热效果、排烟降温效果和低氮排放效果均得到显著提高，市场推广潜力较大。

以上对本发明的实施例进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种锅炉内置双级吸收式热泵，包括发生器、冷凝器、溶液热交换器、蒸发器和吸收器，其特征在于：

所述蒸发器包括第一蒸发器和第二蒸发器，所述吸收器包括第一吸收器和第二吸收器，所述第一蒸发器与第一吸收器集成一体，所述第二蒸发器与第二吸收器集成一体；所述第一蒸发器和第二蒸发器均为喷淋结构，第一吸收器吸收第一蒸发器产生的水蒸汽，第二吸收器吸收第二蒸发器产生的水蒸汽；

所述发生器的出液口经溶液热交换器与第二吸收器的进液口连通，所述第二吸收器的出液口与第一吸收器的出液口连通，所述第一吸收器的出液口经溶液热交换器与发生器的进液口连通；所述发生器为直燃型高压发生器，所述锅炉的排烟与发生器的排烟汇集后送入排烟换热器；所述排烟换热器为立式壳管式换热器，烟气自上而下沿管层流动，水自下而上沿壳层流动，烟气与水进行逆流换热；所述发生器包括预混燃烧器、炉膛和炉体，炉膛内设有炉排管和稳焰管，炉体内设有溶液管，溶液在炉排管、稳焰管和溶液管内流通，混合气体经预混燃烧器送入炉膛内，依次经炉排管、稳焰管形成稳定火焰并产生高温烟气，高温烟气加热溶液管内的溶液；所述炉体的上端设有浓溶液槽，炉排管、稳焰管和溶液管的出口均与所述浓溶液槽连通，所述浓溶液槽的顶部设有蒸汽出口，所述蒸汽出口与冷凝器连通，所述浓溶液槽的一侧连通溶液热交换器的入口；所述炉体的下端设有稀溶液槽，炉排管、稳焰管和溶液管的入口均与所述稀溶液槽连通，所述稀溶液槽的一侧连通溶液热交换器的出口；

所述冷凝器的出水口经节流阀分别与第一蒸发器的进水口和第二蒸发器的进水口连通，或，所述冷凝器的出水口经节流阀与第二蒸发器的进水口连通，所述第二蒸发器的出水口与第一蒸发器的进水口连通；

所述冷凝器通过回水加热管道与第二吸收器和锅炉节能器连通，锅炉回水依次经第二吸收器、冷凝器加热后进入锅炉节能器；

所述第一蒸发器通过烟气冷却管道与排烟换热器连通，烟气冷却管道内的水经第一蒸发器冷却进入排烟换热器，与排烟换热后，返回至第一蒸发器；

所述第二蒸发器通过溶液冷却管道与第一吸收器连通，溶液冷却管道内的水经第二蒸发器冷却进入第一吸收器，与第一吸收器内的溶液换热后，返回至第二蒸发器。

2.根据权利要求1所述的锅炉内置双级吸收式热泵，其特征在于：所述锅炉回水的温度为50-65℃，所述溶液冷却管道的出水温度为30-40℃。

3.根据权利要求1所述的锅炉内置双级吸收式热泵，其特征在于：所述管层由多根烟管构成，烟管之间设有管板，所述烟管与管板之间胀接。