CN110529870A - 一种烟气源热泵余热回收及烟气脱白与谷电相变储能梯级增温的集成供热系统 - Google Patents

Abstract

一种烟气源热泵余热回收及烟气脱白与谷电相变储能梯级增温的集成供热系统，涉及锅炉烟气脱白以及热能回收利用和相变储能领域。针对锅炉排放的湿烟气中在烟筒口形成白烟，产生视觉污染并加剧雾霾天气；现有的熔盐储热技术不能满足工业生产需求的问题。本专利将烟气源热泵和套罐相变储能装置创造性的组合而产生好效果。该系统的烟气源热泵可实现天然气热能的全部回收利用，消除冒白烟的现象。套罐相变储能装置通过谷电储能增温系统将烟气源热泵产生的60℃的热水提升为95℃的热水、120℃‑180℃的蒸汽，回供到锅炉供热系统，实现消除烟筒白烟、减少锅炉天然气消耗、降低用能成本的环境效益和节能效益。

Description

一种烟气源热泵余热回收及烟气脱白与谷电相变储能梯级增 温的集成供热系统

技术领域

本发明涉及锅炉烟气脱白以及热能回收利用和相变储能领域，特别涉及一种烟气源热泵余热回收及烟气脱白与谷电相变储能梯级增温的集成供热系统。

背景技术

燃气锅炉排放的烟气中含有大量的水汽，燃煤电厂和锅炉经过湿式脱硫和脱硝后(超低排放)的烟气温度降低也含有大量的水汽和可凝性颗粒物，这些湿烟气的排放在一定环境空气湿度条件下会在烟筒口形成大量的白烟，不仅产生视觉污染，也会加剧雾霾天气的形成，因此，烟气脱白势在必行。

根据发明专利《一种燃气锅炉烟气全热回收的装置》(专利号ZL200810188037.6)研发的烟气源热泵供热节能技术已经把排烟温度降到了10℃左右，实现了天然气热能的全部利用，并且可以将烟气的白烟全部消除。其回收的热能可把水加热到60℃左右，提供热水和采暖季的供暖。对于常年运行的工业蒸汽锅炉的单位，没有低温热水的需求，限制了该技术的推广和应用。

近年来开发的谷电储能技术主要应用于北方的采暖和生活热水，在工业制造领域难以应用。现有的熔盐储热技术存在着循环换热系统成本高、使用条件苛刻(需始终保持150℃以上，一旦未排空冷凝，循环系统就要报废)、散热损失大、季节性使用的初融与排空成本高等缺点。现有储能技术还存在逐步降温供热现象，不能满足工业制造领域稳定生产的需求。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种烟气源热泵余热回收及烟气脱白与谷电相变储能梯级增温的集成供热系统。该系统是由烟气源热泵和套罐相变储能装置创造性的组合而产生新的效果。该系统的烟气源热泵部分可以实现天然气热能的全部回收利用，排烟温度降到10℃左右，将烟气中的水汽冷凝回收，完全消除冒白烟的现象。套罐相变储能装置通过谷电储能增温系统将烟气源热泵产生的60℃左右的热水提升为95℃的热水、120℃-180℃的蒸汽或250℃导热油，回供到锅炉供热用能系统，实现了锅炉烟气脱白、烟气余热回收、节约锅炉然气消耗、降低用能成本的综合效益。

本发明的技术方案是：一种烟气源热泵余热回收及烟气脱白与谷电相变储能梯级增温的集成供热系统，包括：锅炉排烟系统、烟气源热泵、低温热水蓄热调节池、多级套罐常压相变储热池、闪蒸罐。本系统根据回收锅炉烟气中的热能品位存入对应相变储热池，按照终端不同温度需求采用谷电相变储热技术梯级增温，然后转换成热水、热风、蒸汽、导热油等实现供热。

所述的锅炉排烟系统包括锅炉烟筒、高温气水换热器(省气器)。锅炉烟筒排出的高温烟气(150-260℃)通过高温气水换热器降到120℃左右进入烟气源热泵进行余热回收。高温气水换热器的供热侧的导热油将热量通过低温充热换热管将低温热水蓄热调节池中的60℃的热水加热到95℃输送到多级套罐储能装置的低温储热池中。

所述的烟气源热泵采用三级降温两级换热的工艺将烟气中的热能回收。蒸汽锅炉的高温烟气，经过省气器的换热降到120℃左右进入烟气源热泵后，经过一级板换降到60℃，后进入混合降温器降到30℃，最后进入烟气源热泵降到10℃左右排到大气中，烟气在降温过程中大部分水汽冷凝成水回收，消除了烟气的白烟。热泵回收的热能将一定量的水升温到60℃储存在热水蓄热调节池中。

所述的多级套罐常压相变储热池采用分时段运行的方式，有两种运行工况：吸热工况和放热工况，吸热工况为电网规定的谷电时段，利用低价谷电给储能装置加热增温至与制造工艺终端匹配的温度，在非谷电时段按需换热转换，并行直供给供热系统，部分替代原耗能量，实现烟气热能全热回收利用，减少了燃料的消耗。

所述的多级套罐常压相变储热池包括300℃高温储热池、200℃中温储热池和95℃低温储热池，三个储热池按照高、中、低的顺序分别叠放在下一级的储热池中，内层为高温储热池、中层为中温储热池、外层为低温储热池。储热池的中、高温储能介质根据不同需要可分别选择符合常压特性的熔盐或其他相变材料，谷电增温根据不同的温度需要可分别选择电加热、高效热泵增温等技术。储热池壁为不锈钢材质双层结构，内有隔热保温材料，池内安装电加热器、搅拌器、加热换热管、放热换热管。

所述的高温储热池在多级套罐常压相变储热池的内层，设定存储温度300℃左右，罐内加注常压熔融液态储能工质，如熔盐或其他相变材料等，开口式圆筒结构。罐内电加热器浸入相变储能工质内，利用谷电将储热工质加热增温呈液相，内置的搅拌器让液态的储能工质低速流动，提高换热及储热性能。罐内高温充热换热管的工质为导热油或其他常压高温工质，通过中温充热循环泵给中温储热池增温，补充中温储热池在放热时段减少的热量，维持恒温供热。罐内浸入的放热换热管为输出热能通道，利用管内的导热油循环换热的方式输出200℃以上的热能(蒸汽、热风)，进入锅炉的供热系统并替代其供热功能，减少锅炉系统能耗。储热池的充热、放热管内的导热工质为导热油或其他常压高温工质。高温储热池罐体为双层不锈钢，内有隔热保温材料，罐体居中置于中温储热池内。

所述的中温储热池是多级套罐常压相变储热池的中层罐，结构与高温储热池相同，设定存储温度为200℃左右，罐内浸入的放热换热管为输出热能通道，利用管内的导热油循环换热的方式输出120℃以上的热能(热水、蒸汽、热风)，进入锅炉的供热系统或作为溴化锂制冷(热)驱动源，减少锅炉的燃料消耗。锅炉供热系统的热能需求为高温过热蒸汽时，可通过闪蒸器产生蒸汽后进入高温储热池的热能输出通道加热成为170℃以上的过热蒸汽，满足生产工艺的需求。

所述的低温储热池是多级套罐常压相变储热池最外层罐，设定存储95℃热水，热水来源为烟气源热泵、锅炉节气器或其他采用低品位热源或太阳能加热的热水等，温度降低时通过低温、中温充热换热管补充，或用谷电增温。

所述的谷电套罐储能装置，采用套罐结构避开了结构复杂，成本高昂的熔盐换热循环系统，降低了罐内外温差，减少了保温成本，有效的降低了高温工质热辐射和热传导造成的散热损失。经济实用，便于推广。

所述的储热、放热换热管可按需选择材质及形状，满足个性化换热需求。

本发明运用了梯级回收利用的技术路线，将烟气源热泵供热节能技术与谷电相变储能技术有机的结合，既回收利用了锅炉烟气低品位的热能，又充分发挥了谷电低成本的优势，多级套罐常压相变储热池的结构大幅度的减少了储热工质与环境之间大温差而形成的高品位热能的损失，实现了天然气热能的全部利用和电网的削峰填谷；本发明运用了循环技术路线，利用低温储能为热泵高效运行创造条件与热泵制冷的能量回收，大幅度提高热泵的能效比。

本发明应用了梯级补温技术，克服了现有储能技术存在逐步降温供热的现象，能够实现各级稳定供热的效果，此点对工业制造领域用能需求尤为重要。

与现有技术相比，本发明一种烟气源热泵余热回收及烟气脱白与谷电相变储能梯级增温的集成供热系统的有益效果是：

1、本发明是由烟气源热泵和相变储能装置创造性的组合而产生新的效果。该系统的烟气源热泵可以实现天然气热能的全部回收利用，排烟温度降到10℃左右，将烟气中的水汽冷凝回收，完全消除冒白烟的现象。特别是通过低谷电相变储能系统将烟气源热泵产生的热水提升为120-180℃的蒸汽，回供到锅炉的蒸汽系统，降低了锅炉燃料的消耗，实现了锅炉烟气脱白、烟气余热回收、节约锅炉煤或天然气的消耗、降低蒸汽成本的综合效益。

2、目前锅炉脱白采用的烟气冷凝再热等技术需消耗一定的热能，加大了脱白的成本，在推广中有一定的难度，采用本技术可以将烟气中的潜热全部回收，在实现脱白环境效益的同时还有经济效益，使得实施单位有内在的动力推广这项技术，也为大气污染治理做出贡献。

3、燃气锅炉烟气中的水汽和燃煤锅炉烟气中的水汽和可凝性颗粒都是形成和加剧雾霾天气的重要原因。为彻底解决形势严峻的大气污染和雾霾天气，许多地方政府出台了相关锅炉脱白烟的强制性政策，本技术把烟气降到10℃左右，将烟气中的水汽量从170克/立方米(60℃)降到10克/立方米(10℃)，在回收汽化潜热的同时，最大程度的把烟气中的水汽回收，消除了烟筒冒白烟的现象。同时，烟气中的氮氧换物和可凝性颗粒物也溶在冷凝水中被去除，缓解了雾霾天气的形成，具有较好的环境效益。

4、由于采用低谷电相变储热技术，将烟气源热泵回收的低位热能转化成为120--180℃的高温蒸汽，拓宽了烟气源热泵推广使用的条件，在实现环境效益的同时，实施单位也获得了节能和经济效益。

5、随着社会的发展和用电结构的变化，电网的峰谷差越来越大，谷电的利用和储存技术成为电网消峰填谷重要手段。相变储热技术可以有效解决供能端与用户端在时间和空间上的不匹配问题，是提高能源利用效率的有效手段。本发明采用的低谷电相变储能技术将烟气源热泵产生的热水转化为高温蒸汽，消纳了大量低谷电，降低了蒸汽的成本。

附图说明：

图1为一种烟气源热泵余热回收及烟气脱白与谷电相变储能梯级增温的集成供热系统的整体结构示意图

图中，1烟气源热泵，2水箱循环泵，3低温热水蓄热调节池，4升温输水泵，5谷电输入端，6低温充热循环泵，7中温充热循环泵，8高温气水换热器，9高温烟气换热循环泵，10低温充热换热管，11低温放热换热管，12中温充热换热管，13中温放热换热管，14高温充热换热管，15高温放热换热管，A套罐储能装置。

图2为多级套罐常压相变储热池示意图。

图中，1外层保温层，2低温进水管3低温储热池，4中温保温层，5中温储热池，6高温保温层，7高温储热池，8高温电加热，9高温搅拌桨，10中温电加热，11中温搅拌桨，12低温电加热，13低温搅拌桨，14套罐保温盖，15低温出水管，16低温充热换热管，17中温充热换热管，18高温充热换热管，19压卡定位板，20高温放热换热管，21中温放热换热管，22低温放热换热管。

附图2说明：

外层为低温储热池1，容量根据现场工况而定，工质为水，储热温度95℃，内外不锈钢开口圆筒形，中间填充低温保温材料；内置低温给水管2和低温出水管15，初充入水温60℃，谷电预加热至95℃，当95℃热水输出后，连续补入来自烟气源热泵的60℃热水，此时储热池会降温，通过中温充热换热管17和低温充热换热管以200℃导热油为工质进行增温，确保出水恒定95℃，60℃热水消耗量由烟气源热泵补充，也可由锅炉节气器或其他低品位热源或太阳能加热的热水补充。低温放热换热管22可用于95℃热风转换。

中间层为中温储热池5，容量根据现场工况而定，工质采用常压高温三元熔盐(或其他符合条件的储能材料)，储热温度200℃，内外不锈钢开口圆柱筒形，因内外温差100℃左右，保温要求不高，中温保温层4选用许用温度300℃的普通保温材料，罐体和保温材料的传导散热也被低温储热池吸收，不发生热损耗。中温储热池有外层95℃热水包裹，又有电加热增温，还有高温储热池充温，能有效防止熔盐凝固。中温储热池5主要承担120-180℃的蒸汽或热风输出、供给低温储热池1，不足部分由谷电加热增温或有高温储热池7补充增温。

内层为高温储热池7，容量根据现场工况而定，工质现用常压高温三元熔盐(或其他符合条件的储能材料)，储热温度300℃，内外不锈钢开口圆筒形，因内外温差100℃左右，保温要求不高，高温保温层6选用许用温度400℃的普通保温材料，罐体和保温材料的传导散热也被中温储热池吸收，不产生热损耗。高温储热池有外层200℃熔盐包裹，又有电加热增温，能有效防止熔盐凝固。

高温储热池主要负责向中温储热池5的增温及其保持恒温，高温放热换热管20负责对蒸汽过热增温、导热油循环增温、用导热油循环产生300℃高温热风输出。

压卡定位板19固定在低温储热池1开口处，对中温储热池5、高温储热池7进行压紧和卡住各层套罐相对位置，所有浸入储热池的进水管、换热管、电热管、搅拌桨均安装固定在压卡定位板19，便于个性化定制及维修保养。

中高温的导热油循环换热系统也安装在压卡定位板19上面，处在套罐保温盖14内，保温盖含有内外保温层与套罐间环形保温措施，有效降低循环系统的热能损失。

换热管16、17、18、20、21、22根据换热工况需要选择合适材料及形状定制而成。

搅拌桨9、11、13采用V形桨叶，桨把安装在压卡定位板19上，由电机驱动的“划桨”动作，让储热池工质环形缓慢流动，提高换热效率。

图3为一种烟气源热泵余热回收及烟气脱白与谷电相变储能梯级增温的集成供热系统产生95℃热水回收利用系统的实施例。

图中，1烟气源热泵，2水箱循环泵，3低温热水蓄热调节池，4升温输水泵，5谷电输入端，6低温充热循环泵，7低温充热换热管，8高温气水换热器，9高温烟气换热循环泵，10低温放热换热管，11中温充热换热管，A套罐储能装置。

图4为一种烟气源热泵余热回收及烟气脱白与谷电相变储能梯级增温的集成供热系统产生蒸汽的系统实施例。

图中，1烟气源热泵，2水箱循环泵，3低温热水蓄热调节池，4升温输水泵，5谷电输入端，6低温充热循环泵，7中温充热循环泵，8高温气水换热器，9高温烟气换热循环泵，10低温充热换热管，11低温放热换热管，12中温充热换热管，13中温放热换热管，14高温充热换热管，15高温放热换热管，16进水泵，17闪蒸器，A套罐储能装置。

具体实施方式：

为了让本领域的技术人员更好的理解本发明的技术内容、创新特征、实现目的与功效，下面结合实施例和附图，进一步做详细的说明，但下述实施例仅为本发明的优选实施例，并非全部，所述实施例并不能限制本专利的保护范围。

实施例1：(附图3)

本实施例为一种烟气源热泵余热回收及烟气脱白与谷电相变储能梯级增温的集成供热系统产生95℃热水的回收利用系统。

如图3所示，一种通一种烟气源热泵余热回收及烟气脱白与谷电相变储能梯级增温的集成供热系统，主要由烟气源热泵1，水箱循环泵2，低温热水蓄热调节池3，升温输水泵4，谷电输入端5，低温充热循环泵6，低温充热换热管7，高温气水换热器8，高温烟气换热循环泵9，低温放热换热管10，中温充热换热管11和套罐储能装置A组成。

所述的烟气源热泵1在实现烟气脱白降低污染物后将烟气降到10℃左右排放，烟气中的显热与潜热全部回收转化成60℃热水储存在低温热水蓄热调节池3中，可供给有低温热水需求的场合。部分60℃的热水通过高温汽水换热器8加热到95℃，输送到低温储热池中待用。

为将低温热水提升到工业制造能消纳利用的95℃热水和热风，先将60℃热水通过水箱循环泵2存入低温热水蓄热调节池3，按现场工况配置适量的套罐储能装置A各储热池热容量，并在谷电时段通过谷电输入端分别加温到95℃、200℃左右，在非谷电时段作为增温热源。在95℃输出热能使用时，升温输水泵4抽取60℃热水对储热池补水(烟气源热泵产生的60℃热水)，同时有中温充热换热管11、低温充热循环泵6、低温充热换热管7组成的导热油增温换热系统，将60℃热水升温至95℃供热，实现95℃稳定供热的目的。

通过低温放热换热管10为制造工艺需要的循环供热或循环热风热量。

在分时段运行时，采用智能电控系统对相关泵阀进行优化控制。

本实施例实现了全热回收利用，相比谷电储能节约30％-50％的电消耗量，实现了环保、节能、谷电消纳、经济等一体化效果，特别在面广量大的工业制造领域具有市场化推广优势。

实施例2(附图4)

为一种烟气源热泵余热回收及烟气脱白与谷电相变储能梯级增温的集成供热系统产生蒸汽的系统。

如图4所示，本实施例为通过烟气源热泵和谷电储能增温装置产生180℃及以下蒸汽的回收利用系统，包括：烟气源热泵1，水箱循环泵2，低温热水蓄热调节池3，升温输水泵4，谷电输入端5，低温充热循环泵6，中温充热循环泵7，高温气水换热器8，高温烟气换热循环泵9，低温充热换热管10，低温放热换热管11，中温充热换热管12，中温放热换热管13，高温充热换热14，高温放热换热管15，进水泵16，闪蒸器17和套罐储能装置A组成。

所述的烟气源热泵1在实现烟气脱白降低污染物排放后将烟气降到10℃左右，烟气显热与潜热全部回收转化成60℃热水储存在低温热水蓄热调节池3中，可供给有低温热水需求的场合。部分60℃的热水通过高温烟气换热器8加热到95℃，输送到低温储热池中待用。

为将温度提升到工业制造能消纳利用的95℃热水和热风，先将60℃热水通过水箱循环泵2存入低温热水蓄热调节池3，按现场工况配置适量的套罐储能装置A各储热池热容量，并在谷电时段通过谷电输入端分别加温到95℃、200℃、300℃左右，在非谷电时段作为增温热源。在95℃输出使用时，升温输入泵4抽取60℃热水对储热池补水(烟气源热泵产生的60℃热水)，同时有中温充热换热管12、低温充热循环泵6、低温充热换热管10组成的导热油增温换热系统，将60℃热水升温至95℃供热，实现95℃稳定供热的目的。

通过进水泵16，抽取常温锅炉供水池水源或低温热水蓄热调节池中的热水，进入低温放热换热管11，与A中低温储热池换热后增温至95℃后进入中温放热换热管13，与A中增温储热池换热后增温至190℃左右(换热器用低压锅炉钢材制作)，进入闪蒸器，闪蒸器输出175℃左右饱和蒸汽，通入高温放热换热管15，利用A中高温储热池加热产生过热干燥蒸汽(相当于锅炉的过热器)，最后输出0.8MPa-180℃热力蒸汽部分替代原终端用蒸汽量，减少锅炉蒸汽用量。

当中温储热池充热存储温度低于200℃时，用高温充热换热管14、中温充热循环泵7、中温充热换热管12进行增温，达到恒温供热目的。

在分时段运行时，均有智能电控系统对相关泵阀进行优化控制。

本实施例实现了全热利用，相比全热谷电储能节约30％左右的谷电消耗量，实现了环保、节能、谷电消纳、经济等一体化效果，特别在面广量大的工业制造领域具有市场化推广优势。

Claims (9)

1.一种烟气源热泵余热回收及烟气脱白与谷电相变储能梯级增温的集成供热系统，其特征在于，包括：锅炉排烟系统、烟气源热泵、低温热水蓄热调节池、多级套罐常压相变储热池、闪蒸罐。

2.根据权利要求1所述的锅炉排烟系统，其特征在于，包括锅炉烟筒、高温气水换热器(节气器)。锅炉烟筒排出的高温烟气通过高温气水换热器降到120℃左右进入烟气源热泵进行余热回收。高温气水换热器的供热侧导热油将低温热水蓄热调节池中的60℃的热水加热到95℃，输送到多级套罐常压相变储能池的低温储热池中。

3.根据权利要求1所述的烟气源热泵，其特征在于，采用三级降温两级换热的工艺将烟气中的热能回收，水升温到60℃储存在热水蓄热调节池中。蒸汽锅炉的高温烟气，经过高温气水换热器换热降温后进入烟气源热泵，经过一级板换降到60℃，后进入混合降温器降到30℃，最后进入烟气源热泵降到10℃左右排到大气中，实现天然气热能全热回收和烟气消白的功能。

4.根据权利要求1所述的低温热水蓄热调节池，其特征是，烟气源热泵产生的60℃的热水进入低温热水蓄热调节池中储存，由升温输水泵输送到低温储热池中继续升温。

5.根据权利要求1所述的多级套罐常压相变储热池，其特征在于吸热工况为电网谷电时段，利用低价谷电给储能装置加热增温。非低谷电时段为放热工况，向锅炉供热系统供热(热水、蒸汽、热风)。

6.根据权利要求1所述的多级套罐常压相变储热池，其特征在于，包括高温储热池、中温储热池和低温储热池。三个储热池按照高、中、低的顺序分别叠放在下一级的储热池中，内层为高温储热池、中层为中温储热池、外层为低温储热池。

所述的多级套罐常压相变储热池的中、高温储能介质为熔盐或其他相变材料，低温储热池介质为水。

所述的多级套罐常压相变储热池的池壁为不锈钢材质双层结构，内有隔热保温材料，池内安装电加热器、搅拌器、加热换热管、放热换热管。

所述的多级套罐常压相变储热池的级数可根据实际需要选择2-4级。

7.根据权利要求6所述的高温储热池，其特征是，高温储热池在多级套罐常压相变储热池的内层，设定存储温度300℃左右，罐内加注常压熔融液态储能工质，开口式圆筒结构。

所述的电加热器浸入相变储能工质内，利用谷电将储热工质加热。

所述的搅拌器让液态的储能工质低速流动，提高换热及储热性能。

所述的高温充热换热管的工质为导热油，通过中温充热循环泵给中温储热池增温，补充中温储热池在放热时段减少的热量，维持恒温供热；

所述的放热换热管为输出热能通道，利用管内的导热油循环换热的方式输出热能(蒸汽、热风)。

8.根据权利要求6所述的中温储热池，其特征是，所述的中温储热池是多级套罐常压相变储热池的中层罐，结构与高温储热池相同，设定存储温度为200℃左右，通过放热换热管输出120℃以上的热能(热水、蒸汽、热风)或作为溴化锂制冷(热)的驱动源。通过闪蒸器产生蒸汽后进入高温储热池的热能输出通道加热成为170℃以上的过热蒸汽。中温储热池可对低温储热池补热以维持水温稳定。

9.根据权利要求6所述的低温储热池，其特征是，所述的低温储热池是多级套罐常压相变储热池最外层罐，设定存储95℃热水，热水来源为烟气源热泵、锅炉节气器或其他采用低品位热源或太阳能加热的热水等，温度降低时通过低温、中温充热换热管补充，或用谷电增温。