CN111023134A - 一种烟气余热全热回收与提质的热源塔热泵 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种烟气余热全热回收与提质的热源塔热泵，包括烟气回路、循环水回路、制冷剂回路。利用低温循环水与排烟烟气之间巨大的温度差以及水蒸气分压力差实现对烟气中所含大量显热以及潜热的捕集，通过制冷剂蒸汽压缩循环实现对所捕集低位余热的提质，并直接供给热网。以低温循环水代替溶液作为热源塔循环工质，彻底解决了溶液吸湿后的再生问题，系统更加简单高效。采用直接接触式热源塔作为低温循环水与烟气换热的装置，传热传质系数高，热质传递面积大，热质传递势差大，总传热传质能力强，彻底解决间壁式换热器在余热利用中的腐蚀问题。利用压缩机排气过热段热量对全热回收后的烟气进行再热，避免最终排烟处于饱和状态，消除湿烟羽现象。

Description

一种烟气余热全热回收与提质的热源塔热泵
技术领域
本发明属于余热回收利用领域，涉及一种烟气余热全热回收与提质的热源塔热泵。
背景技术
燃煤燃气电厂或热站锅炉的排烟中均含有大量水蒸气，当烟囱排烟与室外环境的空气接触时，烟气中的水蒸气会在烟囱出口遇冷凝结，形成"白烟"现象，造成视觉污染，该现象还不利于烟气抬升扩散，会对烟囱周围设备及建筑物造成腐蚀，还会影响周围生态环境。烟气中所含的大量显热和潜热被排放至环境，造成能量的浪费。
目前，主要采用的几种烟气余热回收及“消白”的方法主要存在以下问题：(1)间壁式余热回收换热器由于烟气中含有硫等成分存在低温腐蚀问题；(2)闭式吸收式热泵存在冷源难寻，且由于系统需要维持真空，设备昂贵维护困难；(3)利用溶液进行余热深度回收的系统其溶液的再生缺乏合适的方法，利用室外空气作为再生载体仍会将水蒸气排至室外，且再生热源如选择燃料燃烧热等高品位的热源，仍存在能源利用率低的问题。
现有技术中有些是利用吸收式热泵回收烟气余热，其利用烟气-水直接接触式换热器代替间壁式换热器对烟气余热进行回收，但吸收热泵的制造难度成本大，排烟处于饱和状态，尾部烟道易结露腐蚀。还有些基于溶液吸收循环的烟气余热，利用溶液回收排烟余热，降低了排烟的露点温度，但是该系统直接利用燃料燃烧的高温烟气驱动溶液再生，一次能源利用率低。还有些利用溶液与冷却水吸收烟气中的余热，烟气余热回收中仍采用了间壁式换热器，易造成腐蚀，且该系统仍以室外空气作为溶液再生的载体，虽然排烟含湿量降低，但再生装置的排气却接近饱和，仍会造成烟羽现象。
热源塔热泵以室外空气作为低位热源，从空气中取热并由热泵循环提质后供给建筑，彻底解决了空气源热泵的冬季结霜问题，在制冷暖通领域已有实际应用。其从空气中取热过程依靠低温低水蒸汽压的溶液(防止室外低温时出现冰冻现象)在热源塔内实现，溶液吸湿后存在浓度下降冰点下降的问题，无论依靠热驱动或是电驱动，其代价均较高，且会使系统成本上升，维护困难，所以实际工程中往往采用加溶质这一不可持续但成本较低的办法。此外，热源塔热泵系统在烟气余热回收领域的应用尚未见相关报道。
因此，如何克服传统余热利用与“消白”方法的缺陷，解决再生与提质等问题，设计一种烟气余热全热回收与提质的热源塔热泵是本领域技术人员迫切所需要解决的一个问题。
发明内容
发明目的：为解决现有技术的不足，本发明提供一种烟气余热全热回收与提质的热源塔热泵，利用低温循环水(相对于排烟)对锅炉排烟进行全热回收，再由压缩式热泵进行提质后直接供给热网，利用压缩机排气过热段热量对全热回收后的烟气进行再热，避免最终排烟处于饱和状态，消除湿烟羽现象(烟气消白)，实现节能减排。且系统不存在烟气低温腐蚀、吸湿后工质的再生等问题，更加简洁高效。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种烟气余热全热回收与提质的热源塔热泵，该系统包括烟气回路、循环水回路、制冷剂回路。在热源塔内，利用低温(相对烟气)循环水与排烟烟气之间巨大的温度差以及水蒸气分压力差实现对烟气中所含大量显热以及潜热的捕集，后通过制冷剂蒸汽压缩循环实现对所捕集低位余热的提质，并直接供给热网。以低温循环水代替溶液作为热源塔循环工质，彻底解决了溶液吸湿后的再生问题，系统更加简单高效。采用直接接触式热源塔作为低温循环水与烟气换热的装置，传热传质系数高，热质传递面积大，热质传递势差大，总传热传质能力强，彻底解决间壁式换热器在余热利用中的腐蚀问题。利用压缩机排气过热段热量对全热回收后的烟气进行再热，避免最终排烟处于饱和状态，消除湿烟羽现象(烟气消白)。
具体为：
一种烟气余热全热回收与提质的热源塔热泵，该系统包括烟气回路、循环水回路和制冷剂回路，循环水回路与烟气回路和制冷剂回路连接，进行烟气余热全热回收与烟气再热，烟气回路用于将含低温余热的烟气与循环水进行换热，同时实现烟气再生，循环水回路用于吸收烟气中低位余热传递给蒸发换热器，吸收压缩机出口排气热量供给烟气再热器，制冷剂回路用于将低位余热提质供给热网。
可选的，烟气回路包括热源塔、烟气再热器、填料、布液器、收液器、排烟风机及其相关管路，锅炉排出的烟气经过排烟风机与热源塔底部烟气入口相连，热源塔内自下而上依次排布填料、布液器、收液器、烟气再热器，布液器将循环水均匀分布至填料表面，烟气在填料表面与循环水发生热质交换，该过程中烟气携带的少量循环水液滴在经过收液器时被捕集，烟气再热器再热烟气，防止烟气在热源塔出口遇冷大量凝结液滴。。
可选的，热源塔为直接接触式填料塔，填料塔为逆流塔或是横流塔，塔内填料为规整或者散装填料。
可选的，热源塔内的循环工质为低温水。
可选的，循环水回路包括蒸发换热器、再热换热器、冷凝换热器、冷凝水排水装置、第一循环水泵、第二循环水泵及其相关管路；循环水回路分为烟气余热全热回收闭式循环水回路和烟气再热闭式循环水回路；其中，烟气余热全热回收闭式循环水回路中，烟气回路中的热源塔的循环水输出端与第一循环水泵输入端相连，第一循环水泵输出端与蒸发换热器的循环水输入端相连，蒸发器的循环水输出端与热源塔1的循环水输入端相连；烟气再热闭式循环水回路中，再热换热器的循环水输出端与烟气回路中的烟气再热器输入端相连，烟气再热器输出端与第二循环水泵输入端相连，第二循环水泵输出端与再热换热器的循环水输入端相连；热网回水侧与冷凝换热器的循环水输入端相连，冷凝换热器的循环水输出端与热网供水侧相连，热源塔底部凝水输出端与冷凝水排水装置连接。
可选的，制冷剂回路包括压缩机、膨胀阀及其相关管路，循环水回路中的蒸发换热器的制冷剂输出端与压缩机输入端相连，压缩机输出端与循环水回路中的再热换热器的制冷剂输入端相连，再热换热器制冷剂输出端与循环水回路中的冷凝换热器制冷剂输入端相连，冷凝换热器制冷剂输出端与膨胀阀输入端相连，膨胀阀输出端与蒸发换热器制冷剂输入端相连。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明利用热源塔内低温循环水(相对于排烟)对锅炉排烟进行全热回收，充分利用烟气显热与潜热，且循环水不存在吸湿后的再生问题，系统更加简单高效。
(2)本发明采用直接接触式热源塔作为低温循环水与烟气换热的装置，传热传质系数高，热质传递面积大，热质传递势差大，总传热传质能力强，彻底解决间壁式换热器在余热利用中的腐蚀问题。
(3)本发明利用压缩式热泵循环对低温循环水从烟气中捕集的全热进行提质，并直接供给热网，无需再用锅炉进行加热，系统简单，能源利用率高。
(4)本发明利用压缩机排气过热段热量对全热回收后的烟气进行再热，避免最终排烟处于饱和状态，消除湿烟羽现象(烟气消白)。
附图说明
图1是本发明系统示意图；
图中：热源塔1、蒸发换热器2、压缩机3、再热换热器4、冷凝换热器5、膨胀阀6、烟气再热器7、填料8、布液器9、收液器10、冷凝水排水装置11、第一循环水泵12、第二循环水泵13、排烟风机14。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示，本发明的一种烟气余热全热回收与提质的热源塔热泵系统，包括烟气回路、循环水回路和制冷剂回路，循环水回路与烟气回路和制冷剂回路连接，进行烟气余热全热回收与烟气再热。制冷剂回路与热网侧连接，将低位余热提质后供给热网。在热源塔内，利用低温(相对烟气)循环水与排烟烟气之间巨大的温度差以及水蒸气分压力差实现对烟气中所含大量显热以及潜热的捕集，后通过制冷剂蒸汽压缩循环实现对所捕集低位余热的提质，并直接供给热网。利用压缩机排气过热段热量对全热回收后的烟气进行再热，避免最终排烟处于饱和状态，消除湿烟羽现象(烟气消白)。
其中，烟气回路用于将含低位余热的烟气供给热源塔进行换热，同时与烟气再热器中再热消除湿烟羽现象，循环水回路用于吸收烟气中低位余热传递给蒸发换热器，吸收压缩机出口排气热量供给烟气再热器，制冷剂回路用于将低位余热提质供给热网。
其中烟气回路包括热源塔1、烟气再热器7、填料8、布液器9、收液器10、排烟风机14及其相关管路，所述烟气回路中，锅炉排出的烟气经过排烟风机14与热源塔1底部烟气入口相连，热源塔1内自下而上依次排布填料8、布液器9、收液器10、烟气再热器7，布液器9将循环水均匀分布至填料8表面，烟气在填料8表面与循环水发生热质交换，该过程中烟气携带的少量循环水液滴在经过收液器10时被捕集，烟气再热器7再热烟气，防止烟气在热源塔1出口遇冷大量凝结液滴。
热源塔为直接接触式填料塔，可以为逆流塔或是横流塔，塔内填料为规整或者散装填料，提升全热捕集的能力，彻底解决间壁式换热器的低温腐蚀问题，热源塔内的循环工质为低温水(相对于排烟)，而非低温低蒸汽压的溶液，彻底解决吸湿后的再生问题。
循环水回路包括蒸发换热器2、再热换热器4、冷凝换热器5、冷凝水排水装置11、第一循环水泵12、第二循环水泵13及其相关管路；循环水回路分为烟气余热全热回收闭式循环水回路和烟气再热闭式循环水回路；烟气余热全热回收闭式循环水回路中，烟气回路中的热源塔1的循环水输出端与第一循环水泵12输入端相连，第一循环水泵12输出端与蒸发换热器2的循环水输入端相连，蒸发器2的循环水输出端与热源塔1的循环水输入端相连。烟气再热闭式循环水回路中，再热换热器4的循环水输出端与烟气再热器7输入端相连，烟气再热器7输出端与第二循环水泵13输入端相连，第二循环水泵13输出端与再热换热器4的循环水输入端相连。热网回水侧与冷凝换热器5的循环水输入端相连，冷凝换热器5的循环水输出端与热网供水侧相连。热源塔1底部凝水输出端与冷凝水排水装置11连接。
制冷剂回路包括压缩机3、膨胀阀6及其相关管路，循环水回路中的蒸发换热器2的制冷剂输出端与压缩机3输入端相连，压缩机3输出端与循环水回路中的再热换热器4的制冷剂输入端相连，再热换热器4制冷剂输出端与冷凝换热器5制冷剂输入端相连，冷凝换热器5制冷剂输出端与膨胀阀6输入端相连，膨胀阀6输出端与蒸发换热器2制冷剂输入端相连。
制冷剂循环内的再热换热器为烟气再热器提供热量，对填料上方全热回收后的烟气进行再生，避免最终排烟处于饱和状态，消除湿烟雨现象(烟气消白)。
本发明工作原理如下：烟气回路中，来自燃煤燃气电厂或热站锅炉的排烟经过排烟风机14进入热源塔1，热源塔1内自下而上依次排布填料8、布液器9、收液器10、烟气再热器7，收液器中的液体(低温循环水)通过布液器洒到底部填料上，烟气与热源塔底部填料上的低温循环水进行全热交换后，经过烟气再热器7再排出。
循环水回路中，低温水与热源塔1中烟气换热后，经过第一循环水泵12进入蒸发换热器2中将热量传递给低温制冷剂，再回到热源塔1完成烟气余热全热回收。循环水经第二循环泵13进入再热换热器4中，吸收压缩机5排气温度，再进入烟气再热器对换热后的烟气进行再生，完成烟气再热。热网供回水在冷凝换热器中吸收热量。烟气换热后产生的冷凝水由热源塔1底部凝水输出端相连的冷凝水排水装置11排出。
制冷剂回路中，液态制冷剂于蒸发换热器2中吸收低温水热量蒸发，进入压缩机3变为高温高压气态制冷剂，然后进入再热换热器4中与烟气再热闭式循环水回路(热源塔中的循环水经第二循环泵13进入再热换热器4中，吸收压缩机5排气温度，再进入烟气再热器7对换热后的烟气进行再生，完成烟气再热)的循环水换热，再进入冷凝换热器加热热网回水，经膨胀阀6后回到蒸发换热器2。
本发明利用低温循环水(相对于排烟)对燃煤燃气电厂或热站锅炉的排烟进行全热回收，再通过制冷循环对所得低位余热进行提质后，直接供给热网，能源利用率高，并利用压缩机排气过热段热量对全热回收后的烟气进行再热，避免最终排烟处于饱和状态，消除湿烟羽现象(烟气消白)，实现节能减排。且系统不存在烟气低温腐蚀、吸湿后工质的再生等问题，更加简洁高效。
本发明的一种烟气余热全热回收与提质的热源塔热泵，包括烟气回路、循环水回路、制冷剂回路。在热源塔内，利用低温(相对烟气)循环水与排烟烟气之间巨大的温度差以及水蒸气分压力差实现对烟气中所含大量显热以及潜热的捕集，后通过制冷剂蒸汽压缩循环实现对所捕集低位余热的提质，并直接供给热网。以低温循环水代替溶液作为热源塔循环工质，彻底解决了溶液吸湿后的再生问题，系统更加简单高效。采用直接接触式热源塔作为低温循环水与烟气换热的装置，传热传质系数高，热质传递面积大，热质传递势差大，总传热传质能力强，彻底解决间壁式换热器在余热利用中的腐蚀问题。利用压缩机排气过热段热量对全热回收后的烟气进行再热，避免最终排烟处于饱和状态，消除湿烟羽现象(烟气消白)。

Claims (6)

1.一种烟气余热全热回收与提质的热源塔热泵，其特征在于，该系统包括烟气回路、循环水回路和制冷剂回路，循环水回路与烟气回路和制冷剂回路连接，进行烟气余热全热回收与烟气再热，烟气回路用于将含低温余热的烟气与循环水进行换热，同时实现烟气再生，循环水回路用于吸收烟气中低位余热传递给蒸发换热器，吸收压缩机出口排气热量供给烟气再热器，制冷剂回路用于将低位余热提质供给热网。
2.根据权利要求1所述的一种烟气余热全热回收与提质的热源塔热泵，其特征在于，烟气回路包括热源塔(1)、烟气再热器(7)、填料(8)、布液器(9)、收液器(10)、排烟风机(14)及其相关管路，锅炉排出的烟气经过排烟风机与热源塔底部烟气入口相连，热源塔内自下而上依次排布填料(8)、布液器(9)、收液器(10)、烟气再热器(7)，布液器(9)将循环水均匀分布至填料(8)表面，烟气在填料(8)表面与循环水发生热质交换，该过程中烟气携带的少量循环水液滴在经过收液器(10)时被捕集，烟气再热器(7)再热烟气。
3.根据权利要求2所述的一种烟气余热全热回收与提质的热源塔热泵，其特征在于，热源塔为直接接触式填料塔，填料塔为逆流塔或是横流塔，塔内填料为规整或者散装填料。
4.根据权利要求2所述的一种烟气余热全热回收与提质的热源塔热泵，其特征在于，热源塔内的循环工质为低温水。
5.根据权利要求1所述的一种烟气余热全热回收与提质的热源塔热泵，其特征在于，循环水回路包括蒸发换热器(2)、再热换热器(4)、冷凝换热器(5)、冷凝水排水装置(11)、第一循环水泵(12)、第二循环水泵(13)及其相关管路；循环水回路分为烟气余热全热回收闭式循环水回路和烟气再热闭式循环水回路；其中烟气余热全热回收闭式循环水回路中，烟气回路中的热源塔(1)的循环水输出端与第一循环水泵输入端相连，第一循环水泵输出端与蒸发换热器的循环水输入端相连，蒸发器的循环水输出端与热源塔1的循环水输入端相连；烟气再热闭式循环水回路中，再热换热器的循环水输出端与烟气回路中的烟气再热器(7)输入端相连，烟气再热器输出端与第二循环水泵输入端相连，第二循环水泵输出端与再热换热器的循环水输入端相连；热网回水侧与冷凝换热器的循环水输入端相连，冷凝换热器的循环水输出端与热网供水侧相连，热源塔底部凝水输出端与冷凝水排水装置连接。
6.根据权利要求1所述的一种烟气余热全热回收与提质的热源塔热泵，其特征在于，制冷剂回路包括压缩机(3)、膨胀阀(6)及其相关管路，循环水回路中的蒸发换热器(2)的制冷剂输出端与压缩机输入端相连，压缩机输出端与循环水回路中的再热换热器(4)的制冷剂输入端相连，再热换热器制冷剂输出端与循环水回路中的冷凝换热器(5)制冷剂输入端相连，冷凝换热器制冷剂输出端与膨胀阀输入端相连，膨胀阀输出端与蒸发换热器制冷剂输入端相连。
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