CN111365774A - 一种地下工程柴油机烟气消烟除湿调温系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种地下工程柴油机烟气消烟除湿调温系统，其特征在于，所述除湿调温系统包括至少两级换热装置、至少一级除湿装置、排烟风道和新风风道，一级换热装置包括通过喷淋水管道连接的喷淋室和第一换热器，所述排烟风道依次连接所述喷淋室和一级除湿装置，分别对柴油机烟气进行降温净化和除湿处理；二级换热装置设在所述新风风道内，所述二级换热装置为风冷冷凝器，并连接共用所述一级除湿装置的压缩机，所述二级换热装置的后方的新风风道内设置变频新风机。

Description

一种地下工程柴油机烟气消烟除湿调温系统
技术领域
本发明属于柴油机排放烟气处理技术领域，具体涉及一种地下工程柴油机烟气消烟除湿调温系统。
背景技术
我国地域辽阔，地质类型丰富、情况复杂，因此地下工程在我国工程建筑领域占有重要地位，广泛应用在铁路、水利、矿业、军事、公路、地铁、海底隧道、住宅等领域。地下工程电力应急保障最常用的是柴油发电机组，使用方便，成本较低。然而，柴油发电机组排放的烟气中含有水蒸汽、颗粒物、碳氢化合物、一氧化碳、氮氢化物、硫化物等，其中颗粒物主要是炭颗粒，在通风不好的情况下，不仅污染地下空间的空气，而且危害操作人员的健康。另一方面，当柴油发电机满负荷运行时，排烟温度大于500℃，烟气在地下工程直接排放时，烟气温度与室外温差较大，红外征候明显，易在外部产生大量水蒸汽等“白烟”现象，对于军事构筑而言无法达到隐蔽排放的目的。寒冷地区的地下工程热负荷大，其中新风热负荷占比较高，新风需要加热才能满足地下工程的要求，因此，烟气排放和新风补充均需要较高能耗才能满足地下工程的要求。
专利CN201910410020.9公开了一种叉流式恒温除湿装置，采用两个除湿芯体交替进行除湿和再生，实现了不间断除湿；对吸附热进行回收利用，避免了吸附热在除湿芯体积聚产生高温，并导致除湿剂性能下降的问题；采用空气回收除湿过程产生的吸附热，提供低品位余热利用的途径。
目前，对于柴油发电机组的烟气处理主要是余热回收，并将回收的热量转移到储能设备或耗能设备上，然而柴油发电机组烟气具有温度高、成分复杂的特点，直接与新风换热时，热能利用率不高，换热设备负荷较大，在冷热温差较大的烟气与新风的换热过程中，热物理效应明显，不利于设备运行安全和能源充分利用。另外，为了满足军事构筑的地下空间柴油机烟气隐蔽排放的严格要求，需要综合考虑烟气中污染物和水蒸气的排放要求，以及新风在换热过程中的温度、湿度调整，使它们符合地下空间排放和吸收使用的条件，确保军事安全。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种地下工程柴油机烟气消烟除湿调温系统，所述除湿调温系统包括至少两级换热装置、至少一级除湿装置、排烟风道和新风风道，一级换热装置包括通过喷淋水管道连接的喷淋室和第一换热器，所述排烟风道依次连接所述喷淋室和一级除湿装置，分别对柴油机烟气进行降温净化和除湿处理；二级换热装置设在所述新风风道内，所述二级换热装置为风冷冷凝器，并连接共用所述一级除湿装置的压缩机，所述二级换热装置的后方的新风风道内设置变频新风机。该系统能够有效实现节能环保。
本发明所述的除湿调温系统在柴油机烟气降温、净化、除湿的同时，将柴油机烟气中的热量回收利用，并转移至新风系统，既实现了柴油机烟气的隐蔽排放，又降低了新风负荷。同时，针对柴油机烟气的初始温度较高、经过所述喷淋室后净化度提高但湿度增加的特点，采用分级降温的方法，减少一级除湿装置的工作负荷。
所述一级换热装置包括喷淋室和第一换热器，所述喷淋室的顶部设有布水器，两端分别设有高温烟气进口和中温烟气出口，所述排烟风道接通高温烟气进口，将柴油机烟气输入喷淋室。所述布水器连接喷淋进水管，喷淋室底部连接喷淋出水管，喷淋水管道为喷淋室提供冷却水，冷却水流向与柴油机烟气流向垂直。未经处理的高温柴油机烟气进入喷淋室后，经过冷却水淋洗，不仅将大部分热量传递给冷却水，自身进行一次降温，而且能够有效去除烟气中的碳颗粒及其它污染物，完成烟气净化。
所述喷淋室通过喷淋水管道连接第一换热器，优选的，所述第一换热器为管式换热器，管程为换热盘管，并设有换热盘管进水管和换热盘管出水管，用于输送冷凝水或地下工程的其它生活用水回收的冷凝水在管程中流动，从所述喷淋出水管流出的换热后的热水在壳程中流动，与冷凝水进行换热；换热后，壳程的水通过所述喷淋进水管流回喷淋室继续冷却净化柴油机烟气，重复利用，管程的水通过所述换热盘管出水管输出到地下空间其它需热设备处利用。优选的，所述壳程还设有补水管和泄水管，并连接外部冷却水源，用于更新或补充壳程以及喷淋室内的冷却水。
通过所述一级换热装置的喷淋室，柴油机烟气的温度能够从500℃降至50℃，从高温烟气变为中温烟气，烟气中的污染物大部分被净化，由黑色烟气变为白色烟气，烟气中的热量被转移至冷却水中，并带至第一换热器再次换热并重复利用。
所述中温烟气从所述中温烟气出口排出，进入排烟风道，继续流向所述一级除湿装置。
所述一级除湿装置包括第一压缩机、第一储液器、第一蒸发器和第一风冷冷凝器，所述第一压缩机的排气口依次串联第一风冷冷凝器和第一蒸发器，第一蒸发器再连接第一压缩机的吸气口，第一蒸发器连接第一储液器，对进入一级除湿装置的中温烟气进行除湿处理。同时，所述第一风冷冷凝器对中温烟气进行进一步降温，得到低温干燥气体，最终排出所述除湿调温系统并排出地下工程。
本发明创造性地将一级除湿装置的压缩机与二级换热装置的第二风冷冷凝器连接，新风风道连接并通过第二风冷冷凝器，利用第一风冷冷凝器和第二风冷冷凝器的调温作用，将中温烟气的部分热量传递给地下工程外的新风，既实现中温烟气的降温排放，彻底消除“白烟”现象，又对新风进行预热，得到中温新风，降低新风在地下工程的热负荷。
传统的地下工程系统，降温和升温的设备单独设置，造成设备和管线众多，占地大、能耗高、工程和人力成本较高，大量使用化石能源、制冷剂、除湿剂的同时，也向环境中排放废热、废气，严重威胁或破坏地下以及地上环境。本发明充分利用换热技术和设备，对于高温柴油机烟气的高效处理进行了探索。所述除湿调温系统将排烟风道与新风风道并排分开，利用串联的所述喷淋室和一级除湿装置对柴油机烟气进行两次降温和一次除湿处理，并配合第一换热器，对降温幅度最大的喷淋室进行热量回收；为了降低新风进入地下工程的热负荷，利用风冷冷凝器自身调温的特点，并联第一风冷冷凝器和第二风冷冷凝器，将回收的一级除湿装置中中温烟气的热量，用于加热新风。
所述第一风冷冷凝器和第二风冷冷凝器中的冷媒比例为0-100％，根据所述高温烟气和地下工程外的新风的温度，调节所述冷媒比例，使得低温干燥气体与地下工程外的新风的温差不大于4℃。
所述二级换热装置后方的新风风道内设置变频新风机，用于调节中温新风的流量，最后送入地下工程内部。
优选的，所述喷淋室与一级除湿装置之间设置三级换热装置，同时所述新风风道将三级换热装置和二级换热装置依次串联后，再连接变频新风机，所述排烟风道与新风风道在三级换热装置处的排布方式选自平行对流方式或垂直对流方式，所述三级换热装置为第二换热器。
所述排烟风道将一级换热装置处理得到的中温烟气送入所述三级换热装置进行降温处理，这样设计，是针对柴油机烟气温度较高、降温负荷较大的特点，进行分级降温，具体的，所述高温烟气在喷淋室进行一级降温后变为中温烟气，再在三级换热装置进行二级降温，然后进入一级除湿装置进行三级降温和除湿，最后得到低温干燥气体并排出地下工程。同时，地下工程外的新风作为三级换热装置的冷却介质，无需添加其他冷却介质，缩小柴油机烟气与新风之间的温差。另一方面，柴油机烟气经过喷淋室后，虽然温度降低，但湿度增大，会增大一级除湿装置的功耗，因此中温烟气在经过三级换热装置降温后，一部分水汽冷凝在三级换热装置中，减少湿度。
优选的，所述三级换热装置与一级除湿装置之间还设有挡水板，降温后的柴油机烟气中含有的水汽进一步凝结在挡水板上，减少湿度。
优选的，所述二级换热装置与变频新风机之间设置二级除湿装置，所述二级除湿装置包括第二压缩机、第二储液器、第二蒸发器和第三风冷冷凝器，所述第二压缩机的排气口依次串联第三风冷冷凝器和第二蒸发器，第二蒸发器再连接第二压缩机的吸气口，第二蒸发器连接第二储液器。
当夏季外部新风湿度较大时，所述二级除湿装置对新风除湿。地下工程外的新风通过所述三级换热装置后，得到一次升温新风，再通过所述二级换热装置后，得到二次升温新风，再通过所述二级除湿装置的除湿升温作用后，得到三次除湿升温新风，经过所述变频新风机调节流量后，最后送入地下工程内部。
优选的，所述第一换热器的换热盘管出水管连接余热利用换热器，所述余热利用换热器选自设在所述三级换热装置与二级换热装置之间的换热器、二级换热装置与二级除湿装置之间的换热器、二级除湿装置与变频新风机之间的换热器、变频新风机之后的换热器中的一个或两个以上的组合。
所述第一换热器的管程的水换热升温后，通过所述换热盘管出水管输出到地下工程其它需热设备处或余热利用换热器利用，这部分水的热量为新风升温利用。
本发明所述的除湿调温系统还包括控制系统，所述控制系统包括控制器、温度传感器和湿度传感器，控制器通过线路连接温度传感器、湿度传感器、一级除湿装置、二级除湿装置、一级换热装置、二级换热装置、三级换热装置、变频新风机以及所述余热利用换热器，并控制各设备的运行功率和工质流量。所述湿度传感器设在排烟风道进入和/或排出所述一级除湿装置的位置、新风风道进入和/或排出二级除湿装置的位置；所述温度传感器至少设在排烟风道排出所述除湿调温系统的位置和新风风道进入所述除湿调温系统的位置。
优选的，所述温度传感器设在排烟风道和新风风道进出各个设备的位置。运行时，根据外部新风的温度指导柴油机烟气最终排出的温度，优选的，所述控制系统控制低温干燥气体与地下工程外新风的温差不大于4℃，达到隐蔽排烟的目的。
本发明所述的除湿调温系统采用多级换热配合除湿调温一体化的技术方案，对高温柴油机烟气和工程外新风进行温度和湿度双重调节，在充分利用烟气热量的同时，实现柴油机烟气的隐蔽排放。柴油机烟气温度较高，为提高降温效率，本发明采用喷淋降温，对柴油机烟气快速降温，然而面对湿度大幅增加的中温烟气，为了降低所述一级除湿装置的功耗，本发明增加了所述三级换热装置和挡水板，让中温烟气在进入一级除湿装置之前物理冷凝大部分水汽。在新风处理上，主要是配合并尽量利用柴油机烟气在各降温、除湿阶段释放的热量，为新风升温服务，同时通过三级换热装置利用外界自然低温新风为柴油机烟气降温，使能量利用形成闭环，降低地下工程以及所述除湿调温系统的整体能耗。
附图说明
图1为实施例1的所述除湿调温系统的结构图。
图2为实施例2的所述除湿调温系统的结构图。
图3为实施例3的所述除湿调温系统的结构图。
附图中，1-高温烟气，2-中温烟气，3-低温干燥气体，4-工程外新风，5-中温新风，6-喷淋室，7-布水器，8-第一换热器，9-换热盘管，10-喷淋进水管，11-喷淋出水管，12-换热盘管进水管，13-换热盘管出水管，14-补水管，15-泄水管，16-第一压缩机，17-第一储液器，18-第一蒸发器，19-第一风冷冷凝器，20-第二风冷冷凝器，21-变频新风机，22-控制器，23-第一温度传感器，24-第二温度传感器，25-排烟风道，26-新风风道，27-第一湿度传感器，28-二次升温新风，29-三次除湿升温新风，30-第二压缩机，31-第二储液器，32-第二蒸发器，33-第三风冷冷凝器，34-第二换热器，35-第二湿度传感器，36-挡水板，37-一次升温新风，38-第三湿度传感器，39-第一余热利用换热器，40-第二余热利用换热器，41-第三余热利用换热器，42-第四余热利用换热器。
具体实施方式
实施例1
本实施例的地下工程柴油机烟气消烟除湿调温系统的结构如图1所示，所述除湿调温系统包括一级换热装置、二级换热装置和一级除湿装置，一级换热装置包括通过喷淋水管道连接的喷淋室6和第一换热器8，排烟风道25依次连接喷淋室6和一级除湿装置，分别对柴油机烟气进行降温净化和除湿处理；二级换热装置设在新风风道26内，二级换热装置为第二风冷冷凝器20，并连接共用一级除湿装置的第一压缩机16。
一级换热装置包括喷淋室6和第一换热器8，喷淋室6的顶部设有布水器7，两端分别设有高温烟气进口和中温烟气出口，排烟风道25接通高温烟气进口，将高温烟气1输入喷淋室6。布水器7连接喷淋进水管10，喷淋室底部连接喷淋出水管11，喷淋水管道为喷淋室提供冷却水，冷却水流向与高温烟气1流向垂直。未经处理的高温烟气1进入喷淋室后，进过冷却水淋洗，不仅将大部分热量传递给冷却水，自身进行一次降温，得到中温烟气2，而且能够有效去除高温烟气1中的碳颗粒及其它污染物，完成烟气净化。
喷淋室6通过喷淋水管道连接第一换热器8，第一换热器为管式换热器，管程为换热盘管9，并设有换热盘管进水管12和换热盘管出水管13，用于输送冷凝水在换热盘管9中流动，从喷淋室流出的换热后的热水在壳程中流动，与冷凝水进行换热；换热后，壳程的水通过喷淋进水管10流回喷淋室6继续冷却净化高温烟气1，重复利用，管程的水通过换热盘管出水管13输出到地下空间其它需热设备处利用。壳程还设有补水管14和泄水管15，并连接外部冷却水源，用于更新或补充壳程以及喷淋室6内的冷却水。
通过喷淋室6，高温烟气1的温度能够从500℃降至中温烟气2的50℃，大部分被净化，由黑色烟气变为白色烟气，高温烟气1中的热量被转移至冷却水中，并带至第一换热器8再次换热并重复利用。中温烟气2从中温烟气出口排出，进入排烟风道25，继续流向一级除湿装置。
在一级除湿装置中，第一压缩机16的排气口依次串联第一风冷冷凝器19和第一蒸发器18，第一蒸发器18再连接第一压缩机16的吸气口，第一蒸发器18连接第一储液器17，对进入一级除湿装置的中温烟气2进行除湿处理。同时，第一风冷冷凝器19对中温烟气2进行进一步降温，得到低温干燥气体3，最终排出除湿调温系统并排出地下工程。
二级换热装置的第二风冷冷凝器20连接第一压缩机16，新风风道26连接并通过第二风冷冷凝器20，利用第一风冷冷凝器19和第二风冷冷凝器20的调温作用，将中温烟气2的部分热量传递给地下工程外新风4，既实现中温烟气2的降温排放，彻底消除“白烟”现象，又对工程外新风4进行预热，得到中温新风5，降低新风在地下工程的热负荷。
二级换热装置后方的新风风道26内设置变频新风机21，用于调节中温新风5的流量，最后送入地下工程内部。
控制系统包括控制器22、第一温度传感器23、第二温度传感器24和第三湿度传感器38，控制器22通过线路连接温度传感器、湿度传感器、一级除湿装置、一级换热装置、二级换热装置、变频新风机，并控制各设备的运行功率和工质流量。第一温度传感器23设在排烟风道25排出所述除湿调温系统的位置，第二温度传感器24设在新风风道26进入所述除湿调温系统的位置，监控低温干燥气体3与工程外新风4的温差不大于4℃。第三湿度传感器38设在排烟风道25排出一级除湿装置的位置。
实施例2
本实施例的地下工程柴油机烟气消烟除湿调温系统在实施例1的基础上增加了三级换热装置、二级除湿装置，其结构如图2所示。
喷淋室6与一级除湿装置之间设置三级换热装置，三级换热装置为第二换热器34，同时新风风道26将第二换热器34、二级换热装置的第二风冷冷凝器20和二级除湿装置依次串联后，再连接变频新风机21，排烟风道25与新风风道26在第二换热器34处的排布方式为垂直对流方式。排烟风道25将一级换热装置处理得到的中温烟气2送入第二换热器34进行二级降温处理，然后进入一级除湿装置进行三级降温和除湿，最后得到低温干燥气体3并排出地下工程。同时，工程外新风4作为第二换热器34的冷却介质，无需添加其他冷却介质，缩小中温烟气2与新风之间的温差。另一方面，高温烟气1经过喷淋室6后，湿度增大，因此中温烟气2在经过第二换热器34降温后，一部分水汽冷凝在第二换热器34中，减少湿度，降低一级除湿装置的功耗。
第二换热器34与一级除湿装置之间设有挡水板36，挡水板36垂直于烟气流向，表面均匀分布许多通孔，中温烟气2中含有的水汽进一步凝结在挡水板36上，进一步减少湿度。
第二换热器34与变频新风机21之间设置二级除湿装置，二级除湿装置包括第二压缩机30、第二储液器31、第二蒸发器32和第三风冷冷凝器33，第二压缩机30的排气口依次串联第三风冷冷凝器33和第二蒸发器32，第二蒸发器32再连接第二压缩机30的吸气口，第二蒸发器32连接第二储液器31。二级除湿装置对于夏季外部新风湿度较大时，对工程外新风4除湿。
运行时，工程外新风4通过三级换热装置(第二换热器34)后，得到一次升温新风37，再通过二级换热装置(第二风冷冷凝器20)后，得到二次升温新风28，再通过二级除湿装置的除湿升温作用后，得到三次除湿升温新风29，经过变频新风机21调节流量后，最后送入地下工程内部。
本实施例的控制系统在实施例1的控制系统的基础上，还包括第一湿度传感器27和第二湿度传感器35，控制器22通过线路再连接上第一湿度传感器27、第二湿度传感器35、二级除湿装置、第二换热器34，并控制各设备的运行功率和工质流量。第一湿度传感器27和第二湿度传感器35分别设在新风风道26进入、排出二级除湿装置的位置。
实施例3
本实施例的地下工程柴油机烟气消烟除湿调温系统在实施例2的基础上增加了余热利用换热器，其结构如图3所示。
第一换热器8的换热盘管出水管13连接第一余热利用换热器39、第二余热利用换热器40、第三余热利用换热器41、第四余热利用换热器42，第一余热利用换热器39设在第二换热器34与二级换热装置(第二风冷冷凝器20)之间，第二余热利用换热器40设在第二风冷冷凝器20与二级除湿装置之间，第三余热利用换热器41设在二级除湿装置与变频新风机21之间，第四余热利用换热器42设在变频新风机21之后的新风风道上。第一换热器8的管程的水换热升温后，通过换热盘管出水管13输出到第一余热利用换热器39、第二余热利用换热器40、第三余热利用换热器41、第四余热利用换热器42，这部分水的热量为新风升温利用。

Claims (10)

1.一种地下工程柴油机烟气消烟除湿调温系统，其特征在于，所述除湿调温系统包括至少两级换热装置、至少一级除湿装置、排烟风道和新风风道，一级换热装置包括通过喷淋水管道连接的喷淋室和第一换热器，所述排烟风道依次连接所述喷淋室和一级除湿装置，分别对柴油机烟气进行降温净化和除湿处理；二级换热装置设在所述新风风道内，所述二级换热装置为风冷冷凝器，并连接共用所述一级除湿装置的压缩机，所述二级换热装置的后方的新风风道内设置变频新风机。
2.根据权利要求1所述的除湿调温系统，其特征在于，所述喷淋室的顶部设有布水器，两端分别设有高温烟气进口和中温烟气出口，所述排烟风道接通高温烟气进口，将柴油机烟气输入喷淋室；
所述布水器连接喷淋进水管，喷淋室底部连接喷淋出水管，喷淋水管道为喷淋室提供冷却水，冷却水流向与柴油机烟气流向垂直，得到的中温烟气从所述中温烟气出口排出，进入排烟风道。
3.根据权利要求2所述的除湿调温系统，其特征在于，所述第一换热器为管式换热器，管程为换热盘管，并设有换热盘管进水管和换热盘管出水管，用于输送冷凝水在管程中流动；从所述喷淋出水管流出的热水在壳程中流动，与冷凝水进行换热，换热后，通过所述喷淋进水管流回喷淋室；所述壳程设有补水管和泄水管，并连接外部冷却水源。
4.根据权利要求2所述的除湿调温系统，其特征在于，所述一级除湿装置包括第一压缩机、第一储液器、第一蒸发器和第一风冷冷凝器，所述第一压缩机的排气口依次串联第一风冷冷凝器和第一蒸发器，第一蒸发器再连接第一压缩机的吸气口，第一蒸发器连接第一储液器，对进入一级除湿装置的中温烟气进行除湿调温处理，得到低温干燥气体。
5.根据权利要求4所述的除湿调温系统，其特征在于，所述二级换热装置的第二风冷冷凝器连接一级除湿装置的第一压缩机，新风风道连接并通过第二风冷冷凝器，利用第一风冷冷凝器和第二风冷冷凝器的调温作用，将中温烟气的部分热量传递给地下工程外的新风。
6.根据权利要求3所述的除湿调温系统，其特征在于，所述喷淋室与一级除湿装置之间设置三级换热装置，同时所述新风风道将三级换热装置和二级换热装置依次串联后，再连接变频新风机；
所述排烟风道与新风风道在三级换热装置处的排布方式选自平行对流方式或垂直对流方式，所述三级换热装置为第二换热器。
7.根据权利要求6所述的除湿调温系统，其特征在于，所述三级换热装置与一级除湿装置之间设有挡水板。
8.根据权利要求6所述的除湿调温系统，其特征在于，所述二级换热装置与变频新风机之间设置二级除湿装置，所述二级除湿装置包括第二压缩机、第二储液器、第二蒸发器和第三风冷冷凝器，所述第二压缩机的排气口依次串联第三风冷冷凝器和第二蒸发器，第二蒸发器再连接第二压缩机的吸气口，第二蒸发器连接第二储液器。
9.根据权利要求8所述的除湿调温系统，其特征在于，所述第一换热器的换热盘管出水管连接余热利用换热器，所述余热利用换热器选自设在所述三级换热装置与二级换热装置之间的换热器、二级换热装置与二级除湿装置之间的换热器、二级除湿装置与变频新风机之间的换热器、变频新风机之后的换热器中的一个或两个以上的组合。
10.根据权利要求9所述的除湿调温系统，其特征在于，所述的除湿调温系统包括控制系统，所述控制系统包括控制器、温度传感器和湿度传感器，控制器通过线路连接温度传感器、湿度传感器、一级除湿装置、二级除湿装置、一级换热装置、二级换热装置、三级换热装置、变频新风机以及所述余热利用换热器，并控制各设备的运行功率和工质流量；
所述湿度传感器设在排烟风道进入和/或排出所述一级除湿装置的位置、新风风道进入和/或排出二级除湿装置的位置，所述温度传感器至少设在排烟风道排出所述除湿调温系统的位置和新风风道进入所述除湿调温系统的位置。
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