CN113251704A - 一种回收工业低温热能的方法及外挂式热泵系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于工业生产能量回收技术领域。涉及一种回收工业低温热能的方法及外挂式热泵系统，在工艺装置外部设置一外挂式热泵系统，将工艺装置中的工艺流股输送至外挂式热泵系统中，并与设置在外挂式热泵系统中的热泵工质进行热交换，吸收热能后的热泵工质输送至工艺装置中，替代原有的加热工质，为工艺装置供热；外挂式热泵系统包括工艺流股进口、工艺流股出口、热泵工质进口、热泵工质出口、间壁式换热器、用于提升工艺流股或热泵工质压力的升压设备。本发明中外挂式热泵系统与工艺装置之间只需通过管道连接，无需改变原空间布置及工艺流程；工艺装置中的余热通过热泵工质吸收，再将热泵工质替代原有的加热工质，降低了原有加热工质的消耗。

Description

一种回收工业低温热能的方法及外挂式热泵系统

技术领域

本发明属于工业生产能量回收技术领域，涉及一种回收工业低温热能的方法及外挂式热泵系统。

背景技术

在传统的工业生产装置中，存在大量的低温热能没有被回收后再次用于工程的供热，而是采用冷却方式将这部分热能散发到自然界中，造成了能量资源的浪费。一个典型的事例就是化工生产中的精馏过程：精馏塔顶出来的蒸汽相物料通常都采用循环水冷却的方式令其冷凝降温，不但没有回收利用该股物料的冷凝潜热和冷却显热，还额外耗费了冷却系统的运行能量和水资源。

在近年来公开的技术创新中，热泵技术已经被融入到工业过程包括精馏过程的热集成节能方案中，对业界使用的传统技术方案的工艺流程结构进行了创新性的改变，将热泵子系统嵌入了精馏过程内部，这种方式适用于全新修建的生产装置，但对于采用传统技术方案的已建成的生产装置，由于热泵子系统中设备体积较大，无法将其安装到现有设备的间隔空间中，甚至连管路配置都会产生空间碰撞而难以解决。

目前我国的过程工业的现状是对于多数大宗产品，已建成装置的产能已经能满足国内市场甚至国际市场的需求，大量建设新装置必然带来产能的巨大过剩和浪费，不利于社会经济的稳定发展。因此我国实现绿色制造绿色发展的一个关键因素，是研发适合于对采用传统技术方案的现有装置不进行伤筋动骨的工程施工，而又能利用热泵技术原理较大程度地实现节能减排的技术方案，围绕这个生长点进行科技创新，创造可实施的方法和装置成为必然趋势。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于解决工业生产装置中的大量低温热能没有回收利用，且现有热能回收技术不适用于已建成工艺装置的节能减排升级改造，工程实施难度大的问题，提供一种回收工业低温热能的方法及外挂式热泵系统。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种回收工业低温热能的方法，在工艺装置外部设置一内部设有热泵工质流股的外挂式热泵系统，将所述工艺装置中携带热能的工艺流股输送至所述外挂式热泵系统中，并通过所述外挂式热泵系统将热能传递给热泵工质流股；将吸收热能后的热泵工质流股输送至所述工艺装置的加热装置中，替代所述工艺装置中原有的加热工质，为所述工艺装置供热。

本方案在工艺装置外部设置一外挂式热泵系统，并将工艺装置中携带热能的工艺流股引入外挂式热泵系统中与热泵工质流股进行热交换，并用吸收热能后的热泵工质流股替代工艺装置中原有的加热工质，为工艺装置供热。通过回收工艺流股的余热，利用工艺装置本身的余热为工艺装置供热，原有的加热工质无需继续供热；余热回收的同时降低了加热工质的消耗，实现了较好的节能减排效果。整个外挂式热泵系统设置于工艺装置外部，可设立在独立的空间位置，与现有工艺装置之间只需通过管道连接，不改变工艺装置原有的空间布置。

进一步，所述热泵工质流股吸收热能后由液态转变为蒸汽态，将蒸汽态热泵工质流股提升压力后或直接输送至所述工艺装置中进行热交换；释放热能后的热泵工质流股由蒸汽态转变为液态，将液态热泵工质流股返回所述外挂式热泵系统中进行循环换热，或将液态热泵工质流股输送至外挂式热泵系统外部并从外挂式热泵系统外部引入新的液态热泵工质流股至外挂式热泵系统中。

进一步，所述工艺装置产生的工艺流股为蒸汽态，将蒸汽态工艺流股提升压力后或直接输送至所述外挂式热泵系统中与所述热泵工质流股进行间壁式换热；释放热能后的工艺流股由蒸汽态转变为液态，将液态工艺流股返回所述工艺装置或将液态工艺流股输送至所述工艺装置外部。

进一步，所述提升压力过程采用单级或多级串联升压方式，并在升压后进行液体喷淋。

将蒸汽态热泵工质或蒸汽态工艺流股进行升压以提高其冷凝温度，从而满足换热过程的传热温差需求，在升压后进行液体喷淋，降低蒸汽过热度。

进一步，所述热泵工质流股与所述工艺装置中原有加热工质成份相同，工艺装置中原有的供热设备无需改变，不干扰工艺装置原有的工艺流程，并可在工艺装置运行操作时方便地选择是否使用外挂式热泵系统，实现不停车切换，不降低工艺装置的运行可靠性和安全性。

进一步，所述工艺流股与热泵工质流股的数量均至少为1股，可实现从工艺装置的多个位置引出工艺流股，进行多处余热同时回收。

进一步，所述工艺装置和外挂式热泵系统的数量均至少为1个，可将多个工艺装置中的热能集中回收，并统一调配。

一种回收工业低温热能的外挂式热泵系统，包括间壁式换热器，所述间壁式换热器包括冷流体通道、热流体通道，所述外挂式热泵系统还包括用于引入工艺装置中携带热能的工艺流股的工艺流股进口，用于引入吸收工艺流股中热能的热泵工质流股的热泵工质进口，以及工艺流股出口、热泵工质出口；所述工艺流股进口与所述热流体通道入口通过管道连通；所述工艺流股出口与所述热流体通道出口通过管道连通；所述热泵工质进口与所述冷流体通道入口通过管道连通；所述热泵工质出口与所述冷流体通道出口通过管道连通；所述冷流体通道出口与热泵工质出口之间的管道上和/或所述热流体通道入口与工艺流股进口之间的管道上设有升压设备。

进一步，所述升压设备采用单级或多级的流体射流升压器或压缩机；所述升压设备后设有用于降低蒸汽过热度的喷淋罐，所述喷淋罐通过管道与升压设备连接。

进一步，所述间壁式换热器、工艺流股进口、热泵工质出口、工艺流股出口、热泵工质进口均有若干个。

进一步，每个所述热流体通道入口各自分别与一个工艺流股进口连通，或多个所述热流体通道入口与同一个工艺流股进口连通；每个所述热流体通道出口各自分别与一个工艺流股出口连通，或多个所述热流体通道出口与同一个工艺流股出口连通；每个所述冷流体通道入口各自分别与一个热泵工质进口连通，或多个所述冷流体通道入口与同一个热泵工质进口连通；每个所述冷流体通道出口各自分别与一个热泵工质出口连通，或多个所述冷流体通道出口与同一个热泵工质出口连通。

进一步，所述管道上设有辅助设备，所述辅助设备为罐或槽或泵或阀。

本发明的有益效果在于：

1)本发明在工艺装置外部设置外挂式热泵系统，并将工艺装置中携带热能的工艺流股通过外挂式热泵系统与热泵工质流股进行热交换，再用吸收热能后的热泵工质流股替代工艺装置中原有的加热工质，为工艺装置供热，将工艺流股中的低温余热回收再利用，降低了原有加热工质的消耗。

2)本发明中外挂式热泵系统设置于工艺装置外部，可设立在独立的空间位置，与现有工艺装置之间只需通过管道连接，不改变工艺装置原有的空间布置，不干扰工艺装置原有的工艺流程，并在运行操作中可方便地选择是否使用热泵系统，实现不停车切换，不降低工艺装置的运行可靠性和安全性。

3)本发明中热泵工质循环中的升压设备及连接管路和设备只接触清洁无腐蚀性的热泵工质流股，降低了对材质的耐腐蚀性要求和安全风险。

4)本发明中外挂式热泵系统通用性强，可适用于多种类型工艺装置，尤其适用于工业精馏过程的大幅度节能减排。

5)采用本发明中的方法及外挂式热泵系统，余热回收的同时降低了原有加热工质的消耗，与原工艺相比，实现节能减排超过30％。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明中回收工业低温热能的方法流程示意图；

图2为本发明中外挂式热泵系统的一种可选结构示意图；

图3为本发明中外挂式热泵系统的另一种可选结构示意图；

图4为传统工艺装置整体示意图；

图5为本发明实施例1中外挂式热泵系统整体示意图；

图6为本发明实施例2中外挂式热泵系统整体示意图。

附图标记：1、工艺流股进口；2、工艺流股出口；3、热泵工质出口；4、热泵工质进口；5、间壁式换热器；6、压缩机；1-1、预精馏塔；1-2、加压塔；1-3、常压塔；1-4、回收塔；1-5、粗甲醇预热器；1-6、预精馏塔一级冷凝器；1-7、预精馏塔回流罐；1-8、预精馏塔二级冷凝器；1-9、不凝气分离器；1-10、预精馏塔再沸器；1-11、中间预热器；1-12、加压塔再沸器；1-13、常压塔再沸器；1-14、加压塔回流罐；1-15、第一精甲醇冷却器；1-16、常压塔冷凝器；1-17、常压塔回流罐；1-18、第二精甲醇冷却器；1-19、回收塔冷凝器；1-20、回收塔回流罐；1-21、回收塔再沸器；LS、生蒸汽管道；LC、蒸汽冷凝液管道；2-1、第一热泵压缩机；2-2、第一间壁式换热器；2-3、第二间壁式换热器；2-4、第二热泵压缩机；2-5、第一工艺流股进口；2-6、第一工艺流股出口；2-7、第二工艺流股进口；2-8、第二工艺流股出口。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

请参阅图1，为本发明中回收工业低温热能的方法流程示意图，在工艺装置外部安装一内部设置有热泵工质流股的外挂式热泵系统，将工艺装置中携带热能的工艺流股输送至外挂式热泵系统中，并通过外挂式热泵系统将热能传递给热泵工质流股；将吸收热能后的热泵工质流股输送至工艺装置的加热装置中，替代工艺装置中原有的加热工质，为工艺装置供热；其中，热泵工质流股吸收热能后由液态转变为蒸汽态，将蒸汽态热泵工质流股提升压力后或直接输送至工艺装置中进行热交换；释放热能后的热泵工质流股由蒸汽态转变为液态，将液态热泵工质流股返回外挂式热泵系统中进行循环换热，或将液态热泵工质流股输送至外挂式热泵系统外部并从外挂式热泵系统外部引入新的液态热泵工质流股至外挂式热泵系统中；其中，工艺装置产生的工艺流股为蒸汽态，将蒸汽态工艺流股提升压力后或直接输送至外挂式热泵系统中与热泵工质流股进行间壁式换热；释放热能后的工艺流股由蒸汽态转变为液态，将液态工艺流股返回工艺装置或将液态工艺流股输送至工艺装置外部。

请参阅图2～3，为本发明中外挂式热泵系统的两种可选结构示意图，外挂式热泵系统包括工艺流股进口1、工艺流股出口2、热泵工质进口4、热泵工质出口3、间壁式换热器5；工艺流股进口1、工艺流股出口2与间壁式换热器5的热流体通道连通，热泵工质进口4、热泵工质出口3与间壁式换热器5的冷流体通道连通；冷流体通道出口与热泵工质出口3之间的管道上和/或热流体通道入口与工艺流股进口1之间的管道上安装有压缩机6。

对比实施例

请参阅图4，本实施例为传统的合成甲醇四塔双效精馏的工艺装置，工艺装置的作用为将粗甲醇精制为精甲醇。工艺装置包括预精馏塔1-1；加压塔1-2；常压塔1-3；回收塔1-4；粗甲醇预热器1-5；预精馏塔一级冷凝器1-6；预精馏塔回流罐1-7；预精馏塔二级冷凝器1-8；不凝气分离器1-9；预精馏塔再沸器1-10；中间预热器1-11；加压塔再沸器1-12；常压塔再沸器1-13；加压塔回流罐1-14；第一精甲醇冷却器1-15；常压塔冷凝器1-16；常压塔回流罐1-17；第二精甲醇冷却器1-18；回收塔冷凝器1-19；回收塔回流罐1-20；回收塔再沸器1-21；生蒸汽管道LS；蒸汽冷凝液管道LC，其中常压塔再沸器1-13用加压塔1-2塔顶的精甲醇蒸汽加热；预精馏塔再沸器1-10、加压塔再沸器1-12和回收塔再沸器1-21均需要用生蒸汽加热，消耗大量生蒸汽。

实施例1

请参阅图5，本实施例为在对比实施例的基础上，在工艺装置外部加装外挂式热泵系统，本实施例中工艺流股为精甲醇，热泵工质为水，升压设备采用压缩机。

从常压塔1-3塔顶和常压塔冷凝器1-16之间的管道上通过管道将精甲醇蒸汽引出，通过第一工艺流股进口2-5接入外挂式热泵系统中，第一工艺流股进口2-5与第一热泵压缩机2-1连通，精甲醇蒸汽经第一热泵压缩机2-1压缩升压后进入第一间壁式换热器2-2，与液态水进行热交换，将热能传递给水后从第一工艺流股出口2-6重新返回工艺装置中，进入原有的后继处理工序；液态水在第一间壁式换热器2-2中吸收热量后变为水蒸汽，水蒸汽经第二热泵压缩机2-4压缩升压后，通过热泵工质出口3输送至工艺装置替代原有的加热工质，即生蒸汽，经生蒸汽管道LS进入加压塔再沸器1-12，为加压塔再沸器1-12供热，换热后水蒸汽变为液态水，从加压塔再沸器1-12的蒸汽冷凝液管道LC引出，通过热泵工质进口4返回外挂式热泵系统，并进入第一间壁式换热器2-2进行热交换循环。

其中第一热泵压缩机2-1和第二热泵压缩机2-4均为多级压缩，级间进行喷淋以降低蒸汽的过热度。

实施例2

请参阅图6，本实施例为在实施例1的基础上进一步优化，区别在于：外挂式热泵系统增加了第二间壁式换热器2-3、第二工艺流股进口2-7、第二工艺流股出口2-8；其中，第一间壁式换热器2-2与第二间壁式换热器2-3并联，热泵工质进口4分别与第一间壁式换热器2-2与第二间壁式换热器2-3连通，从热泵工质进口4引入的液态水分别在第一间壁式换热器2-2与第二间壁式换热器2-3进行热交换，并转变为水蒸汽，两股水蒸汽合流后进入第二热泵压缩机2-4进行压缩升压，再通过热泵工质出口3输送至工艺装置中，为工艺装置供热。

本实施例中携带热能的工艺流股有两股，其中一股为精甲醇液体，从加压塔回流罐1-14和第一精甲醇冷却器1-15之间的管道上引出，接入第二工艺流股进口2-7，经热交换后从第二工艺流股出口2-8返回工艺装置中；另一股为精甲醇蒸汽，从常压塔1-3塔顶和常压塔冷凝器1-16之间的管道上引出，接入第一工艺流股进口2-5，依次经压缩升压、热交换后从第一工艺流股出口2-6返回工艺装置中。

本实施例中水蒸汽经过压缩升压后通过热泵工质出口3引出后分别输送至工艺装置中的预精馏塔再沸器1-10、加压塔再沸器1-12、回收塔再沸器1-21中，为其供热，换热后冷凝为液态水，通过热泵工质进口4返回外挂式热泵系统，实现热能回收再利用。

最终将对比实施例、实施例1、实施例2的能耗情况进行统计，具体能耗对比见表1。

表1能耗对比

由表1可知，传统工艺装置采用本发明中的外挂式热泵系统优化后，实现节能分别达32.5％、41.8％。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (12)

1.一种回收工业低温热能的方法，其特征在于：在工艺装置外部设置一内部设有热泵工质流股的外挂式热泵系统，将所述工艺装置中携带热能的工艺流股输送至所述外挂式热泵系统中，并通过所述外挂式热泵系统将热能传递给热泵工质流股；将吸收热能后的热泵工质流股输送至所述工艺装置的加热装置中，替代所述工艺装置中原有的加热工质，为所述工艺装置供热。

2.根据权利要求1所述的一种回收工业低温热能的方法，其特征在于：所述热泵工质流股吸收热能后由液态转变为蒸汽态，将蒸汽态热泵工质流股提升压力后或直接输送至所述工艺装置中进行热交换；释放热能后的热泵工质流股由蒸汽态转变为液态，将液态热泵工质流股返回所述外挂式热泵系统中进行循环换热，或将液态热泵工质流股输送至外挂式热泵系统外部并从外挂式热泵系统外部引入新的液态热泵工质流股至外挂式热泵系统中。

3.根据权利要求1所述的一种回收工业低温热能的方法，其特征在于：所述工艺装置产生的工艺流股为蒸汽态，将蒸汽态工艺流股提升压力后或直接输送至所述外挂式热泵系统中与所述热泵工质流股进行间壁式换热；释放热能后的工艺流股由蒸汽态转变为液态，将液态工艺流股返回所述工艺装置或将液态工艺流股输送至所述工艺装置外部。

4.根据权利要求2或3所述的一种回收工业低温热能的方法，其特征在于：所述提升压力过程采用单级或多级串联升压方式，并在升压后进行液体喷淋。

5.根据权利要求1所述的一种回收工业低温热能的方法，其特征在于：所述热泵工质流股与所述工艺装置中原有加热工质成份相同。

6.根据权利要求1所述的一种回收工业低温热能的方法，其特征在于：所述工艺流股与热泵工质流股的数量均至少为1股。

7.根据权利要求1所述的一种回收工业低温热能的方法，其特征在于：所述工艺装置和外挂式热泵系统的数量均至少为1个。

8.一种回收工业低温热能的外挂式热泵系统，包括间壁式换热器，所述间壁式换热器包括冷流体通道、热流体通道，其特征在于：所述外挂式热泵系统还包括用于引入工艺装置中携带热能的工艺流股的工艺流股进口，用于引入吸收工艺流股中热能的热泵工质流股的热泵工质进口，以及工艺流股出口、热泵工质出口；所述工艺流股进口与所述热流体通道入口通过管道连通；所述工艺流股出口与所述热流体通道出口通过管道连通；所述热泵工质进口与所述冷流体通道入口通过管道连通；所述热泵工质出口与所述冷流体通道出口通过管道连通；所述冷流体通道出口与热泵工质出口之间的管道上和/或所述热流体通道入口与工艺流股进口之间的管道上设有升压设备。

9.根据权利要求8所述的一种回收工业低温热能的外挂式热泵系统，其特征在于：所述升压设备采用单级或多级的流体射流升压器或压缩机；所述升压设备后设有用于降低蒸汽过热度的喷淋罐，所述喷淋罐通过管道与升压设备连接。

10.根据权利要求8所述的一种回收工业低温热能的外挂式热泵系统，其特征在于：所述间壁式换热器、工艺流股进口、热泵工质出口、工艺流股出口、热泵工质进口均有若干个。

11.根据权利要求10所述的一种回收工业低温热能的外挂式热泵系统，其特征在于：每个所述热流体通道入口各自分别与一个工艺流股进口连通，或多个所述热流体通道入口与同一个工艺流股进口连通；每个所述热流体通道出口各自分别与一个工艺流股出口连通，或多个所述热流体通道出口与同一个工艺流股出口连通；每个所述冷流体通道入口各自分别与一个热泵工质进口连通，或多个所述冷流体通道入口与同一个热泵工质进口连通；每个所述冷流体通道出口各自分别与一个热泵工质出口连通，或多个所述冷流体通道出口与同一个热泵工质出口连通。

12.根据权利要求8所述的一种回收工业低温热能的外挂式热泵系统，其特征在于：所述管道上设有辅助设备，所述辅助设备为罐或槽或泵或阀。

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