CN113899113A - 烟气余热梯级回收装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种烟气余热梯级回收装置及方法，该装置包括：发生单元用于将工质加热；冷凝单元与发生单元连接，用于将第一温度水蒸气冷凝释放第一热量；第一蒸发单元与冷凝单元连接，用于利用第一喷淋塔的循环水的热量加热第一温度冷凝水；第一吸收单元用于混合第二温度水蒸气与工质释放第二热量；第二蒸发单元与第一蒸发单元连接，用于利用第二喷淋塔的循环水的热量加热第二温度冷凝水；第二吸收单元用于混合第三温度水蒸气与工质释放第三热量；其中，第一热量、第二热量、第三热量分别传递至供热管网，用于加热供热管网中的水；第一喷淋塔的循环水的温度高于第二喷淋塔的循环水的温度。

Description

烟气余热梯级回收装置及方法

技术领域

本发明涉及余热回收技术领域，具体涉及一种烟气余热梯级回收装置及方法。

背景技术

锅炉在燃烧后产生的高温烟气携带有大量的余热，充分利用烟气余热对减碳、降耗、增效具有重要意义。目前，烟气余热回收技术主要包括：直接接触式和间接接触式两类。直接接触式烟气余热回收技术主要通过循环冷却水与烟气进行直接接触，将高温烟气中的热量传递给循环介质，主要采用的形式包括，有填料或无填料的喷淋塔。间接接触式烟气余热回收技术主要通过换热器，将高温烟气的热量传递给循环介质。循环介质回收的余热则采用热泵进行提取，或直接利用。

目前，直接和间接接触式余热回收技术中主要以水作为循环介质。直接接触式烟气余热回收技术由于循环水与烟气的接触面积大、传热、传质同时进行，因而应用效果较好。

但是，无论直接接触式余热回收技术还是间接接触式余热回收技术都只在回收高品位的余热时效果显著，而对于低品位余热的回收收效甚微。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种烟气余热梯级回收装置及方法，以期至少部分地解决上述技术问题。

本发明的第一个方面提供了一种烟气余热梯级回收装置，包括：

发生单元，用于将工质加热，产生第一温度水蒸气；

冷凝单元，与发生单元连接，用于将第一温度水蒸气冷凝产生第一温度冷凝水，释放第一热量；

第一蒸发单元，与冷凝单元连接，用于利用第一喷淋塔的循环水的热量加热第一温度冷凝水，产生第二温度水蒸气和第二温度冷凝水；

第一吸收单元，通过第一换热器与发生单元连接，第一吸收单元与第一蒸发单元连接，用于混合第二温度水蒸气与工质，释放第二热量；

第二蒸发单元，与第一蒸发单元连接，用于利用第二喷淋塔的循环水的热量加热第二温度冷凝水，产生第三温度水蒸气；

第二吸收单元，通过第二换热器与第一吸收单元连接，第二吸收单元与第二蒸发单元连接，用于混合第三温度水蒸气与工质，释放第三热量；

其中，第一热量、第二热量、第三热量分别传递至设置在冷凝单元、第一吸收单元、第二吸收单元中的供热管网，用于加热供热管网中的水；

第一喷淋塔的循环水的温度高于第二喷淋塔的循环水的温度。

根据本发明的实施例，上述装置还包括：溶液泵，用于通过工质回路，将工质依次流经第二换热器、第一换热器传输至发生单元。

根据本发明的实施例，上述工质包括以下任意一种：水-溴化锂、氨-水。

根据本发明的实施例，第一喷淋塔，用于使第一温度的烟气与第一喷淋塔的循环水进行接触式换热，产生第二温度的烟气；第二喷淋塔，与第一喷淋塔通过烟道连接，用于使第二温度的烟气与第二喷淋塔的循环水进行接触式换热，产生第三温度的烟气。

根据本发明的实施例，上述装置还包括：第一风机，设置在第一喷淋塔的顶部，用于将第二温度的烟气传输至第二喷淋塔；第二风机，设置在第二喷淋塔的顶部，用于将第三温度的烟气传输至烟气排放口。

根据本发明的实施例，第一喷淋塔、第二喷淋塔内部均设置防腐涂层。

根据本发明的实施例，上述装置还包括：第一加药装置，设置在第一喷淋塔的循环水的管路上，用于测定第一喷淋塔的循环水的第一酸碱度，并根据第一酸碱度调节第一加药量；第二加药装置，设置在第二喷淋塔的循环水的管路上，用于测定第二喷淋塔的循环水的第二酸碱度，并根据第二酸碱度调节第二加药量。

根据本发明的实施例，上述装置还包括：第一节流阀，设置在冷凝单元与第一蒸发单元之间，用于控制第一温度冷凝水的流速；第二节流阀，设置在第一蒸发单元与第二蒸发单元之间，用于控制第二温度冷凝水的流速。

根据本发明的实施例，第一换热器，用于使发生单元出口的工质与工质回路中的工质进行换热；第二换热器，用于使第二吸收单元出口的工质与工质回路中的工质进行换热。

本发明的第二个方面提供了一种烟气余热梯级回收方法，包括：

在发生单元中对工质进行加热，产生第一温度水蒸气；

在冷凝单元中对第一温度水蒸气进行冷凝，产生第一温度冷凝水，并释放第一热量；

在第一蒸发单元中，利用第一喷淋塔的循环水的热量加热第一温度冷凝水，产生第二温度水蒸气和第二温度冷凝水；

在第一吸收单元中，第二温度水蒸气与经过第一换热器的工质混合，释放第二热量；

在第二蒸发单元中，利用第二喷淋塔的循环水的热量加热第二温度冷凝水，产生第三温度水蒸气和第三温度冷凝水；

在第二吸收单元中，第三温度水蒸气与经过第二换热器的工质混合，释放第三热量；

其中，第一热量、第二热量、第三热量均通过分别设置在冷凝单元、第一吸收单元、第二吸收单元中的供热管网，为供热管网中的水加热。

根据本发明的实施例，以吸收式热泵循环原理为基础，通过设置一组发生单元-冷凝单元、两组吸收单元-蒸发单元，使两组吸收单元-蒸发单元分别工作在两个压力和温度等级，实现两个温度段的余热回收，从而提高了热泵余热回收系统的综合能效。该装置的两个温度段的喷淋塔分别与两个吸收-蒸发单元整合起来，形成两个烟气余热回收单元，使系统更紧凑，可以实现模块化安装，解决了烟气余热梯级利用的问题。

附图说明

图1示意性示出了根据本发明实施例的烟气余热梯级回收装置示意图；

图2示意性示出了根据本发明实施例的烟气余热梯级回收方法中每个阶段对应的温度-饱和蒸汽压变化曲线图；

附图标记：

1.发生单元；2.第一换热器；3.第二换热器；4.溶液泵；5.第一吸收单元；6.第二吸收单元；7.冷凝单元；8-1.第一节流装置；8-2.第二节流装置；9.第一蒸发单元；10.第二蒸发单元；11.第一喷淋塔；12.第二喷淋塔；13.第一喷淋泵；14.第二喷淋泵；15-1.第一喷头；15-2.第二喷头16-1.第一风机；16-2.第二风机；17.烟道；18.供热管网入口；19.供热管网出口；20.驱动热源回路；21.第一温度烟气的入口；22.烟气排放口；23-1.第一加药装置；23-2.第二加药装置。

具体实施方式

为了提取循环介质回收的低品位余热，通常需要利用热泵。吸收式热泵由于可以直接利用锅炉热水进行驱动，避免了蒸汽压缩式热泵的额外耗电，因而与直接接触式余热回收配合使用，具有较好的节能性和运行经济性。

但是，由于烟气的露点通常在56℃左右，单级余热回收的喷淋塔不能充分利用烟气中的高品位热能，喷淋后的余热循环水温度较低，大大降低热泵的能效。一种可行的方案是将喷淋塔设计成两段，烟气先后经过两级喷淋塔，一级高温喷淋，一级低温喷淋。但热泵就需要增加一台，一台高温段运行，一台低温段运行，充分提高热泵系统的综合能效，但热泵台数增多，投资增大明显。

在上述发明构思的基础上，本发明提供了一种烟气余热梯级回收装置及方法。为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

图1示意性示出了根据本发明实施例的烟气余热梯级回收装置示意图。

如图1所示，本发明的第一个方面提供了一种烟气余热梯级回收装置，包括：

发生单元1，用于将工质加热，产生第一温度水蒸气；

冷凝单元7，与发生单元1连接，用于将第一温度水蒸气冷凝产生第一温度冷凝水，释放第一热量；

第一蒸发单元9，与冷凝单元7连接，用于利用第一喷淋塔11的循环水的热量加热第一温度冷凝水，产生第二温度水蒸气和第二温度冷凝水；

第一吸收单元5，通过第一换热器2与发生单元1连接，第一吸收单元5与第一蒸发单元9连接，用于混合第二温度水蒸气与工质，释放第二热量；

第二蒸发单元10，与第一蒸发单元9连接，用于利用第二喷淋塔的循环水的热量加热第二温度冷凝水，产生第三温度水蒸气；

第二吸收单元6，通过第二换热器3与第一吸收单元5连接，第二吸收单元6与第二蒸发单元10连接，用于混合第三温度水蒸气与工质，释放第三热量；

其中，第一热量、第二热量、第三热量分别传递至设置在冷凝单元7、第一吸收单元5、第二吸收单元6中的供热管网，用于加热供热管网中的水；

第一喷淋塔11的循环水的温度高于第二喷淋塔12的循环水的温度。

根据本发明的实施例，发生单元1和冷凝单元7，可以利用驱动热源回路20传输过来的热水或蒸汽，在发生单元1中将工质加热，产生第一温度水蒸气，以实现吸收式循环，并通过吸收式循环实现低品位余热的回收利用。

根据本发明的实施例，第一吸收单元5和第一蒸发单元9，以采用水-溴化锂工质为例，第一吸收单元中的高浓度溴化锂溶液与来自第一蒸发单元的水蒸气结合，产生吸收热，在第一蒸发单元9中，需要吸收来自第一喷淋塔11的循环水的热量，且此时水蒸气的蒸发温度远低于吸收温度，进而实现了将低品位余热转换为中高品位热量，得以回收利用。

根据本发明的实施例，第二吸收单元6和第二蒸发单元，其工作原理与第一吸收单元5和第一蒸发单元9的工作原理相同，由于第二吸收单元6和第二蒸发单元10的工作温度和工作压力低于第一吸收单元5和第一蒸发单元9，因此，可以将第二喷淋塔12的循环中的余热提取出来，进行回收利用。

根据本发明的实施例，以吸收式热泵循环原理为基础，通过设置一组发生单元-冷凝单元、两组吸收单元-蒸发单元，使两组吸收单元-蒸发单元分别工作在两个压力和温度等级，实现两个温度段的余热回收，从而提高了热泵余热回收系统的综合能效。该装置的两个温度段的喷淋塔分别与两个吸收-蒸发单元整合起来，形成两个烟气余热回收单元，使系统更紧凑，可以实现模块化安装，解决了烟气余热梯级利用的问题。

根据本发明的实施例，上述装置还包括溶液泵4，用于通过工质回路，将工质依次流经第二换热器3、第一换热器2传输至发生单元1。

根据本发明的实施例，工质包括以下任意一种：水-溴化锂、氨-水。

根据本发明的实施例，以水-溴化锂工质为例，上述装置，可以通过两级吸收-蒸发，两级接触式换热的喷淋塔，将烟气的温度从80℃降至低于30℃。与单级吸收式热泵方式相比，若要吸收同样的余热，需要消耗更多的来自驱动热源回路的热水或水蒸气。

根据本发明的实施例，第一喷淋塔11，用于使第一温度的烟气与第一喷淋塔的循环水进行接触式换热，产生第二温度的烟气；第二喷淋塔12，与第一喷淋塔通过烟道连接，用于使第二温度的烟气与第二喷淋塔的循环水进行接触式换热，产生第三温度的烟气。

根据本发明的实施例，第一喷淋塔11、第二喷淋塔12内部均设置防腐涂层。

根据本发明的实施例，第一喷淋塔11、第二喷淋塔12内部可以设置填料，也可以不设置填料，均不影响本发明实施例提供的装置的正常运行。

根据本发明的实施例，第一喷淋塔11、第二喷淋塔12内部均设置防腐涂层，以防止长期运行时循环水对喷淋塔内部的腐蚀。

根据本发明的实施例，第一风机16-1，设置在第一喷淋塔11的顶部，用于将第二温度的烟气传输至第二喷淋塔12；第二风机16-2，设置在第二喷淋塔12的顶部，用于将第三温度的烟气传输至烟气排放口22。

根据本发明的实施例，上述装置还包括：第一加药装置23-1，设置在第一喷淋塔11的循环水的管路上，用于测定第一喷淋塔11的循环水的第一酸碱度，并根据第一酸碱度调节第一加药量；第二加药装置23-2，设置在第二喷淋塔12的循环水的管路上，用于测定第二喷淋塔12的循环水的第二酸碱度，并根据第二酸碱度调节第二加药量。

根据本发明的实施例，通过对循环水的实时监测，控制加热量，以保证两个喷淋塔中的循环水保持弱碱性，以降低循环水对第一蒸发单元和第二蒸发单元的腐蚀。

根据本发明的实施例，上述装置还包括：第一节流阀8-1，设置在冷凝单元与第一蒸发单元之间，用于控制第一温度冷凝水的流速；第二节流阀8-2，设置在第一蒸发单元与第二蒸发单元之间，用于控制第二温度冷凝水的流速。

根据本发明的实施例，由于工质循环倍率越高，换热能量越小，通过调节节流阀，可以调控整个装置中工质的流速，进而控制整个装置中工质循环倍率，控制装置对余热回收的效果。

根据本发明的实施例，第一换热器2，用于使发生单元1出口的工质与工质回路中的工质进行换热；第二换热器3，用于使第二吸收单元6出口的工质与工质回路中的工质进行换热。

根据本发明的实施例，在工质回路上设置两组换热器，可以将发生单元出口、第二吸收单元出口的温度较高的工质与工质回路中的低温工质先进行换热，提高工质回路中工质的温度，以减少发生单元中驱动热源的消耗量。

根据本发明的实施例，本发明实施例中以两级蒸发单元-吸收单元-喷淋塔为例对烟气余热梯级回收装置进行示例性解释，本发明的保护范围并不局限于两级蒸发单元-吸收单元-喷淋塔的烟气余热梯级回收装置。

在实际应用过程中，可以根据实际需求，增加蒸发单元-吸收单元-喷淋塔的级数，因为级数越多，烟气余热梯级回收装置的系统能效越高，余热的利用越合理，但是，与此同时，也增加了装置复杂性和成本，因此可以按照实际应用场景进行设计。

本发明的第二个方面提供了一种烟气余热回收方法，包括：

在发生单元中对工质进行加热，产生第一温度水蒸气；

在冷凝单元中对第一温度水蒸气进行冷凝，产生第一温度冷凝水，并释放第一热量；

在第一蒸发单元中，利用第一喷淋塔的循环水的热量加热第一温度冷凝水，产生第二温度水蒸气和第二温度冷凝水；

在第一吸收单元中，第二温度水蒸气与经过第一换热器的工质混合，释放第二热量；

在第二蒸发单元中，利用第二喷淋塔的循环水的热量加热第二温度冷凝水，产生第三温度水蒸气和第三温度冷凝水；

在第二吸收单元中，第三温度水蒸气与经过第二换热器的工质混合，释放第三热量；

其中，第一热量、第二热量、第三热量均通过分别设置在冷凝单元、第一吸收单元、第二吸收单元中的供热管网，为供热管网中的水加热。

下面结合图1和图2，针对本发明实施例中装置内部的传热过程进行详细说明。

图2示意性示出了根据本发明实施例的烟气余热梯级回收方法中每个阶段对应的温度-饱和蒸汽压变化曲线图。

如图1和图2所示，驱动热源经驱动热源回路20将热量传递给发生单元1中的高温溶液（对应图2的A-B过程），溶液蒸发后，蒸气进入冷凝单元7冷凝（对应图2中的A-C过程），并把热量传递给供热管网。

降温后的水蒸气冷凝成纯液态经节流阀8-1（对应图2中的C-E过程），并变为低温液态在第一蒸发单元9内吸热蒸发（对应图2中的E-F过程），热量传递给第一喷淋塔11的高温循环冷却水后，水蒸气工质进入第一吸收单元5与发生单元1中出来的溴化锂浓溶液重新结合（对应图2中的D-F过程），产生的吸收热传递给供热管网。

发生单元1中出来的溴化锂浓溶液首先经过第一换热器2换热（对应图2中的B-D过程），将热量传递给来自第二换热器3的溴化锂稀溶液（对应图2中的I-A过程的高温段），之后进入第一吸收单元5。

第一吸收单元5中的溴化锂稀溶液经过冷却降温（对应图2中的F-G过程），进入第二吸收单元6与来自第二蒸发单元10的水蒸气结合进一步稀释（对应图2中的G-I过程），释放吸收热，并传递给供热管网。

第二吸收单元6中的溴化锂稀溶液经过溶液泵4增压，又经过第二换热器3、第一换热器2升温（对应图2中的I-A过程）后返回发生单元1重新进行发生过程，循环往复。

基于上述传热过程的工作原理，下面结合图1和图2详细介绍传热过程中的温度变化。

80℃左右的高温烟气首先从第一温度烟气进口21进入第一喷淋塔11，在与38℃的循环水进行接触式换热后，将热量传递给循环水，水温提升至48℃，烟气温降至43℃，烟气在第一风机16-1的抽吸作用下，进入第二喷淋塔12，并与21℃的循环水进行接触式换热，将热量传递给循环水，水温升至31℃，烟温降至26℃，并释放大量冷凝热，凝结大量水后，并在第二风机16-2的抽吸作用下由烟气排放口22以26℃离开余热回收装置，排放至室外，此时，烟气中的显热和潜热都得到了充分回收。

高温段的循环水以48℃进入第一蒸发单元9，蒸发温度为图2中E点所对应的温度33℃，在第一蒸发单元9中吸收循环水的热量后，将循环水温降至38℃，降温10℃；低温段的循环水以31℃进入第二蒸发单元10，蒸发温度为图2中H点所对应的温度16℃，在第二蒸发单元10中吸收循环水的热量后，将循环水温降至21℃，同样降温10℃。

第一吸收单元5的吸收过程对应图2中的D-F过程，第一吸收单元5内溶液温度变化范围为77-84℃；第二吸收单元6的吸收过程对应图2中的G-I过程，第二吸收单元6内溶液温度变化范围为49-57℃；冷凝器内的温度为54℃（对应图2 中的C状态点）。上述冷凝热、吸收热均由45℃左右的供热管网回水吸收，并用于供热，实现了烟气余热的高效梯级利用。

根据本发明的实施例，本发明提供的烟气余热梯级回收装置适合于整体式、模块化安装配置在各类民用及工业应用场景中不同种类的燃油、燃气、燃煤及生物质锅炉房内，通过将锅炉加热后的热水循环通过驱动热源回路20。将锅炉的高温烟气从第一温度烟气进口21通入，从烟气排放口22排出，并将待加热的供热管网用水由供热管网入口18通入，从供热管网出口19流出，即完成了利用烟气余热的加热过程。

与相关技术中的利用单级吸收单元-蒸发单元回收单级喷淋塔的工艺相比，由于蒸发压力过低会导致热泵结晶，因此，在单级吸收单元-蒸发单元回收单级喷淋塔的工艺中，喷淋塔的排烟温度无法降至低于30℃，造成喷淋塔的部分余热未能得到充分回收和利用。

本发明实施例提供的梯级余热回收装置，可以使低压蒸发器的蒸发温度更低，使低温喷淋塔的排烟温度降至26℃，从而使烟气余热回收更充分。并且利用温度不同的两级喷淋塔，进行梯级余热回收，充分提高热泵的制热性能系数，提高高品位驱动热源的能源利用效率。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种烟气余热梯级回收装置，包括：

发生单元，用于将工质加热，产生第一温度水蒸气；

冷凝单元，与所述发生单元连接，用于将所述第一温度水蒸气冷凝产生第一温度冷凝水，释放第一热量；

第一蒸发单元，与所述冷凝单元连接，用于利用第一喷淋塔的循环水的热量加热所述第一温度冷凝水，产生第二温度水蒸气和第二温度冷凝水；

第一吸收单元，通过第一换热器与所述发生单元连接，所述第一吸收单元与所述第一蒸发单元连接，用于混合所述第二温度水蒸气与所述工质，释放第二热量；

第二蒸发单元，与所述第一蒸发单元连接，用于利用第二喷淋塔的循环水的热量加热所述第二温度冷凝水，产生第三温度水蒸气；

第二吸收单元，通过第二换热器与所述第一吸收单元连接，所述第二吸收单元与所述第二蒸发单元连接，用于混合所述第三温度水蒸气与所述工质，释放第三热量；

其中，所述第一热量、所述第二热量、所述第三热量分别传递至设置在所述冷凝单元、所述第一吸收单元、所述第二吸收单元中的供热管网，用于加热所述供热管网中的水；

所述第一喷淋塔的循环水的温度高于所述第二喷淋塔的循环水的温度。

2.根据权利要求1所述的装置，还包括：

溶液泵，用于通过工质回路，将所述工质依次流经所述第二换热器、所述第一换热器传输至所述发生单元。

3.根据权利要求1所述的装置，其中：所述工质包括以下任意一种：水-溴化锂、氨-水。

4.根据权利要求1所述的装置，其中：

所述第一喷淋塔，用于使第一温度的烟气与所述第一喷淋塔的循环水进行接触式换热，产生第二温度的烟气；

所述第二喷淋塔，与所述第一喷淋塔通过烟道连接，用于使所述第二温度的烟气与所述第二喷淋塔的循环水进行接触式换热，产生第三温度的烟气。

5.根据权利要求4所述的装置，还包括：

第一风机，设置在所述第一喷淋塔的顶部，用于将所述第二温度的烟气传输至所述第二喷淋塔；

第二风机，设置在所述第二喷淋塔的顶部，用于将所述第三温度的烟气传输至烟气排放口。

6.根据权利要求4或5所述的装置，其中，

所述第一喷淋塔、所述第二喷淋塔内部均设置防腐涂层。

7.根据权利要求1所述的装置，还包括：

第一加药装置，设置在所述第一喷淋塔的循环水的管路上，用于测定所述第一喷淋塔的循环水的第一酸碱度，并根据所述第一酸碱度调节第一加药量；

第二加药装置，设置在所述第二喷淋塔的循环水的管路上，用于测定所述第二喷淋塔的循环水的第二酸碱度，并根据所述第二酸碱度调节第二加药量。

8.根据权利要求1所述的装置，还包括：

第一节流阀，设置在所述冷凝单元与所述第一蒸发单元之间，用于控制所述第一温度冷凝水的流速；

第二节流阀，设置在所述第一蒸发单元与所述第二蒸发单元之间，用于控制所述第二温度冷凝水的流速。

9.根据权利要求1所述的装置，其中：

所述第一换热器，用于使所述发生单元出口的所述工质与所述工质回路中的所述工质进行换热；

所述第二换热器，用于使所述第二吸收单元出口的所述工质与所述工质回路中的所述工质进行换热。

10.一种烟气余热梯级回收方法，包括：

在发生单元中对工质进行加热，产生第一温度水蒸气；

在冷凝单元中对所述第一温度水蒸气进行冷凝，产生第一温度冷凝水，并释放第一热量；

在第一蒸发单元中，利用第一喷淋塔的循环水的热量加热所述第一温度冷凝水，产生第二温度水蒸气和第二温度冷凝水；

在第一吸收单元中，所述第二温度水蒸气与经过第一换热器的所述工质混合，释放第二热量；

在第二蒸发单元中，利用第二喷淋塔的循环水的热量加热所述第二温度冷凝水，产生第三温度水蒸气和第三温度冷凝水；

在第二吸收单元中，所述第三温度水蒸气与经过第二换热器的所述工质混合，释放第三热量；

其中，所述第一热量、所述第二热量、所述第三热量分别传递至设置在所述冷凝单元、所述第一吸收单元、所述第二吸收单元中的供热管网，为所述供热管网中的水加热。

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