CN114151821B - 一种实现能量梯级利用的烟气余热回收应用系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现能量梯级利用的烟气余热回收应用系统，包括：一低温多效蒸馏系统，其包括一蒸汽出口，其用于对导入的待蒸馏液体进行蒸馏、并分别导出浓缩液和蒸汽；一烟气余热储存装置，其与低温多效蒸馏系统连通、并形成热源循环回路；其用于将内部储存的烟气余热传递至低温多效蒸馏系统进行蒸馏；一水源热泵系统，其具体包括：一蒸发器，与蒸汽出口连通，其用于将蒸汽转变为液态蒸馏水并导出；一冷凝器，其冷却水侧用于导入冷水，其还与蒸发器连通并形成换热回路，其用于利用蒸发器中的热量来加热冷水、并将加热后的冷水导出。其提供了一种结构紧凑、取热温度波动小、并能实现热能梯级利用的烟气余热回收系统。

Description

一种实现能量梯级利用的烟气余热回收应用系统

技术领域

本发明属于余热资源回收领域，具体涉及一种实现能量梯级利用的烟气余热回收应用系统。

背景技术

烟气余热资源属于二次能源，目前，低温烟气(T＜200℃)余热回收利用不足，在工业余热中，低温烟气余量大，分布广泛，如冶炼炉、锅炉、燃气发电机的排气排烟。以燃气发电机为例，在燃烧燃料的过程中排放出大量的高温废气，排烟造成的热损失占燃料总量的30％以上。因此，回收烟气余热对企业节能减排具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于对烟气余热进行回收、同时实现能量梯级利用的系统结构。

本发明采用以下技术方案：一种实现能量梯级利用的烟气余热回收应用系统，包括：

一低温多效蒸馏系统，其包括一蒸汽出口，低温多效蒸馏系统用于对导入的待蒸馏液体进行蒸馏、并分别导出浓缩液和蒸汽；

一烟气余热储存装置，其与低温多效蒸馏系统连通、并形成热源循环回路；其用于将内部储存的烟气余热传递至低温多效蒸馏系统进行蒸馏；

一水源热泵系统，其具体包括：

一蒸发器，与蒸汽出口连通，其用于将蒸汽转变为液态蒸馏水并导出；

一冷凝器，其冷却水侧用于导入冷水，其还与蒸发器连通并形成换热回路，其用于利用蒸发器中的热量来加热冷水、并将加热后的冷水导出。

进一步的，还包括一换热器，其设置在低温多效蒸馏系统将热源流体返回烟气余热储存装置的管路上，其冷流体入口连通至冷凝器，其用于利用冷凝器输送来的冷水、来对经低温多效蒸馏系统流出的热源流体的余热进行回收。

进一步的，烟气余热储存装置包括：

至少两个热管，并列设置，每根热管的热端置于待回收余热的烟气管道中；

一储热装置，热管的冷端置于其内部，其与低温多效蒸馏系统连通并形成换热回路；

一循环泵，设置在换热流体返回储热装置的管路上。

进一步的，热管包括一内管，内管的内部密封装有换热工质；内管的两端分别连接有可拆卸的外套管，两个外套管分别固定设置于烟气管道的外壁、以及储热装置的内壳上。

进一步的，换热器设置于低温多效蒸馏系统和循环泵之间的管路上。

进一步的，储热装置内置有多根换热管，每根换热管为并联直管式、蛇形管或螺旋管。

进一步的，低温多效蒸馏系统包括串联的、至少两个蒸馏器。

进一步的，低温多效蒸馏系统和蒸发器之间设置有气液分离器。

本发明的有益效果是：利用热管将烟气余热快速传递至储热装置进行存储，可回收高含尘量烟气余热，有效避免了烟气换热通道灰分淤积堵塞的问题。利用储热装置对烟气余热进行回收储存，并作为低温多效蒸馏的热源，可保证在烟气间断的情况下，低温多效蒸馏系统及热泵系统仍连续运行，源源不断制取蒸馏水及向用户侧供热。利用热管耦合储热单元进行余热回收，装置结构节凑，且取热温度波动小。采用低温多效蒸馏工艺回收较高温度的热能，采用水源热泵系统回收低品位热能，从而实现热能的梯级利用。

附图说明

图1为本发明的系统结构示意图；

图2为实施例的系统结构示意图。

图中，1.烟气管道，2.热管，3.储热装置，4.循环泵，5.低温多效蒸馏系统，6.首效气液分离器，71.首效蒸馏器，72.二效蒸馏器，8.二效气液分离器，9.蒸发器，10.节流阀，11.压缩机，12.冷凝器，13.给水泵，14.换热器，51.蒸汽出口，52.浓缩液出口，53.热源流体入口，54.待蒸馏液体入口，15.气液分离器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供了一种实现能量梯级利用的烟气余热回收应用系统，如图1所示，其包括低温多效蒸馏系统5、烟气余热储存装置和水源热泵系统。

其中，低温多效蒸馏系统5包括一蒸汽出口51，低温多效蒸馏系统5用于对导入的待蒸馏液体进行蒸馏、并分别导出浓缩液和蒸汽。低温多效蒸馏系统5还包括一待蒸馏液体入口54和浓缩液出口52，一热源流体入口53和热源流体出口。待蒸馏液体可以为预处理后的自来水、海水或其他废液。通过低温多效蒸馏系统5的蒸馏处理可以进行海水淡化，废液浓缩等处理。

该烟气余热储存装置与所述低温多效蒸馏系统5连通、并形成热源循环回路。该烟气余热储存装置用于将内部储存的烟气余热传递至所述低温多效蒸馏系统5进行蒸馏。

该水源热泵系统具体包括蒸发器9和冷凝器12。该蒸发器9与所述蒸汽出口51连通，其用于将所述蒸汽转变为液态蒸馏水并导出。冷凝器12的冷却水侧用于导入冷水，其还与所述蒸发器9连通并形成换热回路，其用于利用所述蒸发器9中的热量来加热所述冷水、并将加热后的冷水导出。冷凝器12实际上是用于利用所述冷水、来对所述蒸发器9中产生的热量进行回收。

水源热泵系统由蒸发器9、节流阀10、压缩机11、冷凝器12、给水泵13及连接管道等组成。其中蒸发器9、节流阀10、冷凝器12、压缩机11依次连接，构成热泵工质循环回路；给水泵13出口依次与冷凝器12冷却水侧和换热器14冷流体入口相连。通过水源热泵系统中的蒸发器9回收低温多效蒸馏系统5产生的蒸汽中的热量，以作为热泵系统的热源。

在一些实施例中，一种实现能量梯级利用的烟气余热回收应用系统还包括一换热器14，其设置在所述低温多效蒸馏系统5将热源流体返回所述烟气余热储存装置的管路上，其冷流体入口连通至所述冷凝器12，其用于利用所述冷凝器12输送来的冷水、来对经低温多效蒸馏系统5流出的热源流体的余热进行回收，最后再将加热后的冷水导出进行后续使用。

在一些实施例中，烟气余热储存装置包括热管2、储热装置3和循环泵4。其中，至少两个热管2并列设置，每根热管2的热端置于烟气管道1中，每根热管2的冷端置于储热装置3内，热管是一种有效导热系数极高的非能动换热装置，能以较小的单位尺寸，在较低温降下传递大量的热量。储热装置3与低温多效蒸馏系统5连通并形成换热回路。循环泵4设置在所述换热流体返回所述储热装置3的管路上。

储热装置可以为相变储热装置或固体混凝土储热装置。固体混凝土储热装置在浇筑过程中，可以添加1～3％的钢纤维，增强其导热性，并提高混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度；在浇筑过程中再添加0.5～2kg/m³的聚丙烯纤维，在高温情况下(155℃左右)，纤维熔解在混凝土中形成无数的空穴，易于水蒸汽疏导，减少了混凝土爆裂的现象，提高了混凝土储热装置的使用寿命。

在一些实施例中，热管2包括一内管，所述内管的内部密封装有换热工质；所述内管的两端分别可拆卸连接有两外套管，两个所述外套管分别固定设置于所述烟气管道1的外壁、以及所述储热装置3的内壳上。

热管2的外壳体材质优先选用不锈钢，便于插入储热装置3中，并通过焊接密封，防止热管2的管道烟气或相变装置储热材料从热管2衔接处溢出。热管2根数为n(n＞2)。储热装置3内部布有温度测量元件，监控储热材料温度变化情况，防止超温。烟气中的高温余热通过热管2传递至储热装置3中进行存储。

热管2为双壳结构，热管2的内管内部充注定量换热工质，内管外壁中段部位布置有外螺纹，内管的两端套设有带内螺纹的金属外套管，金属外套管另外两端面密封。内管与外套管之间采用螺纹连接。外套管外壳与内管外壁之间留有0.2～0.5mm间隙。内管内部的换热工质可根据热源温度进行选取，可选用水、乙醇、丙酮和氨。热管2为小直径热管，其内管的直径为4～9mm，壁厚为0.5～1.5mm，内管的管体材质为紫铜。热管2采用叉排多根并列垂直排列的方式布置。安装时，热管2外部的两节金属外套管分别与烟气管道1的外壁、以及所述储热装置3的内壳焊接，两节外套管内部通过螺纹连接的方式固定一根完整热管。更换检修时，只需从外套管内拆除损坏的内管，重新更换新的内管即可，所述外套管无需更换，大大降低了安装和维护难度。外套管的材质与烟气管道1或储热装置3的壳体材质相同，便于保证焊接质量。

在一些实施例中，换热器14设置于所述低温多效蒸馏系统5和所述循环泵4之间的管路上。

在一些实施例中，储热装置3内置有多根换热管，每根所述换热管为并联直管式、蛇形管或螺旋管。储热装置可以为相变储热装置或其他储热装置，在换热管和热管2的间隙填充高储能密度的储热材料，该储热材料的相变点与管道内回收烟气温度范围相匹配，可选取相变温度适宜的熔盐类储热材料。

在一些实施例中，低温多效蒸馏系统5包括串联的、至少两个蒸馏器。根据回收烟气余热量及蒸馏水的使用情况，低温多效蒸馏系统5可以包括串联的多个蒸馏器，分别为首效蒸馏器71、二效蒸馏器72、…n效蒸馏器。经低温多效制取的蒸馏水经除氧后可作为锅炉补水或其它工艺用水。多效蒸馏器采用强制循环与真空负压的蒸发方式，以确保物料在较低温度(60℃-80℃)下沸腾蒸发。

在一些实施例中，低温多效蒸馏系统5和所述蒸发器9之间设置有气液分离器15。

实施例

如图2所示，多根热管2连接烟气管道1和储热装置3，将烟气余热传递至储热装置3。储热装置3与低温多效蒸馏系统5连通并提供蒸馏所需的热量。

低温多效蒸馏系统5由供热介质循环泵4、换热器14、首效蒸馏器71、首效气液分离器6、二效蒸馏器72、二效气液分离器8及连接管道阀门等组成，其中首效蒸馏器71的热源由储热装置3提供。循环泵4的出口与储热装置3换热流体入口管道相连接；换热流体出口管道与首效蒸馏器71热源入口相连，热源出口经换热器14后与循环泵4入口管道相连，从而构成热源循环回路。其中热源循环回路中的换热流体可为导热油或水。首效蒸馏器71的浓缩液出口与二效蒸馏器6待蒸馏液体入口连接，首效蒸馏器71的蒸汽出口经首效气液分离器6后与二效蒸馏器72的热源入口相连，二效蒸馏器72蒸汽出口经二效气液分离器8后与蒸发器9冷冻水侧管道相连。首效蒸馏器71产生的蒸汽进入二效蒸馏器72中作为热源，使第二效的料液比首效更低温度蒸发。

蒸发器9通过节流阀10、冷凝器12连通至压缩机11，再返回至蒸发器9、形成热泵工质循环回路。给水泵13通过冷凝器12连通至换热器14，将冷水从给水泵13泵入冷凝器加热，再送入换热器14，利用换热器14中低温换热流体来对冷水再次加热，最后形成热水输出。这一过程实现了对蒸发器9余热、以及储热装置3的余热利用。

本发明一种实现能量梯级利用的烟气余热回收应用系统的工作方法为：从工业生产中产生的高温烟气进入烟气管道1中，热管2从烟气管道1侧壁上均匀开设通孔处插入，当调整好热管2位置后，对热管2外壳壁与管道开孔连接处进行焊接密封，以防止高温烟气溢出。热管2冷端插入储热装置3内，热管2外壳壁与储热装置3壳体开孔连接处进行焊接密封，以防止液态储热材料溢出。热管2热端将从烟气中吸收的热量不断传递至冷端，此时储热材料受热逐渐升温，并由固态变为液态，最终烟气余热经热管传递后以少量显热和大量潜热的形式储存在储热装置3中。

当储热装置3采用固体混凝土储热单元时，烟气余热经热管2传递至混凝土中以显热的形式进行存储。

低温换热流体经循环泵5送入储热装置3中，升温后的换热流体作为首效蒸馏器71的热源对自来水进行低温蒸馏，降温后的换热流体进入换热器14中进一步冷却降温，以便增大换热流体进出口温差，提高取热速率；而后换热流体进入储热装置3中并带出存储的热量，作为蒸馏系统的热源，形成一个供热循环。在此过程中储热装置3中储热材料放热降温，由液态变为固态。

待蒸馏液体可以为预处理后的自来水、海水或其他废液。通过低温多效蒸馏系统5的蒸馏处理可以进行海水淡化，废液浓缩等处理。现以低温多效蒸馏系统5包括二级蒸馏的形式为例来说明处理自来水的过程：将自来水输送进入首效蒸馏器71内吸收热源热量部分蒸发，产生的首效蒸汽经首效气液分离器6后进入二效蒸馏器72中作为热源，最终首效蒸汽冷凝成蒸馏水排出并收集，供用户使用；二效蒸馏器72产生的二效蒸汽向热泵系统供热后冷凝成蒸馏水排出，供用户使用。

当工业烟气余热量较大时，除一部分满足作为低温多效蒸馏系统的热源外，多余热量储存在储热装置3中；当生产停机烟气间断时，由储热装置3将储存的多余热量排出，作为低温多效蒸馏和热泵系统的热源，从而可以保证低温多效蒸馏系统及热泵系统连续运行，源源不断制取蒸馏水及向用户侧供热。

利用热泵系统中的蒸发器9回收低温多效蒸馏系统5产生的蒸汽热量，热泵系统中的循环工质受热蒸发，再由压缩机11升压后送入冷凝器12中冷凝放热，气相循环工质降温液化后经节流阀10降压进入蒸发器9，从而完成整个工质循环。在此过程中，冷水经给水泵13依次送入冷凝器12和换热器14，受热升温后排出供用户侧使用。

本发明的一种实现能量梯级利用的烟气余热回收应用系统具有以下优点：

首先，烟气余热回收主要利用换热部件与烟气接触进行间壁式换热。现有技术中，通常将换热管束一端内置于排烟管内，另一端与水箱相连，将烟气中的热量转移储存至水箱中，但由于烟气的导热系数小，为了达到设计传热量，换热管面积较大，造成排烟管内换热管束数量较多，既增加了排烟管内的局部阻力，导致送(引)风机功率增大；又增加了闭式循环水系统中循环泵的功耗。此外，采用水箱作为储热装置，具有储热密度低，占地面积大，取热温度逐步降低的缺点。而本发明利用热管2将烟气余热快速传递至储热装置3进行存储，由于热管2具有很高的导热效率，所以通过热管回收的热量温度较高，而且通过热管2间接传递热量的模式，也使其特别适合回收高含尘量烟气余热；此外，采用小直径热管垂直安装，有效避免了烟气换热通道灰分淤积堵塞的问题。利用热管耦合储热进行余热回收，装置结构节凑，且取热温度波动小。

其次，蒸馏水已广泛应用于电气设备冷却、医疗器械清洗、生物制药等行业，目前，蒸馏水的制备通常采用蒸馏水机进行高温蒸馏，在此蒸馏过程中需要消耗大量热量，其制备的蒸馏水温度通常较高(60～90℃)，待使用时再利用冷却水将高温蒸馏水降至常温，整个制备工艺能耗较高。本发明利用储热装置3对烟气余热进行回收储存，并作为低温多效蒸馏系统5的热源，可保证在烟气间断的情况下，低温多效蒸馏系统5及水源热泵系统仍连续运行，源源不断制取蒸馏水。

最后，本发明采用低温多效蒸馏工艺回收较高温度的热能，采用水源热泵系统回收经低温多效蒸馏系统5输出的低品位热能，再通过换热器14对水源热泵系统和低温多效蒸馏系统5导出的低温换热流体的余热进行再利用，从而实现热能的梯级利用；此外，降低了储热装置取热流体的入口温度，拉大了换热温差，便于增大取热速率，提高热能有效利用率。

Claims (8)

1.一种实现能量梯级利用的烟气余热回收应用系统，其特征在于，包括：

一低温多效蒸馏系统(5)，其包括一蒸汽出口(51)，所述低温多效蒸馏系统(5)用于对导入的待蒸馏液体进行蒸馏、并分别导出浓缩液和蒸汽；

一烟气余热储存装置，其与所述低温多效蒸馏系统(5)连通、并形成热源循环回路；其用于将内部储存的烟气余热传递至所述低温多效蒸馏系统(5)进行蒸馏；

一水源热泵系统，其具体包括：

一蒸发器(9)，与所述蒸汽出口(51)连通，其用于将所述蒸汽转变为液态蒸馏水并导出；

一冷凝器(12)，其冷却水侧用于导入冷水，其还与所述蒸发器(9)连通并形成换热回路，其用于利用所述蒸发器(9)中的热量来加热所述冷水、并将加热后的冷水导出。

2.如权利要求1所述的一种实现能量梯级利用的烟气余热回收应用系统，其特征在于，还包括一换热器(14)，其设置在所述低温多效蒸馏系统(5)将热源流体返回所述烟气余热储存装置的管路上，其冷流体入口连通至所述冷凝器(12)，其用于利用所述冷凝器(12)输送来的冷水、来对经低温多效蒸馏系统(5)流出的热源流体的余热进行回收。

3.如权利要求2所述的一种实现能量梯级利用的烟气余热回收应用系统，其特征在于，所述烟气余热储存装置包括：

至少两个热管(2)，并列设置，每根所述热管(2)的热端置于待回收余热的烟气管道(1)中；

一储热装置(3)，所述热管(2)的冷端置于其内部，其与所述低温多效蒸馏系统(5)连通并形成换热回路；

一循环泵(4)，设置在所述热源流体返回所述储热装置(3)的管路上。

4.如权利要求3所述的一种实现能量梯级利用的烟气余热回收应用系统，其特征在于，所述热管(2)包括一内管，所述内管的内部密封装有换热工质；所述内管的两端分别连接有可拆卸的外套管，两个所述外套管分别固定设置于所述烟气管道(1)的外壁、以及所述储热装置(3)的内壳上。

5.如权利要求3所述的一种实现能量梯级利用的烟气余热回收应用系统，其特征在于，所述换热器(14)设置于所述低温多效蒸馏系统(5)和所述循环泵(4)之间的管路上。

6.如权利要求3所述的一种实现能量梯级利用的烟气余热回收应用系统，其特征在于，所述储热装置(3)内置有多根换热管，每根所述换热管为并联直管式、蛇形管或螺旋管。

7.如权利要求1或2所述的一种实现能量梯级利用的烟气余热回收应用系统，其特征在于，所述低温多效蒸馏系统(5)包括串联的、至少两个蒸馏器。

8.如权利要求3或4所述的一种实现能量梯级利用的烟气余热回收应用系统，其特征在于，所述低温多效蒸馏系统(5)和所述蒸发器(9)之间设置有气液分离器(15)。