CN114739045A - 一种高湿气体潜热回收方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高湿气体潜热回收方法及其系统，采用一股水或水溶液，或多股不同温度的水或水溶液，与高湿气体直接接触，实现单级或多级气液热质交换，水或水溶液吸收高湿气体中的水蒸气，水蒸气冷凝，并加热水或水溶液，被加热的水或水溶液作为热泵的热源，热泵对外提供热量，所述的高湿气体与水或水溶液直接接触进行热质交换的过程应满足如下温差匹配准则，△T/△t为0.8‑1.1。本发明具有高效、节能、环保等特点，同时还具有成本低、维修维护工作量小、系统可靠简单、易于实施等优点，可广泛适用于工业领域及其它领域的高湿尾气的热能回收利用和高湿尾气环境影响治理。

Description

一种高湿气体潜热回收方法及其系统

技术领域

本发明涉及热回收技术领域，尤其涉及一种高湿气体潜热回收方法及其系统。

背景技术

工业及能源领域产生大量含有低品位废热的高湿气体，其温度较低，但含有大量的水蒸气，即湿度较高，如温度50℃左右接近饱和的高湿气体，包括各种锅炉的尾气，如燃气锅炉、燃煤锅炉的尾气；各种工艺生产过程排气，如卷烟工业制丝车间的排气、造纸工业的排气等。这些高湿气体直接排放，既浪费了大量的能源，又对环境产生影响，如产生白雾，且白雾中不仅含有水蒸气，还含有其它害物质。

这些高湿的排气，由于能量品位低，不能直接利用，或利用价值不大，利用热泵提升热能品质，增加其利用价值，不失为有效的方法，但高湿气体的热能回收利用有如下几个挑战：其一，热泵系统利用电或其他高品位的能源，须有较高的效率才具有节能和经济性；其二，大部分高湿尾气，不仅含有大量的水蒸气，同时也含有其它腐蚀性物质，对于换热设备的腐蚀性较大，影响其使用寿命；其三，换热设备置于工艺系统的排气系统中，其可靠性对工艺过程有影响，其维修检修困难；其四，常规热换设备效率较低，材料耗量大，成本高，其经济性差。

发明内容

针对上述问题，本发明的基本思路是采用水或水溶液直接吸收高湿气体中的水蒸气，回收其潜热，该方法较常规换热设备相比，由于水可以直接吸收水蒸气，不单纯依赖传热，而主要是基于低温水的水蒸气分压低的原理吸收高湿气体中水蒸气，因此有较传统换热设备高得多的能量回收效率。同时由于省去了传统的换热设备，传统换热设备的腐蚀性，可靠性及维护检修问题得以克服。当然，由于省去了传统的换热设备，热回收的成本也大大降低，经济性好。该方法还具有消除白雾及其有害成份的优点，具有良好的环保效果。

尽管采用水气直接接触进行能量回收具有上述优点，但是其与热泵结合时，还需要进一步提高整个热回收系统的效率。本发明基于高湿气体的特征及热泵的特点，提出了一种优化的方法与系统。

本发明的技术方案具体如下：

一种高湿气体潜热回收方法，采用一股水或水溶液，或多股不同温度的水或水溶液，与高湿气体直接接触，实现单级或多级气液热质交换，水或水溶液吸收高湿气体中的水蒸气，水蒸气冷凝，并加热水或水溶液，被加热的水或水溶液作为热泵的热源，热泵对外提供热量，所述的高湿气体与水或水溶液直接接触进行热质交换的过程应满足如下温差匹配准则，△T/△t为0.8-1.1，其中，△T为高湿气体处理前后的温差，△t为水或水溶液处理前后的温差；通过调整水或水溶液流量QL与高湿气体流量QG的比值QL/QG，实现满足所述温差匹配准则的热质交换过程。

进一步地，所述的热泵的个数与所述的热质交换的级数相同。

进一步地，多个热泵含有多个工质循环，多个工质循环含有多个蒸发温度，且多个循环均以水或水溶液为热源。

进一步地，所述的水或水溶液，向热泵提供热量的同时，还直接向所需加热的对象提供热量。

一种高湿气体潜热回收系统，系统含有一级或多级气水交换器，一个或多个热泵，所述热泵为压缩式热泵或吸收式热泵，所过热泵的蒸发器的液体通道进出口分别与对应的气水交换器的液体通道的出口、进口相连，所述管路上安装有水循环泵，所述热泵的冷凝器对外输出热量，气水交换器的气体通道通入高湿气体。

其中，所述气水交换器是指气体和水直接接触进行传热、传质的装置。

进一步地，所述的高湿气体为燃气锅炉的尾气，所述的冷凝器为锅炉给水加热器。

进一步地，所述系统还含有一个或多个给水预热器，给水预热器一侧为锅炉给水通道，给水预热器的另一侧与气水交换器的液体通道相连，所述的燃气锅炉给水至少有部分被来自气水交换器的水预热。

一种高湿气体潜热回收系统，系统含有气液交换器，热泵及中间换热器，所述气液交换器中的液体为溶液，所述的气液交换器的液体通道进出口分别与中间换热器的液侧通道的出口、进口相连，管道上安装有液泵，所述的中间换热器的另一侧通道为循环水侧通道，循环水侧通道进、出口分别与热泵的蒸发器的液体通道出口、进口相连，管路上安装有循环水泵，热泵冷凝器对外输出热量，气液交换器的气体通道通入高湿气体。

其中，所述气液交换器是指气体和液体直接接触进行传热、传质的装置。

进一步地，所述的高湿气体为燃煤锅炉的尾气，所述溶液为脱硫液，所述的冷凝器为锅炉给水加热器。

进一步地，所述系统还含有给水预热器，给水预热器一侧为锅炉给水通道，给水预热器的另一侧与中间换热器的循环水侧通道进、出口相连，所述的燃煤锅炉给水至少部分被来自气液交换器的水预热。

本发明提出了一种新的针对高湿气体热能回收的方法及系统，具有高效、节能、环保等特点，同时还具有成本低、维修维护工作量小、系统可靠简单、易于实施等优点，可广泛适用于工业领域及其它领域的高湿尾气的热能回收利用和高湿尾气环境影响治理。

附图说明

图1为气液直接接触原理图

图2为气液温度匹配原理图一

图3为气液温度匹配原理图二

图4为气液温度匹配原理图三

图5为本发明热回收热泵系统图一

图6为本发明热回收热泵系统图二

图7带有直接热回收的热泵系统图

图8为带有中间换热器的热回收热泵的系统

图9为带有直接热回收和中间换热器的热泵系统图

具体实施方式

热泵工质蒸发吸收热源的热量，热泵工质冷凝向热沉放热，很明显，热源为恒温热源有利于提高热泵的效率，事实上，实际的热泵热源，大多为变温热源，但是，高湿气体，由于其含有大量的水蒸气，潜热高，是一个非常接近恒温的热源(其温度变化小，显热小)。所以充分利用高湿气体的近似恒温热源特性，与热泵匹配，就可以获得较高的热泵性能。

所谓的与热泵的匹配，是指高湿气体与水(或水溶液)直接接触进行热质交换的过程中的温差匹配，通过调整高湿气体与水或溶液的流量比QG/QL，及高湿气体与水(或水溶液)热质交换的级数来实现最佳匹配。

图1至图4详细解释匹配的原理。

图1中，高湿气体G与液体(水或水溶液)L直接接触，逆流传热传质，COR表示气液接触区，气液接触可以通过液体雾化喷淋强化，也可以通过填料强化，温度TI的气体进入COR被除湿及降温变为TO排出，温度tI的液体进入COR被加热变为tO排出，通过泵P送到换热器HEX对外释放热量，即向热泵供热，被冷却的液体再进入COR气体的温差△T＝TI–T0,和液体的温差△t＝to–tI需要匹配。

很显然，△T/△t的理想匹配为1，因为当△t大于△T时，没有充分利用高湿气体热源的恒温特性，而如果要求△t小于△T，首先需要较大的液体流量，更重要的是，即使采用较大的流量实现了小的△t，热源有较好的恒温特性，但是热源的平均温度降低(受到传热温差的制约)，△t的减小，是以降低to来实现的，这当然没有任何好处。

图2，图3，图4显示三种情况的气液传热传质。

图2中，气体的初始状态为点1(60℃，相对湿度95％)，终了状态为2(56℃，相对湿度95％)，干气体流量QG，液体流量QL，当QL/QG为4.9,△T/△t＝1

图3中，气体的初始状态为点2(56℃，相对湿度95％)，终了状态为3(52℃，相对湿度95％)，干气体流量QG，液体流量QL，当QL/QG为3.8.△T/△t＝1

显然，图2和图3中的最佳液气比，即满足△T/△t＝1的液气比不同，这是由气体相对湿度线的斜率变化决定的，即沿同一相对湿度线，温度越高，湿度越大时，单位温度变化导致的含湿量变化越大。

图4中，气体的初始状态为点1(60℃，相对湿度95％)，终了状态为3(52℃，相对湿度95％)，即将图2和图3的过程合为一个过程，如上所述，图2和图3中，理想的流量相差较大，所以图4中难以实现理想的流量，理想过程是采用两级实现，即图2和图3的过程复合。

当然，实际的工程中，很难实现理想的流量和理想的温度匹配，实际工程中，△T/△t为0.8-1.1较为容易实现。

图5系统100含有气水交换器101，分为两级1011和1012，其相对应的热泵为第一热泵102和第二热泵103，图中显示为压缩式热泵，也可以为其它热泵，如吸收式热泵等。

第一热泵102含有通过热泵工质管道1025依次连接形成工质循环的第一压缩机1021、第一冷凝器1022、第一节流阀1023和第一蒸发器1024。第二热泵103通过热泵工质管道1035依次连接形成工质循环的含有第二压缩机1031、第二冷凝器1032、第二节流阀1033和第二蒸发器1034。上述部件通过公知的方式连接形成热泵。

其中，热泵的第一蒸发器1024的液体通道进、出口通过管道105与气水交换器1011的液体通道出、进口相连，管路上安装有水循环泵104，第二蒸发器1034的液体通道进、出口通过管道106与气水交换器1012的液体通道出、进口相连，管路上安装有水循环泵107。

第一、第二冷凝器1022、1032对外输出热量，即冷流体CL经过第二冷凝器1032，然后经过第一冷凝器1022被加热后变为热流体HL排出。

系统100的一个典型应用为燃气锅炉的烟气潜热回收利用，即，图4中的G为来自燃气锅炉的尾气，燃气锅炉烟气中一般含有大量的水蒸气。在60℃左右水蒸气开始冷凝。

系统100的冷凝器可以用来加热燃气锅炉的给水。

图6中系统100A与系统100不同在于，系统100A有两股加热流体，CL1和CL2,分别通过第一、第二冷凝器1022和1032被加热变为HL1和HL2。

图7系统200与系统100不同在于，取消了1011对应的第一热泵102，替代为加热器201，需加热的流体，CL先通过加热器201被加热，然后再经过第二冷凝器1032被加热。这样可以大幅度的节约热泵的能耗，对于被加热对象温度低于高湿气体的初始温度时适用。这样一种方式将高湿气体的直接潜热回收(只换热)和间接潜热回收(通过热泵)相结合。

图8系统300含有气液交换器301，含有一级气液接触3011，热泵302及中间换热器305，所述气液交换器301中的液体为溶液，如烟气G为燃煤锅炉尾气时，其溶液为脱硫液，对烟气脱硫。

气液交换器301的液体通道进出口通过管道308与中间换热器305的液侧出口、进口相连，管道上安装有液泵306，管道308还有支路3081，安装有阀门307，支路容许溶液不经过305，中间换热器305的另一侧为循环水侧，循环水侧进出口通过管道304与热泵的蒸发器3024的液体通道的出口、进口相连，管路上安装有循环水泵303。

热泵302含有压缩机3021、冷凝器3022、节流阀13023、蒸发器3024及热泵工质管道3025。上述部件通过公知的方式连接形成热泵。

热泵冷凝器对外输出热量，即冷流体CL经过3032被加热后变为热流体HL排出。

该热泵的一个典型加热用途时加热燃煤锅炉给水。

图9系统400在系统300的基础上增加了预热器401，即冷流体CL先经过401被预热，再经过3032被加热后变为热流体HL排出。预热器401与中间换热器相连，利用循环水加热CL。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动。这里无需也无法把所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高湿气体潜热回收方法，其特征在于，采用一股水或水溶液，或多股不同温度的水或水溶液，与高湿气体直接接触，实现单级或多级气液热质交换，水或水溶液吸收高湿气体中的水蒸气，水蒸气冷凝，并加热水或水溶液，被加热的水或水溶液作为热泵的热源，热泵对外提供热量，所述的高湿气体与水或水溶液直接接触进行热质交换的过程应满足如下温差匹配准则，△T/△t为0.8-1.1，其中，△T为高湿气体处理前后的温差，△t为水或水溶液处理前后的温差；通过调整水或水溶液流量QL与高湿气体流量QG的比值QL/QG，实现满足所述温差匹配准则的热质交换过程。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的热泵的个数与所述的热质交换的级数相同。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，多个热泵含有多个工质循环，多个工质循环含有多个蒸发温度，且多个循环均以水或水溶液为热源。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的水或水溶液，向热泵提供热量的同时，还直接向所需加热的对象提供热量。

5.一种高湿气体潜热回收系统，其特征在于，系统含有一级或多级气水交换器，一个或多个热泵，所述热泵为压缩式热泵或吸收式热泵，所过热泵的蒸发器的液体通道进出口分别与对应的气水交换器的液体通道的出口、进口相连，所述管路上安装有水循环泵，所述热泵的冷凝器对外输出热量，气水交换器的气体通道通入高湿气体。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述的高湿气体为燃气锅炉的尾气，所述的冷凝器为锅炉给水加热器。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述系统还含有一个或多个给水预热器，给水预热器一侧为锅炉给水通道，给水预热器的另一侧与气水交换器的液体通道相连，所述的燃气锅炉给水至少有部分被来自气水交换器的水预热。

8.一种高湿气体潜热回收系统，其特征在于，系统含有气液交换器，热泵及中间换热器，所述气液交换器中的液体为溶液，所述的气液交换器的液体通道进出口分别与中间换热器的液侧通道的出口、进口相连，管道上安装有液泵，所述的中间换热器的另一侧通道为循环水侧通道，循环水侧通道进、出口分别与热泵的蒸发器的液体通道出口、进口相连，管路上安装有循环水泵，热泵冷凝器对外输出热量，气液交换器的气体通道通入高湿气体。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述的高湿气体为燃煤锅炉的尾气，所述溶液为脱硫液，所述的冷凝器为锅炉给水加热器。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述系统还含有给水预热器，给水预热器一侧为锅炉给水通道，给水预热器的另一侧与中间换热器的循环水侧通道进、出口相连，所述的燃煤锅炉给水至少部分被来自气液交换器的水预热。

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