CN116658881B - 余热产汽系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及产蒸汽技术领域，提供一种余热产汽系统，包括：降膜式蒸发器，其顶腔设置有喷雾器；第一气液分离器，其工质进口连通降膜式蒸发器的工质出口；压缩机，其进气口连通第一气液分离器的气相出口；立式蒸汽发生器，设置有供工质自上而下流通的壳程和供蒸汽发生介质自下而上流通的管程；预热器，具有供蒸汽发生介质流入的介质进口、连通立式蒸汽发生器的管程进口的介质出口、以及连通立式蒸汽发生器的壳程出口的工质进口；第二气液分离器，其工质进口连通预热器的工质出口，气相出口和液相出口分别连通压缩机的补气口和降膜式蒸发器的工质进口。本发明能够高效地利用余热介质，获得高品质的蒸汽产品，并降低工业过程能耗，实现节能环保。
Description
技术领域
本发明涉及产蒸汽技术领域，具体地说，涉及一种余热产汽系统。
背景技术
工业过程中，存在大量余热资源，例如工艺物料余热、塔顶气相余热、烟气尾气余热等。利用这些余热资源产蒸汽，相比于通过燃料燃烧锅炉产汽、电锅炉产汽等传统产汽方式，具有更高的能效系数，符合节能环保需求。
目前，通常采用卧式蒸汽发生器或者换热+闪蒸的产汽流程，基于余热资源进行产汽，存在如下问题。
在卧式蒸汽发生器中：1）工质走管程，蒸汽发生介质走壳程，内部设置U型管路，在折弯处易出现较大残余应力，温差作用下造成应力集中，发生泄露；2）U型管路外壁易受汽、液两相流体的冲刷，导致汽泡附着滞留，引起传热恶化的现象，影响设备使用寿命；3）卧式蒸汽发生器中工质流动形式为一半并流一半逆流，对传热效率影响较大；4）卧式蒸汽发生器占地面积较大，不利于现场布置和设备安装。
在换热+闪蒸的产汽流程中：首先通过换热器将蒸汽发生介质升温，再利用节流闪蒸器得到蒸汽，蒸汽发生介质循环量较大，需要增加循环泵，导致工艺复杂、能耗较高，且加热后蒸汽发生介质的温度高于蒸汽温度，造成热量利用效率不高。
此外，目前利用余热资源产蒸汽的系统，其产汽流程为余热资源换热给工质→工质压缩→工质换热给蒸汽发生介质以蒸发产汽，产汽效率有限，产汽能效不高。
需要说明的是，上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本发明的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种余热产汽系统，能够高效地利用余热介质，获得高品质的蒸汽产品，并降低工业过程能耗，实现节能环保。
根据本发明的一个方面，提供一种余热产汽系统，包括：降膜式蒸发器，供余热介质与工质热交换，所述降膜式蒸发器的顶腔设置有喷雾器；第一气液分离器，所述第一气液分离器的工质进口连通所述降膜式蒸发器的工质出口；压缩机，所述压缩机的进气口连通所述第一气液分离器的气相出口；立式蒸汽发生器，包括相连通的换热腔和气液分离腔，所述气液分离腔的顶部设置有蒸汽出口，所述换热腔中设置有供工质自上而下流通的壳程和供蒸汽发生介质自下而上流通的管程，其中壳程进口连通所述压缩机的出气口；预热器，具有供蒸汽发生介质流入的介质进口、连通所述立式蒸汽发生器的管程进口的介质出口、以及连通所述立式蒸汽发生器的壳程出口的工质进口；第二气液分离器，所述第二气液分离器的工质进口连通所述预热器的工质出口，所述第二气液分离器的气相出口和液相出口分别连通所述压缩机的补气口和所述降膜式蒸发器的工质进口，所述降膜式蒸发器的工质进口位于所述降膜式蒸发器的顶部。
在一些实施例中，所述余热产汽系统还包括：三通调节阀，连接在所述降膜式蒸发器的余热介质进口所在的管路中，并连通所述降膜式蒸发器的余热介质出口；温度传感器，设置在所述压缩机的进气口所在的管路中，并连接所述三通调节阀。
在一些实施例中，所述余热产汽系统还包括：喷射器，连接在所述第二气液分离器的液相出口与所述降膜式蒸发器的工质进口之间。
在一些实施例中，所述余热产汽系统还包括：液位调节阀，所述第一气液分离器的液相出口经所述液位调节阀连通所述喷射器；第一液位传感器，连通所述第一气液分离器，并连接所述液位调节阀。
在一些实施例中，所述余热产汽系统还包括：补气调节阀，连接在所述第二气液分离器的气相出口与所述压缩机的补气口之间；第二液位传感器，连通所述第二气液分离器，并连接所述补气调节阀。
在一些实施例中，所述余热产汽系统还包括：给水调节阀，连接在所述预热器的介质进口所在的管路中；第三液位传感器，连通所述气液分离腔，并连接所述给水调节阀。
在一些实施例中，所述立式蒸汽发生器设置有封装所述换热腔和所述气液分离腔的一体式外壳。
在一些实施例中，所述立式蒸汽发生器还包括除沫器，设置于所述气液分离腔与所述蒸汽出口之间。
在一些实施例中，流入所述降膜式蒸发器的余热介质的温度高于等于50℃。
在一些实施例中，流入所述预热器的蒸汽发生介质的温度高于等于80℃。
本发明与现有技术相比的有益效果至少包括：
通过降膜式蒸发器将余热介质的热量传递给工质，实现工质的蒸发，通过压缩机对工质进行压缩，实现余热升级，通过立式蒸汽发生器将工质的热量传递给蒸汽发生介质，实现产出蒸汽；如此，基于逆卡诺热力循环原理，实现蒸汽的持续产生。
采用降膜式蒸发器，通过喷雾器替代传统降膜式蒸发器顶部复杂结构的液相分布器，使中温中压液相工质经高效的喷雾器变为低温低压微小液滴，均匀分布在降膜式蒸发器的换热管内部，从而工质在换热管内部形成液膜向下流动，大幅强化了换热效果，有效降低换热温差，减少换热面积。
采用预热器，使蒸汽发生介质进入立式蒸汽发生器前先与高温高压液相工质进行换热，进一步回收液相工质余热，提高产汽能效。
采用立式蒸汽发生器，使工质在换热腔中自上而下流动且蒸汽发生介质在换热腔中自下而上流动，实现全逆流传热，传热效率相比于卧式蒸汽发生器大幅提升；换热腔中，工质走壳程，蒸汽发生介质走管程，无需设置U型管路，能够有效避免折弯处因应力集中而发生泄露，从而提高设备可靠性；采用立式蒸汽发生器，还能够有效避免管束外壁汽泡附着滞留而引起的传热恶化现象，从而提高设备使用寿命；此外，采用立式蒸汽发生器，占地面积小、结构紧凑，更加利于现场布置和设备安装。
采用立式蒸汽发生器，集成换热腔和气液分离腔，还能利用工质直接加热蒸汽发生介质以蒸发产汽，相对于换热+闪蒸的产汽流程，本发明无需循环泵等增加工艺复杂度和能耗的设备，且相同输入条件下，本发明的产汽效率和蒸汽品质更高。
在立式蒸汽发生器中完成热交换的工质流入预热器，实现对蒸汽发生介质产汽前的预热；自预热器流出的工质经第二气液分离器进行气液分离，其中气相工质流入压缩机补气口，能够提高压缩机的制热量，液相工质流入降膜式蒸发器，循环往复。
综上，本发明的余热产汽系统，能够高效地利用余热介质，获得高品质的蒸汽产品，并降低工业过程能耗，实现节能环保。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出本发明实施例中余热产汽系统的结构示意图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式。相反，提供这些实施方式使本发明全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。
附图仅为本发明的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。
具体描述时使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及不同实施例中的特征可以相互组合。
图1示出本发明实施例中余热产汽系统的结构；参照图1所示，本发明实施例提供的余热产汽系统，包括：
降膜式蒸发器10，供余热介质与工质热交换，降膜式蒸发器10的顶腔设置有喷雾器11；
第一气液分离器20，第一气液分离器20的工质进口连通降膜式蒸发器10的工质出口；
压缩机30，压缩机30的进气口连通第一气液分离器20的气相出口；
立式蒸汽发生器40，包括相连通的换热腔41和气液分离腔42，气液分离腔42的顶部设置有蒸汽出口，换热腔41中设置有供工质自上而下流通的壳程和供蒸汽发生介质自下而上流通的管程，其中壳程进口连通压缩机30的出气口；
预热器50，具有供蒸汽发生介质流入的介质进口、连通立式蒸汽发生器40的管程进口的介质出口、以及连通立式蒸汽发生器40的壳程出口的工质进口；
第二气液分离器60，第二气液分离器60的工质进口连通预热器50的工质出口，第二气液分离器60的气相出口和液相出口分别连通压缩机30的补气口和降膜式蒸发器10的工质进口，降膜式蒸发器10的工质进口位于降膜式蒸发器10的顶部。
其中，余热介质可以是热水，或者是其他合适的余热资源。工质可以是冷媒，或者是其他合适的工质。蒸汽发生介质可以是除氧水，或者是其他合适的蒸汽发生介质。
上述的余热产汽系统，具有如下优点：
通过降膜式蒸发器10将余热介质的热量传递给工质，实现工质的蒸发，通过压缩机30对工质进行压缩，实现余热升级，通过立式蒸汽发生器40将工质的热量传递给蒸汽发生介质，实现产出蒸汽；如此，基于逆卡诺热力循环原理，实现蒸汽的持续产生。
采用降膜式蒸发器10，通过喷雾器11替代传统降膜式蒸发器10顶部复杂结构的液相分布器，使中温中压液相工质经高效的喷雾器11变为低温低压微小液滴，均匀分布在降膜式蒸发器10的换热管内部，从而工质在换热管内部形成液膜向下流动，大幅强化了换热效果，有效降低换热温差，减少换热面积。
采用预热器50，使蒸汽发生介质进入立式蒸汽发生器40前先与高温高压液相工质进行换热，进一步回收液相工质余热，提高产汽能效。
采用立式蒸汽发生器40，使工质在换热腔41中自上而下流动且蒸汽发生介质在换热腔41中自下而上流动，实现全逆流传热，传热效率相比于卧式蒸汽发生器大幅提升；换热腔41中，工质走壳程，蒸汽发生介质走管程，无需设置U型管路，能够有效避免折弯处因应力集中而发生泄露，从而提高设备可靠性；采用立式蒸汽发生器40，还能够有效避免管束外壁汽泡附着滞留而引起的传热恶化现象，从而提高设备使用寿命；此外，采用立式蒸汽发生器40，占地面积小、结构紧凑，更加利于现场布置和设备安装。
采用立式蒸汽发生器40，集成换热腔41和气液分离腔42，还能利用工质直接加热蒸汽发生介质以蒸发产汽，相对于换热+闪蒸的产汽流程，本发明无需循环泵等增加工艺复杂度和能耗的设备，且相同输入条件下，本发明的产汽效率和蒸汽品质更高。
在立式蒸汽发生器40中完成热交换的工质流入预热器50，实现对蒸汽发生介质产汽前的预热；自预热器50流出的工质经第二气液分离器60进行气液分离，其中气相工质流入压缩机30补气口，能够提高压缩机30的制热量，液相工质流入降膜式蒸发器10，循环往复。
综上，上述的余热产汽系统，能够高效地利用余热介质，获得高品质的蒸汽产品，并降低工业过程能耗，实现节能环保。
在一些实施例中，余热产汽系统还包括：三通调节阀K1，连接在降膜式蒸发器10的余热介质进口所在的管路中，并连通降膜式蒸发器10的余热介质出口；温度传感器TC，设置在压缩机30的进气口所在的管路中，并连接三通调节阀K1。
三通调节阀K1的开度能够根据温度传感器TC所检测到的温度而调整，以此控制旁路热水流量S-3，实现对压缩机30的进气口的工质温度控制。
在一些实施例中，余热产汽系统还包括：喷射器70，连接在第二气液分离器60的液相出口与降膜式蒸发器10的工质进口之间。
通过喷射器70，对自第二气液分离器60的液相出口流出的液相工质进行降压降温，并引流入降膜式蒸发器10。
在一些实施例中，余热产汽系统还包括：液位调节阀K2，第一气液分离器20的液相出口经液位调节阀K2连通喷射器70；第一液位传感器LC1，连通第一气液分离器20，并连接液位调节阀K2。
液位调节阀K2的开度能够根据第一液位传感器LC1所检测到的液位而调整，在液位高时可以调大液位调节阀K2的开度，以将第一气液分离器20中的液相工质引入喷射器70，进而由喷射器70降压降温并引流入降膜式蒸发器10。
在一些实施例中，余热产汽系统还包括：补气调节阀K3，连接在第二气液分离器60的气相出口与压缩机30的补气口之间；第二液位传感器LC2，连通第二气液分离器60，并连接补气调节阀K3。
补气调节阀K3的开度能够根据第二液位传感器LC2所检测到的液位而调整，在液位高时可以调小补气调节阀K3的开度，以确保压缩机30的补气口补入气相工质，同时维持系统稳定。
在一些实施例中，余热产汽系统还包括：给水调节阀K4，连接在预热器50的介质进口所在的管路中；第三液位传感器LC3，连通气液分离腔42，并连接给水调节阀K4。
给水调节阀K4的开度能够根据第三液位传感器LC3所检测到的液位而调整，在液位高时可以调小给水调节阀K4的开度，以此保持产汽稳定。
在一些实施例中，立式蒸汽发生器40设置有封装换热腔41和气液分离腔42的一体式外壳。
如此，形成一体式结构的立式蒸汽发生器40，使立式蒸汽发生器40的整体结构稳定、简洁。此外，在换热腔41和气液分离腔42之间，可以设置隔板，隔板开设有与管程连通的通孔，以便蒸汽通向气液分离腔42。
在一些实施例中，立式蒸汽发生器40还包括除沫器43，设置于气液分离腔42与蒸汽出口之间。
通过除沫器43，能够防止蒸汽液沫夹带，确保蒸汽出口产出的蒸汽品质。
在一些实施例中，流入降膜式蒸发器10的余热介质的温度高于等于50℃。
如此，本发明的余热产汽系统，对余热介质的适应范围广，能够实现更加充分的余热利用。此外，流出降膜式蒸发器10的余热介质的温度通常不低于40℃，具体可根据余热参数进行设计，不以此处说明为限。
在一些实施例中，流入预热器50的蒸汽发生介质的温度高于等于80℃。
此外，蒸汽出口的蒸汽温度通常为100℃~125℃，具体可根据蒸汽用热参数进行设计，不以此处说明为限。
下面以余热介质为热水，蒸汽发生介质为除氧水为例，说明本发明的余热产汽系统的工艺流程。
热水上水S-1经降膜式蒸发器10换热，热水降温后热水回水S-2出系统，热水侧设置三通调节阀K1，通过控制旁路热水流量S-3来控制压缩机30的进气口的工质温度；
中温高压液相工质S-12经喷射器70引射、并与第一气液分离器20流出的液相工质S-7混合，变为低温中压液相工质S-4进入降膜式蒸发器10中，降膜式蒸发器10顶腔的喷雾器11能够对工质进行降压雾化，变为低温低压微小液滴，均匀分布在降膜式蒸发器10的换热管内部，工质在换热管内部形成液膜向下流动，能够大幅强化换热效果，有效降低换热温差，减小换热面积；
经降膜式蒸发器10的换热管管程换热蒸发的工质S-5进入第一气液分离器20进行气液分离，其中气相工质S-6进入压缩机30的进气口，液相工质S-7即经液位调节阀K2自动进入喷射器70，循环加热蒸发，维持系统稳定；
工质经压缩机30增压后，变为高温高压气相工质S-8，进入立式蒸汽发生器40中冷凝降温变为高温高压液相工质S-9，进入预热器50，与除氧水上水S-13进行换热，换热后工质变为中温高压液相工质S-10，进入第二气液分离器60进行气液分离，气液分离后气相工质S-11进入压缩机30的补气口，中温高压液相工质S-12即自动进入喷射器70，循环往复；
除氧水上水S-13根据立式蒸汽发生器40的液位控制流量，除氧水上水S-13首先进入预热器50预热，进一步回收高温工质热量，经预热的除氧水S-14再进入立式蒸汽发生器40蒸发产汽，有利于提高产汽效率；
经预热的除氧水S-14在立式蒸汽发生器40中进一步升温和蒸发沸腾，形成气液两相流，在气液分离腔42中分离出饱和蒸汽，饱和蒸汽经除沫器43后，防止液沫夹带，高品质的蒸汽S-15从立式蒸汽发生器40顶部输出。
下面结合三个实验案例，说明本发明的余热产汽系统的产汽优点。
案例一：
本案例以热水为余热介质回收汽提塔塔顶气中余热，汽提塔塔顶气换热前后温度分别为95℃和72℃，热水换热前后温度分别为60℃和70℃，换热后的热水进余热产汽系统产出115℃蒸汽，直接供给塔底再沸器加热用，从而节省塔底外补蒸汽消耗。
本案例中，余热产汽系统的参数如下所示：
| 余热进出温度 | ℃ | 70/60 |
| 余热流量 | t/h | 61.5 |
| 产汽温度 | ℃ | ~115（饱和） |
| 产汽流量 | t/h | 1.52 |
| 电功率 | KW | 275.6 |
| COP（能效比） | 3.6 |
本案例实施后，汽提塔塔顶气空冷全部停用，降低了空冷电耗；回收余热产蒸汽115℃饱和蒸汽1.52t/h，直接用于汽提塔塔底加热，节省塔底外补蒸汽1.52t/h，从而降低汽提塔的操作能耗，节能效益显著。
案例二：
本案例以热水为余热介质回收天然气锅炉烟气余热，通过热水和烟气直接接触的方式，将烟气温度由110℃降至45℃，热水换热前后温度分别为40℃和50℃，换热后的热水进余热产汽系统产出105℃蒸汽，直接用于工艺物料加热，从而降低外补蒸汽消耗。
本案例中，余热产汽系统的参数如下所示：
| 余热进出温度 | ℃ | 50/40 |
| 余热流量 | t/h | 188 |
| 产汽温度 | ℃ | ~105（饱和） |
| 产汽流量 | t/h | 5.1 |
| 电功率 | KW | 1121 |
| COP | 2.95 |
本案例实施后，烟气显热和部分潜热等余热充分回收，天然气锅炉热效率提升了4%以上，烟气的白色污染也得到显著改善，回收余热产蒸汽105℃饱和蒸汽5.1t/h，直接用于生产装置原料加热，节省生产装置外补加热蒸汽5.1t/h，最终降低天然气锅炉产汽5.1t/h，节省了天然气燃料消耗，具有良好的节能环保效益。
案例三：
本案例以炼厂低温热系统富余的90℃热媒水为余热介质，通过余热产汽系统，将热媒水温度由90℃降至80℃，余热产汽系统产出120℃蒸汽，直接用于炼厂脱丙烷塔塔底加热，从而降低脱丙烷塔塔底外补蒸汽消耗。
本案例中，余热产汽系统的参数如下所示：
| 余热进出温度 | ℃ | 90/80 |
| 余热流量 | t/h | 294 |
| 产汽温度 | ℃ | ~120（饱和） |
| 产汽流量 | t/h | 6.5 |
| 电功率 | KW | 833.1 |
| COP | 5.1 |
本案例实施后，充分利用低温热系统富余的90℃热媒水资源，通过余热产蒸汽120℃饱和蒸汽6.5t/h，直接用于脱丙烷塔塔底物料加热，可全部替代脱丙烷塔蒸汽消耗，从而大幅降低脱丙烷塔运行能耗，具有良好的节能效益。
综上，本发明的余热产汽系统，能够高效地利用余热介质，获得高品质的蒸汽产品，并降低工业过程能耗，实现节能环保。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种余热产汽系统，其特征在于，包括：
降膜式蒸发器，供余热介质与工质热交换，所述降膜式蒸发器的顶腔设置有喷雾器；
第一气液分离器，所述第一气液分离器的工质进口连通所述降膜式蒸发器的工质出口；
压缩机，所述压缩机的进气口连通所述第一气液分离器的气相出口；
立式蒸汽发生器，包括相连通的换热腔和气液分离腔，所述气液分离腔的顶部设置有蒸汽出口，所述换热腔中设置有供工质自上而下流通的壳程和供蒸汽发生介质自下而上流通的管程，其中壳程进口连通所述压缩机的出气口；
预热器，具有供蒸汽发生介质流入的介质进口、连通所述立式蒸汽发生器的管程进口的介质出口、以及连通所述立式蒸汽发生器的壳程出口的工质进口；
第二气液分离器，所述第二气液分离器的工质进口连通所述预热器的工质出口，所述第二气液分离器的气相出口和液相出口分别连通所述压缩机的补气口和所述降膜式蒸发器的工质进口，所述降膜式蒸发器的工质进口位于所述降膜式蒸发器的顶部。
2.如权利要求1所述的余热产汽系统，其特征在于，还包括：
三通调节阀，连接在所述降膜式蒸发器的余热介质进口所在的管路中，并连通所述降膜式蒸发器的余热介质出口；
温度传感器，设置在所述压缩机的进气口所在的管路中，并连接所述三通调节阀。
3.如权利要求1所述的余热产汽系统，其特征在于，还包括：
喷射器，连接在所述第二气液分离器的液相出口与所述降膜式蒸发器的工质进口之间。
4.如权利要求3所述的余热产汽系统，其特征在于，还包括：
液位调节阀，所述第一气液分离器的液相出口经所述液位调节阀连通所述喷射器；
第一液位传感器，连通所述第一气液分离器，并连接所述液位调节阀。
5.如权利要求1所述的余热产汽系统，其特征在于，还包括：
补气调节阀，连接在所述第二气液分离器的气相出口与所述压缩机的补气口之间；
第二液位传感器，连通所述第二气液分离器，并连接所述补气调节阀。
6.如权利要求1所述的余热产汽系统，其特征在于，还包括：
给水调节阀，连接在所述预热器的介质进口所在的管路中；
第三液位传感器，连通所述气液分离腔，并连接所述给水调节阀。
7.如权利要求1所述的余热产汽系统，其特征在于，所述立式蒸汽发生器设置有封装所述换热腔和所述气液分离腔的一体式外壳。
8.如权利要求1所述的余热产汽系统，其特征在于，所述立式蒸汽发生器还包括除沫器，设置于所述气液分离腔与所述蒸汽出口之间。
9.如权利要求1所述的余热产汽系统，其特征在于，流入所述降膜式蒸发器的余热介质的温度高于等于50℃。
10.如权利要求1所述的余热产汽系统，其特征在于，流入所述预热器的蒸汽发生介质的温度高于等于80℃。
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