CN208365871U - 一种天然气烟气余热全热回收装置 - Google Patents

Abstract

一种天然气烟气余热全热回收装置。属于能源技术领域，特别涉及一种将燃气燃烧装置(锅炉、直燃机、燃气内燃机、燃气轮机等)排放的烟气余热全热回收技术。本实用新型针对目前天然气锅炉热能利用率较低的现状，采用三级降温两级换热的工艺流程，通过换热器和热泵使烟气梯级降温，特别是将烟气中的汽化潜热回收利用，将天然气锅炉的排烟温度降到了与天然气进锅炉时相同的温度，真正实现了天然气热能的全部利用。在烟气降温与热能回收的过程中，回收了大量的冷凝水，水中溶解了烟气中部分的硫化物和氮氧化物，降低了污染物的排放。本实用新型应用于热电联产电厂时，供暖期可消少量电能，增加30％以上的供热面积，减少10‑15％供热燃气的消耗量。

Description

一种天然气烟气余热全热回收装置

技术领域

本发明属于能源技术领域，特别涉及一种将燃气燃烧装置(锅炉、直燃机、燃气内燃机、燃气轮机等)排放的烟气余热全热回收，同时可以降低烟气中硫化物、氮氧化物等污染物的排放的装置。

背景技术

天然气虽然属于化石能源，但是，由于其燃烧的直接产物是二氧化碳和水，在低氮燃烧的工况下，对环境的影响较小，是一种改善大气质量的清洁燃料，因此应将其热能全部转化利用。但目前天然气热能利用率和烟气回收的效率的现状并不尽人意，采暖锅炉的热能利用率普遍低于80％(以高热值计)。最先进的热电联供技术也不超过80％，有超过20％的热能通过烟筒排放到空中，特别是由于燃烧时产生的水在烟气中的汽化潜热没有回收，浪费了宝贵的不可再生的能源资源，还对大气环境造成了影响。目前，成熟的烟气余热回收技术已将烟气温度降到30℃左右，只能回收部分潜热。根据国际标准化组织的规定：燃气轮机ISO标准工况为：环境温度15℃、大气压力0.10135MPa、大气相对湿度60％。据此，当烟气温度降到15℃以下，并低于天然气进锅炉的温度时才能实现烟气余热的“全热回收”，充分利用天然气的热能。

目前，燃气锅炉烟气余热回收采用的吸收式热泵系统和烟气源热泵系统均为现场安装，设备分体，施工期长，调试、维修管理工作量较大。中国专利“200810188037.6”《一种燃气锅炉烟气全热回收的装置》公开了一种采用电动热泵回收燃气锅炉烟气余热的装置，其中的烟气源热泵的蒸发器和冷凝器、混合降温器等设备需要现场组装。中国专利“201110110470.x”《利用吸收式热泵回收烟气余热的集中供热系统》公开了一种采用吸收式热泵回收燃气锅炉和燃气轮机的烟气余热的集中供热系统，其吸收式热泵要在燃气热电联产系统用燃气或高温蒸汽作为热泵的驱动源，需要对电厂内部相关设备和一次、二次供暖系统进行相应的改造，特别是大容量的回收设备体积庞大，需要较大的占地面积，不适用已建成电厂进行节能改造。

随着煤改气的推进，北京市燃煤热电厂全部由大型燃气热电中心代替，增加了大量燃气供热面积。由于燃煤电厂的热电比是燃气电厂的两倍。在采暖季，燃气热电厂是以热定电，产生了热电需求不匹配，热电联产机组产生的电力超出了用电负荷的现象。同时，采暖期是北京天然气消耗的高峰期，供需矛盾较为突出(目前采暖高峰期燃气供需缺口为20％)，产生了电偏多而气不足的矛盾。同时，热电联产电厂天然气燃烧的过量空气系数大于采暖的燃气锅炉，在同样排烟气温度90℃的情况下，比燃气锅炉产生更多烟气量，有更多的热能排放到空中而浪费。

分布式能源三连供系统是高效利用天然气热能系统，有助于改变能源结构、提高能源利用率和减少环境污染。天然气分布式能源中小型的热电联产机组的排烟温度在90℃以上，有大量的烟气余热没有利用。如果将烟气余热全部回收利用，可以增加50％以上的采暖供热面积，有助于北方采暖季大气环境的改善。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明提出一种天然气烟气余热全热回收装置，可以实现以下目的：

1、采用集成式烟气源热泵烟气余热回收装置，将燃气烟气从90-120℃降到15℃，实现天然气热能全部回收利用，在采暖期回供到二次供热系统，减少天然气的消耗量；

2、采用三级降温两级换热的工艺，通过调整混合降温器的进烟流量，保持热泵蒸发器进口烟温在30±5℃，使热泵高效运行；

3、采用集成式模块设备，出厂前进行整体调试，性能稳定，对外仅留有烟气进出口和采暖循环水进出口，根据电厂烟气温度和采暖区域的热负荷进行模块组合安装，可以立体叠加，向空间发展。整体运输、安装，可安装在烟筒周边上方的空间或厂外的空地，无需对锅炉房内部进行改造；

4、烟气回收过程中，产生大量冷凝水，经过处理可直接供给电厂余热锅炉，节约水资源；

5、本装置在余热回收过程可将烟气中的硫化物去除50％以上，氮氧化物去除10％以上，实现减排的环境效益；

6、由于本装置采用的是热电联产电厂的电，供暖期可消纳部分多余电能，增加了电厂的供热面积，减少10-15％供热燃气的消耗量，降低了供热成本，改善了电厂的经济效益，提高了热电联产系统的热电比。

本发明的技术方案如下：

一种天然气烟气余热全热回收装置，其特征是，采用三级降温两级换热的工艺流程，将燃气锅炉等天燃气燃烧装置产生烟气中的热能梯级回收利用，特别是利用烟气源热泵吸收低品位热能特点，将60℃以下的烟气中的潜热回收，应用到供暖或供应热水等用途，最终排烟温度降到15±5℃，实现了烟气中的热能的全热(显热和潜热)回收利用。随着烟气温度的降低，烟气中的水蒸气凝结为液态水，水中溶解了硫化物和氮氧化物呈弱酸性，需要经过中和处理后再利用或排放。

所述的三级降温两级换热，其特征是，第一级降温、换热是将90-120℃的烟气通过气-水换热器6降至60℃左右，水侧的水温提升6-10℃；第二级降温是通过混合降温器5将烟气从60℃降到30±5℃；第三级降温、换热是通过烟气源热泵蒸发器1将烟气降到15±5℃后排放，热泵的冷凝器2将水温提升6-10℃。三级降温烟道串联连接，二级换热的热水管道可串联和并联。烟气降温过程中凝结的冷凝水吸收烟气中的部分硫化物和氮氧化物，实现了节能减排。

所述的烟气源热泵，其特点是由蒸发器1、冷凝器2、压缩机4、膨胀阀、气液分离器组成的气源热泵。是基于逆卡诺循环原理建立起来的一种节能制热技术，这种热泵适合在燃气锅炉的烟气条件下运行，以低温烟气为热源，经过热泵提升为高温热源供热或供热水，可以将低温烟气中的气化潜热全部回收。

所述的烟气源热泵蒸发器1，其特征是烟气进口温度设计为30±5℃，以适应回收烟气余热的运行条件，又可使热泵在最佳条件下运行，蒸发器 1进出口的温差为10-15℃，最终温度为15±5℃，可以实现烟气中潜热的全部回收。为防止烟气中的酸性冷凝水的腐蚀，蒸发器1采用整体镀膜的方式进行防腐处理，在蒸发器1的烟气出口侧装有风扇3，作为烟气循环换热的动力。

所述的热泵冷凝器2，其特征是采用双螺旋套管换热器或管壳式换热器或其他形式的换热器，其作用是将蒸发器1吸收的热能通过工质在压缩机4压缩，温度提高并在冷凝器2内将热量转换为高温热水。

所述的压缩机4，其特征是采用电驱动的涡旋式压缩机或螺杆式压缩机或离心式压缩机。

所述的膨胀阀、气液分离器是保障烟气源热泵正常运行的配套设备。

所述的气-水换热器6，其特征是通过换热器的换热使来自燃气燃烧设备的高温烟气降温到60℃左右的中温烟气，通过风机7的驱动进入混合降温器5。气-水换热器6采用耐腐蚀的不锈钢或其他材料制作，将烟气中的热能交换到水中，烟气侧进口与燃气锅炉等燃烧装置的烟筒相连，出口连接风机7。

所述的混合降温器5，其特征是混合降温器5安装在热泵蒸发器1的下方，为腔体结构，内设导流装置，联通蒸发器1的烟气进出口侧的风道。 60℃的烟气在混合降温器5内与来自蒸发器1出口的低温烟气混合，烟气降温到热泵所需温度。借助于安装在蒸发器1烟气出口侧的风扇3，在蒸发器1的出口形成正压，在蒸发器1进口形成负压，使烟气在风扇3的驱动下，通过混合降温器5在蒸发器1进出口之间循环流动，以循环烟气为载体吸收高气温烟气的热能，然后释放到蒸发器1，通过工质在压缩机4 的升温和冷凝器2的降温，完成烟气低位热能的转换和提升。

所述的烟道，其特征是不锈钢制作的保温烟道，烟道一端连接天然气燃烧设备的排烟烟筒，一端通过热泵蒸发器1通向大气，中间贯穿电动烟道阀、气-水换热器、风机、调节阀、混合降温器和热泵蒸发器等设备。

所述的热水管道，其特征是连接供热循环系统、储热水箱与热泵冷凝器和板式换热器的水侧的保温管道，管道安装有截止阀、调节阀、排气阀等管件。

所述的中和处理设备，其特征是由碱液箱、计量泵、PH控制仪等设备构成，中和处理设备收集来自三级降温产生的冷凝水，将酸性冷凝水处理为中性水或适合锅炉及采暖管道的碱性水。

本发明的技术是这样实现的：

一种天然气烟气余热全热回收装置，其特征是该装置包括安装在集成底座及框架上的烟气源热泵、混合降温器5、气-水换热器6、风机7和供热或热水循环水泵及管道等附属设备。烟气从天然气燃烧装置的烟筒通过烟道8引入气-水换热器6再经过风机7送入混合降温器5，最后经低温烟道11排到大气，热水或采暖系统的循环水经过气-换热器和热泵的加热供给采暖或热水系统。

一种天然气烟气余热全热回收装置，其特征是以集成底座及框架为依托，设备安装分为两层，上层安装有蒸发器1、风扇3、导流风道、低温排烟道8，底层为压缩机4、冷凝器2、混合降温器5、膨胀阀、气液分离器、中温进烟道、冷凝水收集及中和处理设备。上述设备在整体装置横剖面上的分布位置是以垂直中心线为轴对称布置。按照压缩机的单机输入功率和整套机组的功率以及撬装设备的长度偶数安装。

所述天然气烟气余热全热回收装置，其特征是，装置的上层安装有烟气源热泵的蒸发器1，蒸发器1下方是混合降温器5，蒸发器1的烟气出口侧装有风扇3，通过风扇3驱动烟气在蒸发器1的出口侧形成正压，在蒸发器1进口侧形成负压，使烟气在由混合降温器5和蒸发器1之间构成的环形通道内循环流动。烟气通过蒸发器1时所含的热量被蒸发器1内低温工质吸收温度下降(温差10-15℃)成为低温烟气。来自于烟气管道的60℃的烟气通过导流管道进入混合降温器5，与来自蒸发器1出口的低温烟气(15℃左右)在混流装置的作用下充分混合，形成30℃的烟气在风扇3负压的作用下进入蒸发器1换热。

所述天然气烟气余热全热回收装置，其特征是，装置的下层安装来自连接风机7出口的烟气管道8，在混合降温器一侧设有送风口，将60℃的烟气通过导流板均匀进入混合降温器5，中温烟气管道进口处安装有电动阀门，在进口烟气温度波动时，自动调节进入混合降温器5的烟量，使中温与低温烟气混合进入蒸发器1的烟气温度保持在30±5℃，使热泵高效运行。

所述天然气烟气余热全热回收装置，其特征是，30±5℃的烟气经过蒸发器1的换热降到15±5℃，烟气在风扇3和导流板的作用下，大部分下行进入到混合降温器5，一部分上行通过装置的上方的低温烟气出口进入大气。由于混合降温器5及蒸发器1的进出口形成的风道是密闭的空间，低温烟气排到大气的动能源自风机7在低温烟气出口的余压，风量与从烟道进入混合降温器5的烟量相等。系统运行时，始终有一定量的烟气在混合降温器5内循环进行热量转换。烟气在逐级降温过程中，水蒸气凝结成水，烟气中的硫化物、氮氧化物部分溶解到水中，减少了向大气中的污染物的排放。当排放的烟气不满足环境影响评价对氮氧化物落地浓度的要求时，可在低温烟道11出口设置风机抬高烟气扩散高度。

所述天然气烟气余热全热回收装置，其特征是，装置的下层安装热泵系统的压缩机4，采用电驱动的涡旋式压缩机或螺杆式压缩机或离心式压缩机。压缩机所消耗的电能起到补偿作用，使循环工质不断地从低温环境 (蒸发器1)中吸热并向高温环境(冷凝器2)放热周而往复地进行循环。为使热泵系统正常运行，安装有气水分离器和膨胀阀。压缩机4、冷凝器2、气水分离器、膨胀阀均布置在底层用铜管连接。

所述天然气烟气余热全热回收装置，其特征是，装置的一端安装气- 水换热器6和风机7，气-水换热器6进口与燃气燃烧装置的烟筒相连，出口接风机7进口，风机7出口连接混合降温器5进口。装置的另一端安装热水或采暖期系统的循环泵，将热水输送出去。

所述天然气烟气余热全热回收装置，其特征是装置的下层安装有冷凝水收集及中和处理设备。烟气在混合降温器5和蒸发器1降温过程中产生大量的冷凝水，采用耐腐蚀的管道将冷凝水收集并输送到中和处理设备，中和处理设备10由碱液箱、计量泵、PH控制仪、储水箱等设备构成，将酸性冷凝水处理为中性水或适合锅炉及采暖管道的碱性水。由PH控制仪检测储水箱的PH值并控制计量泵从碱液箱中抽取碱液加到储水箱，使储水箱中的冷凝水保持为中性或设定的PH值。

附图说明：

附图1 烟气余热全热回收装置工艺流程图

图中：1、烟气源热泵蒸发器 5、混合降温器 6、气- 水换热器 7、风机 8、烟道

附图2 混合降温器原理图

图中：1、烟气源热泵蒸发器 2、烟气源热泵冷凝器

3、烟气源热泵风扇 5、混合降温器

8、烟道 11、低温排烟口

附图3 天然气烟气余热全热回收装置设备布置纵剖面图

图中：

1、烟气源热泵蒸发器 4、烟气源热泵压缩机

6、气-水换热器 7、风机

9、供热循环泵 10、中和处理设备

附图4 天然气烟气余热全热回收装置设备布置横剖面图

图中：

1、烟气源热泵蒸发器 2、烟气源热泵冷凝器

3、烟气源热泵风扇 4、烟气源热泵压缩机

5、混合降温器 8、烟道 11、低温排烟口

附图5： 天然气烟气余热全热回收装置实施例

图中：1、燃气电厂烟筒 2、烟道

3、天然气烟气余热全热回收装置

4、低温排烟道 5、6、供暖循环管

附图6： 天然气烟气余热全热回收装置实施例

图中：1、燃气电厂烟筒 2、烟道

3、天然气烟气余热全热回收装置

4、低温排烟道 5、设备平台

具体实施方式

实施例1：(附图5)

本实施案是本发明技术典型实施方法。适用于已建燃气-蒸汽联循环热电联产电厂的烟气余热回收，电厂内部不作任何改造。烟气侧仅需要在烟筒上连接高温烟道将90℃的烟气引出进入气-水换热器降温为中温烟气 (60℃左右)，通过风机引入撬装式燃气烟气余热全热回收装置，烟气在装置内经过烟道进入混合降温器降为30±5℃、再进入热泵蒸发器降到 15±5℃，从低温烟道排向大气。采暖系统的循环回水进入冷凝器换热升温后经过循环泵加压与原供暖系统衔接或进入新建供热系统。

实施例2：(附图6)

本实施案是本发明技术典型实施方法。适用于已建燃气-蒸汽联循环热电联产电厂的烟气余热回收，电厂内外均无空间和面积安装余热回收装置，需将电厂或锅炉房的烟筒周边上方的空间增加设备平台，将余热回收装置安装在平台上。烟气侧仅需要在烟筒上连接高温烟道将90℃的烟气引出进入气-水换热器降温为中温烟气(60℃左右)，通过风机引入燃气烟气余热全热回收装置，烟气在装置内经过烟道进入混合降温器降为30±5℃、再进入热泵蒸发器降到15±5℃，从低温烟道回送到原有的烟筒或另设烟道将烟气排向大气。采暖系统的循环回水进入冷凝器换热升温后经过循环泵加压与原供暖系统衔接或进入新建供热系统。

实施例3：

本实施案是本发明技术一种实施方法。适用于已建烟气温度低于70℃的燃气燃烧装置的节能改造。近年来，一些燃气锅炉进行了节能改造，安装了一级烟气余热回收装置，排烟温度低于70℃，仍有部分显热和大部分潜热没有回收而浪费。本方案在原有的烟筒上安装烟道连接风机，将70℃以下的烟气通过风机引入撬装式燃气烟气余热全热回收装置，烟气在装置内经过烟道进入混合降温器降为30±5℃、再进入热泵蒸发器降到15±5℃，从低温烟道排向大气。采暖系统的循环回水进入冷凝器换热升温后经过循环泵加压与原供暖系统衔接或进入新建供热系统。

上述实施案仅阐述了本专利技术部分适用条件，没有全部覆盖本专利技术所涉及的燃气烟气余热全热回收装置适用条件，凡是在本发明的技术方案的基础上进行的没有实质改变的位置变换、结构调整、材料替代、流程和温度变化等均不能排除在本专利的保护范围。

Claims (10)

1.一种天然气烟气余热全热回收装置，其特征是，采用三级降温两级换热的工艺流程回收燃气烟气余热，全部设备安装在集成底盘上，分两层布置，所述的设备包括：一级气-水换热器6、二级混合降温器5、三级烟气源热泵以及配套的风机7、供热循环水泵9和冷凝水中和处理设备11。

2.根据权利要求1所述的一种天然气烟气余热全热回收装置，其特征是，烟气从天然气燃烧装置的烟筒通过烟道8引入气-水换热器6再经过风机7送入混合降温器5，再进入烟气源热泵，最后经低温烟道11放大气，热水或采暖系统的循环水经过气-水换热器6和热泵的加热供给采暖或热水系统。

3.根据权利要求1所述的一种天然气烟气余热全热回收装置，其特征是采用三级降温两级换热工艺流程，第一级降温、换热是将90-120℃的烟气通过气-水换热器6降至60℃左右，水侧的水温提升6-10℃；第二级降温是通过混合降温器5将烟气从60℃降到30±5℃；第三级降温、换热是通过烟气源热泵蒸发器1将烟气降到15℃左右后排放，热泵的冷凝器2将水温提升6-10℃，三级降温烟道串联连接，二级换热的热水管道可串联和并联。

4.根据权利要求1所述的一种天然气烟气余热全热回收装置，其特征是采用集成底盘，包括由角钢或槽钢焊接成的撬装底座及框架，共分为两层，安装在撬装底座及框架上的设备包括：一级气-水换热器6、二级混合降温器5、三级烟气源热泵、配套的风机7、供热循环水泵9和冷凝水中和处理设备10。

5.根据权利要求1所述的一种天然气烟气余热全热回收装置，其特征是，烟气源热泵以低温烟气为热源，经过热泵系提升为高温热源供热或供热水，所述的烟气源热泵由蒸发器1、冷凝器2、压缩机4、膨胀阀、气液分离器等设备组成。

6.根据权利要求5所述的一种天然气烟气余热全热回收装置，其特征是，烟气源热泵的蒸发器1烟气进口温度设计为30±5℃，以适应回收烟气余热的运行条件，蒸发器1进出口的温差为10-15℃，烟气最终排放温度为15±5℃。

7.根据权利要求1所述的一种天然气烟气余热全热回收装置，其特征是，所述的集成底盘的上层安装有烟气源热泵的蒸发器1，蒸发器下方是混合降温器5，蒸发器1的烟气出口侧装有风扇3，通过风扇3驱动烟气在由混合降温器5和蒸发器1之间构成的环形通道内循环流动，烟气通过蒸发器1时所含的热量被蒸发器内低温工质吸收温度下降温度10-15℃成为低温烟气，来自于气-水换热器6出口烟道的60℃的烟气通过导流管道进入混合降温器5，与来自蒸发器1出口的15±5℃的低温烟气在混流装置的作用下充分混合，形成30±5℃的烟气在风扇3负压的作用下进入蒸发器1换热。

8.根据权利要求1所述的一种天然气烟气余热全热回收装置，其特征是，所述的集成底盘的下层为撬装底盘，下层安装来自连接风机7出口的烟气管道，在混合降温器5一侧设有送风口，将60℃的烟气通过导流板均匀进入混合降温器5，烟气管道进口处安装有电动阀门，在进口烟气温度波动时，自动调节进入混合降温器5的烟量，改变与低温烟气混合比例，使进入蒸发器1的烟气温度保持在30±5℃。

9.一种天然气烟气余热全热回收装置，其特征是，当烟气温度低于90℃时，采用二级降温一级换热的工艺流程回收燃气烟气余热，全部设备安装在集成底盘上，分两层布置，包括：一级混合降温器5、二级烟气源热泵以及配套的风机7、供热循环泵9和冷凝水中和处理设备10，烟气从天然气燃烧装置的烟筒通过烟道8和风机7送入混合降温器5，将烟气温度调节后再进入烟气源热泵，最后经低温烟道11排放大气，热水或采暖系统的循环水经过热泵的加热供给采暖或热水系统。

10.根据权利要求9所述的一种天然气烟气余热全热回收装置，其特征是，采用二级降温一级换热工艺流程，第一级降温将90℃以下的烟气通过混合降温器5降到30±5℃；第二级降温、换热是通过烟气源热泵蒸发器1将烟气降到15±5℃后排放，热泵的冷凝器2将水温提升6-10℃，二级降温烟道串联连接。