以熱泵方式回收燃氣鍋爐煙氣冷凝熱能的裝置和方法與流程
2023-07-25 04:03:26 3
本發明涉及一種回收燃氣鍋爐煙氣冷凝熱能的裝置和方法，尤其是涉及以熱泵方式回收燃氣鍋爐煙氣冷凝熱能的裝置和方法。
背景技術：
燃氣鍋爐排煙一般在150℃以上，煙氣中含有體積分數達15%-20%的水蒸氣，這部分水蒸氣呈過熱狀態，其汽化潛熱得不到利用，這些呈過熱狀態的水蒸氣隨煙氣排出時造成熱量的巨大損失。目前燃氣鍋爐逐步取代燃煤鍋爐，燃氣鍋爐在城市生活、生產供熱中得到了廣泛使用，燃氣鍋爐的冷凝回收裝置開始得到應用。目前燃氣鍋爐冷凝回收主要是通過單一煙氣-水換熱器，將煙氣溫度降溫，回收煙氣餘熱，如公開日為2012年04月11日，公開號為CN102410550A的中國專利中，公開了一種冷凝式防腐蝕燃氣/燃油鍋爐的餘熱回收系統，該餘熱回收系統包括一個普通的熱管換熱器本體和一個溶液噴灑裝置，熱管換熱器本體將熱量由煙氣側通過熱管的震蕩傳輸將熱量傳遞至另一側，用以加熱空氣或水，噴頭噴出的溶液均勻的散布在煙氣側的換熱管和換熱器內壁上，消除鍋爐煙氣中水蒸氣凝結形成的弱酸性溶液的腐蝕。這種通過單一煙氣-水換熱器的簡單的利用方式存在以下三點不足。（1）熱水溫度過低，僅可以用於生活熱水或者加熱鍋爐給水等。（2）煙氣溫度無法降至足夠低。煙氣加熱的水主要是生活熱水或者鍋爐給水，蒸汽鍋爐給水量少，熱水鍋爐回水溫度較高，均無法將煙氣溫度降至足夠低，生活熱水需要出水溫度在40-60℃，排煙溫度大都在60℃以上，煙氣中水蒸氣的冷凝比例不高，熱能回收率較低。（3）冷凝換熱器中噴頭噴灑的溶液與煙氣直接接觸換熱，煙氣中部分熱量隨溶液排出，降低了熱能回收效率。現在也有採用其他方式回收燃氣鍋爐煙氣冷凝熱能的，如公開日為2012年08月29日，公開號為CN102650431A的中國專利中，公開了一種燃氣煙氣餘熱梯級回收利用方法，該燃氣煙氣餘熱梯級回收利用方法利用氣水間接換熱和氣水直接換熱兩種不同傳熱方式的串聯，梯級回收煙氣中的低品位熱能，用於被加熱水溫度連續提升，被加熱水溫度經過兩次連續提升，溫度升高到60-100℃，作為蒸汽鍋爐補水、餘熱鍋爐補水、其他工藝用水或生活熱水使用，該系統需消耗高品位電能，且功能較為單一。綜上所述，現在還沒有一種熱能回收率高，一次循環水的水溫在15-30℃，能夠將煙氣充分冷卻，使煙氣降至露點以下，充分回收煙氣的顯熱和水蒸氣的汽化潛熱的回收燃氣鍋爐煙氣冷凝熱能的裝置和方法。
技術實現要素：
本發明的目的在於克服現有技術中存在的上述不足，而提供一種結構設計合理，熱能回收率高，一次循環水的水溫在15-30℃，能夠將煙氣充分冷卻，使煙氣降至露點以下，充分回收煙氣的顯熱和水蒸氣的汽化潛熱的以熱泵方式回收燃氣鍋爐煙氣冷凝熱能的裝置和方法。本發明解決上述問題所採用的技術方案是：該以熱泵方式回收燃氣鍋爐煙氣冷凝熱能的裝置包括高效冷凝換熱器、一次循環水換熱器出口管、一次循環水換熱器入口管、煙氣入口管和煙氣出口管，所述高效冷凝換熱器中設置有冷凝換熱器冷凝水排水口、煙氣入口、煙氣出口、一次循環水入口和一次循環水出口，所述煙氣入口管的一端和煙氣出口管的一端分別連接在高效冷凝換熱器的煙氣入口和煙氣出口上，所述一次循環水換熱器出口管的一端和一次循環水換熱器入口管的一端分別連接在高效冷凝換熱器的一次循環水出口和一次循環水入口上，其結構特點在於：還包括熱泵機組、一次循環水換熱器出口溫度計、一次循環水流量計、一次循環水熱泵入口管、一次循環水熱泵出口管、一次循環水泵、一次循環水換熱器入口溫度計、生活熱水取水管、一次循環水補水管、二次循環水泵、二次循環水回水溫度計、二次循環水熱泵入口管、二次循環水熱泵出口管、二次循環水流量計和二次循環水熱泵出口溫度計，所述一次循環水泵和一次循環水換熱器入口溫度計均安裝在一次循環水換熱器入口管上，所述一次循環水換熱器出口溫度計和一次循環水流量計均安裝在一次循環水換熱器出口管上；所述一次循環水熱泵出口管的一端和一次循環水補水管的一端均連接在一次循環水換熱器入口管的另一端上，所述一次循環水熱泵入口管的一端和生活熱水取水管的一端均連接在一次循環水換熱器出口管的另一端上；所述熱泵機組上設置有一次循環水入口、一次循環水出口、二次循環水入口和二次循環水出口，所述一次循環水熱泵入口管的另一端和一次循環水熱泵出口管的另一端分別連接在熱泵機組的一次循環水入口和一次循環水出口上，所述二次循環水熱泵入口管的一端和二次循環水熱泵出口管的一端分別連接在熱泵機組的二次循環水入口和二次循環水出口上，所述二次循環水泵和二次循環水回水溫度計均安裝在二次循環水熱泵入口管上，所述二次循環水流量計和二次循環水熱泵出口溫度計均安裝在二次循環水熱泵出口管上。由此使得本發明的結構設計合理，能夠將煙氣充分冷卻，使煙氣降至露點以下，煙氣熱能的回收率高，大大降低了對高效冷凝換熱器的腐蝕，延長了設備的使用壽命。作為優選，本發明所述高效冷凝換熱器中沿煙氣流動方向的末端換熱管束採用耐腐蝕材質。作為優選，本發明所述高效冷凝換熱器中的底板沿煙氣流動方向逐漸向下傾斜。一種以熱泵方式回收燃氣鍋爐煙氣冷凝熱能的方法，其特徵在於：包括如下步驟：以熱泵工況運行時，煙氣通過煙氣入口管進入高效冷凝換熱器內降溫放熱，降溫後的煙氣通過煙氣出口管排出高效冷凝換熱器，此時煙氣的溫度在40℃以下，煙氣中的水蒸氣冷凝後從冷凝換熱器冷凝水排水口流出；在一次循環水泵的推動下，一次循環水經一次循環水換熱器入口管進入高效冷凝換熱器內吸收煙氣放出的熱能，使得一次循環水的溫度升高到15-30℃之間，升溫後的一次循環水經一次循環水換熱器出口管流出高效冷凝換熱器，並作為熱泵機組的低溫熱源水，通過一次循環水熱泵入口管進入熱泵機組進行放熱，降溫後的一次循環水通過一次循環水熱泵出口管流出，並在一次循環水泵的推動下再次進入高效冷凝換熱器中吸熱升溫，如此反覆循環；二次循環水在二次循環水泵的推動下通過二次循環水熱泵入口管進入熱泵機組中，吸收一次循環水放出的熱能，使得二次循環水的溫度升高到50-90℃之間，升溫後的二次循環水經二次循環水熱泵出口管流出熱泵機組，輸送至用戶處進行放熱，並在二次循環水泵的推動下進行循環。由此使得本發明的操作簡單，能夠充分回收煙氣的顯熱和水蒸氣的汽化潛熱。作為優選，本發明一次循環水通過調節一次循環水泵的出力改變進入高效冷凝換熱器的水量，從而控制高效冷凝換熱器中一次循環水的進口溫度和出口溫度，使得升溫後的一次循環水的溫度控制在15-30℃之間，從而使高效冷凝換熱器的煙氣出口處的溫度儘可能的低，充分利用煙氣中的餘熱，並減少環境汙染；二次循環水根據熱用戶用熱溫度的要求，選取合適的熱泵機組，控制二次循環水泵的水流量，以調節熱泵機組的回水溫度和供水溫度。作為優選，本發明當熱泵設備出現故障或二次循環水不使用時，啟用生活熱水取水管，通過一次循環水泵控制一次循環水流量，使一次循環水經高效冷凝換熱器後的溫度達到生活熱水的溫度要求，作為生活熱水使用，一次循環水的失水通過一次循環水補水管進行補充。由此使得本發明具有提供生活熱水的功能，當熱泵設備出現故障時，也能夠實現利用煙氣熱能的功能，更加有利於節能環保。本發明與現有技術相比，具有以下優點和效果：1.先採用低溫的一次循環水和高溫煙氣進行熱交換的方式，有利於將高溫煙氣的溫度降到40℃以下，提高了煙氣中熱能的利用率；再使用二次循環水和一次循環水通過熱泵機組進行熱交換的方式，大大提高了熱能的回收效率，能夠將二次循環水的溫度提高了50-90℃，擴大了二次循環水的適用面。2.採用高效冷凝換熱器，高效冷凝換熱器末級換熱管束採用耐腐蝕材質，減輕高效冷凝換熱器的低溫腐蝕，高效冷凝換熱器底板沿煙氣方向向下傾斜，可將冷凝水及時排出，減少腐蝕並可避免水分蒸發造成熱量損失。3.一次循環水溫度可控，一般一次循環水出水溫度控制在20℃左右，保證高效冷凝換熱器煙氣出口溫度可降至40℃以下，以充分回收煙氣餘熱。4.根據實際條件不同選擇電驅動熱泵或吸收式熱泵，二次循環水溫度可控制在50-90℃之間。5.適用性廣泛，由於二次循環水熱能品質在生活供暖、生產供熱可用範圍之內，且溫度可控，因而使用範圍較廣。6.以熱泵方式回收燃氣鍋爐煙氣冷凝熱能，採用高效冷凝換熱器將煙氣的熱量換熱至一次熱源水中，通過熱泵將一次循環水的熱量換熱至二次循環水中，相對於常規冷凝式換熱系統，具有排煙溫度低、節能效果好、適用性廣泛、系統穩定可靠的優點。7.一次循環水換熱器出口管分別連接一次循環水熱泵入口管和生活熱水取水管，一次循環水熱泵入口管和生活熱水取水管的水溫要求不同，由一次循環水泵通過調節一次循環水流量來控制，使用靈活。附圖說明圖1是本發明實施例中以熱泵方式回收燃氣鍋爐煙氣冷凝熱能的裝置的結構示意圖。圖中：1-高效冷凝換熱器，2-熱泵機組，3-一次循環水換熱器出口管，4-一次循環水換熱器出口溫度計，5-一次循環水流量計，6-一次循環水熱泵入口管，7-一次循環水熱泵出口管，8-一次循環水泵，9-一次循環水換熱器入口溫度計，10-一次循環水換熱器入口管，11-煙氣入口管，12-煙氣出口管，13-生活熱水取水管，14-一次循環水補水管，15-二次循環水泵，16-二次循環水回水溫度計，17-二次循環水熱泵入口管，18-二次循環水熱泵出口管，19-二次循環水流量計，20-二次循環水熱泵出口溫度計，21-冷凝換熱器冷凝水排水口。具體實施方式下面結合附圖並通過實施例對本發明作進一步的詳細說明，以下實施例是對本發明的解釋而本發明並不局限於以下實施例。實施例。參見圖1，本實施例中以熱泵方式回收燃氣鍋爐煙氣冷凝熱能的裝置包括高效冷凝換熱器1、熱泵機組2、一次循環水換熱器出口管3、一次循環水換熱器出口溫度計4、一次循環水流量計5、一次循環水熱泵入口管6、一次循環水熱泵出口管7、一次循環水泵8、一次循環水換熱器入口溫度計9、一次循環水換熱器入口管10、煙氣入口管11、煙氣出口管12、生活熱水取水管13、一次循環水補水管14、二次循環水泵15、二次循環水回水溫度計16、二次循環水熱泵入口管17、二次循環水熱泵出口管18、二次循環水流量計19和二次循環水熱泵出口溫度計20。本實施例中的高效冷凝換熱器1中設置有冷凝換熱器冷凝水排水口21、煙氣入口、煙氣出口、一次循環水入口和一次循環水出口，煙氣入口管11的一端和煙氣出口管12的一端分別連接在高效冷凝換熱器1的煙氣入口和煙氣出口上，一次循環水換熱器出口管3的一端和一次循環水換熱器入口管10的一端分別連接在高效冷凝換熱器1的一次循環水出口和一次循環水入口上。本實施例中的一次循環水泵8和一次循環水換熱器入口溫度計9均安裝在一次循環水換熱器入口管10上，一次循環水換熱器出口溫度計4和一次循環水流量計5均安裝在一次循環水換熱器出口管3上。本實施例中的一次循環水熱泵出口管7的一端和一次循環水補水管14的一端均連接在一次循環水換熱器入口管10的另一端上，一次循環水熱泵入口管6的一端和生活熱水取水管13的一端均連接在一次循環水換熱器出口管3的另一端上。本實施例中的熱泵機組2上設置有一次循環水入口、一次循環水出口、二次循環水入口和二次循環水出口，熱泵機組2內設置有冷凝器和蒸發器，一次循環水熱泵入口管6的另一端和一次循環水熱泵出口管7的另一端分別連接在熱泵機組2的一次循環水入口和一次循環水出口上，二次循環水熱泵入口管17的一端和二次循環水熱泵出口管18的一端分別連接在熱泵機組2的二次循環水入口和二次循環水出口上，二次循環水泵15和二次循環水回水溫度計16均安裝在二次循環水熱泵入口管17上，二次循環水流量計19和二次循環水熱泵出口溫度計20均安裝在二次循環水熱泵出口管18上。通常情況下，本發明中的高效冷凝換熱器1中沿煙氣流動方向的末端換熱管束採用耐腐蝕材質，高效冷凝換熱器1中的底板沿煙氣流動方向逐漸向下傾斜。本實施例中以熱泵方式回收燃氣鍋爐煙氣冷凝熱能的方法包括如下步驟：以熱泵工況運行時，煙氣通過煙氣入口管11進入高效冷凝換熱器1內降溫放熱，降溫後的煙氣通過煙氣出口管12排出高效冷凝換熱器1，此時煙氣的溫度在40℃以下，煙氣中的水蒸氣冷凝後從冷凝換熱器冷凝水排水口21流出；在一次循環水泵8的推動下，一次循環水經一次循環水換熱器入口管10進入高效冷凝換熱器1內吸收煙氣放出的熱能，使得一次循環水的溫度升高到15-30℃之間，升溫後的一次循環水經一次循環水換熱器出口管3流出高效冷凝換熱器1，並作為熱泵機組2的低溫熱源水，通過一次循環水熱泵入口管6進入熱泵機組2進行放熱，降溫後的一次循環水通過一次循環水熱泵出口管7流出，並在一次循環水泵8的推動下再次進入高效冷凝換熱器1中吸熱升溫，如此反覆循環；二次循環水在二次循環水泵15的推動下通過二次循環水熱泵入口管17進入熱泵機組2中，吸收一次循環水放出的熱能，使得二次循環水的溫度升高到50-90℃之間，升溫後的二次循環水經二次循環水熱泵出口管18流出熱泵機組2，輸送至用戶處進行放熱，並在二次循環水泵15的推動下進行循環。一次循環水通過調節一次循環水泵8的出力改變進入高效冷凝換熱器1的水量，從而控制高效冷凝換熱器1中一次循環水的進口溫度和出口溫度，使得升溫後的一次循環水的溫度控制在15-30℃之間，從而使高效冷凝換熱器1的煙氣出口處的溫度儘可能的低，充分利用煙氣中的餘熱，並減少環境汙染；二次循環水根據熱用戶用熱溫度的要求，選取合適的熱泵機組2，控制二次循環水泵15的水流量，以調節熱泵機組2的回水溫度和供水溫度。當熱泵設備出現故障或二次循環水不使用時，啟用生活熱水取水管13，通過一次循環水泵8控制一次循環水流量，使一次循環水經高效冷凝換熱器1後的溫度達到生活熱水的溫度要求，作為生活熱水使用，一次循環水的失水通過一次循環水補水管14進行補充。本發明基於熱泵原理，以較低溫度的一次循環水利用高效冷凝換熱器1將燃氣鍋爐排煙溫度降至露點以下，吸收煙氣顯熱和水蒸氣汽化潛熱，通過熱泵機組2將一次循環水作為低溫熱源水將二次循環水加熱至設計溫度，整個裝置的結構設計合理、巧妙，裝置中的各個部件形成一個有機的整體，各個部件共同作用，實現熱能回收效率高，節能減排，對設備的腐蝕性小的作用。此外，需要說明的是，本說明書中所描述的具體實施例，其零、部件的形狀、所取名稱等可以不同，本說明書中所描述的以上內容僅僅是對本發明結構所作的舉例說明。凡依據本發明專利構思所述的構造、特徵及原理所做的等效變化或者簡單變化，均包括於本發明專利的保護範圍內。本發明所屬技術領域的技術人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或採用類似的方式替代，只要不偏離本發明的結構或者超越本權利要求書所定義的範圍，均應屬於本發明的保護範圍。