一种烟气余热全热梯级深度回收的全开式吸收热泵
技术领域
本发明属于余热回收利用领域，涉及一种烟气余热全热梯级深度回收的全开式吸收热泵。
背景技术
燃煤燃气电场锅炉的排烟中均含有大量水蒸气，当烟囱排烟与室外环境的空气接触时，烟气中的水蒸气会在烟囱出口遇冷凝结，形成"白烟"现象，造成视觉污染，该现象还不利于烟气抬升扩散，会对烟囱周围设备及建筑物造成腐蚀，还会影响周围生态环境。烟气中所含的大量显热和潜热被排放至室外，造成能量的浪费。
目前，主要采用的几种烟气余热回收及“消白”的方法主要存在以下问题：(1)间壁式余热回收换热器由于烟气中含有硫等成分存在低温腐蚀问题；(2)闭式吸收式热泵存在冷源难寻，且由于系统需要维持真空造成设备昂贵维护困难；(3)利用溶液进行余热深度回收的系统其溶液的再生未有合适方法，利用室外空气作为再生载体仍会将水蒸气排至室外，且再生热源如选择燃料燃烧热等高品位的热源，仍存在能源利用率低的问题。
现有技术中有些是利用吸收式热泵回收烟气余热，利用烟气-水直接接触式换热器代替间壁式换热器对烟气余热进行回收，但吸收热泵的制造难度成本大，排烟处于饱和状态，尾部烟道易结露腐蚀。还有些基于溶液吸收循环的烟气余热，利用溶液回收排烟余热，降低了排烟的露点温度，但是该系统直接利用燃料燃烧的高温烟气驱动溶液再生，一次能源利用率低。还有些利用溶液与冷却水吸收烟气中的余热，烟气余热回收中仍采用了间壁式换热器，易造成腐蚀，且该系统仍以室外空气作为溶液再生的载体，虽然排烟含湿量降低，但再生装置的排气却接近饱和，仍会造成烟羽现象。
因此，设计一种烟气余热全热梯级深度回收与提质的系统是本领域技术人员迫切所需要解决的一个问题。
发明内容
发明目的：为解决现有技术的不足，本发明提供一种烟气余热全热梯级深度回收的全开式吸收热泵，利用溶液对锅炉排烟进行全热深度回收，并利用空预器前的烟气对回收的热量进行提质并供给热网，实现节能减排。该系统还可消除湿烟羽现象(烟气脱白)，直接接触的气液换热器也解决了传统间壁式换热器的腐蚀问题。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种烟气余热全热梯级深度回收的全开式吸收热泵，该系统包括烟气回路、溶液回路、循环水回路、热网水回路。利用溶液回路实现对锅炉低温排烟进行全热深度回收，利用少量空预器前的中温烟气对吸热吸湿后的溶液进行再生，携带大量显热及潜热的烟气通过循环水回路进行全热深度回收，全热回收过程中产生的热量全部供给热网回水，该全开式吸收热泵循环实现了烟气余热的梯级深度回收与利用，彻底解决了锅炉排烟的湿烟羽问题，实现烟气消白。全开式的系统与传统余热利用中的吸收式热泵相比，由于其无需真空环境，制造成本与运行维护难度大幅度降低。利用直接接触式填料塔作为溶液/水与烟气换热的装置，提高热质传递能力，彻底解决间壁式换热器在余热利用中的腐蚀问题。
具体为：
一种烟气余热全热梯级深度回收的全开式吸收热泵，该系统包括烟气回路、溶液回路、循环水回路和热网水回路，其中，烟气回路用来输送省煤器出口烟气，利用溶液回路实现对锅炉低温排烟进行全热深度回收，利用少量中温烟气对吸热吸湿后的溶液进行再生，携带大量显热及潜热的烟气通过循环水回路进行全热深度回收，全热回收过程中产生的热量全部供给热网水回路中的热网回水。
可选的，烟气回路包括脱硝装置、空预器、电除尘器、脱硫装置、排烟烟囱、第一气液直接接触换热器、第二气液直接接触换热器、第三气液直接接触换热器、第一风机、第二风机、第一电磁阀、第五电磁阀、第六电磁阀、第七电磁阀及相关管路，其中省煤器出口烟气输入脱硝装置的输入端，脱销装置的输出端与空预器的第一输入端相连，空预器的第一输出端与电除尘器的输入端相连，电除尘器的输出端与脱硫装置的输入端相连，脱硫装置的输出端通过第七电磁阀与排烟烟囱的输入端相连；另外，脱硝装置通过第一电磁阀与第一气液直接接触换热器的第一输入端相连，第一气液直接接触换热器的第一输出端与第二气液直接接触换热器的第一输入端相连，第二气液直接接触换热器的第一输出端与第三气液直接接触换热器的第一输入端相连，第三气液直接接触换热器的第一输出端通过第六电磁阀与排烟烟囱的输入端相连；脱硫装置的输出端通过第五电磁阀与第三气液直接接触换热器的第二输入端相连；第一风机与空预器的第二输入端相连，空预器的第二输出端输出炉膛热风；第三风机与空预器的第三输入端相连，空预器的第三输出端输出磨煤机热风。
可选的，第一气液直接接触换热器、第二气液直接接触换热器和第三气液直接接触换热器均为直接接触式填料塔，填料塔形式为逆流或者横流，填料为散装或者规整耐高温耐腐蚀填料。
可选的，溶液回路包括第一间壁式液液换热器、第三间壁式液液换热器、第一泵、第三泵、第三电磁阀、第八电磁阀及相关管路，其中烟气回路中的第一气液直接接触换热器的第二输出端通过第一泵与第一间壁式液液换热器的第一输入端相连，第一间壁式液液换热器的第一输出端与第三气液直接接触换热器的第三输入端相连，第三气液直接接触换热器的第二输出端与第三泵的输入端相连，第三泵的输出端一路通过第八电磁阀与第一间壁式液液换热器的第二输入端相连，另一路通过第三电磁阀与第三间壁式液液换热器的第一输入端相连，第三间壁式液液换热器的第一输出端与第一间壁式液液换热器的第二输入端相连，第一间壁式液液换热器的第二输出端与烟气回路中的第一气液直接接触换热器的第二输入端相连。
可选的，溶液回路中的循环工质为水蒸气分压力较低的溶液，为LiCl、LiBr或CaCl2溶液，也可为醇类有机溶液。
可选的，循环水回路包括第二间壁式液液换热器、第二泵、凝结水排水装置及相关管路，其中烟气回路中的第二气液直接接触换热器的第二输出端通过第二泵与第二间壁式液液换热器的第一输入端相连，第二间壁式液液换热器的第一输出端与烟气回路中的第二气液直接接触换热器的第二输入端口相连；另外，凝结水排水装置设置在烟气回路中的第二气液直接接触换热器下部，用以排出从烟气中凝结的水。
可选的，热网水回路包括第二电磁阀、第四电磁阀及相关管路，热网回水分别通过第二电磁阀和第四电磁阀与循环水回路中的第二间壁式液液换热器的第二输入端和溶液回路中的第三间壁式液液换热器的第二输入端相连，循环水回路中的第二间壁式液液换热器的第二输出端和溶液回路中的第三间壁式液液换热器的第二输出端均与热网供水相连。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明利用溶液/水实现锅炉排烟的全热深度回收，彻底解决锅炉排烟的湿烟雨问题。
(2)本发明利用空气器前的少量中温烟气对排烟全热进行提质，并供热给热网，实现烟气余热梯级利用。
(3)本发明采用直接接触式填料塔作为溶液/水与烟气换热的装置，提高热质传递能力，彻底解决间壁式换热器在余热利用中的腐蚀问题。
(4)本发明的全开式吸收热泵，与传统余热利用中的吸收式热泵相比，其制造成本与运行维护难度大幅度降低。
附图说明
图1是本发明系统示意图；
图中：脱硝装置1、空预器2、电除尘器3、脱硫装置4、排烟烟囱5、第一气液直接接触换热器6、第二气液直接接触换热器7、第三气液直接接触换热器8、第一间壁式液液换热器9、第二间壁式液液换热器10、第三间壁式液液换热器11、第一风机12、第二风机13、第一泵14、第二泵15、第三泵16、第一电磁阀17、第二电磁阀18、第三电磁阀19、第四电磁阀20、第五电磁阀21、第六电磁阀22、第七电磁阀23、第八电磁阀24、凝结水排水装置25。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示，本发明的一种烟气余热全热梯级深度回收的全开式吸收热泵，该系统包括烟气回路、溶液回路、循环水回路、热网水回路。利用溶液回路实现对锅炉低温排烟进行全热深度回收，利用少量空预器前的中温烟气对吸热吸湿后的溶液进行再生，携带大量显热及潜热的烟气通过循环水回路进行全热深度回收，全热回收过程中产生的热量全部供给热网水回路中的热网回水。
其中烟气回路包括脱硝装置1、空预器2、电除尘器3、脱硫装置4、排烟烟囱5、第一气液直接接触换热器6、第二气液直接接触换热器7、第三气液直接接触换热器8、第一风机12、第二风机13、第一电磁阀17、第五电磁阀21、第六电磁阀22、第七电磁阀23及相关管路。其中脱硝装置1、空预器2、电除尘器3、脱硫装置4、排烟烟囱5依次串联，即省煤器出口烟气输入脱硝装置1的输入端，脱销装置1的输出端与空预器2的第一输入端相连，空预器的第一输出端与电除尘器的输入端相连，电除尘器的输出端与脱硫装置的输入端相连，脱硫装置的输出端通过第七电磁阀23与排烟烟囱5的输入端相连；另外，脱硝装置1通过第一电磁阀17与第一气液直接接触换热器6相连，再与第二气液直接接触换热器7、第三气液直接接触换热器8依次串联，即脱硝装置1通过第一电磁阀17与第一气液直接接触换热器6的第一输入端相连，第一气液直接接触换热器6的第一输出端与第二气液直接接触换热器7的第一输入端相连，第二气液直接接触换热器7的第一输出端与第三气液直接接触换热器8的第一输入端相连；第三气液直接接触换热器8的第一输出端通过第六电磁阀22与排烟烟囱5的输入端相连，脱硫装置4的输出端通过第五电磁阀21与第三气液直接接触换热器8的第二输入端相连；第一风机12与空预器的第二输入端相连，空预器的第二输出端输出炉膛热风；第三风机13与空预器的第三输入端相连，空预器的第三输出端输出磨煤机热风。
其中，第一气液直接接触换热器、第二气液直接接触换热器和第三气液直接接触换热器均为直接接触式填料塔，填料塔形式可为逆流或者横流，填料为散装或者规整耐高温耐腐蚀填料，溶液回路中的循环工质为水蒸气分压力较低的溶液，可为LiCl、LiBr、CaCl2等盐溶液，也可为可为醇类有机溶液。
通过第一电磁阀从空预器前取的烟气为中温烟气(温度为350℃左右)，以该中温烟气作为热源对第一气液直接接触换热器的溶液进行再生，通过第五电磁阀从排烟烟囱前取的烟气为低温高湿烟气(温度为60℃左右，含湿量为80g/kg左右，具体由锅炉燃料性质及系统工况决定)，该烟气由第三气液直接接触换热器中的溶液进行全热深度回收。
溶液回路包括第一间壁式液液换热器9、第三间壁式液液换热器11、第一泵14、第三泵16、第三电磁阀19、第八电磁阀24及相关管路，其中烟气回路中的第一气液直接接触换热器6的第二输出端(溶液出口)通过第一泵14与第一间壁式液液换热器9的第一输入端相连，第一间壁式液液换热器9的第一输出端与第三气液直接接触换热器8的第三输入端(溶液进口)相连，第三气液直接接触换热器8的第二输出端(溶液出口)与第三泵16的输入端相连，第三泵16的输出端与第一间壁式液液换热器9中间有两个支路，其中一路经过第八电磁阀24，另一路经过第三电磁阀19与第三间壁式液液换热器11，即第三泵16的输出端一路通过第八电磁阀24与第一间壁式液液换热器9的第二输入端相连，另一路通过第三电磁阀19与第三间壁式液液换热器11的第一输入端相连，第三间壁式液液换热器11的第一输出端与第一间壁式液液换热器9的第二输入端相连，第一间壁式液液换热器9的第二输出端与烟气回路中的第一气液直接接触换热器6的第二输入端相连。
循环水回路包括第二间壁式液液换热器10、第二泵15、凝结水排水装置25及相关管路，其中烟气回路中的第二气液直接接触换热器7、第二泵15、第二间壁式液液换热器10依次串联，即第二气液直接接触换热器7的第二输出端通过第二泵15与第二间壁式液液换热器10的第一输入端相连，第二间壁式液液换热器10的第一输出端与烟气回路中的第二气液直接接触换热器7的第二输入端口相连；另外，凝结水排水装置25设置在烟气回路中的第二气液直接接触换热器7下部，用以排出从烟气中凝结的水。
第二气液直接接触换热器中的循环工质为水，利用水对烟气中的全热进行回收，整个系统从烟气中吸收的水分最终均以凝结水的形式通过凝结水排水装置排除系统，避免了水分以水蒸气的形式从排烟烟囱或是溶液再生装置排至环境造成的潜热浪费和环境污染。
第二气液直接接触换热器和第三气液直接接触换热器中回收的热量分别通过第一间壁式液液换热器和第二间壁式液液换热器供给热网，第一气液直接接触换热器出口的浓溶液和第三气液直接接触换热器出口的稀溶液通过第一间壁式液液换热器进行换热增强全热回收能力。
热网水回路包括第二电磁阀18、第四电磁阀20及相关管路，循环水回路中的第二间壁式液液换热器10的第二输入端与第二电磁阀18串联，溶液回路中的第三间壁式液液换热器11的第二输入端与第四电磁阀20串联，上述两个回路分别并联在热网的供回水回路中；即，热网回水分别通过第二电磁阀18和第四电磁阀20与循环水回路中的第二间壁式液液换热器10的第二输入端和溶液回路中的第三间壁式液液换热器11的第二输入端相连，循环水回路中的第二间壁式液液换热器10的第二输出端和溶液回路中的第三间壁式液液换热器11的第二输出端均与热网供水相连。
系统未进入烟气余热回收与“脱白”模式时，第七电磁阀23全开，第一电磁阀17、第二电磁阀18、第三电磁阀19、第四电磁阀20、第五电磁阀21、第六电磁阀22、第八电磁阀24全关。来自省煤器出口的烟气(370℃左右)进入脱硝装置1进行烟气脱硝处理，脱硝装置1出口的中温烟气(350℃左右)进入空预器2预热来自第一风机12和第二风机13的空气，并分别送至锅炉和磨煤机。空预器2第一输出端输出的烟气(135℃左右)进入电除尘器3，而后进入脱硫装置4进行烟气脱硫处理，脱硫装置4出口的低温高湿烟气(60℃左右,80g/kg左右，接近饱和)依次经由第七电磁阀23和排烟烟囱5排入环境。由于排烟烟囱5出口环境温度要远低于出口烟气温度，烟气遇冷凝结，形成湿烟羽，造成视觉污染，影响烟气抬升，并且大量烟气的显热及潜热被浪费。
当系统进入烟气余热回收与“脱白”模式时，第七电磁阀23关闭，第二电磁阀18、第四电磁阀20、第五电磁阀21、第六电磁阀22全开，第一电磁阀17、第三电磁阀19、第八电磁阀24开启，其开度由运行工况决定。脱硫装置4出口的低温高湿烟气(60℃左右,80g/kg左右，接近饱和)全部进入第三气液直接接触换热器8的底部，与来自第二气液直接接触换热器7出口的烟气进行混合，后与第三气液直接接触换热器8中自上而下的循环溶液(50～60℃左右，浓度示溶液种类而定，营造尽可能低的水蒸气分压力，以LiBr为例，浓度约为55％)进行直接接触换热，由于烟气与溶液之间巨大的温度差以及水蒸气分压力，大量显热及潜热由烟气向溶液传递，完成吸收过程。后烟气由第三气液直接接触换热器8第一输出端(顶部出口)经第六电磁阀22进入排烟烟囱5，并排入环境。由于吸收之后烟气的含湿量及温度大幅度降低，全热得到回收，露点大幅下降，可有效解决排烟烟囱5出口的湿烟羽问题。第三气液直接接触换热器8中，吸收反应后的循环溶液由第三泵16提升压头，后分为两个支路，一路经过第八电磁阀24，另一路经过第三电磁阀19与第三间壁式液液换热器11，并换热给来自热网的回水，两路支路汇合后经过第一间壁式液液换热器9，再进入第一气液直接接触换热器6。在第一气液直接接触换热器6中，来自脱硝装置1出口的中温烟气(350℃左右)与溶液进行直接接触换热，此时显热由烟气向溶液传递，潜热由溶液向烟气传递，进行发生过程。第一气液直接接触换热器6第二输出端的溶液由第一泵14提升压头后，经第一间壁式液液换热器9与来自第三气液直接接触换热器8的溶液进行换热，再回到第三气液直接接触换热器8。第一间壁式液液换热器9用于两股溶液之间的显热交换，提高来自第三气液直接接触换热器8溶液的温度，强化发生过程，降低来自第一气液直接接触换热器6溶液的温度，促进吸收过程。第一气液直接接触换热器6第一输出端的烟气(120℃左右，170g/kg左右)还有大量的显热及潜热，为实现这部分热量的全热回收并壁面溶液再生的问题，在第二气液直接接触换热器7中用循环水(55℃左右，等效含湿量114g/kg)对上述烟气进行热质吸收，此时显热及潜热均有烟气向循环水传递，发生吸收过程，大量水分凝结并由凝结水排水装置25排出系统，实现了正真的潜热回收(烟气中的水分最终由液的形式排出系统)。第二气液直接接触换热器7中吸热吸质后循环水由第二泵15提升压头后进入第二间壁式液液换热器10与热网回收换热，再进入第二气液直接接触换热器7，实现循环。上述所有过程中，第一气液直接接触换热器6中进行发生过程，第二气液直接接触换热器7与第三气液直接接触换热器8中进行吸收过程，吸收过程产生的热量来自被处理的低温高湿烟气(60℃左右,80g/kg左右，接近饱和)以及部分用于发生的中温烟气(350℃左右)，该过程产生的热量用于给热网回收加热，实现余热的回收利用。用于发生过程的少量烟气全部为来自空预器2之前的中温烟气(350℃左右)，实现了烟气余热的梯级利用，以及低温烟气余热的提质(原本60℃左右的排烟已难以加热热网回收)。
本发明的一种烟气余热全热梯级深度回收的全开式吸收热泵，包括烟气回路、溶液回路、循环水回路、热网水回路。利用溶液回路实现对锅炉低温排烟进行全热深度回收，利用少量空预器前的中温烟气对吸热吸湿后的溶液进行再生，携带大量显热及潜热的烟气通过循环水回路进行全热深度回收，全热回收过程中产生的热量全部供给热网回水，该全开式吸收热泵循环实现了烟气余热的梯级深度回收与利用，彻底解决了锅炉排烟的湿烟羽问题，实现烟气消白。全开式的系统与传统余热利用中的吸收式热泵相比，由于其无需真空环境，制造成本与运行维护难度大幅度降低。利用直接接触式填料塔作为溶液/水与烟气换热的装置，提高热质传递能力，彻底解决间壁式换热器在余热利用中的腐蚀问题。
