利用太阳能与余热生产蒸汽的系统及生产蒸汽方法

技术领域

本发明属于可再生能源应用技术领域，具体涉及一种利用太阳能与余热生产蒸汽的系统及生产蒸汽方法。

背景技术

在第七十五届联合国大会一般性辩论上，我国明确要采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。这个目标为我国节能减排工作带来了更加艰巨的挑战，节能减排的任务依然十分艰巨。

2014年我国发布了《中国可再生能源发展路线图2050》，其中对太阳能工农业热利用方面提到，在2030-2050年期间，全面实现太阳能干燥、海水淡化和工农业用太阳能中温热水、蒸汽系统的智能化运行，保持应用面积每年增长6%。从中远期看，太阳能热利用在工农业领域有望发挥巨大节能减排作用。由于太阳能的不连续、不稳定特性，以太阳能为主的系统无法满足生产工艺过程用热要求，需要结合其它能源。据统计，我国工业能耗占社会总能耗比例约69%，其中热能消耗占大约47%，我国是制造业大国，也是世界上工业门类最全的国家。很多工业工艺过程需要消耗大量的热能，工业过程对工艺蒸汽的需求量大，统计表明30%的工业能耗用于生产工艺蒸汽；2015年我国余热资源约为3.4亿吨标煤，余热回收率不足50%，大部分余热以烟气或热水的形式直接排放。在酿酒、纺织、印染等工业生产过程中，通常产生60℃以上的废水，直接排放会造成极大的能源浪费，利用大量存在的该类型余热与太阳能技术结合，通过热泵技术、水蒸气压缩技术的应用产生蒸汽供工农业过程使用，是一项非常重要的节能减排技术，具有广阔的应用前景。

发明内容

本发明要解决的问题是提供一种利用太阳能与余热生产蒸汽的系统及生产蒸汽方法，能够利用工业低温余热和太阳能作为能源生产蒸汽，实现低温余热的利用，是节能技术的重要方式，产生的蒸汽可用于工农业用热需求，工农业过程产生的余热又可以直接由该技术加以利用，达到了能源综合节约使用的效果。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种利用太阳能与余热生产蒸汽的系统，包括太阳能集热系统、热泵系统、闪蒸罐和水蒸气压缩机；

所述闪蒸罐的蒸汽出口连通水蒸气压缩机的进气口，所述热泵系统以余热介质为低位热源，所述热泵系统产生的热量加热所述闪蒸罐内的回水；

所述太阳能集热系统为所述闪蒸罐补充热水。

进一步的，所述余热介质为工业废水或者烟气。

进一步的，所述热泵系统包括依次循环连通的余热换热器Ⅰ、热泵压缩机和冷凝器，所述余热换热器Ⅰ充当蒸发器，所述余热介质接通所述余热换热器Ⅰ；

所述闪蒸罐的侧壁设有热水进口和热水出口，所述热水进口和热水出口通过循环管路接通所述冷凝器。

进一步的，所述太阳能集热系统包括中温太阳能集热器和储热水箱，所述中温太阳能集热器通过太阳能换热器和太阳能循环管路与所述储热水箱热能循环连接，所述储热水箱通过热水补水管连通所述闪蒸罐。

进一步的，所述储热水箱还设有冷水补水管，所述冷水补水管接通水源，所述冷水补水管上设有软化水装置。

进一步的，还包括设在所述冷水补水管上的余热换热器Ⅱ，余热介质经过余热换热器Ⅰ一次换热后进入所述余热换热器Ⅱ与所述冷水补水管内的水进行二次换热。

一种上述系统的生产蒸汽方法，其特征在于，包括以下步骤：

1、太阳能集热系统将加热后的水传输到闪蒸罐内；

2、热泵系统的蒸发端以余热介质为低位热源，吸收其热量，热泵系统的冷凝端产生热量加热闪蒸罐内的回水；

3、闪蒸罐的热水蒸发成低温低压水蒸气，低温低压水蒸气经水蒸气压缩机压缩成高温高压水蒸气，最后进入用户终端使用。

进一步的，余热介质温度为60℃以上，太阳能集热系统产生的热水温度为90℃以上，所述热泵系统的冷凝端温度为115℃-130℃。

进一步的，余热介质经过热泵系统的蒸发端降温后再与太阳能集热系统的冷水进行换热，最后余热介质进入水源热泵机组充当低位热源。

本发明与现有技术相比所取得的有益效果如下：

1、工业生产中产生的工业废水或者烟气温度高达60℃以上，蕴含大量的低温余热，用以作余热介质。本发明所述生产蒸汽的方法中，太阳能集热系统将冷水加热后传输到闪蒸罐内；热泵系统的蒸发端以余热介质为低位热源，吸收其热量，热泵系统的冷凝端产生热量加热闪蒸罐内的热水；闪蒸罐的热水蒸发成低温低压水蒸气，低温低压水蒸气经水蒸气压缩机压缩成高温高压水蒸气，最后进入用户终端使用。这个过程中，利用低温余热和太阳能作为能源生产蒸汽，实现低温余热的利用，是节能技术的重要方式，产生的蒸汽可用于工农业用热需求，工农业过程产生的余热又可以直接由该技术加以利用，达到了能源综合节约使用的效果；

本发明所述利用太阳能与余热生产蒸汽的系统能够充分结合利用低温余热和太阳能，结构紧凑，使用方便；

2、本发明所述系统和生产蒸汽的方法，具有良好的节能型，由于能量来源于余热和太阳能，系统的能效高，而且环保效果好，符合国家节能减排的政策导向，是一种具有很好发展潜力的系统技术。在我国工农业生产过程中产生大量余热且不能有效利用的情况下，该技术具备非常良好的市场应用潜力；

3、余热介质先在余热换热器Ⅰ内换热降温，然后再进入余热换热器Ⅱ换热加热进入储热水箱中的冷水，最后进入水源热泵机组充当低位热源进一步降温，水源热泵机组的作用是最后利用余热介质制取生活热水或采暖，体现了余热介质的热量梯级利用。

附图说明

图1为本发明所述利用太阳能与余热生产蒸汽的系统结构示意图；

图中：1、闪蒸罐，2、水蒸气压缩机，3、分汽缸，4、中温太阳能集热器，5、储热水箱，6、冷水补水管，7、余热换热器Ⅰ，8、热泵压缩机，9、冷凝器，10、余热换热器Ⅱ,11、水源热泵机组。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

以利用工厂废水中余热为例，本实施例公开一种利用太阳能与余热生产蒸汽的系统，其主要包括太阳能集热系统、热泵系统、闪蒸罐1、水蒸气压缩机2、水源热泵机组11和分汽缸3。闪蒸罐1的顶部为蒸汽出口，侧部设有热水进口、热水出口和热水补水口。

太阳能集热系统包括中温太阳能集热器4和储热水箱5，中温太阳能集热器4通过太阳能换热器和太阳能循环管路与储热水箱5热能循环连接，储热水箱5通过热水补水管连通闪蒸罐1的热水补水口。本实例中，中温太阳能集热器4可以选择CPC非跟踪中温太阳能集热器，可提供最高150℃的热水，显著高于普通真空管集热器和平板集热器80℃的热源温度，有利于提供更高的闪蒸温度和提高能效。为了给储热水箱5补水，在储热水箱5设置冷水补水管6，冷水补水管6接通水源，并在冷水补水管6上安装软化水装置，避免在管路内结垢。

本实施例中，余热介质为工业废水，热泵系统为水源热泵系统，热泵系统包括依次循环连通的余热换热器Ⅰ7、热泵压缩机8和冷凝器9，热泵压缩机8选择适用该系统的螺杆式高温压缩机。余热换热器Ⅰ7充当蒸发器，冷凝器9充当冷凝器。带有余热的工业废水通过管路经过余热换热器Ⅰ7，并与余热换热器Ⅰ7内的冷媒热交换。闪蒸罐1的热水进口和热水出口通过循环管路经过冷凝器9，从而实现冷凝器9中的冷媒与闪蒸罐1内的热水热交换。

闪蒸罐1的出气口通过管道连通水蒸气压缩机2的进气口，水蒸气压缩机2的出气口通过管道连通分汽缸3，分汽缸3将蒸汽运输到各个用户终端。

为了进一步提高工业废水中的余热利用率，在冷水补水管6上设有余热换热器Ⅱ10，工业废水经过余热换热器Ⅰ7一次换热后进入余热换热器Ⅱ10与冷水补水管6内的水进行二次换热。余热介质从余热换热器Ⅱ二次降温后，通过管道进入水源热泵机组11充当低位热源。

本发明所述系统的生产蒸汽方法，包括以下步骤：

1、太阳能集热系统将冷水加热后传输到闪蒸罐内。

软化的冷水进入储热水箱，经过循环泵循环进入中温太阳能集热器，被中温太阳能集热器循环加热，逐步提高温度，使储热水箱内的水温达到100℃以上后，通过热水补水管进入闪蒸罐补充热水，进入闪蒸罐内的热水，一部分形成蒸汽，剩余的形成回水留在闪蒸罐内；

2、热泵系统的蒸发端以余热介质为低位热源，吸收其热量，热泵系统的冷凝端产生热量加热闪蒸罐内的回水。

工业废水的水温60℃-100℃，进入余热换热器Ⅰ中，热泵压缩机中的冷媒进入余热换热器Ⅰ内蒸发吸收工业废水中的余热，然后经热泵压缩机压缩130℃的冷媒，进入冷凝器中放热；从闪蒸罐内出来的回水约100℃，然后进入冷凝器内吸收大量的热量，被加热到115℃后再回到闪蒸罐内。

3、闪蒸罐的热水蒸发成低温低压水蒸气，低温低压水蒸气经水蒸气压缩机压缩成高温高压水蒸气，最后进入用户终端使用。

返回闪蒸罐的热水蒸发成饱和低温低压蒸汽进入水蒸汽压缩机被压缩成更高温度压力的蒸汽，温度达到150℃，进入分汽缸，从分汽缸到不同的终端用户使用。

值得注意的是，当余热介质为烟气时，在余热换热器Ⅰ前加装有汽水换热器，烟气经过汽水换热器转换成带有余热水，余热水进入余热换热器Ⅰ内，重复上述步骤。

本发明可以对余热梯级利用，具体过程如下：

为了充分利用余热，从余热换热器Ⅰ一次换热后的工业废水，温度降低5℃，然后进入余热换热器Ⅱ与冷水补水管内的水进行二次换热，加热来自软化水装置的软化冷水，变成约35℃的低温水。软化的冷水进入储热水箱，被中温太阳能集热器循环加热，逐步提高温度，被加热后变成100℃的热水后进入闪蒸罐作为蒸汽使用后的补水。余热介质从余热换热器Ⅱ二次降温后，通过管道进入水源热泵机组11充当低位热源，实现三次降温。水源热泵机组的作用是最后利用余热介质制取生活热水或采暖，体现了余热介质的热量梯级利用。

本发明所述系统和生产蒸汽的方法，具有良好的节能型，由于能量来源于余热和太阳能，系统的能效高，而且环保效果好，符合国家节能减排的政策导向，是一种具有很好发展潜力的系统技术。在我国工农业生产过程中产生大量余热且不能有效利用的情况下，该技术具备非常良好的市场应用潜力。