一种热泵与气水面式换热器耦合的烟气余热回收系统

技术领域

本申请涉及余热回收领域，具体地说是涉及一种热泵与气水面式换热器耦 合的烟气余热回收系统。

背景技术

节能、降碳、治理雾霾是我国，乃至于全世界关注的重大问题。

大型电厂、钢铁厂是当今的耗能大户，其生产过程中的碳排放量均处于企 业前列，其生产与尾气处理也极大的促成了雾霾的形成。大型电厂、钢铁厂的 烟气脱硫、烟气余热回收、和尾气处理方面的技术均是国家急需的。

我国的燃煤发电量大约占总发电量的70％左右，远远高于其它国家的比例。 并且我国用于发电的燃煤的含硫量普遍偏高，在生产过程中均需要进行脱硫处 理。为了脱硫，我国引进了国外的湿法脱硫技术。目前我国80％以上的大型燃煤 发电厂都采用这一引进工艺。如图1所示，该工艺的原理是：将石灰浆通过喷 雾与锅炉排出的烟气接触，烟气中的二氧化硫与石灰浆发生化学反应生成石膏， 从而达到了脱硫的目的。

但是，湿法脱硫工艺需要消耗大量的水和热量。脱硫塔烟气温度越高，消 耗的水和热量越多。从锅炉出来的烟气通常为120～150℃，而通常需要将其温度 降低到80℃左右。通过脱硫塔吸收一定热量以后，出口烟气基本达到饱和状态， 温度在50～55℃左右。这种饱和烟气在空气中则会凝结成水蒸汽，就是通常所说 的“白烟”。为了“消白”通常采用GGH换热器(gasgas heater)。即，将锅 炉出口烟气降温的热量用于加热湿烟气，使其在饱和温度之上，达到“消白” 的目的。整个湿法脱硫的工艺图如图1所示。

但是，湿法脱硫工艺还存在着以下缺陷：

(1)能耗高：

要将石灰浆的水吸收，需要大量的热量，使水变成水蒸汽，最终排出的烟 气基本上达到饱和状态。增加的这部分热损失将使锅炉效率降低7～10％。而通过 GGH仅仅只能使烟气温度升高，并无法回收热量。

(2)水量消耗大：

制作石灰浆需要大量的水，在湿法脱硫过程中，大量的水将会变成蒸汽， 极大的提高了耗水量。经实测，一台600MW的电站锅炉采用湿法脱硫技术消耗 的水量在130t/h以上，不仅水量消耗巨大，而且产生的水蒸汽还容易造成环境 污染。

(3)造成雾霾，污染环境：

进行湿法脱硫时将会产生大量的水蒸汽，该水蒸汽排入大气中则会形成气 溶胶。有研究表明，水蒸汽是导致雾霾的第一大影响因素。有的研究认为，水 蒸汽造成雾霾的影响的比例超过50％。因此，国家出台政策要消除水蒸汽，即“消 白”。

发明内容

针对现有技术之不足，本申请提供了一种热泵与气水面式换热器耦合的烟 气余热回收系统，在使烟气温度降低的同时，还能回收烟气的余热进行利用， 而又同时回收了脱硫后的烟气显热和水蒸汽潜热，使整个系统的节能效率提高 10％以上。

一种热泵与气水面式换热器耦合的烟气余热回收系统，包括锅炉余热回收 系统与热用户供热系统；所述锅炉余热回收系统又包括与炉子相连接的尾部烟 道，连接在尾部烟道上的气水面式换热器，与气水面式换热器相连接的脱硫塔， 与脱硫塔相连接的气水混合换热器，以及与气水混合换热器相连接的水循环系 统；所述热用户供热系统同时与气水面式换热器和水循环系统相连接。

作为优选，所述气水面式换热器的气水面式换热器气侧进口与尾部烟道相 连接，所述气水面式换热器的气水面式换热器气侧出口与脱硫塔的烟气进口相 连接。

作为优选，所述气水混合换热器的气水混合换热器烟气侧进口与脱硫塔的 烟气出口相连接，所述气水混合换热器的气水混合换热器烟气侧出口连接有烟 囱。

进一步的，所述水循环系统由气水混合换热器，热泵蒸发器进水口与气水 混合换热器的气水混合换热器热水出口相连接、热泵蒸发器出水口与气水混合 换热器的气水混合换热器冷水进口相连接的热泵，以及依次串接在气水混合换 热器的气水混合换热器热水出口和热泵的热泵蒸发器进水口之间的水箱、水处 理器和过滤器组成。

再进一步的，所述热用户供热系统上设置有与热泵的热泵冷凝器进水口相 连接的热用户出水管，所述热用户供热系统上还设置有与气水面式换热器的气 水面式换热器水侧出口相连接的热用户进水管；所述热泵的热泵冷凝器出水口 与气水面式换热器的气水面式换热器水侧进口相连接。

更进一步的，所述脱硫塔的进液口上连接有脱硫剂制浆设备；所述脱硫剂 制浆设备的进水口与水箱相连接。

与现有技术相比，本申请具有如下有益效果：

(1)本发明将现有技术工艺系统中的GGH创新改造为了气水面式换热器， 即能够使得烟气温度降低，还能减少脱硫喷淋的耗水量，同时又能回收烟气的 余热，不仅更好的节省了能源，还能有效减少水蒸气外排量，进而有效的降低 了雾霾的产生。

(2)本发明根据热力学原理，将气水面式换热器、气水混合换热器以及热 泵三种换热设备科学耦合，使其在同一系统中协同使用，能够有效的对烟气脱 硫后的显热和水蒸汽潜热进行回收，并通过热泵提升温度，将低品位能源提升 为高品位能源，通过供热、加热电厂补给水或加热锅炉给水的方式有效的利用 余热，使整个热力系统的节能效率提高10％以上。

(3)本发明通过设置热泵在提升热用户供热系统介质温度的同时获得了低 温冷源，并将7～10℃的冷水与脱硫塔出口烟气混合，使最终排入大气的烟温由 52℃左右降低至30℃左右，使烟气中的水蒸气大部分凝结成水，减少排入大气 的水蒸气量65％左右，减少了雾霾，并大量节省脱硫耗水量，更有效的利用了水 资源。

(4)本发明依据热力学基本理论，气水面式换热器、气水混合换热器以及 热泵的组合方式和参数进行了优化，使节能效率达到最优化，有效的提高了系 统的余热回收以及节能效果。

本申请的一部分附加特性可以在下面的描述中进行说明。通过对以下描述 和相应附图的检查或者对实施例的生产或操作的了解，本申请的一部分附加特 性对于本领域技术人员是明显的。本申请披露的特性可以通过对以下描述的具 体实施例的各种方法、手段和组合的实践或使用得以实现和达到。

附图说明

在此所述的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分， 本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。 在各图中，相同标号表示相同部件。其中，

图1为现有技术中湿法脱硫技术的工艺图。

图2为本发明的系统框图。

图3为本发明实施例中简化后的热力系统图。

附图标记说明：1、尾部烟道；2、气水面式换热器气侧进口；3、气水面式 换热器气侧出口；4、气水面式换热器；5、气水换面式热器水侧进口；6、气水 面式换热器水侧出口；7、热用户进水管；8、热用户出水管；9、热泵冷凝器进 水口；10、热泵冷凝器出水口；11、热泵；12、热泵蒸发器出水口；13、热泵 蒸发器进水口；14、过滤器；15、水处理器；16、水箱；17、脱硫剂制浆设备； 18、脱硫塔；19、气水混合换热器烟气侧进口；20、气水混合换热器；21、气水混合换热器冷水进口；22、气水混合换热器热水出口；23烟囱。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，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、完整地描述，显然，所 描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申 请中的实施例，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，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，如果本申请的说明书和权利要求书及上述附图中涉及到术 语“第一”、“第二”等，其是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的 顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里 描述的本申请的实施例。此外，如果涉及到术语“包括”和“具有”以及他们 的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的 过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是 可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤 或单元。

在本申请中，如果涉及到术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、 “后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、 “横向”、“纵向”等，其指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位 置关系。这些术语主要是为了更好地描述本申请及其实施例，并非用于限定所 指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操 作。

并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于 表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或 连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在 本申请中的具体含义。

此外，在本申请中，如果涉及到术语“安装”、“设置”、“设有”、“连 接”、“相连”、“套接”等应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸 连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是 通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。 对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的 具体含义。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征 可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

实施例1

如图2所示，一种热泵与气水面式换热器耦合的烟气余热回收系统，包括 锅炉余热回收系统与热用户供热系统；所述锅炉余热回收系统又包括与炉子相 连接的尾部烟道1，连接在尾部烟道1上的气水面式换热器4，与气水面式换热 器4相连接的脱硫塔18，与脱硫塔18相连接的气水混合换热器20，以及与气 水混合换热器20相连接的水循环系统；所述热用户供热系统同时与气水面式换 热器4和水循环系统相连接。

炉子：是指能够产生烟气的设备，该设备可以为锅炉、窑炉、冶炼炉、燃 气机等，在本实施例中主要是指燃煤锅炉。

气水面式换热器：是烟气与水通过换热面进行换热的装置，又称gas waterheater,简称GWH。在本申请中，通过GWH将烟气热量传递给水，进而使得烟气 温度降低，而水温升高。需要注意的是，现有技术中的湿法脱硫工艺采用的是 GGH，即gasgas heater，是将烟气热量传递给尾部湿烟气，其仅提高了排烟温 度，而没有回收热量。而本申请采用了GWH，是将烟气热量传递给水，使得烟气 热量能够得到回收利用。GWH可以采用普通的管式换热器，尤以单面肋片管为佳。 由于GWH一侧为水、一侧为烟气，故而其换热系数通常高于GGH。因此，选用 GWH比选用GGH具有更高的换热效率，且GWH的制造工艺更简单，造价更低廉， 能够有效的降低系统的生产成本。

脱硫塔：在湿法脱硫工艺中已经被广泛应用，为本领域的现有技术，在此 便不进行赘述。

气水混合换热器：烟气与水混合换热的装置，又称gaswater mixing heater, 简称GWMH。本装置将从脱硫塔排出的烟气与冷却水混合，将烟气中的部分显热 和水蒸汽潜热融于水中，使冷却水温度升高，达到回收烟气余热的目的。气水 混合换热器的换热效率很高，在充分混合的情况下，最终的排烟温度与水温进 差1～2℃。最终的水温和排烟温度选取可根据不同项目和要求进行调整，需要按 照热平衡进行具体的计算和设计。喷淋塔就是常用的气水混合换热器，但喷淋 塔占地面积很大。气水混合罐也是一种气水混合换热器，而气水混合罐相较于 喷淋塔的体积更小，但其换热效率相对较低、且内部阻力大。具体的结构选择 可以根据实际的使用需求进行确定。

所述气水面式换热器4的气水面式换热器气侧进口2与尾部烟道1相连接， 所述气水面式换热器4的气水面式换热器气侧出口3与脱硫塔18的烟气进口相 连接。

所述气水混合换热器20的气水混合换热器烟气侧进口19与脱硫塔18的烟 气出口相连接，所述气水混合换热器20的气水混合换热器烟气侧出口连接有烟 囱23。

烟囱：现有的排烟装置，在领域中被广泛运用，在此便不进行赘述。

所述水循环系统由气水混合换热器20，热泵蒸发器进水口13与气水混合换 热器20的气水混合换热器热水出口22相连接、热泵蒸发器出水口12与气水混 合换热器20的气水混合换热器冷水进口21相连接的热泵11，以及依次串接在 气水混合换热器20的气水混合换热器热水出口22和热泵11的热泵蒸发器进水 口13之间的水箱16、水处理器15和过滤器14组成。

水箱：水箱是存放混合液体的设备，它可以为脱硫塔提供水源，同时将气 水混合换热器置换出来的热水储存，为下一道余热回收工序提供水源和热源。 由于蒸汽凝结将产生凝结水，故而可以将水箱中的凝结水作为脱硫剂制浆设备 的一部分补充水，更加有效的利用了水资源。水箱在一般的工程中广泛利用， 属于现有技术，可以在市场上购买或单独设计制造，在此便不进行赘述。

水处理器、过滤器：由于水循环系统是闭环系统，可实现零排放。但由于 烟气不断与水进行直接交换，将有一部分粉尘和二氧化硫等物质积累，因此需 要对其中的循环水进行处理。因为锅炉烟气已经在脱硫塔处进行了洗涤，故而 经过气水混合换热器的烟气中的粉尘和二氧化硫含量很低，因此循环水中的粉 尘过滤量很少，可以采用常规的水处理器和过滤器对其进行处理。水处理器和 过滤器均为现有的常规产品，在此便不进行赘述。其中水处理装置可以在循环 水的粉尘和酸度达到一定程度后间断运行，进一步降低系统的运行成本。

热泵：热泵又称为heat pump,简称HP。是一种将低温热源传递给高温介质 的装置。在本申请中，是将经过GWMH加热后的热水作为热源，通过热泵将热量 传递给需要加热升温的介质，使其进一步升温。比如通过热泵将供热管中的回 水加热后再用于用户供热。

通常情况下有压缩式热泵和吸收式热泵，压缩式热泵消耗的是电能，吸收 式热泵消耗的是热能，而在本申请中两种热泵均可采用，具体则需要根据实际 情况进行选择与使用。比如，对于发电厂来说，既有电能也有热能，两种方式 都可以选用。根据卡诺定理，热泵的效率与吸热端和放热端的温差有关。温差 越低，能效比越高。由于采用了GWMH的加热，使热泵进出口端差降低10℃左右， 能效比大约可以提高2左右，大约可以节能40％左右。

所述热用户供热系统上设置有与热泵11的热泵冷凝器进水口9相连接的热 用户出水管8，所述热用户供热系统上还设置有与气水面式换热器4的气水面式 换热器水侧出口6相连接的热用户进水管7；所述热泵11的热泵冷凝器出水口 10与气水面式换热器4的气水面式换热器水侧进口5相连接。

所述脱硫塔3的进液口上连接有脱硫剂制浆设备17；所述脱硫剂制浆设备 17的进水口与水箱16相连接。

水箱与脱硫剂制浆设备相连接，在水箱内烟气中的水蒸气凝结后能够被送 入脱硫剂制浆设备中的进行回收利用，更加充分的利用了水资源。

另外，所述水箱上外接有水源。

水源能够为水箱补充水份，确保了循环水供应的充足，进而保证了水循环 的正常进行。

实施例2

具体流程为：

锅炉或其它燃煤、燃气炉的尾部烟气通过尾部烟道进入气水面式换热器， 通过换热降温,烟温由T

背景技术中湿法脱硫虽然也能将烟温降低至80℃左右，但这部分热量仅用 于加热排烟温度，并没有得到有效利用。因此，本实施例的方案比现有技术节 能量为：

Q

其中，Q

经过气水面式换热器降温后的烟气从脱硫塔底部进入，石灰浆从脱硫塔顶 部向下喷雾，烟气中的二氧化硫与石灰浆产生化学反应，生成硫酸钙。烟气与 石灰浆中的水接触，使水气化生成水蒸汽，使烟气湿度降低，达到饱和状态， 然后从脱硫塔的出烟口排出。在脱硫塔中，该烟气的温度从T

从脱硫塔排出后的湿烟气进入汽水混合换热器，与从热泵的热源出口排出 的低温循环水混合，使循环水温度升高至平衡温度，将烟气中的显热和水蒸汽 的潜热转移至循环水中。进入汽水混合换热器冷却后的低温饱和蒸汽通过烟囱 排入大气。在这一工艺环节中，烟气温度从T

Q

其中：Q

通过气水混合换热器，将烟气热量转移至水中，使从热泵热源出口出来的 冷水从温度T

通过加温的液态排入水箱，混合液体在水箱沉淀后排入水处理装置进行处 理。其处理包括微量的脱硫、脱硝处理、电子水处理器等。这些装置均为现有 技术，可以在市场上采购与使用，在此便不进行赘述。经过水处理装置处理后 的液体进入过滤器，除去杂质后进入热泵，为热泵提供热源。经过热泵吸热降 温后的液体再进入气水混合器与脱硫塔排出的湿烟气混合，形成媒介水的循环 使用。

热泵通过吸收循环水的热量Q

实施例3

本实施例为实施例1的一种实际应用方案。

某大型燃煤热电厂将湿法脱硫烟气余热回收用于供热，该电厂基本参数如 下：

电厂发电功率：350MW；

脱硫后的烟气流量：120万m

烟气水蒸汽含量：15％；

供热温度：60℃；

供热回水温度：38～45℃(取设计值40℃)；

热网循环水量：∠4000t/h。

现采用本申请的系统回收烟气余热，其中气水混合换热器采用喷淋塔化热。 经简化后的热力系统图见图3，同时标注了各个节点的温度：

根据上述参数计算出相关数据如下：

GWH回收热量Q1：62.4GJ/h(17.3MW)；

湿烟气中水蒸汽热量回收率：65％；

湿烟气中的水蒸汽总热量：222GJ/h；

凝结水量：110t/h；

喷淋塔烟气显热回收热量：49.9GJ/h；

喷淋塔总节能量：272GJ/h(75.5MW)；

热泵能效比COP：6.0；

热泵回收的热量Q2：326.4GJ/h(90.7MW)；

热泵输入功率：15.1MW；

系统总节能量：388.8GJ/h(13.3吨标煤/小时，108MW)；

系统等价值节能量：59.7MW(214.9GJ/h，7.35吨标煤/h，电热等价系数按 3.2计算)；

减少二氧化碳碳排放：21.2t/h(约10.6万吨/年)。

综上所述，采用本申请的技术方案后的节能与减排效果如下：

(1)与从国外引进的GGH方案比较，GWH回收烟气余热17.3MW，减少排入 大气中的水蒸气110t/h，减少雾霾，回收水110t/h。

(2)与直接排放烟气相比，热泵回收烟气余热90.7MW，消耗电功率15.1MW。

(3)系统总节能108MW，等价值节能量59.7MW，等价值节能量约3.7万吨 标煤/年，减少二氧化碳排放约10.6万吨/年。

需要注意的是，本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中 的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

另外，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内 容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并 落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附 图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及 其等同物限定。