一种含氢燃料锅炉烟气中水资源与余热协同回收系统

本发明涉及一种含氢燃料锅炉烟气中水资源与余热协同回收系统，属于资源回收利用与环境保护。

背景技术：

1、烟气中蕴含着大量的余热和水资源，这些资源在工业生产中具有很高的利用价值。烟气中余热的回收可以降低能源消耗，提高能源利用效率，减少温室气体排放,对于节能减排和可持续发展具有重要意义。同时，烟气中水资源的回收可以减少工业生产过程中的用水量，降低，生产成本，并且这些水资源经过处理后可以用于其他用途，如灌溉、冷却等。因此，烟气中水资源与余热回收技术的研究和应用已经成为当前工业节能减排领域的重要课题。

2、常见的余热回收技术及优缺点，热能回收技术是通过回收烟气中的热量来产生热水或热蒸汽，用于供暖、发电等。这种技术的优点是简单易行、成本低，适用于各种规模的工业生产。但是，热能回收技术的效率较低，且容易受到环境温度的影响。热电联产技术是通过回收烟气中的热量来产生电力和热能，是一种高效的余热回收方式。这种技术的优点是能源利用率高、减少温室气体排放，但是投资成本高、技术难度大，且需要专业人员维护。吸附式热回收技术是利用吸附剂吸附烟气中的热量，然后通过加热吸附剂来产生热能。这种技术的优点是能源利用率高、环保，但是吸附剂的寿命较短、需要定期更换，且吸附剂的制备成本较高。常见水资源回收技术及其优缺点，除雾除尘技术是通过对烟气进行除尘、除雾等处理，提取其中的水资源。这种技术的优点是简单易行、成本低，适用于各种规模的工业生产。但是，除雾除尘技术的效率较低、水资源回收量较少。膜分离技术是利用半透膜对烟气进行过滤,使水分子通过膜而其他气体被膜阻拦，从而实现水资源的回收。这种技术的优点是效率高、水资源回收量大，但是投资成本高、膜的寿命较短、需要专业人员维护。冷凝回收技术是通过降低烟气的温度,使水蒸气冷凝成水滴，从而实现水资源的回收。这种技术的优点是简单易行、成本低，但是冷凝效率较低、水资源回收量较少。

3、烟气中水资源与余热回收系统的设计需要根据实际情况进行选择和优化。在系统设计时需要考虑烟气的流量、温度、湿度、成分等因素，以及回收后的水资源的质量和用途。同时，系统的操作要求也需要根据实际情况进行制定和执行。例如，需要定期检查系统的运行状况、对系统进行维护和保养、对回收的水资源和余热进行质量检测等。为了确保烟气中水资源与余热回收系统的正常运行和高效运行，需要对系统的运行效果进行评估和改进。评估指标包括水资源回收量、能源回收量、系统运行成本等。改进措施包括优化系统设计、改进操作方式、更换高效设备等。同时，也需要对系统进行定期的检测和维护，确保系统的长期稳定运行。

4、本发明天然气、甲醇等含氢燃料锅炉烟气中水资源与余热协同回收技术将溶液除湿脱水、喷射引射、降膜高效蒸发、热泵节能技术有效集成在一起。天然气、甲醇等含氢燃料锅炉烟气中的水蒸汽被具有强烈吸水特性的溶液吸收，实现水蒸气的水分及热量向溶液中转移，再通过换热与再生实现对水分和热量的高效回收。本发明充分利用蒸汽锅炉除氧进汽的压力能，采用蒸汽喷射器降低溶液发生器中发生温度，强化发生器中换热，同时实现了对再生蒸汽的工质与热量的回收。为了进一步强化溶液再生过程中的换热，本发明在发生器中采用降膜高效蒸发技术；为了强化浓溶液的吸收性能，同时为了对烟气具有热量最大限度进行回收，对容量较大的锅炉采用热泵技术将进吸收塔浓溶液具有的热量传给进发生器的稀溶液。锅炉烟气经过吸收塔后，烟气干球温度可降至40℃以下，相对湿度降至30-40％以下，从而在兼顾系统的技术和经济性能的情况下，最大限度对烟气中的水资源与余热，此技术具有节水、节能、环保、低成本、结构紧凑等特点。

技术实现思路

1、针对上述现有技术存在的问题及不足，本发明提供一种天然气、甲醇等含氢燃料锅炉烟气中水资源与余热协同回收系统。本系统可广泛适用于燃煤、燃气或生物质燃料动力锅炉与工业锅炉，钢铁、有色冶金企业窑炉，水泥、陶瓷等建材窑炉，石油炼化、化肥生产等过程中锅炉排放烟气的水资源和余热协调回收。

2、本发明通过以下技术方案实现。

3、一种含氢燃料锅炉烟气中水资源与余热协同回收系统，包括喷射器1、喷射加压泵2、回水泵3、除雾器4、热水锅炉5、三通混合调节阀i6、引风机7、吸收塔8、稀溶液泵9、热泵储液罐10、省煤器11、冷却器12、热泵冷凝器13、热泵蒸发器14、溶液热交换器15、三通混合调节阀ii16、热泵压缩机17、三通混合调节阀iii18、发生器19、浓溶液泵20及若干连接管道、阀门和控制元件；

4、烟气线路：热水锅炉5中的烟气出口通过烟道连接发生器19烟气进口，发生器19中烟气出口连接省煤器11烟气进口，省煤器11烟气出口连接冷却器12烟气进口，冷却器12烟气出口管道连接吸收塔8烟气进口，吸收塔8中烟气经过浓溶液喷淋层后进到除雾器4中，最后经过烟道和引风机7从烟囱排出；发生器19再生蒸汽出口连接到喷射器1中蒸汽进口；

5、浓稀吸收溶液循环：发生器19底部的浓溶液出口通过浓溶液泵20分为两路，一路依次通过溶液热交换器15、三通混合调节阀ii16与吸收塔8吸收烟气水气后变稀的稀溶液混合，在经过热泵蒸发器14进到吸收塔8中，吸收进到吸收塔8的烟气中热量和冷凝水，变成稀溶液，然后从吸收塔8底部的稀溶液通过稀溶液泵9一路连接到三通混合调节阀ii16，另一路稀溶液经过溶液热交换器15与浓溶液泵20中出来的另一路浓溶液在三通混合调节阀iii18中混合形成溶液，然后经过热泵冷凝器13中进到发生器19中；

6、冷凝水回水路线：冷凝水回水经过回水泵3形成两路，一路通过喷射加压泵2进到喷射器1中与蒸汽混合喷射，另一路通过三通混合调节阀ii16分为两路，一路进到冷却器12中冷却烟气至露点后排出，与另一路冷凝水回水混合后进到省煤器11中吸热，最后进到热水锅炉5中加热成热水，热水进供热分水器中供生产生活使用；

7、热泵循环：热泵储液罐10中循环工质排出后进热泵蒸发器14、热泵压缩机17、热泵冷凝器13中，然后回到热泵储液罐10中，形成一个循环。

8、一种含氢燃料锅炉烟气中水资源与余热协同回收系统，包括除雾器4、三通混合调节阀i6、引风机7、吸收塔8、稀溶液泵9、省煤器11、冷却器12、溶液热交换器15、三通混合调节阀ii16、三通混合调节阀iii18、发生器19、浓溶液泵20、除氧器21、蒸汽喷射器22、锅炉给水泵23、蒸汽锅炉24、溶液再冷器25及若干连接管道、阀门和控制元件；

9、烟气线路：蒸汽锅炉24中的烟气出口通过烟道连接发生器19烟气进口，发生器19中烟气出口连接省煤器11烟气进口，省煤器11烟气出口连接冷却器12烟气进口，冷却器12烟气出口管道连接吸收塔8烟气进口，吸收塔8中烟气经过浓溶液喷淋层后进到除雾器4中，最后经过烟道和引风机7从烟囱排出；发生器19再生蒸汽出口连接到蒸汽喷射器22中与蒸汽锅炉24的一路蒸汽混合；然后进到除氧器21中与一路冷凝水回水混合除氧后，通过锅炉给水泵23进到省煤器11中，最后进到蒸汽锅炉24中产生蒸汽；蒸汽锅炉24产生的另一路蒸汽进到供汽分汽缸；

10、浓稀吸收溶液循环：发生器19底部的浓溶液出口通过浓溶液泵20分为两路，一路依次通过三通混合调节阀iii18与吸收塔8吸收烟气水气后变稀的稀溶液混合形成溶液，进到发生器19浓溶液进口，另一路经过溶液热交换器15，在三通混合调节i6处与吸收塔8吸收烟气水气后变稀的稀溶液混合形成浓溶液，经过锅炉给水泵25后进到吸收塔8浓溶液进口；

11、冷凝水回水路线：冷凝水回水经过回水泵3与软水混合，混合后经过三通混合调节阀i6分为两路，一路进到冷却器12中，另一路与冷却器12中出来的水混合进到除氧器21中，软水补水箱中的软水经过泵连接到溶液再冷器25与冷凝水回水混合。

12、一种含氢燃料锅炉烟气中水资源与余热协同回收系统，包括除雾器4、三通混合调节阀i6、吸收塔8、稀溶液泵9、热泵储液罐10、省煤器11、冷却器12、热泵冷凝器13、热泵蒸发器14、溶液热交换器15、三通混合调节阀ii16、热泵压缩机17、三通混合调节阀iii18、发生器19、浓溶液泵20、除氧器21、蒸汽喷射器22、锅炉给水泵23、蒸汽锅炉24和控制元件；

13、烟气线路：蒸汽锅炉24中的烟气出口通过烟道连接发生器19烟气进口，发生器19中烟气出口连接省煤器11烟气进口，省煤器11烟气出口连接冷却器12烟气进口，冷却器12烟气出口管道连接吸收塔8烟气进口，吸收塔8中烟气经过浓溶液喷淋层后进到除雾器4中，最后经过烟道和引风机7从烟囱排出；发生器19再生蒸汽出口连接到蒸汽喷射器22中与蒸汽锅炉24的一路蒸汽混合；然后进到除氧器21中与一路补水或冷凝水回水混合除氧后，通过锅炉给水泵23进到省煤器11中，最后进到蒸汽锅炉24中产生蒸汽；蒸汽锅炉24产生的另一路蒸汽进到供汽分汽缸；

14、浓稀吸收溶液循环：发生器19底部的浓溶液出口通过浓溶液泵20分为两路，一路依次通过溶液热交换器15、三通混合调节阀ii16与吸收塔8吸收烟气水气后变稀的稀溶液混合形成浓溶液，在经过热泵蒸发器14进到吸收塔8中，吸收进到吸收塔8的烟气中热量和冷凝水，变成稀溶液，然后从吸收塔8底部的稀溶液通过稀溶液泵9一路连接到三通混合调节阀ii16，另一路稀溶液经过溶液热交换器15与浓溶液泵20中出来的另一路浓溶液在三通混合调节阀iii18中混合形成溶液，然后经过热泵冷凝器13中进到发生器19中；

15、补水或冷凝水回水路线：补水或冷凝水回水经过回水泵形成两路，一路通过泵进到三通混合调节阀i6分为两路，一路与冷却器12中出来的水混合，然后进到除氧器21中；另一路进到冷却器12中，出来后与一路补水或冷凝水混合进到除氧器21中；

16、热泵循环：热泵储液罐10中循环工质排出后进热泵蒸发器14、热泵压缩机17、热泵冷凝器13中，然后回到热泵储液罐10中，形成一个循环。

17、所述吸收溶液为libr、licl、cacl2、三甘醇或二甘醇吸收溶液。

18、所述发生器19为降膜式发生器，降膜式发生器内部设有传热管a3，降膜式发生器侧部上端设有锅炉烟气进口，侧部下端设有锅炉烟气出口；降膜式发生器另一侧部上部设有溶液进口，顶部设有再生蒸汽出口，传热管a3上设有导流件a1，传热管a3上设有折流板a4，发生器19底部设有储液箱a6，储液箱a6底部设有浓溶液出口。

19、所述发生器19为热管式降膜发生器，热管式降膜发生器为卧式，卧式端部上侧设有烟气进口，卧式热管式降膜发生器沿横向上部设有烟气出口，热管式降膜发生器内部设有带吸液芯热管b6，带吸液芯热管b6上设有烟气侧折流板b2和隔板b3，热管式降膜发生器侧部上部设有溶液进口，热管式降膜发生器内部底部设有存液井b5，存液井b5中设有浓溶液出口。

20、上述喷射器1通过引射回收再生蒸汽生产生活所需热水，降低稀吸收溶液蒸汽发生压力，强化发生过程。

21、上述两个三通阀(三通混合调节阀ii16和三通混合调节阀iii18)用于控制进入吸收塔8及发生器19中溶液浓度。

22、上述烟气在冷却器12中属于干冷过程，烟气中水分凝结过程发生在吸收塔8内。

23、该天然气、甲醇等含氢燃料锅炉烟气中水资源与余热协同回收系统(一)，如图1所示，工作原理为：热水锅炉5加热从省煤器11中来的水，产生热水后进入供热分水器中供生产生活使用。烟气从热水锅炉5中排出后进入发生器19中将热量传递给吸收溶液产生再生蒸汽，然后溶液变为浓溶液，发生器19出来的烟气进入省煤器11中加热冷却器12出来的供水，排出省煤器11的烟气进入冷却器12加热通过三通混合调节阀i6来自系统一路低压供水，排出冷却器12的烟气温度降至烟气露点附近，之后烟气进入吸收塔8中与浓吸收溶液混合，浓吸收溶液吸收烟气中的热量和冷凝水，最后烟气经过除雾器4吸收剩余水分后经引风机7加压后从烟囱中排向大气。浓吸收溶液进入吸收塔8中的填料层，吸收烟气中的冷凝水后变为稀吸收溶液从吸收塔8底部排出，然后经过稀溶液泵9加压后一路进入溶液热交换器15与进入吸收塔的浓溶液进行换热。发生器19出口溶液经浓吸收溶液泵20加压后分为两路，一路与溶液热交换器15低温出口的稀吸收溶液在三通混合调节阀ⅱi18中混合后变为溶液，之后溶液进入发生器19中吸热后析出再生蒸汽，产生形成浓溶液，再生蒸汽与来自通过喷射加压泵2系统一路低压供水在喷射器1中混合，进行热质交换后进入供热分水器，析出再生蒸汽后浓吸收溶液经发生器19底部排出；另一路浓吸收溶液经溶液热交换器15降温后进入三通混合阀ii16中与吸收塔8底部排出的一路稀吸收溶液混合，然后进入热泵蒸发器14中与热泵循环工质接触降温后进入吸收塔8中吸收烟气中水分，至此完成系统吸收溶液循环。对于此技术，还引入了热泵循环，实现稀浓吸收溶液之间的热量交换。其原理为循环工质从热泵储液罐10排出后进入热泵蒸发器14中吸收进入吸收塔8的浓吸收溶液的热量，之后经热泵压缩17换热后进入热泵冷凝器13中将热量传给进入发生器19中的吸收溶液，最后在汇入热泵储液罐10中，至此为一个热泵循环。

24、该天然气、甲醇等含氢燃料锅炉烟气中水资源与余热协同回收系统(二)，如图2所示，工作原理为：所述蒸汽锅炉24加热从省煤器8中来的热水,一路蒸汽进入供汽分汽缸中供生产生活使用，一路进入蒸汽喷射器22。烟气从蒸汽锅炉4中排出后进入发生器19中将热量传递给吸收溶液产生再生蒸汽和浓溶液，之后烟气进入省煤器8中加热蒸汽锅炉24的供水，排出省煤器8的烟气进入冷却器9加热通过三通混合调节阀i6一侧出口的混合供水，排出冷却器9的烟气温度降至烟气露点附近，之后烟气进入吸收塔8中与浓吸收溶液混合，浓吸收溶液吸收烟气中的热量和冷凝水，最后烟气经过除雾器4吸收剩余水分后经引风机7加压后从烟囱中排向大气。浓吸收溶液进入吸收塔8中的填料层，吸收烟气中的冷凝水后变为稀吸收溶液从吸收塔8底部排出，然后经过稀溶液泵9加压后进入溶液热交换器15与进入吸收塔8的浓溶液进行换热。发生器19出口浓吸收溶液经浓溶液泵17加压后分为两路，一路与溶液热交换器15低温出口的稀吸收溶液在三通混合调节阀ⅱi18中混合后变为溶液，之后溶液进入发生器19中吸热后析出再生蒸汽并形成浓吸收溶液，再生蒸汽与来自蒸汽锅炉4一路的蒸汽在蒸汽喷射器22中混合，进行热质交换后和从冷却器12中出来的供水混合进入除氧器21，氧气浓度降低后的热水再通过锅炉给水泵3进入省煤器8，热水吸收烟气热量在省煤器8排出进入蒸汽锅炉24，在发生器19析出再生蒸汽后产生的浓吸收溶液经发生器10底部排出；另一路浓吸收溶液经溶液热交换器15降温后进入三通混合阀ii16中与吸收塔8底部排出的一路稀吸收溶液混合进入溶液再冷器25中与来自软水补水箱的供水换热降温后进入吸收塔7中吸收烟气中水分，而来自软水补水箱的供水在溶液再冷器13吸收热量后与通过会水泵系统一路的凝结水回水混合进入三通混合调节阀i6，通过三通混合调节阀i6一路混合水进入冷却器9，在冷却器9中吸收烟气的热量，热水在冷却器9排出，然后热水与通过三通混合调节阀i6另一路的混合水混合进入除氧器1，与来自喷射器2热水共同在除氧器1，至此完成系统吸收溶液循环。

25、该天然气、甲醇等含氢燃料锅炉烟气中水资源与余热协同回收系统(三)，如图3所示，工作原理为：

26、蒸汽锅炉24加热从省煤器11中来的热水产生蒸汽一路进入供汽分汽缸中供生产生活使用，一路进入蒸汽喷射器22。烟气从蒸汽锅炉24中排出后进入发生器19中将热量传递给吸收溶液产生再生蒸汽以及浓吸收溶液，之后烟气进入省煤器11中加热蒸汽锅炉24的供水，排出省煤器11的烟气进入冷却器12加热通过三通混合调节阀i6一侧来自补水/凝结水箱的供水，排出冷却器8的烟气温度降至烟气露点附近，之后烟气进入吸收塔11中与浓吸收溶液混合，浓吸收溶液吸收烟气中的热量和冷凝水，最后烟气经过除雾器4吸收剩余水分后经引风机12加压后从烟囱中排向大气。浓吸收溶液进入吸收塔11中的填料层，吸收烟气中的冷凝水后变为稀吸收溶液从吸收塔11底部排出，然后经过稀溶液泵10加压后进入溶液热交换器15与进入吸收塔11的浓溶液进行换热。发生器17出口浓吸收溶液经浓溶液泵20加压后分为两路，一路与在溶液热交换器15换热后的低温出口排出的稀吸收溶液在三通混合调节阀ⅱi18中混合后变为溶液，之后溶液进入发生器19中吸热后析出再生蒸汽并产生浓溶液，再生蒸汽与来自蒸汽锅炉24一路的热水在蒸汽喷射器22中混合，进行热质交换后进入除氧器1，氧气浓度降低后的热水再通过锅炉给水泵23进入省煤器11，热水吸收烟气热量在省煤器11排出进入蒸汽锅炉24，在发生器19析出再生蒸汽后浓吸收溶液经发生器19底部排出；另一路浓吸收溶液经溶液热交换器15降温后进入三通混合阀ii16中与吸收塔11底部排出的一路稀吸收溶液混合进入热泵蒸发器14中与热泵循环工质接触降温后进入吸收塔11中吸收烟气中水分，通过会水泵来自补水/回水箱的供水进入三通混合调节阀i6，通过三通混合调节阀i6一路供水进入冷却器12，在冷却器12中吸收烟气的热量，热水在冷却器12排出，然后热水与通过三通混合调节阀i6另一路的供水混合进入除氧器1，与来自蒸汽喷射器22热水共同在除氧器21，至此完成系统吸收溶液循环。对于此技术，还引入了热泵循环，实现稀浓吸收溶液之间的热量交换。其原理为循环工质从热泵储液罐9排出后进入热泵蒸发器14中吸收进入吸收塔11的浓吸收溶液的热量，之后经热泵压缩16换热后进入热泵冷凝器13中将热量传给进入发生器19中的吸收溶液，最后在汇入热泵储液罐9中，至此为一个热泵循环。

27、为了降低系统内传热温差，提高循环效率，所述发生器采用降膜高效蒸发技术，其中发生器采用图4所示降膜式发生器，在安装高度受限时，还可采用图5所示热管式降膜发生器；(1)对于采用图4所示的降膜式发生器而言，降膜式发生器用降膜传热管a3，锅炉排出的高温烟气在上端进口进入，进入到降膜传热管a3外壁，溶液在上端入口进入，稀溶液经降膜传热管a3入口的导流件a1均匀布液在传热管a3的内壁面上形成一层薄液膜，液膜在下降过程中不断吸热蒸发，蒸汽沿管中心上升到上管板a2上部空间，通过顶部蒸汽出口排出，需要冷凝的烟气在通过降膜传热管换热后，低温烟气在下端出口排出，而形成的浓溶液沿传热管a3流到储液箱a6，通过浓溶热泵进入三通混合调节阀再次循环蒸发。(2)对于采用图5所示的热管式降膜发生器而言，热管式降膜发生器采用降膜热管b6，溶液送入热管式降膜发生器上部空间的布液喷头b4，均匀布液在传热热管b6的外壁面，形成一层薄液膜，液膜在下降过程中不断吸热蒸发，蒸汽上升到发生器上部空间，通过顶部出口进入喷射器或，需要冷凝的热烟气进入热管b6热端的上部空间，在热管b6热端的管外空间流动放热，冷凝后的烟气沿热管b6热端外壁不断下流，再流入热管b6的下部出口排出，而未蒸发的溶液沿传热管b6流到存液井b5，通过浓溶热泵b7进入三通混合调节阀再次循环蒸发。为了强化图(4)所示烟气侧传热，采用外表面带翅片的传热管/热管，且在烟气侧增设折流板a4。图(5)所示热管式降膜发生器采用带吸液芯热管，根据现场情况，可水平或倾斜安装。

28、本发明的有益效果是：

29、(1)本发明天然气、甲醇等含氢燃料锅炉烟气中水资源与余热协同回收技术将溶液除湿脱水、喷射引射、降膜高效蒸发、热泵节能系统有效集成在一起。

30、(2)天然气、甲醇等含氢燃料锅炉烟气中的水蒸汽被具有强烈吸水特性的溶液吸收，实现水蒸气的水分及热量向溶液中转移，再通过换热与再生实现对水分和热量的高效回收。

31、(3)本发明充分利用蒸汽锅炉除氧进汽的压力能，采用蒸汽喷射器降低溶液发生器中发生温度，强化发生器中换热，同时实现了对再生蒸汽的工质与热量的回收。

32、(4)为了进一步强化溶液再生过程中的换热，本发明在发生器中采用降膜高效蒸发技术；为了强化浓溶液的吸收性能，同时为了对烟气具有热量最大限度进行回收，对容量较大的锅炉采用热泵技术将进吸收塔浓溶液具有的热量传给进发生器的稀溶液。锅炉烟气经过吸收塔后，烟气干球温度可降至40℃以下，相对湿度降至30-40％以下，从而在兼顾系统的技术和经济性能的情况下，最大限度对烟气中的水资源与余热进行高效回收利用，同时彻底杜绝了锅炉烟道结露、滴水及烟囱排烟时冒白烟的现象。

33、(5)本发明在梯级回收锅炉排放烟气余热。

34、(6)采用喷射器引射提供供暖回水，由于供暖回收温度较低，较少的再生蒸汽便可加热供暖回水，喷射器喷射系数减小，供暖热水供应稳定。

35、(7)使用热泵循环实现浓稀吸收溶液之间的热量交换，保证吸收烟气中更多水分的同时生产出更多的再生蒸汽。

36、(8)极大地降低烟气中的水分含量，同时彻底杜绝了锅炉烟道结露、滴水及烟囱排烟时冒白烟的现象，具有节水、节能、环保、低成本、结构紧凑等特点。