基于动态模型的环保烟气和余热回收实时系统技术方案

本发明专利技术提出基于动态模型的环保烟气和余热回收实时系统，该系统包括有动力回收单元、直接利用单元和供给热泵使用单元，作为工业炉的重要节能设备，它不仅可以提高工业炉的热效率，而且可以提高能量的有效能效率，因此，总希望它能带来最大的经济效益，这样，在设计余热回收系统时，就涉及到系统的优化设计问题。本章将最优化设计方法引入余热回收系统的优化设计中，构建余热回收的优化设计模型，并结合热力学和技术经济学相关理论，详细推导余热回收系统优化设计的数学模型，并对模型的结果进行预测，是一项很好的设计方案，很有市场推广前景。

Real time system of environmental protection flue gas and waste heat recovery based on dynamic model

The invention provides a dynamic model of the environmental protection of flue gas and waste heat recovery system based on real-time, the system comprises a power recovery unit, direct utilization unit and supply heat pump unit, as an important energy-saving equipment of industrial furnace, it can not only improve the thermal efficiency of industrial furnace, efficiency, effective and can improve the energy so that it always hope can bring the maximum economic benefits. So, in the design of waste heat recovery system, it relates to the design optimization problem of system. Optimization design of this chapter will introduce the optimal design method of waste heat recovery system, constructing the optimization design model of heat recovery, and combined with the theory of thermodynamics and economics of technology, detailed derivation of heat recovery system optimization design mathematical model, and predict the results of the model, is a very good design, good marketing prospect.

【技术实现步骤摘要】
基于动态模型的环保烟气和余热回收实时系统
本专利技术涉及环保
，尤其涉及基于动态模型的环保烟气和余热回收实时系统。
技术介绍
余热资源的回收价值同时决定于数量和质量。数量是指可利用余热资源的数量能否满足用能人员的需要，质量是指余热资源的品位能否达到用能要求。在余热回收中，特别是工业炉窑的余热回收利用，还存在一些亟待解决的问题。中国的工业炉窑每年消耗全国总能耗的25％左右，回收和利用工业炉窑余热无疑是节能工作的重要命题。我国工业炉窑余热利用虽取得一定进展，但水平还很低，主要表现在：1)余热利用率低。我国现在的余热利用水平仅相当于苏联1975年的水平，当时苏联的余热利用率是黑色冶金30.4％，有色冶金28％，石油炼制及石化54％，化工76.8％。2)综合利用差。大部分余热仅利用一次，没有从高到低分级回收不同品位的余热，分别供给不同用户，真正做到物尽其用。3)中、低温余热多数未被利用。由于目前大量高温余热尚未被充分利用，因此，中、低温余热的利用没有被足够的重视，而未能进行积极的回收。4)余热利用设备和系统不够完善，效率低下。有的余热利用设备性能较差，但仍在使用。有些余热利用设备虽本体性能较好，但因整个系统工程水平不高，如保温性能差，缺乏控制调节系统，未考虑综合利用，致使设备性能降低，寿命缩短，回收效率低。随着余热利用程度的提高，余热利用的难度愈益加大。由于目前利用的余热大多为大型炉窑排放的高温烟气和可燃气体，而今后大约占余热资源50％以上的中低温烟气余热，大量的、分散的小型钢铁厂、化肥厂、煤炉、油田的可燃气体，以及高温产品和炉渣余热的回收将成为余热利用的重点。利用这些余热的技术都较复杂，这就增加了今后余热回收的难度。鉴于以上原因，今后工业炉余热利用的方向是：1)余热利用的重点，总的说来，仍应放在烟气、可燃气体、产品及炉渣的热量回收利用上。这三项余热，尚未被利用的余热量占总量的65％。2)强化中、低温余热的利用研究。3)强调余热的优化利用。4)重视余热回收设备的研制与生产。综上所述，针对现有技术存在的缺陷，特别需要基于动态模型的环保烟气和余热回收实时系统，以解决现有技术的不足。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供基于动态模型的环保烟气和余热回收实时系统，不仅可以提高工业炉的热效率，而且可以提高能量的有效能效率。本专利技术为解决其技术问题所采用的技术方案是，基于动态模型的环保烟气和余热回收实时系统，该系统包括有动力回收单元、直接利用单元和供给热泵使用单元；动力回收单元将低品味余热能源转换为电能和机械能等高品质能源，再让其做功以实现利用价值，包括以水为工质的蒸汽透平发电技术和以低沸点溶液为工质的有机工质发电技术等；直接利用单元主要为热交换技术，这种技术采用换热设备将余热能量直接利用于某些工艺流程中，不改变能源形式，主要方式有间壁式换热、余热锅炉、热管等，供给热泵使用则是将余热资源作为热泵系统低温热源，通过热泵技术实现制冷或制热；供给热泵使用单元可以提升低温余热资源的品位，使其具备向高温热媒传热的能力，热泵技术常用于回收略高于环境温度的低温废热，常用的形式有压缩式热泵和吸收式热泵；系统回收余热的年净收益(NPQ)最大为目标函数：NPQ＝CQQτ-B-I式中QC为余热价格(元/J)；Q为余热回收量(W)；τ为系统年运行时间(s)；B为系统年运行费用(元/年)；I为系统投资的年分摊费用(元/年)；基于相对费用参数的系统优化方法：NCQ＝CQQgτ+B+I其目标函数表示为：其中gQ为系统烟气物理热；以单位余热回收量的年净收益η最大为优化目标：其中eC为(火用)价格，元/J；cΔE为空气吸收热量(火用)，kJ/h；crΔE、yrΔE分别为空气和烟气的流动(火用)损失，kJ/h；以最少的投资回收年限为目标函数；其中，I为项目在期初一次性支付的全部投资，元；B为年收入，元/年；C为年运行管理等支出，元/年；引入价值型技术经济评价指标——净现值(NPV)，并将其作为优化目标对余热回收系统的热力性能和经济性进行全面评价；式中，(CI-CO)t为第t年的净现金流量，其中CI为现金流入，CO为现金流出；T为系统服务年限；0i为规定基准收益率。进一步，该系统包含有高温余热的回收模块、中温余热的回收模块、低温余热的回收模块；高温余热的回收模块在温度在500～1000℃的高温余热可以直接用来加热物料，当设备每小时的排烟量大于5000m3时，可用余热锅炉进行回收用以发电或供热，高温余热液体可采用热交换器用来预热物料，对于颗粒较小的固体余热采用流态化过程，对于大块固体可使用气体热载体进行余热的利用；由热力学第二定律的学习可知，温度为y1T的烟气，在环境温度为0T的条件下，由状态1变化到状态2，其放出的热量火用表示为：由火用的定义可知，这个火用值也就是蒸汽可能做出的最大机械功Wmax，即而烟气余热理想回收热量为：Q＝Cp(Ty1-T0)可得余热利用循环效率η为：中温余热的回收模块的方式基本与高温余热相同，温度较高的中温余热可以直接预热空气，常用的设备有炼焦炉同流系统、蒸汽锅炉空气预热器、高炉同流系统、燃气轮机再热器等，温度较低的中温余热可利用省煤器将其用作预热锅炉给水或锅炉补水的热源；低温余热的回收单元的回收方法包括有：蒸汽的凝结热：相同温度下蒸汽和水所蕴含的热量相差很大，在蒸汽的使用过程中一定要将蒸汽充分地凝结，保证热能充分释放，如果产生的凝结水温度在30～100℃之间，还可以利用热泵等措施，提高热水温度，然后供给生产、生活用；蒸汽设备的余热：造纸、食品等行业中的蒸煮设备所需的蒸汽压力和温度不高，为充分利用热能，首先必须保证进入设备的蒸汽量、温度和压力符合工艺要求，使其充分凝结成水；使用后的废热水可连续蒸煮、连续排放，通过扩容减压使排水汽化成蒸汽，而含有药液的浓缩水再经热交换器给进入系统为冷水预热，然后再将充分放热的废水加以处理或丢弃；烘干设备的余热：烘干设备的排水含有大量的低温余热，应尽可能将其送回供暖系统循环使用，若水质条件欠佳，可用在不受水质条件影响的其他工序，如用作蒸煮或漂洗设备的补充水；烟气余热用于加热空气或燃料这种回收方式，本体设备不变，工质或物料有效吸收热不变，由于回收的热量加热了供助燃用的空气或燃料本身，实际供给的燃料量减少了，由热平衡得；回收余热前体系热平衡方程：Qin＝Qyx+Qr回收余热前体系热效率：回收余热前后体系有效热不变，回收热量为Qhs，回收余热后体系热平衡方程：Qin′＝Qyx+Qr′回收余热后体系热效率：式中，Qin为余热回收前外界供给热量，kJ/h；Qin′为余热回收后外界供给热量，kJ/h；Qyx有效吸收热量，kJ/h；Qr余热回收前体系损失热量，kJ/h；rQ′余热回收后体系损失热量，kJ/h；因此，得余热回收后的节能率为：利用烟气余热来预热、干燥原材料或工质，将热量带回装置内，也可起到直接节约能源的作用；回收余热前体系热平衡方程：Qin＝Qyx+Qr＝Qgo-Qgi+Qr式中，Qgi为工质或物料代入体系热量，kJ/h；Qgo为工质或物料带出体系热量，kJ/h；回收余热前体系热效率：回收余热后，工质或物料在回收设备中吸收的热量为Qhs，使其进入本体时的热量增加为：Qg本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于动态模型的环保烟气和余热回收实时系统，其特征在于，该系统包括有动力回收单元、直接利用单元和供给热泵使用单元；动力回收单元将低品味余热能源转换为电能和机械能等高品质能源，再让其做功以实现利用价值，包括以水为工质的蒸汽透平发电技术和以低沸点溶液为工质的有机工质发电技术等；直接利用单元主要为热交换技术，这种技术采用换热设备将余热能量直接利用于某些工艺流程中，不改变能源形式，主要方式有间壁式换热、余热锅炉、热管等，供给热泵使用则是将余热资源作为热泵系统低温热源，通过热泵技术实现制冷或制热；供给热泵使用单元可以提升低温余热资源的品位，使其具备向高温热媒传热的能力，热泵技术常用于回收略高于环境温度的低温废热，常用的形式有压缩式热泵和吸收式热泵；系统回收余热的年净收益(NPQ)最大为目标函数：NPQ＝C

【技术特征摘要】
1.基于动态模型的环保烟气和余热回收实时系统，其特征在于，该系统包括有动力回收单元、直接利用单元和供给热泵使用单元；动力回收单元将低品味余热能源转换为电能和机械能等高品质能源，再让其做功以实现利用价值，包括以水为工质的蒸汽透平发电技术和以低沸点溶液为工质的有机工质发电技术等；直接利用单元主要为热交换技术，这种技术采用换热设备将余热能量直接利用于某些工艺流程中，不改变能源形式，主要方式有间壁式换热、余热锅炉、热管等，供给热泵使用则是将余热资源作为热泵系统低温热源，通过热泵技术实现制冷或制热；供给热泵使用单元可以提升低温余热资源的品位，使其具备向高温热媒传热的能力，热泵技术常用于回收略高于环境温度的低温废热，常用的形式有压缩式热泵和吸收式热泵；系统回收余热的年净收益(NPQ)最大为目标函数：NPQ＝CQQτ-B-I式中QC为余热价格(元/J)；Q为余热回收量(W)；τ为系统年运行时间(s)；B为系统年运行费用(元/年)；I为系统投资的年分摊费用(元/年)；基于相对费用参数的系统优化方法：NCQ＝CQQgτ+B+I其目标函数表示为：其中gQ为系统烟气物理热；以单位余热回收量的年净收益η最大为优化目标：其中eC为(火用)价格，元/J；cΔE为空气吸收热量(火用)，kJ/h；crΔE、yrΔE分别为空气和烟气的流动(火用)损失，kJ/h；以最少的投资回收年限为目标函数；其中，I为项目在期初一次性支付的全部投资，元；B为年收入，元/年；C为年运行管理等支出，元/年；引入价值型技术经济评价指标——净现值(NPV)，并将其作为优化目标对余热回收系统的热力性能和经济性进行全面评价；式中，(CI-CO)t为第t年的净现金流量，其中CI为现金流入，CO为现金流出；T为系统服务年限；0i为规定基准收益率。2.根据权利要求1所述的基于动态模型的环保烟气和余热回收实时系统，其特征在于，该系统包含有高温余热的回收模块、中温余热的回收模块、低温余热的回收模块；高温余热的回收模块在温度在500～1000℃的高温余热可以直接用来加热物料，当设备每小时的排烟量大于5000m3时，可用余热锅炉进行回收用以发电或供热，高温余热液体可采用热交换器用来预热物料，对于颗粒较小的固体余热采用流态化过程，对于大块固体可使用气体热载体进行余热的利用；由热力学第二定律的学习可知，温度为y1T的烟气，在环境温度为0T的条件下，由状态1变化到状态2，其放出的热量火用表示为：由火用的定义可知，这个火用值也就是蒸汽可能做出的最大机械功Wmax，即Q＝Cp(Ty1-T0)而烟气余热理想回收热量为：可得余热利用循环效率η为：中温余热的回收模块的方式基本与高温余热相同，温度较高的中温余热可以直接预热空气，常用的设备有炼焦炉同流系统、蒸汽锅炉空气预热器、高炉同流系统、燃气轮机再热器等，温度较低的中温余热可利用省煤器将其用作预热锅炉给水或锅炉补水的热源；低温余热的回收单元的回收方法包括有：蒸汽的凝结热：相同温度下蒸汽和水所蕴含的热量相差很大，在蒸汽的使用过程中一定要将蒸汽充分地凝结，保证热能充分释放，如果产生的凝结水温度在30～100℃之间，还可以利用热泵等措施，提高热水温度，然后供给生产、生活用；蒸汽设备的余热：造纸、食品等行业中的蒸煮设备所需的蒸汽压力和温度不高，为充分利用热能，首先必须保证进入设备的蒸汽量、温度和压力符合工艺要求，使其充分凝结成水；使用后的废热水可连续蒸煮、连续排放，通过扩容减压使排水汽化成蒸汽，而含有药液的浓缩水再经热交换器给进入系统为冷水预热，然后再将充分放热的废水加以处理或丢弃；烘干设备的余热：烘干设备的排水含有大量的低温余热，应尽可能将其送回供暖系统循环使用，若水质条件欠佳，可用在不受水质条件影响的其他工序，如用作蒸煮或漂洗设备的补充水；烟气余热用于加热空气或燃料这种回收方式，本体设备不变，工质或物料有效吸收热不变，由于回收的热量加热了供助燃用的空气或燃料本身，实际供给的燃料量减少了，由热平衡得；回收余热前体系热平衡方程：Qin＝Qyx+Qr回收余热前体系热效率：回收余热前后体系有效热不变，回收热量为Qhs，回收余热后体系热平衡方程：Qin′＝Qyx+Qr′回收余热后体系热效率：式中，Qin为余热回收前外界供给热量，kJ/h；Qin′为余热回收后外界供给热量，kJ/h；Qyx有效吸收热量，kJ/h；Qr余热回收前体系损失热量，kJ/h；rQ′余热回收后体系损失热量，kJ/h；因此，得余热回收后的节能率为：利用烟气余热来预热、干燥原材料或工质，将热量带回装置内，也可起到直接节约能源的作用；回收余热前体系热平衡方程：Qin＝Qyx+Qr＝Qgo-Qgi+Qr式中，Qgi为工质或物料代入体系热量，kJ/h；Qgo为工质或物料带出体系热量，kJ/h；回收余热前体系热效率：回收余热后，工质或物料在回收设备中吸收的热量为Qhs，使其进入本体时的热量增加为：Qgi′＝Qgi+Qhs，此时只需向工质或物料提供有效热：Qyx′＝Qyx-Qhs而供给热量由Qin减少到Qin；由于锅炉本体设备并未改变，故而负荷变动不大，可有以下近似关系：回收余热前后体系总有效热量不变，则：回收余热后体系热平衡方程：Qin′+Qhs＝Qyx+Qr′回收余热后体系热效率：因此，得余热回收后的节能率为：该余热回收方式，减少了排烟热损失，外界供给的燃料量相应减少，锅炉加装省煤器及工业窑炉余热物料均属这种情况；烟气余热回收后供给外界，该余热回收方式，本体设备工作没有变化，供给体系的热量和有效热量均不变，但是排烟损失减小了；回收余热后的热平衡方程为；Qin＝Qyx+Qhs+Qr′回收余热后体系热效率：因此，得余热回收后的节能率为；加装余热锅炉回收烟气余热，产生蒸汽或热水属于这种情况。3.根据权利要求1所述的基于动态模型的环保烟气和余热回收实时系统，其特征在于，余热回收的火用分析包括有：1)、空气得到的热量火用：冷空气通过余热回收系统吸收热量，提高入炉温度，对提高锅炉燃烧效率，节约燃料起到了重要作用，系统预热空气的温度越高，烟气余热的回收率就越高，节约燃料也必然越多，但随着空气预热温度的提高，系统的传热面积增大，投资费用也会相应增加；单位时间内空气吸收的热量可表示为：Q＝GcCpc(tc2-tc1)根据传热基本方程式，系统所需传热面积可表示为：而mΔt为对数平均温差，对于逆流系统，它可表示为于是，换热面积可表示为：不考虑系统的散热损失时，由热平衡方程可知有下列关系：Q＝GcCpc(tc2-...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘苏苏，徐建华，
申请(专利权)人：江苏蓝创聚联数据与应用研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32