一种集成多热源热泵的工业余热回收系统技术方案

本发明专利技术公开了一种集成多热源热泵的工业余热回收系统，属于节能减排设备技术领域。系统由多热源热泵单元、直接换热机组、公用工程管网等部分组成，特别适用于初始温度高、热容相对较小介质蕴含的显热回收利用。通过多热源热泵单元的工作循环，系统吸收余热介质在高温段释放的显热、并将其在低温段的热量提升至可用的水平，连同直接热交换得到的热量共同输入相应的公用工程网络，在显著提高余热利用率的同时方便现场工艺过程使用。本系统形式灵活多样、电耗低、现场改造工作量小，可实现间歇操作和储能，预期具有较好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种集成多热源热泵的工业余热回收系统
本专利技术属于节能减排设备
，具体涉及一种集成多热源热泵的工业余热回收系统。
技术介绍
废热或称余热在工业、特别是过程工业中广泛存在，数量十分惊人。以高温烟气、炉渣、冷凝水、冷却水等常见介质为例，如果能将其冷却至常温过程中放出的显热加以有效利用，不仅能够显著降低工艺的能耗，同时也减少了相应产热过程的SO2、NOx等污染物排放，具有巨大的经济和社会效益。专利(申请公布号：CN101632914A)提出了一种石化工艺的余热分级利用方法及装置，通过实时监测工艺反应釜及循环冷却水回路的温度、并将其在不同温度范围内加以准确匹配，从而实现节能减排降耗。然而应该指出，工艺各种反应的温度范围往往是非常宽的，仅通过直接换热回收工业余热的技术路线过于理想化，很难在现实中达成。专利(申请公布号：CN106091080A)提出了一种工业余热与太阳能联合的跨季节蓄热、区域供热系统，其主要思路是将工业余热和太阳能系统收集获得的中低温热能通过地埋管换热器转换储存于地下土壤中，从而提高了蓄热体热源品位，并更好地实现了太阳能、工业余热与供暖需求的时间匹配。专利(ZL201210075294.5)提出了一种利用工业余热的大温差集中供热系统，其特点在于通过电厂内电动热泵和吸收式热泵机组将热网回水由30℃加热至130℃，进而在区域供暖部分利用吸收式热泵提取污水、土壤、焦化厂煤气余热等低位热能，最终采用多组盘管实现梯级供热。上述工艺中主要探讨了余热的集中供热应用，涉及的能量体量较大、系统复杂、影响范围广，具体实施层面灵活性存在欠缺。针对工业生产中的低温冷却水和低压乏气余热的回收，专利(ZL201410833292.7)提出了一种串联式热泵方法及装置，其利用蒸汽驱动小汽轮机与吸收式热泵，再将压缩式和吸收式热泵并联、同时进行热交换，吸取低温余热回收利用，从而实现了更高的整体能效比。然而该系统需要以品位较高的蒸汽作为动力源，包含汽轮机、压缩热泵、吸收热泵及直接换热器等多种设备，操作和控制均相对较为复杂。同时，实践表明，在适当的温位直接匹配换热往往是利用工业余热最简便、最高效的方式；如果温位不匹配，可以考虑采用各种形式的热泵系统，优选热能驱动的系统；而将其转换为其他能源形式如电能(有机朗肯循环)，则往往效率欠佳不值得推荐。
技术实现思路
为了克服上述现有技术存在的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种集成多热源热泵的工业余热回收系统，该系统能够吸收多种介质较宽温度范围的余热并将余热转换至若干基准温位进行输出，系统结构设计合理，调控方便，适用范围广，通用性强。本专利技术是通过以下技术方案来实现：本专利技术公开的一种集成多热源热泵的工业余热回收系统，包括公用工程管网以及分别与公用工程管网相连的多热源热泵单元和直接换热机组，公用工程管网包括公用工程供汽/液管路和公用工程回汽/液管路；多热源热泵单元的余热介质出口端还连接有终端处理设备；所述多热源热泵单元包括至少1个高温组件、2个中温组件和1个低温组件，各个组件的热负荷大小大致接近；热泵工质能够在各组件之间进行转移，能够直接发生工质转移的组件构成一个组件对，如高温组件与第一中温组件、低温组件与第二中温组件分别构成两个组件对。热泵工质在各组件间转移，与组件内另外一种物质(对于吸收式为液体，对于吸附式和本专利技术举例的化学式为固体)结合/分离过程伴随的热效应是其工作的关键。热泵工质可以在压差和化学势差等的作用下，以特定方式在不同组件间转移，同时通过其自身状态的转变(气-液相变、游离态与吸附态或其它结合态)过程吸收或释放热量。其中，余热介质顺次通过高温组件、直接换热机组的高温侧、低温组件，最终经终端处理设备排放或收集利用；公用工程介质从公用工程回汽/液侧流出且分为三路，三路分别连接至第一中温组件、直接换热机组低温侧和第二中温组件被加热，最终并流后返回公用工程供汽/液侧；或者，公用工程介质从公用工程回汽/液侧流出，顺次通过第二中温组件、直接换热机组低温侧和第一中温组件被加热，最终返回公用工程管网的公用工程供汽/液侧。优选地，在公用工程供汽/液管路和公用工程回汽/液管路之间还设有能够自动调节加热负荷的供热设备；公用工程介质在工艺热用户处换热完毕后返回至公用工程回汽/液侧，经余热介质或供热设备被重新加热；公用工程供汽/液侧与公用工程回汽/液侧的介质比焓差一定，公用工程供汽/液侧分配至工艺热用户的公用工程介质流量根据热负荷确定。优选地，在供热设备与公用工程回汽/液管之间还设有循环泵。进一步优选地，供热设备为加热炉或锅炉等设备，具有自动调节加热负荷的功能，能够实时采集余热回收回路和工艺用热回路的状态监测信号加以运算和处理，从而通过闭环控制回路执行器的作用改变加热量、适应工艺要求，同时达到节能的效果。优选地，通过直接换热机组的余热介质及公用工程介质，其各自的进、出口温度满足相应流程布置(顺流、逆流)下的换热最小温差条件。(各自的进、出口温度，是由于最小温差出现的位置会有变化，顺流是两股介质的出口处，逆流是余热介质的出口和公用工程介质的入口。)优选地，多热源热泵单元的高温组件、中温组件和低温组件的热负荷大小大致相当，同时选取的工质对满足设计温度下的热力循环要求。优选地，所述多热源热泵单元包括但不限于吸收式热泵、吸附式热泵或化学热泵，其共同特征是由热能驱动，系统各部件的总吸热量与放热量相当。吸收式热泵为连续式工作模式，吸附式热泵和化学热泵为间歇式工作模式。当多热源热泵单元为间歇式工作模式时，装填相同材料的组件在一定周期内具备互相切换的功能，使热泵循环不断进行。例如高温组件与第二中温组件，当前者与高温余热介质换热完毕后切换进入放热状态，即开始充当第二中温组件与公用工程介质换热；相反后者与公用工程介质换热完毕后切换进入吸热状态，即开始充当高温组件与高温余热介质换热，如此往复不断实现既定能量转化过程。在这种情况下，各组件之间以及组件与不同换热介质的管路连接满足切换要求。进一步优选地，当多热源热泵单元为吸收式热泵时，高温组件采用蒸气发生器，第二中温组件采用吸收器；则有：进、出蒸气发生器的余热介质的最低温度为Tw，Tw高于工质浓度为ξc的贫液在冷凝压力Pc下的沸点；进、出吸收器的公用工程介质的最高温度为Tu，Tu低于工质浓度为ξe的富液在蒸发压力Pe下的露点；其中，Pc>Pe,，ξe>ξc；Tu低于工质Pc下的饱和温度，即冷凝温度。进一步优选地，当多热源热泵单元为吸附式热泵时，高温组件采用高温吸附床，第二中温组件采用低温吸附床；则有：进、出高温吸附床的余热介质的最低温度为Tw，Tw高于冷凝压力Pc、吸附量mc下的工质平衡吸附温度；进、出低温吸附床的公用工程介质的最高温度为Tu，Tu低于蒸发压力Pe、吸附量me下的工质平衡吸附温度；其中，Pc>Pe，me>mc；Tu低于工质Pc下的饱和温度，即冷凝温度。进一步优选地，当多热源热泵单元为氢工质化学热泵时，高温组件采用装填高温合金M1的高温反应器，第一中温组件采用装填低温合金M2的中温反应器，低温组件采用装填低温合金M2的低温反应器，第二中温组件采用装填高温合金M1的中温反应器；则有：装填高温合金M1的高温反应器本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种集成多热源热泵的工业余热回收系统，其特征在于，包括公用工程管网(3)以及分别与公用工程管网(3)相连的多热源热泵单元(1)和直接换热机组(2)，公用工程管网(3)包括公用工程供汽/液管路和公用工程回汽/液管路；多热源热泵单元(1)的余热介质出口端还连接有终端处理设备(5)；所述多热源热泵单元(1)包括至少1个高温组件、2个中温组件和1个低温组件；热泵工质能够在各组件之间进行转移，能够直接发生工质转移的组件构成一个组件对；其中，余热介质顺次通过高温组件(1‑1)、直接换热机组(2)的高温侧、低温组件(1‑3)，最终经终端处理设备(5)排放或收集利用；公用工程介质从公用工程回汽/液侧流出且分为三路，三路分别连接至第一中温组件(1‑2)、直接换热机组(2)低温侧和第二中温组件(1‑4)被加热，最终并流后返回公用工程供汽/液侧；或者，公用工程介质从公用工程回汽/液侧流出，顺次通过第二中温组件(1‑4)、直接换热机组(2)低温侧和第一中温组件(1‑2)被加热，最终返回公用工程管网(3)的公用工程供汽/液侧。

【技术特征摘要】
1.一种集成多热源热泵的工业余热回收系统，其特征在于，包括公用工程管网(3)以及分别与公用工程管网(3)相连的多热源热泵单元(1)和直接换热机组(2)，公用工程管网(3)包括公用工程供汽/液管路和公用工程回汽/液管路；多热源热泵单元(1)的余热介质出口端还连接有终端处理设备(5)；所述多热源热泵单元(1)包括至少1个高温组件、2个中温组件和1个低温组件；热泵工质能够在各组件之间进行转移，能够直接发生工质转移的组件构成一个组件对；其中，余热介质顺次通过高温组件(1-1)、直接换热机组(2)的高温侧、低温组件(1-3)，最终经终端处理设备(5)排放或收集利用；公用工程介质从公用工程回汽/液侧流出且分为三路，三路分别连接至第一中温组件(1-2)、直接换热机组(2)低温侧和第二中温组件(1-4)被加热，最终并流后返回公用工程供汽/液侧；或者，公用工程介质从公用工程回汽/液侧流出，顺次通过第二中温组件(1-4)、直接换热机组(2)低温侧和第一中温组件(1-2)被加热，最终返回公用工程管网(3)的公用工程供汽/液侧。2.根据权利要求1所述的集成多热源热泵的工业余热回收系统，其特征在于，在公用工程供汽/液管路和公用工程回汽/液管路之间设有能够自动调节加热负荷的供热设备(6)；公用工程介质在工艺热用户(4)处换热完毕后返回至公用工程回汽/液侧，经余热介质或供热设备(6)被重新加热；公用工程供汽/液侧与公用工程回汽/液侧的介质比焓差一定，公用工程供汽/液侧分配至工艺热用户(4)的公用工程介质流量根据用户的热负荷确定。3.根据权利要求2所述的集成多热源热泵的工业余热回收系统，其特征在于，在供热设备(6)与公用工程回汽/液管之间还设有循环泵(7)。4.根据权利要求1所述的集成多热源热泵的工业余热回收系统，其特征在于，通过直接换热机组(2)的余热介质及公用工程介质，其各自的进、出口温度满足对应流程布置下的换热最小温差条件。5.根据权利要求1所述的集成多热源热泵的工业余热回收系统，其特征在于，多热源热泵单元(1)的高温组件、中温组件和低温组件的热负荷大小相当，且选取的工质对满足设计温度下的热力循环要求。6.根据权利要求1所述的集成多热源热泵的工业余热回收系统，其特征在于，所述多热源热泵单元(1)为吸收式热泵、吸附式热泵或化学热泵，吸收式热泵为连续式工作模式，吸附式热泵和化学热泵为间歇式工作...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨福胜，张洋，刘圣哲，张早校，吴震，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61