一种电热泵辅助实现冷凝再热消除烟羽的热水锅炉系统技术方案

本发明专利技术公开了一种电热泵辅助实现冷凝再热消除烟羽的热水锅炉系统，包括热水锅炉、电热泵装置、烟气冷凝换热器、烟气加热装置以及配套的水泵、控制器等。烟气冷凝换热器与电热泵耦合吸收烟气的显热和水蒸气的汽化潜热，通过热泵循环对锅炉回水进行加热、实现烟气冷凝换热器的连续冷凝；烟气冷凝换热器后设有烟气加热装置，通过多种方式加热冷凝后的低温烟气，提高排烟相对湿度，消除烟囱出口的白色烟羽；也可利用锅炉本体、热泵的能量加热空气并与低温排烟混合，稀释排烟中的水蒸气从而消除白色烟羽。本发明专利技术实现了热水锅炉消除烟羽系统和电热泵系统的耦合，在消除烟羽的同时实现了能量的梯级利用，提高了锅炉效率，提升电热泵运行COP系数。

【技术实现步骤摘要】
一种电热泵辅助实现冷凝再热消除烟羽的热水锅炉系统
本专利属于联合供暖
，具体涉及一种电热泵辅助实现冷凝再热消除烟羽的热水锅炉系统。
技术介绍
随着大气污染日益严重，冬季雾霾肆虐，我国北方地区已经开始了清洁能源供暖的改造。天然气具有优质、高效、低污染等特性，是较为安全的清洁能源，同时我国工业化推进以及消费结构升级，天然气消费缺口日益严重，进口依存度的增加导致我国能源安全形势十分严峻，同时能源结构不合理也造成了严重的环境问题，节能环保已成为我国经济建设和社会发展的一项长远战略。因此，天然气的高效利用对于优化能源结构、提高能源效率和环境保护具有重要意义。2002年之后，燃油气热水锅炉是在国家推进城市供热而研究开发的。传统的燃油燃气锅炉热水锅炉一般是碳钢或铸铁制造的，主要用于区域集中供热。我国民用住宅建筑多采用95℃/70℃供热系统，当回水70℃时，排烟温度可低至85℃，回水温度高于烟气中水露点温度，无法回收烟气中水蒸气的汽化潜热，集中供热燃油气锅炉热效率均≤96％。2016后，燃气冷凝式锅炉兴起，用于集中地板采暖，锅炉效率可长期维持在103％左右。但煤改气的推进速度远超天然气产量的增加速度，导致冬季气荒现象的愈演愈烈，政策开始向宜电则电、宜气则气、因地制宜的开展采暖方向转变，热泵供暖市场在2018年已达90亿元。热泵是一种将低位热源的热能转移到高位热源的装置。通常热泵是先从自然界的空气、水或土壤中获取低品位热能，经过电力做功，然后再向人们提供可被利用的高品位热能。热泵的性能一般用制冷系数(COP性能系数)来评价。热泵系统冷热源的选择决定着热泵的性能。目前的空气热泵在低温高湿天气下易出现结霜问题，需定期停机升温除霜；当气温低于5℃时，热泵COP将低于3，系统经济性显著下降；水源热泵的COP在水源温度5℃时，仍可达3以上，但自然资源中难以选出既高效稳定又投资较低的水源。单独采用热泵供暖面临着初投资较高，热泵经济性较差，与燃气锅炉相比，投资回收期普遍可达10年以上。目前的锅炉排烟温度普遍高于60℃，若以锅炉的高温排烟作为热泵的热源，将排烟温度降至露点温度以下，回收烟气中的汽化潜热，锅炉效率有望提升至107％以上，热泵COP长期维持在5以上，具有节能效益和经济效益。若将现有的热水锅炉全面改造，每年可节约10％以上的天然气，同时新增热泵的COP系数较高，投资回收期可控制在4年以内。锅炉排烟具有一定的腐蚀性，冷凝过程中将会产生大量的酸性冷凝水，若采用传统的空气源热泵直接从烟气中取热，将导致蒸发器迅速腐蚀，发生冷媒泄露。采用不锈钢材料制作烟气冷凝换热器，以水为中间媒介，替代冷媒从烟气中取热的过程，即使烟气冷凝换热器出现腐蚀泄露，也仅会泄露部分循环水。因此水源热泵更适合与锅炉耦合。当锅炉烟气深度冷凝降温后，烟囱排烟中含有大量饱和水蒸气，离开烟囱冷却降温后冷凝析出大量小液滴，折射散射太阳光线，形成白色烟羽，易引起居民投诉。目前，冷凝再热路线是消除烟羽的主要路线。烟气经过烟气冷凝换热器后已完成冷凝过程，只需少量再热即可消除白烟。该路线的运行费用与烟气冷凝换热器和烟气再热器的出口烟温有关，烟气冷凝换热器出口烟温越低，再热消除烟羽过程的能耗就越小，但热泵能耗将增加；烟气冷凝换热器出口烟温越高，热泵能耗减少，再热消除烟羽过程的能耗就越大。因此需统筹兼顾，优化运行参数，使热泵运行费用、再热费用之和维持在较低水平，同时大量回收烟气中的余热，提高锅炉效率，增强系统经济性。
技术实现思路
为了解决上述现有技术存在的问题，本专利技术提出了一种电热泵辅助实现冷凝再热消除烟羽的热水锅炉系统，不仅利用热水锅炉实现烟气深度冷凝，并且利用燃气锅炉的排烟余热作为热泵的热源，实现节约燃气、能源梯级利用的同时，还可以与冷凝再热消除烟羽的路线结合，极大降低消除白色烟羽过程的再热能耗，减少系统的运行费用。为了解决上述问题，本专利技术采用如下技术方案：一种电热泵辅助实现冷凝再热消除烟羽的热水锅炉系统，所述系统包括热水锅炉1、电热泵装置2、烟气冷凝换热器4、烟气加热装置5、烟囱6、以及配套的水泵7和控制器；所述电热泵装置2包括压缩机2-1、冷凝器2-2、蒸发器2-3和节流阀2-4；所述冷凝器2-2的壳侧出口连接热水锅炉1进水集箱；所述冷凝器2-2的管侧入口连接压缩机2-1，管侧出口连接节流阀2-4；所述蒸发器2-3的管侧入口连接节流阀2-4，管侧出口连接压缩机2-1；所述蒸发器2-3的壳侧出口连接烟气冷凝换热器4的管侧入口，蒸发器2-3的壳侧出口与烟气冷凝换热器4的管侧入口连接的管路上设置有水泵7，蒸发器2-3的壳侧入口连接烟气冷凝换热器4的管侧出口；所述烟气冷凝换热器4壳侧入口连接热水锅炉1，壳侧出口连接烟气加热装置5入口；烟气加热装置5出口连通尾部烟道及烟囱6；所述节流阀2-4、冷凝器2-2、压缩机2-1和蒸发器2-3通过管道依次相连接形成冷媒循环回路；所述冷凝器2-2壳侧走锅炉回水，升温后进入热水锅炉1，冷凝器2-2管侧走冷媒介质；所述蒸发器2-3壳侧走水，管侧走冷媒介质；热水锅炉1燃烧后产生的烟气先进入烟气冷凝换热器4，所述烟气冷凝换热器壳侧走烟气，管侧以水为中间媒介与蒸发器2-3进行换热；烟气冷凝降温后进入烟气加热装置5，再热后通过烟囱6排入大气；热水锅炉1燃烧换热产生的锅炉出水进入用户3。优选的，所述烟气冷凝换热器4结构为间壁式换热器，其换热管束使用激光焊接螺旋翅片管，烟气冷凝换热器4后设有冷凝水收集装置。进一步优选的，所述的激光焊接螺旋翅片管，采用顺列排布，采用高度低于6mm的矮翅片；受水表面张力的影响，水膜将填充翅片之间的缝隙，烟气中的不凝结气体只能通过水膜与基管换热，增加了一层热阻且换热面积小，降温慢，而翅片能够提升水蒸气的冷凝换热速度，实现主流烟温降低慢，水蒸气大量冷凝，排烟相对湿度低的效果，能够极大降低烟气加热装置5消除烟羽所需的初投资及能耗。所述电热泵装置2的热源是所述锅炉1的排烟，冷源是锅炉回水；其中压缩机2-1压缩和输送冷媒蒸汽，保持蒸发器2-3中低压力、冷凝器2-2中高压，节流阀2-4对冷源即冷媒介质起节流降压作用，蒸发器2-3输出冷量，降低烟温，冷凝器2-2输出热量，提高锅炉回水温度。当烟气加热装置5为烟气再热器时，烟气再热器为间壁式换热器，烟气再热器的壳侧入口连接烟气冷凝换热器4的壳侧出口烟道，壳侧出口连接尾部烟道及烟囱；烟气再热器管侧利用电加热陶瓷管或不锈钢螺旋翅片管加热烟气，实现消除烟羽的目的。当烟气加热装置5为烟气再热器时，烟气再热器为间壁式换热器，烟气再热器的壳侧入口连接烟气冷凝换热器4的壳侧出口烟道，壳侧出口连接尾部烟道及烟囱；热水锅炉1出水管道设置分流三通阀9；分流三通阀9的入口连接热水锅炉出水，分流三通阀9的第一出口连接用户3，分流三通阀9的第二出口烟气再热器管侧入口，烟气再热器的管侧出口连接用户；利用部分锅炉出水对锅炉排烟进行加热。当烟气加热装置5为烟气再热器时，烟气再热器为间壁式换热器，烟气再热器的壳侧入口连接烟气冷凝换热器4的壳侧出本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电热泵辅助实现冷凝再热消除烟羽的热水锅炉系统，其特征在于：所述系统包括热水锅炉(1)、电热泵装置(2)、烟气冷凝换热器(4)、烟气加热装置(5)、烟囱(6)、以及配套的水泵(7)和控制器；所述电热泵装置(2)包括压缩机(2-1)、冷凝器(2-2)、蒸发器(2-3)和节流阀(2-4)；/n所述冷凝器(2-2)的壳侧出口连接热水锅炉(1)进水集箱；所述冷凝器(2-2)的管侧入口连接压缩机(2-1)，管侧出口连接节流阀(2-4)；所述蒸发器(2-3)的管侧入口连接节流阀(2-4)，管侧出口连接压缩机(2-1)；所述蒸发器(2-3)的壳侧出口连接烟气冷凝换热器(4)的管侧入口，蒸发器(2-3)的壳侧出口与烟气冷凝换热器(4)的管侧入口连接的管路上设置有水泵(7)，蒸发器(2-3)的壳侧入口连接烟气冷凝换热器(4)的管侧出口；所述烟气冷凝换热器(4)壳侧入口连接热水锅炉(1)，壳侧出口连接烟气加热装置(5)入口；烟气加热装置(5)出口连通尾部烟道及烟囱(6)；/n所述节流阀(2-4)、冷凝器(2-2)、压缩机(2-1)和蒸发器(2-3)通过管道依次相连接形成冷媒循环回路；所述冷凝器(2-2)壳侧走锅炉回水，升温后进入热水锅炉(1)，冷凝器(2-2)管侧走冷媒介质；所述蒸发器(2-3)壳侧走水，管侧走冷媒介质；热水锅炉(1)燃烧后产生的烟气先进入烟气冷凝换热器(4)，所述烟气冷凝换热器壳侧走烟气，管侧以水为中间媒介与蒸发器(2-3)进行换热；烟气冷凝降温后进入烟气加热装置(5)，再热后通过烟囱(6)排入大气；热水锅炉(1)燃烧换热产生的锅炉出水进入用户(3)。/n...

【技术特征摘要】
1.一种电热泵辅助实现冷凝再热消除烟羽的热水锅炉系统，其特征在于：所述系统包括热水锅炉(1)、电热泵装置(2)、烟气冷凝换热器(4)、烟气加热装置(5)、烟囱(6)、以及配套的水泵(7)和控制器；所述电热泵装置(2)包括压缩机(2-1)、冷凝器(2-2)、蒸发器(2-3)和节流阀(2-4)；
所述冷凝器(2-2)的壳侧出口连接热水锅炉(1)进水集箱；所述冷凝器(2-2)的管侧入口连接压缩机(2-1)，管侧出口连接节流阀(2-4)；所述蒸发器(2-3)的管侧入口连接节流阀(2-4)，管侧出口连接压缩机(2-1)；所述蒸发器(2-3)的壳侧出口连接烟气冷凝换热器(4)的管侧入口，蒸发器(2-3)的壳侧出口与烟气冷凝换热器(4)的管侧入口连接的管路上设置有水泵(7)，蒸发器(2-3)的壳侧入口连接烟气冷凝换热器(4)的管侧出口；所述烟气冷凝换热器(4)壳侧入口连接热水锅炉(1)，壳侧出口连接烟气加热装置(5)入口；烟气加热装置(5)出口连通尾部烟道及烟囱(6)；
所述节流阀(2-4)、冷凝器(2-2)、压缩机(2-1)和蒸发器(2-3)通过管道依次相连接形成冷媒循环回路；所述冷凝器(2-2)壳侧走锅炉回水，升温后进入热水锅炉(1)，冷凝器(2-2)管侧走冷媒介质；所述蒸发器(2-3)壳侧走水，管侧走冷媒介质；热水锅炉(1)燃烧后产生的烟气先进入烟气冷凝换热器(4)，所述烟气冷凝换热器壳侧走烟气，管侧以水为中间媒介与蒸发器(2-3)进行换热；烟气冷凝降温后进入烟气加热装置(5)，再热后通过烟囱(6)排入大气；热水锅炉(1)燃烧换热产生的锅炉出水进入用户(3)。


2.根据权利要求1所述的一种电热泵辅助实现冷凝再热消除烟羽的热水锅炉系统，其特征在于，所述烟气冷凝换热器(4)结构为间壁式换热器，其换热管束使用激光焊接螺旋翅片管，烟气冷凝换热器(4)后设有冷凝水收集装置。


3.根据权利要求2所述的一种电热泵辅助实现冷凝再热消除烟羽的热水锅炉系统，其特征在于：所述的激光焊接螺旋翅片管，采用顺列排布，采用高度低于6mm的矮翅片；受水表面张力的影响，水膜将填充翅片之间的缝隙，烟气中的不凝结气体只能通过水膜与基管换热，增加了一层热阻且换热面积小，降温慢，而翅片能够提升水蒸气的冷凝换热速度，实现主流烟温降低慢，水蒸气大量冷凝，排烟相对湿度低的效果，能够极大降低烟气加热装置(5)消除烟羽所需的初投资及能耗。


4.根据权利要求1所述的一种电热泵辅助实现冷凝再热消除烟羽的热水锅炉系统，其特征在于：所述电热泵装置(2)的热源是所述锅炉(1)的排烟，冷源是锅炉回水；其中压缩机(2-1)压缩和输送冷媒蒸汽，保持蒸发器(2-3)中低压力、冷凝器(2-2)中高压，节流阀(2-4)对冷源即冷媒介质起节流降压作用，蒸发器(2-3)输出冷量，降低烟温，冷凝器(2-2)输出热量，提高锅炉回水温度。


5.根据权利要求1所述的一种电热泵辅助实现冷凝再热消除烟羽的热水锅炉系统，其特征在于：当烟气加热装置(5)为烟气再热器时，烟气再热器为间壁式换热器，烟气再热器的壳侧入口连接烟气冷凝换热器(4)的壳侧出口烟道，壳侧出口连接尾部烟道及烟囱；烟气再热器管侧利用电加热陶瓷...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵钦新，李光英，刘峰，邓世丰，王云刚，邵怀爽，梁志远，刘永峰，
申请(专利权)人：西安交通大学，陕西环通标准锅炉有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西;61