一种利用自然冷源的烟气余热回收供暖供生活热水系统

摘要

本发明公开了属于烟气余热回收与净化技术领域的一种利用自然冷源的烟气余热回收供暖供生活热水系统。包括顺次连接的锅炉1、直接接触式热质交换塔3、板式换热器22、储热水箱10，所述直接接触式热质交换塔3用于回收烟气全热，由下至上分为空气加湿段D和烟气全热回收段C，中间由分隔板分隔，其中烟气全热回收段C用于收集锅炉烟气A，自然冷源/中介循环水与烟气A逆流直接接触换热。空气加湿段D中的中介循环水与助燃空气E逆流直接接触换热，储热水箱10用于储存生活热水，板式换热器22用于加热回水。本发明将降低喷淋水温度与提高烟气露点温度两种技术手段相结合，既能实现较高喷淋水温下回收烟气潜热，又能实现降低燃气锅炉污染物排放。

权利要求

1.一种利用自然冷源的烟气余热回收供暖供生活热水系统，其特征在于，所述系统在供生活热水模式下，将自然冷源作为中介循环水以提高换热温差，在供暖模式下，通过加湿助燃空气以提高烟气露点温度使之高于常规热网回水温度；所述系统包括顺次连接的锅炉(1)、直接接触式热质交换塔(3)、板式换热器(22)、储热水箱(10)；

所述直接接触式热质交换塔(3)用于回收锅炉烟气全热，由下至上分为两段，分别为空气加湿段D和烟气全热回收段C，中间由分隔板(18)完全分隔；所述空气加湿段D通过风机(14)和湿度控制装置(15)与锅炉(1)相连，其底部设有加湿空气进口(16)、补水口(17)和中介循环水出口，使空气加湿段D中的中介循环水与助燃空气E逆流直接接触换热；所述烟气全热回收段C通过烟气风机(2)与锅炉(1)相连，用于通入锅炉烟气A；其顶部设有除雾网(4)，用于去除烟气中的水雾排入大气，还设有雾化喷头(5)，结合底部设有自然冷源中介循环水回路与供暖中介循环水回路，使烟气全热回收段C中的自然冷源/中介循环水与烟气A逆流直接接触换热；

所述板式换热器(22)的一端通过中介循环水泵(19)与直接接触式热质交换塔(3)相连接，另一端通过供暖/供生活热水三通调节阀(23)与储热水箱(10)连接；其上设有锅炉进水(8)和热网回水(9)，用于加热回水；

所述储热水箱(10)用于储存生活热水，经生活热水加压泵(11)与水质调节装置(12)相连接，以输出生活热水供水(13)；

所述自然冷源中介循环水回路由顺次连接的自然冷源/中介循环水三通阀(6)、雾化喷头(5)、烟气全热回收段C、中介循环水泵(19)、板式换热器(22)、供暖/供生活热水三通调节阀(23)和储热水箱(10)组成，其循环过程为：当系统处于供生活热水模式时，自然冷源从自然冷源入口(7)通入，自然冷源通过切换至自然冷源档位的自然冷源/中介循环水三通阀(6)自烟气全热回收段C顶部的雾化喷头(5)喷入，自烟气全热回收段C底部的排水口排出，经中介循环水泵(19)加压后先通过板式换热器(22)加热热网回水，再通过切换至生活热水模式的供暖/供生活热水三通调节阀(23)，最后通入储热水箱(10)储存；

所述供暖中介循环水回路由顺次连接的板式换热器(22)、供暖/供生活热水三通调节阀(23)、供暖流程加压泵(20)、空气加湿段D、循环水泵(19)、自然冷源/中介循环水三通阀(6)和烟气全热回收段C组成，其循环过程为：当系统处于供暖模式时，自然冷源不再通入系统；中介循环水经板式换热器(22)与热网回水换热后，通过切换至供暖模式的供暖/供生活热水三通调节阀(23)和供暖流程加压泵(20)从空气加湿段D顶部的雾化喷头进入，底部排出；排出的中介循环水经循环水泵(19)加压后通入切换至中介循环水档位的自然冷源/中介循环水三通阀(6)，自然冷源/中介循环水三通阀(6)排出中介循环水后，自烟气全热回收段C顶部雾化喷头(5)喷入，底部排出。

2.根据权利要求1所述的一种利用自然冷源的烟气余热回收供暖供生活热水系统，其特征在于，所述雾化喷头(5)为圆锥形雾化喷嘴，以实现用最低的喷淋高度覆盖烟气全热回收段C。

3.根据权利要求1所述的一种利用自然冷源的烟气余热回收供暖供生活热水系统，其特征在于，所述储热水箱(10)的出水口处设有供暖流程加压泵(11)和水质调节装置(12)，其中水质调节装置(12)内储存有碱性药品的碱液，用来中和储热水箱(10)热水中的酸性物质，热水经中和处理后再作为生活用水供给用户。

4.根据权利要求1所述的一种利用自然冷源的烟气余热回收供暖供生活热水系统，其特征在于，锅炉烟气A在直接接触式热质交换塔(3)中的循环过程为：

由燃气锅炉(1)燃烧产生的锅炉烟气A自直接接触式热质交换塔(3)中的烟气全热回收段C底部一侧通入，锅炉烟气A在烟气全热回收段C与自然冷源/中介循环水直接逆流接触，锅炉烟气A在上升过程降温加湿，达到饱和状态，降温加湿后的烟气A继续向上流动，通过除雾网(4)去除烟气中的水雾排入大气。

5.根据权利要求1所述的一种利用自然冷源的烟气余热回收供暖供生活热水系统，其特征在于，助燃空气E在直接接触式热质交换塔(3)中的循环过程为：

助燃空气E自直接接触式热质交换塔(3)中的空气加湿段D底部的加湿空气进口(16)通入，助燃空气E与空气加湿段D顶部喷下的中介循环水直接逆流接触，助燃空气E在上升过程中经过降升温加湿达到饱和状态，升温加湿后的助燃空气继续向上流动，由空气加湿段D异侧排出，经湿度控制装置(15)去除水雾后再通过风机(14)加压通入锅炉(1)内。

说明书

一种利用自然冷源的烟气余热回收供暖供生活热水系统

技术领域

[0001] 本发明属于烟气余热回收与净化技术领域，尤其涉及一种利用自然冷源的烟气余热回收供暖供生活热水系统。

背景技术

[0002] 天然气成为北京市供热的主要能源之一的原因，一方面是由于燃气锅炉排放的烟气冷凝余热没有得到充分利用；另一方面燃气锅炉烟气排放的氮氧化物尚未净化处理。

[0003] 换热器是烟气余热回收技术的关键设备之一，根据换热器内部烟气与其他换热介质的换热方式不同可分为间接式换热器、直接接触式换热器和储热式换热器。直接接触式
换热器为高低温换热介质直接接触混合换热，因此又叫做混合式换热器。相对于间接式换
热器，接触式换热凭借其热阻小，换热效率高，换热面积大，且具有一定的污染物减排的特
点，其在石油、化工、城市供热等领域有着广泛的应用，也有大量的国内外研究学者在结构
优化改造，实际应用效果等方面进行了大量的研究。

[0004] 喷淋水与烟气的温差、液气比、喷淋高度是影响直接接触式换热器换热效果的三个主要因素。液气比与喷淋高度易通过结构优化等手段达到最优效果。但由于国内大型集
中热网回收温度普遍为55℃，小型集中热网回水温度也在45℃左右，这一温度是烟气余热
回收系统在不附加低温冷源下能够获得的最低温度，但该温度高于一般情况下的烟气露点
温度且喷淋水与烟气换热温差较小，烟气冷凝潜热回收效果有限。

发明内容

[0005] 针对上述问题，本发明提出了一种利用自然冷源的烟气余热回收供暖供生活热水系统，其特征在于，所述系统在供生活热水模式下，将自然冷源作为中介循环水以提高换热
温差，在供暖模式下，通过加湿助燃空气以提高烟气露点温度使之高于常规热网回水温度；
所述系统包括顺次连接的锅炉1、直接接触式热质交换塔3、板式换热器22、储热水箱10；

[0006] 所述直接接触式热质交换塔3用于回收锅炉烟气全热，由下至上分为两段，分别为空气加湿段D和烟气全热回收段C，中间由分隔板18完全分隔；所述空气加湿段D通过风机14
和湿度控制装置15与锅炉1相连，其底部设有加湿空气进口16、补水口17和中介循环水出
口，使空气加湿段D中的中介循环水与助燃空气E逆流直接接触换热；所述烟气全热回收段C
通过烟气风机2与锅炉1相连，用于通入锅炉烟气A；其顶部设有除雾网4，用于去除烟气中的
水雾排入大气，还设有雾化喷头5，结合底部设有自然冷源中介循环水回路与供暖中介循环
水回路，使烟气全热回收段C中的自然冷源/中介循环水与烟气A逆流直接接触换热；

[0007] 所述板式换热器22的一端通过中介循环水泵19与直接接触式热质交换塔3相连接，另一端通过供暖/供生活热水三通调节阀23与储热水箱10连接；其上设有锅炉进水8和
热网回水9，用于加热回水；

[0008] 所述储热水箱10用于储存生活热水，经生活热水加压泵11与水质调节装置12相连接，以输出生活热水供水13。

[0009] 所述雾化喷头5为圆锥形雾化喷嘴，以实现用最低的喷淋高度覆盖烟气全热回收段C。

[0010] 所述储热水箱10的出水口处设有供暖流程加压泵11和水质调节装置12，其中水质调节装置12内储存有碱性药品的碱液，用来中和储热水箱10热水中的酸性物质，热水经中
和处理后再作为生活用水供给用户。

[0011] 所述自然冷源中介循环水回路由顺次连接的自然冷源/中介循环水三通阀6、雾化喷头5、烟气全热回收段C、中介循环水泵19、板式换热器22、供暖/供生活热水三通调节阀23
和储热水箱10组成，其循环过程为：自然冷源通过切换至自然冷源档位的自然冷源/中介循
环水三通阀6自烟气全热回收段C顶部的雾化喷头5喷入，自烟气全热回收段C底部的排水口
排出，经中介循环水泵19加压后先通过板式换热器22加热热网回水，再通过切换至生活热
水模式的供暖/供生活热水三通调节阀23，最后通入储热水箱10储存。

[0012] 所述供暖中介循环水回路由顺次连接的板式换热器22、供暖/供生活热水三通调节阀23、供暖流程加压泵20、空气加湿段D、循环水泵19、自然冷源/中介循环水三通阀6和烟
气全热回收段C组成，其循环过程为：中介循环水经板式换热器22与热网回水换热后，通过
切换至供暖模式的供暖/供生活热水三通调节阀23和供暖流程加压泵20从空气加湿段D顶
部的雾化喷头进入，底部排出；排出的中介循环水经循环水泵19加压后通入切换至中介循
环水档位的自然冷源/中介循环水三通阀6，自然冷源/中介循环水三通阀6排出中介循环水
后，自烟气全热回收段C顶部雾化喷头5喷入，底部排出。

[0013] 锅炉烟气A在直接接触式热质交换塔3中的循环过程为：

[0014] 由燃气锅炉1燃烧产生的锅炉烟气A自直接接触式热质交换塔3中的烟气全热回收段C底部一侧通入，锅炉烟气A在烟气全热回收段C与自然冷源/中介循环水直接逆流接触，
锅炉烟气A在上升过程降温加湿，达到饱和状态，降温加湿后的烟气A继续向上流动，通过除
雾网4去除烟气中的水雾排入大气。

[0015] 助燃空气E在直接接触式热质交换塔3中的循环过程为：

[0016] 助燃空气E自直接接触式热质交换塔3中的空气加湿段D底部的加湿空气进口16通入，助燃空气E与空气加湿段D顶部喷下的中介循环水直接逆流接触，助燃空气E在上升过程
中经过降升温加湿达到饱和状态，升温加湿后的助燃空气继续向上流动，由空气加湿段D异
侧排出，经湿度控制装置15去除水雾后再通过风机14加压通入锅炉1内。

[0017] 本发明的有益效果在于：

[0018] (1)本发明利用自然冷源的烟气余热回收供暖供生活热水系统，在供生活热水模式中，利用自然冷源(15℃自来水)作为低于烟气露点温度的喷淋水，可增加烟气露点温度
与喷淋水的温差，显著提高烟气余热回收效果，实现烟气余热的深度回收。

[0019] (2)本发明利用自然冷源的烟气余热回收供暖供生活热水系统，在供暖模式中，喷淋水温度较高(55℃)的供暖流程对助燃空气E加湿可提高燃烧产生的烟气的露点，增加喷
淋水与烟气露点温度的换热温差提高烟气余热回收效果。此外，提高烟气露点温度使之高
于常规热网回水温度，可实现较高喷淋水温下回收烟气潜热，提高烟气余热回收效果。

[0020] (3)本发明将制造低温冷源与提高烟气露点两种余热回收方式的结合，使燃气热水锅炉排放的烟气温度远高于其露点温度，加湿助燃空气通过改变空气组分、降低燃烧温
度可有效降低热力型NOX的产生，降低燃气锅炉氮氧化物的排放。

附图说明

[0021] 附图1为本发明的系统结构示意图；

[0022] 附图标记：1-锅炉；2-烟气风机；3-直接接触式热质交换塔；4-除雾网；5-雾化喷头；6-自然冷源/中介循环水三通阀；7-自然冷源入口；8-锅炉进水；9-热网回水；10-储热水
箱；11-生活热水加压泵；12-水质调节装置；13-生活热水供水；14-风机；15-湿度控制装置；
16-加湿空气进口；17-补水口；18-分隔板；19-中介循环水泵；20-供暖流程加压泵；21-空气
加湿泵；22-板式换热器；23-供暖/供生活热水三通调节阀；

[0023] A-锅炉烟气、B-排烟、C-烟气全热回收段、D-空气加湿段、E-助燃空气

具体实施方式

[0024] 下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

[0025] 需要说明的是，在本发明的描述中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对
本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

[0026] 在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本
发明中的具体含义。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个
以上。

[0027] 附图1为本发明的系统结构示意图，如图1所示，所述系统在供生活热水模式下，将自然冷源作为中介循环水以提高换热温差，在供暖模式下，通过加湿助燃空气以提高烟气
露点温度使之高于常规热网回水温度；所述系统包括顺次连接的锅炉1、直接接触式热质交
换塔3、板式换热器22、储热水箱10；

[0028] 所述直接接触式热质交换塔3用于回收锅炉烟气全热，由下至上分为两段，分别为空气加湿段D和烟气全热回收段C，中间由分隔板18完全分隔；所述空气加湿段D通过风机14
和湿度控制装置15与锅炉1相连，其底部设有加湿空气进口16、补水口17和中介循环水出
口，使空气加湿段D中的中介循环水与助燃空气E逆流直接接触换热；所述烟气全热回收段C
通过烟气风机2与锅炉1相连，用于收集锅炉烟气A，其顶部设有除雾网4和雾化喷头5，用于
去除烟气中的水雾排入大气；底部设有自然冷源中介循环水回路与供暖中介循环水回路，
使烟气全热回收段C中的自然冷源/中介循环水与烟气A逆流直接接触换热；

[0029] 所述板式换热器22的一端通过中介循环水泵19与直接接触式热质交换塔3相连接，另一端通过暖/供生活热水三通调节阀23与储热水箱10连接；其上设有锅炉进水8和热
网回水9，用于加热回水；

[0030] 所述储热水箱10用于储存生活热水，经生活热水加压泵11与水质调节装置12相连接，以输出生活热水供水13。

[0031] 具体的，所述雾化喷头5为圆锥形雾化喷嘴，以实现用最低的喷淋高度覆盖烟气全热回收段C。

[0032] 具体的，所述储热水箱10的出水口处设有生活热水加压泵11和水质调节装置12，由于与烟气全热交换的自来水中有酸性物质，无法直接利用，因此在储热水箱10后设置质
调节装置12，水质调节装置12内储存有NaOH等碱性药品的碱液来中和储热水箱(10)中的热
水，然后再将中和后的水供给用户作为生活用水。当储热水箱中储满生活热水后三通调节
阀6与三通调节阀23均切换至供暖模式。系统在供生活热水模式采用15℃左右的自然冷源
(自来水)作为中介循环水极大地增加了中介循环水与烟气露点温度(过量空气系数1.2时，
露点温度约53℃)的换热温差，可实现深度回收烟气冷凝潜热。

[0033] 具体的，所述自然冷源中介循环水回路由顺次连接的自然冷源/中介循环水三通阀6、雾化喷头5、烟气全热回收段C、中介循环水泵19、板式换热器22、供暖/供生活热水三通
调节阀23和储热水箱10组成，其循环过程为：当系统处于供生活热水模式时，自然冷源(自
来水)从自然冷源入口7通入，自然冷源/中介循环水三通阀6切换至自然冷源模式，自然冷
源自烟气全热回收段C顶部雾化喷头5喷入，与自下而上的烟气A逆流直接接触换热，被烟气
A加热后落入烟气全热回收段C底部并从底部排水口经中介循环水泵19加压后依次通过板
式换热器22，切换至供生活热水模式的供暖/供生活热水三通调节阀23，最后通入储热水箱
10。

[0034] 具体的，所述供暖中介循环水回路由顺次连接的板式换热器22、供暖/供生活热水三通调节阀23、供暖流程加压泵20、空气加湿段D、循环水泵19、自然冷源/中介循环水三通
阀6和烟气全热回收段C组成，其循环过程为：当系统处于供暖模式时，自然冷源(自来水)不
再通入系统；自烟气全热回收段C底部排水口排出并经中介循环水泵19加压后的中介循环
在板式换热器22处与热网回水9换热，换热后约55℃的中介循环水通过切换至供暖模式的
三通调节阀23经供暖流程加压泵20加压后自空气加湿段D顶部的雾化喷头喷入，与自下而
上的助燃空气E逆流直接接触换热，换热后的中介循环水落入空气加湿段D底部并由排水口
排出，排出的中介循环水经循环水泵19加压后通入切换至供暖模式的三通阀6，中介循环水
自烟自烟气全热回收段C顶部雾化喷头5喷入，底部排出，排出的中介循环水经中介循环水
泵加压后通入板式换热器22与热网回水换热；切换至供暖模式后系统不再有自然冷源(自
来水)通入系统，系统处于闭式循环状态，系统内最低循环水温为55℃，高于烟气的露点温
度无法实现烟气冷凝潜热回收，因此经与热网回水换热后的中介循环水先通入空气加湿段
D即可实现增加助燃空气E的含湿量即提高烟气露点温度(高于热网回水温度)又可降低中
介循环水温度，通过该手段可提高中介循环水与烟气露点温度的换热温差，实现烟气冷凝
潜热回收。

[0035] 具体的，锅炉烟气A在直接接触式热质交换塔3中的循环过程为：由燃气锅炉1燃烧产生的锅炉烟气A自直接接触式热质交换塔3中的烟气全热回收段C底部一侧通入，锅炉烟
气A在烟气全热回收段C与自然冷源/中介循环水直接逆流接触，锅炉烟气A在上升过程降温
加湿，达到饱和状态，降温加湿后的烟气A继续向上流动，通过除雾网4去除烟气中的水雾排
入大气。

[0036] 具体的，助燃空气E在直接接触式热质交换塔3中的循环过程为：当系统切换到供暖模式时，助燃空气E自直接接触式热质交换塔3中的空气加湿段D底部的加湿空气进口16
通入，助燃空气E与空气加湿段D顶部喷下的中介循环水直接逆流接触，助燃空气E在上升过
程中经过降升温加湿达到饱和状态，升温加湿后的助燃空气继续向上流动，由空气加湿段D
异侧排出，经湿度控制装置15去除水雾后再通过风机14加压通入锅炉1内。

[0037] 此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，
都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围
为准。