燃料转化系统与热泵及自然冷却装置复合的方法及系统.pdf

本发明公开了一种燃料转化系统与热泵及自然冷却装置复合的方法及系统，利用热泵回收其中的余热，可以充分提供燃料的利用效率，烟气中大量有害物质随其温度降低，水分凝结也同时减少。因此将燃料转化系统和热泵相结合，是一种既节能又减排的一举两得的方法和系统。热泵取热和自然冷却的结合，可以将燃煤烟气的污染物排放水平显著降低，达到甚至低于燃气烟气的排放水平。因此，本发明利用自然冷源冷却烟气，适合中国能源特征，为煤的清洁利用，提供了一种可行的途径，具有简单高效、经济可行、环保节能等特点。

权利要求书
1.  一种燃料转化系统与热泵及自然冷却装置复合的方法，其特征在于，该方法利用燃料转化系统（1）加热水或者其他液体，所述的燃料转化系统（1）至少包含有一个锅炉（11），所述锅炉的燃料F为高污染燃料，其烟气Y为不能直接排放的气体；燃料转化系统（1）产生的烟气Y被热泵系统（2）、自然冷却装置（4）中的一种或两种冷却；被冷却后的烟气Y温度降低，水分凝结，烟气中的有害成分减少；所述热泵系统（2）回收烟气Y中的热量，对水和其他液体进行预热。

2.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述燃料转化系统（1）除了产出热水外，还可同时产出蒸汽、电和功中的一种或者多种；所述热泵系统（2）含有一个或者多个热泵，热泵由燃料转化系统（1）提供的能量或外接能源来驱动。

3.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于，烟气Y被冷却之前先经过烟气处理系统（3）对烟气Y进行处理。

4.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述热泵系统（2）还用来加热锅炉的进气A。

5.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述烟气处理系统（3）包括烟气热回收装置（31），烟气热回收装置（31）回收烟气的热量，回收的热量加热锅炉进水，或者锅炉进气，或者同时加热锅炉进水和进气。

6.  根据权利要求1所述的方法，其特征在于，烟气Y被冷却后，经过再热装置（5）被再热。

7.  一种实现权利要求1所述方法的系统，其特征在于，系统包括燃料转化系统（1），还包括热泵系统（2）、自然冷却装置（4）的一种或两种；自然冷却装置（4）通过烟气管道连接在燃料转化系统（1）下游；热泵系统（2）通过烟气管道连接在燃料转化系统（1）下游，热泵系统（2）的冷侧C设置有蒸发器（23）或者热泵取热器（25），燃料转化系统（1）与蒸发器（23）或者热泵取热器（25）相连；热泵系统（2）的热侧h设置有热泵冷凝器（24），热泵冷凝器（24）与燃料转化系统（1）通过水管相连，需加热的水或者液体L，先经过热泵系统（2）预热，再进入燃料转化系统（1）被加热；所述热泵系统（2）含有一个或者多个热泵。

8.  根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述系统还包括再热装置（5），再热装置（5）通过烟气管道设置在热泵系统（2）、自然冷却装置（4）下游。

9.  根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述系统还包括烟气处理系统（3），所述烟气处理系统（3）包括依次相连的烟气热回收装置（31）、除尘装置（32）、脱硫装置（33）；燃料转化系统（1）通过烟气管道与其下游的烟气热回收装置（31）相连，脱硫装置（33）通过烟气管道与其下游的蒸发器（23）或者热泵取热器（25）相连；热泵系统（2）的热侧h设置有热泵冷凝器（24），热泵冷凝器（24）与烟气热回收装置（31）通过水管相连，再通过水管与燃料转化系统（1）相连；或热泵冷凝器（24）直接通过水管与燃料转化系统（1）相连；燃料转化系统（1）产生的烟气Y，先经过烟气处理系统（3），再经过热泵系统（2），需加热的水或者液体L，先经过热泵系统（2）预热，再经过烟气处理系统（3）的烟气热回收装置（31）加热后进入燃料转化系统（1）被加热，或者直接进入燃料转化系统（1）被加热。

10.  根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述燃料转化系统（1）包括热水锅炉（11），热泵冷凝器（24）与烟气热回收装置（31）通过水管相连，再通过水管与热水锅炉（11）相连，或热泵冷凝器（24）直接通过水管与热水锅炉（11）相连；
或者所述燃料转化系统（1）包括热水锅炉（11）和蒸汽与水换热装置（13），热水锅炉（11）和蒸汽与水换热装置（13）通过蒸汽管道相连，蒸汽管道内含有热交换介质；热泵冷凝器（24）与烟气热回收装置（31）通过水管相连，再通过水管与蒸汽与水换热装置（13）相连，或其直接通过水管与蒸汽与水换热装置（13）相连；
或者所述燃料转化系统（1）包括热水锅炉（11）、蒸汽与水换热装置（13），还包括发电装置、蒸汽机（16）中的一种或两种；热泵冷凝器（24）与烟气热回收装置（31）通过水管相连，再通过水管与蒸汽与水换热装置（13）相连，或其直接通过水管与蒸汽与水换热装置（13）相连；热水锅炉（11）和蒸汽与水换热装置（13）通过蒸汽管道相连，蒸汽管道内含有热交换介质；所述发电装置包括汽轮器（14）和发电机（15），汽轮器（14）设置在蒸汽管道中，汽轮器（14）与发电机（15）相连；蒸汽机（16）与蒸汽管道相连；热泵与发电机（15）、蒸汽机（16）、蒸汽管道、外置能源中的一种相连，由发电机（15）提供的电能、蒸汽机（16）提供的轴功率、蒸汽管道中蒸汽的热能或外置能源来驱动。

说明书燃料转化系统与热泵及自然冷却装置复合的方法及系统
技术领域
本发明涉及一种将燃料转化系统和热泵及自然冷却装置相结合的方法和系统，尤其涉及一种以煤等高污染燃料的锅炉的燃料转化系统和热泵及自然冷却特征相结合的方法与系统。
背景技术
燃煤作为中国的主要燃料，用来采暖、发电和供给工艺蒸汽等，燃煤锅炉污染大，主要表现其烟气中含有粉尘及大量其它污染物质，如硫化物，重金属，氮氧化物等，造成严重的大气污染，同时烟气具有一定的温度和湿度中含有大量的余热，包括显热和潜热。利用热泵回收其中的余热，其温度降低，水分凝结，可以充分提供燃料的利用效率，烟气中大量有害物质随其温度降低，水分凝结也同时减少。因此将燃料转化系统和热泵相结合，是一种既节能又减排的一举两得的方法和系统。
燃煤采暖是我国北方冬季的主要采暖方式，冬季环境温度低，也可以利用低温环境对烟气进行冷却，大量减少烟气中污染物排放。
热泵取热和自然冷却，与现有的烟气处理方式，如除尘，脱硫等相结合，可以将燃煤烟气的污染物排放水平显著降低，达到甚至低于燃气烟气的排放水平。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种高燃料转化系统与热泵及自然冷却装置复合的方法及系统。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种燃料转化系统与热泵及自然冷却装置复合的方法，该方法利用燃料转化系统加热水或者其他液体，所述的燃料转化系统至少包含有一个锅炉，所述锅炉的燃料F为高污染燃料，其烟气Y为不能直接排放的气体；燃料转化系统产生的烟气Y被热泵系统、自然冷却装置中的一种或两种冷却；被冷却后的烟气Y温度降低，水分凝结，烟气中的有害成分减少；所述热泵系统回收烟气Y中的热量，对水和其他液体进行预热。
进一步地，所述燃料转化系统除了产出热水外，还可同时产出蒸汽、电和功中的一种或者多种；所述热泵系统含有一个或者多个热泵，热泵由燃料转化系统提供的能量或外接能源来驱动。
进一步地，烟气Y被冷却之前先经过烟气处理系统对烟气Y进行处理。
进一步地，所述热泵系统还用来加热锅炉的进气A。
进一步地，所述烟气处理系统包括烟气热回收装置，烟气热回收装置回收烟气的热量，回收的热量加热锅炉进水，或者锅炉进气，或者同时加热锅炉进水和进气。
进一步地，烟气Y被冷却后，经过再热装置被再热。
一种燃料转化系统与热泵及自然冷却装置复合的系统，系统包括燃料转化系统，还包括热泵系统、自然冷却装置的一种或两种，自然冷却装置通过烟气管道连接在燃料转化系统下游；热泵系统通过烟气管道连接在燃料转化系统下游，热泵系统的冷侧C设置有蒸发器或者热泵取热器，燃料转化系统与蒸发器或者热泵取热器相连；热泵系统的热侧h设置有热泵冷凝器，热泵冷凝器与燃料转化系统通过水管相连，需加热的水或者液体L，先经过热泵系统预热，再进入燃料转化系统被加热；所述热泵系统含有一个或者多个热泵。
进一步地，所述系统还包括再热装置，再热装置通过烟气管道设置在热泵系统、自然冷却装置下游。
进一步地，所述系统还包括烟气处理系统，所述烟气处理系统包括依次相连的烟气热回收装置、除尘装置、脱硫装置；燃料转化系统通过烟气管道与其下游的烟气热回收装置相连，脱硫装置通过烟气管道与其下游的蒸发器或者热泵取热器相连；热泵系统的热侧h设置有热泵冷凝器，热泵冷凝器与烟气热回收装置通过水管相连，再通过水管与燃料转化系统相连；或热泵冷凝器直接通过水管与燃料转化系统相连；燃料转化系统产生的烟气Y，先经过烟气处理系统，再经过热泵系统，需加热的水或者液体L，先经过热泵系统预热，再经过烟气处理系统的烟气热回收装置加热后进入燃料转化系统被加热，或者直接进入燃料转化系统被加热。
进一步地，所述燃料转化系统包括热水锅炉，热泵冷凝器与烟气热回收装置通过水管相连，再通过水管与热水锅炉相连，或热泵冷凝器直接通过水管与热水锅炉相连；
或者所述燃料转化系统包括热水锅炉和蒸汽与水换热装置，热水锅炉和蒸汽与水换热装置通过蒸汽管道相连，蒸汽管道内含有热交换介质；热泵冷凝器与烟气热回收装置通过水管相连，再通过水管与蒸汽与水换热装置相连，或其直接通过水管与蒸汽与水换热装置相连；
或者所述燃料转化系统包括热水锅炉、蒸汽与水换热装置，还包括发电装置、蒸汽机中的一种或两种；热泵冷凝器与烟气热回收装置通过水管相连，再通过水管与蒸汽与水换热装置相连，或其直接通过水管与蒸汽与水换热装置相连；热水锅炉和蒸汽与水换热装置通过蒸汽管道相连，蒸汽管道内含有热交换介质；所述发电装置包括汽轮器和发电机，汽轮器设置在蒸汽管道中，汽轮器与发电机相连；蒸汽机与蒸汽管道相连。热泵与发电机、蒸汽机、蒸汽管道、外置能源中的一种相连，由发电机提供的电能、蒸汽机提供的轴功率、蒸汽管道中蒸汽的热能或外置能源来驱动。
本发明的有益效果在于：本发明提供的高燃料转化系统与热泵及自然冷却装置复合的方法利用自然冷源冷却烟气，可使燃料的热利用效率大于100%（以低位发热量为基数），使高污染燃料，如煤锅炉烟气的污染物排放水平，与燃气锅炉烟气的污染物排放水平相当，甚至更低。适合中国能源特征，为煤的清洁利用，提供了一种可行的途径，具有简单高效、经济可行、环保节能等特点。
附图说明
图1为热水锅炉与热泵复合的系统原理图一；
图2为热水锅炉与热泵复合的系统原理图二；
图3为热水锅炉与热泵复合的系统原理图三；
图4为热水锅炉与热泵复合的系统原理图一；
图5为热水锅炉与热泵复合的系统原理图二；
图6为热水锅炉、汽轮机、发电机与热泵复合的系统原理图一；
图7为热水锅炉、汽轮机、发电机与热泵复合的系统原理图二；
图8为热水锅炉、汽轮机、发电机、蒸汽轮机与热泵复合的系统原理图；
图9为热水锅炉、蒸汽轮机与热泵复合的系统原理图；
图10为热泵下游带有自然冷却装置的系统原理图；
图11为直接利用环境冷空气冷却烟气的系统原理图；
图12为热泵下游带有再热装置的系统原理图；
图13为热泵下游带有自然冷却装置和再热装置的系统原理图；
图14为无热泵只有自然冷却的系统原理图；
图15为无热泵只有自然冷却装置和再热装置的系统原理图；
图16为热泵取热方式原理图一；
图17为热泵取热方式原理图二；
图18为自然冷却方式原理图一；
图19为自然冷却方式原理图二；
图20为利用烟气直接加热锅炉进水的方式原理图；
图21为利用烟气直接加热锅炉进风的方式原理图；
图22为利用烟气直接加热锅炉进风和进水的方式原理图；
图23为热泵系统含有多个热泵的系统原理图；
图24为热泵系统同时预热锅炉进水和锅炉进风的系统原理图；
图中，燃料转化系统1、热泵系统2、烟气处理系统3、自然冷却装置4、再热装置5、热水锅炉11、空气预热器12、蒸汽与水换热装置13、汽轮器14、发电机15、蒸汽机16、压缩机21，节流装置22、蒸发器23、热泵冷凝器24、进气预热器241、热泵取热器25、第一泵26、烟气热回收装置31、、锅炉进气预热器311、附加烟气热回收装置31、除尘装置32、脱硫装置33、冷却塔41、第二泵42、烟气冷却器43、第三泵44、换热器45。
具体实施方式
燃料转化系统与热泵及自然冷却装置复合的系统包括燃料转化系统1、热泵系统2，燃料转化系统1通过烟气管道与其下游的热泵系统2相连；热泵系统2的冷侧C与烟气管道相连，即热泵系统2的蒸发器23或者热泵取热器25置于烟气管道中；热泵系统的热侧h，即热泵冷凝器24通过水管与燃料转化系统1相连，需加热的水或者液体L，先经过热泵系统预热，再进入燃料转化系统1被加热；其中，热泵系统2包括一个或多个热泵（如图23所示）。
燃料转化系统与热泵及自然冷却装置复合的系统还包括烟气处理系统3，燃料转化系统1通过烟气管道与其下游的烟气处理系统3相连，烟气处理系统3通过烟气管道与其下游的热泵系统2相连；热泵系统2的冷侧C与烟气相连，即热泵的蒸发器23或者热泵取热器25置于烟气管道中；热泵系统2的热侧h，即热泵冷凝器24，与烟气热回收装置31通过水管相连，如图20所示，再通过水管与燃料转化系统1相连；或其直接通过水管与燃料转化系统1相连；
燃料转化系统1产生的烟气Y，先经过烟气处理系统3，再经过热泵系统2，需加热的水或者液体L，先经过热泵系统2预热，再经过烟气处理系统3的烟气热回收装置31，如图20所示，加热后进入燃料转化系统1被加热，或者直接进入燃料转化系统1被加热。
利用燃料转化系统1加热水或者其他液体，利用烟气处理系统3对燃料转化系统产生的烟气Y进行处理，经烟气处理系统3处理后的烟气作为热泵系统2的热源，利用热泵系统2产生的热量对水和其他液体进行预热，烟气经过系统2提取热量后，其温度降低，水分凝结，烟气中的粉尘，硫化物等有害成分减少。燃料转化系统1至少包含有一个热水锅炉11，锅炉的燃料F为高污染燃料，如煤、含硫份高的油等，其烟气为不能直接排放的气体。
如图2至图24所示，烟气处理系统3包括烟气净化装置（至少含除尘装置和脱硫装置），烟气处理系统还包括烟气热回收装置31，烟气热回收装置31可以用来加热锅炉进水，如图20所示，或者锅炉进气，如图21所示，或者同时加热锅炉进水和进气，如图22所示。
图1中的燃料转化系统1只含热水锅炉11，温度为Tc的水或者液体L经过热泵系统2预热后，温度升高变为TM进入热水锅炉11，进一步加热升温变为TH。热泵系统2冷侧C从烟气中取热Q，外界输入能量为N，热侧放出热量Q+N给L 。
图2与图1不同在于，图2中，系统还包括了烟气处理系统3。
图3与图2不同在于，热泵系统2采用热水锅炉11的热水驱动，即一部分水L2供给热泵系统2，另一部分热水L1输出。
图4中的燃料转化系统1含有热水锅炉11，蒸汽与水换热装置13，还含有空气预热器12。热水锅炉11和蒸汽与水换热装置13通过蒸汽管道相连，蒸汽管道内含有热交换介质；热交换介质（例如水蒸气）将热水锅炉11中的热量传递到蒸汽与水换热装置13中，从而对L进行加热；水或者液体经过热泵系统2预热后，再经蒸汽与水换热装置13被蒸汽S加热，冷凝水CW再回到锅炉。热水锅炉11的进气A与排出的烟气Y进行热量交换，即烟气Y加热锅炉进气A。
图5与图4不同在于，蒸汽除了加热水或者液体外，还供给蒸汽S2以驱动热泵，蒸汽在热泵中冷凝后，也可以再回到锅炉，图中未表示。热水锅炉除了用来加热水L和供给热泵外，还可以对外输出蒸汽S1。
图6中含有热水锅炉11、蒸汽与水换热装置13、汽轮器14、发电机15，经过汽轮机14发电的蒸汽S进入蒸汽与水换热装置13加热L，汽轮机14驱动发电机15发电，发电机15发出电E，E可以用于驱动热泵2，也可做其他用。
图7与图6不同在于，热泵采用热驱动式热泵，包括吸收式热泵、吸附式热泵等，热泵不采用发电机15的电驱动，采用蒸汽驱动。
图8与图7不同在于，系统还有蒸汽轮机16，蒸汽机16输出轴功率Z，直接带动机械式热泵运行。
图9与图8不同在于，系统不含汽轮机14和发电机15。
图10在图6的基础上增加了自然冷却装置4，即在热泵2的下游增加了自然冷却装置4对烟气进一步冷却，自然冷却装置4利用冬季室外低温环境空气AM作为热沉，从烟气中取热q。
图11利用环境冷空气CA 直接与烟气Y 在冷却塔41中混合得到低温的混合气体M。
图12在图6基础上增加了再热装置5，即在热泵系统2的下游增加了再热装置5，对烟气进行再热，再热装置5利用热源，如热泵提供的热源，或者热泵上游烟气为再热热源ZH，给热泵系统2下游烟气提供热量h。
图13将图11和图12复合，即热泵系统2下游增加在自然冷却装置4，自然冷却装置4的下游增加再热装置5。
图14在图6的基础上，将热泵系统2用自然冷却装置4替代。
图15在图14的基础上，在自然冷却装置4下游增加了再热装置5。
图16在图2的基础上，将热泵系统2的形式具体化，图16中采用机械压缩热泵，热泵系统2由压缩机21，节流装置22，冷凝器24和蒸发器23组成。蒸发器23直接与烟气接触，烟气与氟利昂直接换热，还可以采用如图17所示的方式，还可以采用其它方式。
热泵也可以采用其它热泵形式，如吸收式热泵。
图17与图16不同在于热泵系统2从烟气中取热的形式，与图16相比，蒸发器23不直接从烟气中取热，而是增加了取热器25和第一泵26，第一泵26驱动换热流体在取热器25与蒸发器23中循环，换热流体通过非直接换热器，即取热器25从烟气中取热，然后将热量传递给蒸发器23，蒸发器23从换热流体获得热量。
取热器25也可以采取直接换热形式，从烟气中取热，即换热流体与烟气直接接触换热，取热器可以采用类似喷淋室形式，或者填料塔形式等。
图18在图17的基础上增加了自然冷却装置4，包括冷却塔41，第二泵42和烟气冷却器43。第二泵42驱动冷却液体，如水或者盐水在冷却塔41与烟气冷却器43之间循环，使烟气冷却。烟气冷却器43也可以采用类似喷淋室形式，或者填料塔形式等，烟气与冷却液体直接接触换热。
图19在图18的基础上增加了换热器45和第三泵44， 第三泵44驱动换热流体在烟气冷却43与换热器45之间循环，第三泵42驱动冷却液体，如水或者盐水在冷却塔41与换热器44之间循环，冷却液体冷却换热流体，换热流体冷却烟气。
图20基于图2，利用烟气热回收装置31加热来自热水锅炉11的水或者其他液体L，加热后再送入锅炉。
图21与图20不同在于，烟气热回收装置31回收的热量用来加热锅炉的进气，即利用锅炉进气预热器311加热锅炉进气，热回收装置31与进气预热器311之间有换热流体循环。
图22利用烟气热回收装置31回收的热量用来加热锅炉的进气，同时利用附加烟气热回收装置312加热来自热泵的水或者液体。
图23基于图2，与图2不同之处在于，热泵系统2含有多个热泵，图23中为两个，可以大于两个，不同的热泵可以采用不同的形式，如有的采用压缩热泵，有的采用吸收热泵等。不同热泵的冷侧温度可以不一样，有利于能量梯级利用。
图24基于图2，利用热泵的热量加热水或者其他液体的同时，其热量也用来加热锅炉的进气，即将热泵的热量通过水或者其他液体L送至进气预热器241加热进气，然后返回热泵。