一种工业余热发电系统

1.一种工业余热发电系统，其特征在于，包括余热转换子系统、循环水子系统和风能塔子系统；其中，余热转换子系统包括换热塔，换热塔内设置有余热换热器；余热换热器包括冷水入口和热水出口，冷水入口和热水出口分别连接至循环水子系统的冷水管道和热水管道；风能塔子系统包括风能塔，风能塔连接至循环水子系统的冷水管道和热水管道；风能塔的塔体内设置有风能换热器、叶轮和发电机，风能换热器上设置有热源入口和热源出口，热源入口连接至循环水子系统的热水管道，热源出口连接至循环水子系统的冷水管道。
2.如权利要求1所述的工业余热发电系统，其中，风能塔内还设置有引风机，风能塔的塔体内的引风机、风能换热器、叶轮和发电机自下而上地垂直设置。
3.如权利要求1所述的工业余热发电系统，其中，风能塔的塔体出风口设置在水平方向上，叶轮和发电机也相应地设置塔体的侧方。
4.如权利要求1所述的工业余热发电系统，其中，换热塔内设置有环保装置。
5.如权利要求4所述的工业余热发电系统，其中，环保装置包括喷淋脱硫装置、除雾器、换热器、冷凝除尘器、亚微米分离器中的一种或者其组合。
6.如权利要求1或5所述的工业余热发电系统，其中，换热塔内设置有冷凝除尘器，冷凝除尘器同时作为余热换热器，连接至循环水子系统的冷水管道和热水管道。
7.如权利要求6所述的工业余热发电系统，其中，冷凝除尘器为中空型换热式除尘器。
8.如权利要求7所述的工业余热发电系统，其中，中空型换热式除尘器换热元件的截面形状为圆管型、小波波纹板型、大波波纹板型、直板型、水滴型或者椭圆形。
9.如权利要求7所述的工业余热发电系统，其中，中空型换热式除尘器材料为聚丙烯、石墨烯高分子材料、氟塑料、2205合金、316L、1.4529合金或哈氏合金。
10.如权利要求4所述的工业余热发电系统，其中，在除雾器、冷凝除尘器和亚微米分离器的上游或者下游位置设有集水和排水装置。
11.如权利要求1所述的工业余热发电系统，其中，风能塔子系统包括风能塔组，一个风能塔组对应一单元/机组的热源，多个风能塔组对应多个单元/机组的热源，各风能塔或风能塔组可独立启停。
12.如权利要求1所述的工业余热发电系统，其中，风能换热器的换热元件为铝质材料、铜质材料、碳钢材料、不锈钢材料、合金材料、石墨烯高分子材料或氟塑料材料。
13.如权利要求1所述的工业余热发电系统，其中，风能塔内热空气出口大小可调节。
14.一种工业余热发电系统，其特征在于，包括余热输入子系统、循环水子系统和风能塔子系统；其中，余热输入子系统包括热源载体入口和热源载体出口；热源载体入口和热源载体出口分别连接至循环水子系统的冷水管道和热水管道；风能塔子系统包括风能塔，风能塔连接至循环水子系统的冷水管道和热水管道；风能塔的塔体内设置有风能换热器、叶轮和发电机，风能换热器上设置有热源入口和热源出口，热源入口连接至循环水子系统的热水管道，热源出口连接至循环水子系统的冷水管道。
15.如权利要求14所述的工业余热发电系统，其中，风能塔内还设置有引风机，风能塔的塔体内的引风机、风能换热器、叶轮和发电机自下而上地垂直设置。
16.如权利要求14所述的工业余热发电系统，其中，余热输入子系统包括板式换热器，板式换热器连接至热源载体入口和热源载体出口。

一种工业余热发电系统\n技术领域\n[0001] 本发明涉及余热回收，尤其涉及一种工业余热发电系统。\n背景技术\n[0002] 目前，无论是燃煤火力发电厂、燃煤热电厂、燃气发电厂还是垃圾焚烧电厂、钢铁厂、铝厂、化工厂、造纸厂、玻璃厂、砖窑厂等等各个工业领域，都存在长期大量的低品位热被抛弃的现象，或者存在少量的回收利用也都局限在本厂区内使用而无法远距离将该部分能源输送到外部使用转化成经济价值。\n[0003] 另外，如果该工业热源存在形式为气态形式，通常该气态热源存在一定含量的污染物，比如SO2、SO3、HCl,HF、NOx、氨、Hg等各类重金属、可溶性盐、细微粉尘、气溶胶等，需要热能回收的同时须对污染物予以脱除。\n[0004] 因此，本领域的技术人员致力于开发一种工业余热发电系统。\n发明内容\n[0005] 有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种工业余热发电系统。\n[0006] 为实现上述目的，本发明首先提供了一种工业余热发电系统，包括余热转换子系统、循环水子系统和风能塔子系统；其中，余热转换子系统包括换热塔，换热塔内设置有余热换热器；余热换热器包括冷水入口和热水出口，冷水入口和热水出口分别连接至循环水子系统的冷水管道和热水管道；风能塔子系统包括风能塔，风能塔连接至循环水子系统的冷水管道和热水管道；风能塔的塔体内设置风能换热器、叶轮和发电机，风能换热器上设置有热源入口和热源出口，热源入口连接至循环水子系统的热水管道，热源出口连接至循环水子系统的冷水管道。\n[0007] 进一步地，风能塔内还设置有引风机，风能塔的塔体内的引风机、风能换热器、叶轮和发电机自下而上地垂直设置。进一步地，风能塔的塔体出风口设置在水平方向上，叶轮和发电机也相应地设置塔体的侧方。\n[0008] 进一步地，换热塔内设置有环保装置。\n[0009] 进一步地，环保装置包括喷淋脱硫装置、除雾器、换热器、冷凝除尘器、和亚微米分离器中的一种或者其组合。\n[0010] 进一步地，换热塔内设置有冷凝除尘器，冷凝除尘器同时作为余热换热器，连接至循环水子系统的冷水管道和热水管道。\n[0011] 进一步地，冷凝除尘器为中空型换热式除尘器。\n[0012] 进一步地，中空型换热式除尘器换热元件的截面形状为圆管型、小波波纹板型、大波波纹板型、直板型、水滴型或者椭圆形。\n[0013] 进一步地，中空型换热式除尘器材料为聚丙烯、石墨烯高分子材料、氟塑料、2205合金、316L、1.4529合金或哈氏合金。\n[0014] 进一步地，在除雾器、冷凝除尘器和亚微米分离器的上游或者下游位置设有集水和排水装置。\n[0015] 进一步地，风能塔子系统包括风能塔组，一个风能塔组对应一单元/机组的热源，多个风能塔组对应多个单元/机组的热源，各风能塔或风能塔组可独立启停。\n[0016] 进一步地，风能换热器的换热元件为铝质材料、铜质材料、碳钢材料、不锈钢材料、合金材料、石墨烯高分子材料或氟塑料材料。\n[0017] 进一步地，风能塔内热空气出口大小可调节。\n[0018] 本发明还提供了一种工业余热发电系统，包括余热输入子系统、循环水子系统和风能塔子系统；其中，余热输入子系统包括热源载体入口和热源载体出口；热源载体入口和热源载体出口分别连接至循环水子系统的冷水管道和热水管道；风能塔子系统包括风能塔，风能塔连接至循环水子系统的冷水管道和热水管道；风能塔的塔体内设置风能换热器、叶轮和发电机，风能换热器上设置有热源入口和热源出口，热源入口连接至循环水子系统的热水管道，热源出口连接至循环水子系统的冷水管道。\n[0019] 进一步地，风能塔内还设置有引风机，风能塔的塔体内的引风机、风能换热器、叶轮和发电机自下而上地垂直设置。\n[0020] 进一步地，余热输入子系统包括板式换热器，板式换热器连接至热源载体入口和热源载体出口。\n[0021] 本发明事实上提供了一种集污染物环保治理、废水环保治理、水回收、风能利用于一体的热能回收转化利用系统和方法。相比与现有技术，本发明具有以下有益效果：\n[0022] (一)将长期、大量、抛弃的低品位热源的热值转化成风电清洁能源，通过上网远距离输送或者就地电力使用，具有极大的经济效益和社会效益，促进碳减排。\n[0023] (二)从低品位热源中取热的过程中，同时进一步脱除锅炉尾气中的污染物SO2和细微颗粒物(即粉尘)，同时可降低净烟气中的可溶性盐、气溶胶SO3、重金属Hg等污染物。\n[0024] (三)由于净烟气通常为饱和的湿烟气，烟气温度下降，其必然析出大量的冷凝水，从而为电厂起到节水功效。净烟气中蕴藏了大量的气态水，一直被作为废物被抛弃在大气中，电厂实施余热发电后，可以回收大量的水，以一台600MW的净烟气从50℃下降到40℃为例，回收水110t/h,回水将提高电厂的巨大的经济效益和社会效应。\n[0025] (四)由于饱和湿烟气降温后，烟气中的水含量(气态)大幅下降，水含量越低，烟囱口排出的烟羽越淡甚至在天气好的时候几乎无白色烟羽现象，也可以通过对降温后的净烟气予以适当提高温度后再排放，则白色烟羽现象将得以治理。\n[0026] (五)可利用净烟气中汲取的一部分热，对厂区的废水进行浓缩蒸发，从而有利于废水治理。\n[0027] (六)燃煤火力发电厂、燃煤热电厂、燃气电厂等燃煤或燃气锅炉的烟气热值巨大。\n3\n以一台600MW燃煤机组为例，排放烟气量大约200万Nm /h，排烟温度约50℃，湿法脱硫(目前国内电厂的主流脱硫工艺)的净烟气为饱和的湿烟气，即烟气冷却的同时伴随着烟气中气态水的相变过程，由气态水冷凝相变成液态，将释放巨大的热值，假设从50℃下降到40℃，理论上释放包括显热和相变潜热的总热值超过80MW；对于燃气机组，其排烟温度更高，大约接近80℃，其单位体积烟气内蕴藏的热值更大。热源变化缓慢且和社会用电高峰几乎同步，锅炉的负荷变化是预期性的有规律的变化，通常白天高夜间低，因此如果将脱硫净烟气的余热用于发电，也几乎和社会用电同步，白天锅炉高负荷余热也处于高峰段发电量高夜间锅炉低负荷余热也处于低峰段发电量低，因此该应用场景下的余热风力发电，非常迎合市场需要。年利用小时高，目前国内的锅炉平均利用小时在4200～8000小时，远远高于自然界中风能发电的平均利用小时数1000～2500小时；余热发电产生的电可以送往社会用电也可以就地使用，通常燃煤电厂的厂用电占比10％左右，如果就地使用风电，那么电厂就可以有更多的电输送到电网中。如果全国实施将脱硫后的尾气余热转化成风力发电，按照目前国家年消费煤炭30亿吨计算，在提供相同发电量下，年可节约煤炭至少1.5亿吨。\n[0028] (七)相对于自然界中的大陆风电或者海上风电，利用余热发电的单位千瓦投资成本(投资额/KW)低，且余热发电的年利用小时(小时/年)高，且项目周期短见效快，无论是陆上风电还是海上风电项目，施工周期都很长。\n[0029] (八)本发明不光可以应用在燃煤火力发电厂，还可以应用于燃煤热电厂、燃气发电厂、垃圾焚烧电厂、钢铁厂、铝厂、化工厂、造纸厂、玻璃厂、砖窑厂等等各个工业领域，只要具有多余的、基本稳定、数量可观的的低品位热源，均可以将这些热值转化成风力发电实现余热再利用。\n[0030] (九)本发明安全可靠。无重大生产安全隐患。\n[0031] 虽然本发明的风能塔的数量多、占地面积大，但是对于新建电厂或者场地空间充足的厂区，实施余热或者部分余热转成风力发电是完全可行的，或者通过钢结构架高，将风能塔安装在高空处也是可行的，或者在距离热源附近区域寻找合适的场地予以布置风能塔组，但此时循环水系统的热损失略有增加。\n[0032] 以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。\n附图说明\n[0033] 图1是本发明的一个较佳实施例中的气态热源工业余热发电系统原理示意图；\n[0034] 图2是本发明的一个较佳实施例中的风能塔构造示意图；\n[0035] 图3是本发明的另一个较佳实施例中的风能塔构造示意图；\n[0036] 图4是本发明的另一个较佳实施例中的气态热源工业余热发电系统原理示意图；\n[0037] 图5是可用于图4的实施例中的管式除雾器的示意图；\n[0038] 图6是可用于图4的实施例中的平板除雾器的示意图；\n[0039] 图7是可用于图4的实施例中的屋顶除雾器的示意图；\n[0040] 图8是可用于图4的实施例中的水平烟道除雾器的示意图；\n[0041] 图9是可用于图4的实施例中的除雾器的分离元件的示意图；\n[0042] 图10是可用于图4的实施例中的中空型冷凝除尘除雾器的示意图；\n[0043] 图11是可用于图10的中空型冷凝除尘除雾器的除尘除雾元件示意图；\n[0044] 图12是可用于图4的实施例中的收水器的示意图；\n[0045] 图13是可用于图12的实施例中的收水器的集水元件的示意图；\n[0046] 图14是本发明的另一个较佳实施例中的液态热源工业余热发电系统原理示意图；\n[0047] 图15是本发明的另一个较佳实施例中的液态工业余热发电系统原理示意图；\n具体实施方式\n[0048] 以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。\n[0049] 在如图1所述的实施例中，工业余热的载体为工业热风，如各种风冷的工业设备的冷却风。热风首先由下方进入根据本发明的工业余热发电系统的余热转换子系统100。余热转换子系统100包括换热塔10。热风进入换热塔10后，在上升过程中与设置在换热塔10内的余热换热器11发生热交换。余热换热器11连接至循环水子系统300。循环水子系统300中的冷水经循环水子系统300的冷水管道30，通过冷水入口进入余热换热器11。冷水在余热换热器11中通过与热风换热后升温得到的热水则通过热水出口，经热水管道31，进入循环水子系统300中。经过余热换热器11换热后的热风继续上升，最后通过换热塔10的出口流出。\n[0050] 接下来，进入循环水子系统300的热水流入风能塔子系统200。风能塔子系统200包括多个风能塔20。根据热水的流路，多个风能塔20之间可以互为串联和/或并联关系。热水在风能塔20内换热后又通过冷水管道30返回至冷凝换热器11，完成一次循环。\n[0051] 风能塔是实现将循环水的热值转换成风能的装置。图2示出了根据本发明的风能塔20的一个实施例。风能塔20的塔体21内自下而上竖直地设置有引风机22、风能换热器23、叶轮24和发电机25。风能换热器23上设置有热源入口和热源出口。在图1的实施例中，循环水子系统300热水经热水管道31的各支路通过热源入口进入风能换热器23换热后，自热源出口流出返回至冷水管道30。在风能塔20工作时，引风机22启动，将环境空气自下方引入，空气在风能换热器23中，通过和热水换热升温升压后，在风能塔的出口空气形成强风推动叶轮24旋转，叶轮24带动发电机25转子实现机械能转化为电能。\n[0052] 图3示出了根据本发明的风能塔20的另一个实施例。在本实施例中，风能塔20的塔体21出风口不同于图1中设置在竖直方向上，而是通过弯头设置在水平方向上，使得升温升压后的空气由塔体21的侧方流出。此时，叶轮24和发电机25也相应地设置塔体21的侧方。\n[0053] 在如图4所示的根据本发明的工业余热发电系统的实施例中，余热载体为工业烟气，例如来自燃煤火力发电厂所排放的烟气。发电厂烟气一般为饱和的湿烟气，烟气温度约\n50℃，气态水含量大约在12％左右。此时，烟气中一方面蕴藏着巨大的热值，且以水的潜热为主，所以通过循环冷却水对烟气予以降温，烟气中的水在冷凝过程中将析出其含有的巨大潜热；另一方面，烟气中还含有大量的污染物成分，如SO2、SO3、HCl,HF、NOx、氨、Hg等各类重金属、可溶性盐、细微粉尘等，需要在热能回收的同时对污染物予以脱除。因此本实施例中，在余热转换子系统100的换热塔10内还设置有喷淋脱硫装置、除尘除雾装置等环保装置。具体如图4所示，在本实施例中，换热塔10内自下而上设置有喷淋脱硫装置12、除雾器\n13、冷凝除尘器14和亚微米分离器15。其中，冷凝除尘器14的除尘功能是利用相变原理，气态水在冷凝转化成液态水时，会以净烟气中的污染物为凝结核，污染物被冷凝水包覆后会快速凝结长大，而颗粒越大越容易被拦截和分离。另外，气态水在凝结时还会释放大量潜热，因此连接至循环水子系统300的冷凝除尘器14还兼具通过循环水从烟气热源中取热的功能。循环水子系统300中的冷水经循环水子系统300的冷水管道30，通过冷水入口进入冷凝除尘器14。冷水在冷凝除尘器14中通过与烟气换热后升温得到的热水则通过热水出口，经热水管道31，进入循环水子系统300中。烟气在经过换热塔10喷淋脱硫、除尘除雾、换热后，排入烟囱16。烟气释放的余热则和上述实施例中相同，通过进入循环水子系统300的热水流入风能塔子系统200，用于发电。在本实施例中，除雾器13可以为如图5所示的管式除雾器131(其中(a)、(b)、(c)为各视图)、如图6所示的平板除雾器132、如图7所示的屋顶除雾器\n133或者如图8所示的水平烟道除雾器134中的一种或者多种除雾器装置，每一种除雾器可以为一级或者多级。除雾器的分离元件可以采用如图9所示的(a)、(b)、(c)、(d)形式之一或其组合。冷凝除尘器14可以为如图10中所示的中空型冷凝除尘除雾器，其中除尘除雾元件可以采用如图11所示的形式之一或其组合，如图中(a)、(b)、(c)、(d)、(e)和(f)所示，其截面可以为圆形、椭圆形、小波波纹型、大波波纹型、直板型以及其他合适的形状等等，相同的运行状态下，单位体积空气获得相同的热量需要克服的阻力低，优选为小波波纹状换热器，空气流动阻力小换热面大，空气和水的流动状态都有利于热交换。在除雾器、冷凝除尘器和亚微米分离器的上游或者下游位置设有集水和排水装置。其中，集水装置可以为如图12所示的收水器。收水器的集水元件可以采用如图13所示的形式。在本实施例中，换热塔10在脱除各类污染物的同时，净烟气温度下降，其中的气态水冷凝析出液态水，释放大量潜热用于余热回收。另外从净烟气中析出的冷凝水，经PH调和后即可用于工艺水，还起到水回收节水效果。当然，在实际应用中，本领域技术人员可以依据工况条件，采用各种不同环保装置的组合和系统构造，本发明对此无意做出限制，其各种变体都应属于本发明的范围之内。\n[0054] 在如图14所示的根据本发明的工业余热发电系统的实施例中，余热载体为工业热水，如各种水冷的工业设备的冷却水。此时，可直接将工业热水经过过滤后通过泵和管道系统引入风能塔子系统200中发电。也可如图15所示，将工业热水通过余热换热器如板式换热器将热源水和循环水(通常为去离子水)进行热交换，循环水吸收热后被输送到风能塔子系统200中发电。\n[0055] 风能塔在引风机的作用下，从底部吸入环境空气，随即空气与风能换热器中的循环水发生热交换，空气温度提升获得内能，在克服风能换热器的阻力下进一步往上流动，空气的温度不断得到提升，直到离开风能换热器。空气获得足够热值后，空气温度和压强上升从而内能增加。在风能塔的顶部，空气出口可以设有环形，空气出口的大小可以固定但优选为可以调节以调节风速。空气出口的导流板方向可以固定但优选为可以调节以调节风向，从而最大可能地将空气的内能转化为空气动能。\n[0056] 风能塔的主体的水平横截面优先采用圆形，也可以采用方形或者四角圆形或者多边形。沿着高度方向上，截面可以做渐变式变化，有利于塔内空气流场更适宜风力发电。\n[0057] 风能塔优先建设在地面上。如果地面有其他建筑物，空间布置有限，则可以布置在钢结构或者其他结构上，即高空布置。\n[0058] 外界环境空气流入风能塔通道口不宜过小，较大的入口通道有利于降低风能塔的自身阻力。通道口优先布置在整个风能塔的横截面的一周。如果风能塔为高空布置，则风能塔底可为空。\n[0059] 引风机的作用是将塔外的环境空气引入塔内，给环境空气一个初始动能。由于空气引风机的作用仅仅是将空气引入，而并不需要承担塔内空气上升流动的动力，因此优先选用低压头风机。根据风能塔的规格大小，所述空气引风机可以设计成一个，也可以设计多个。空气引风机优先安装在风机底部，也可以安装在风能塔上部，也可以安装在风能换热器的换热管之间，通常热交换器设计有多层换热管。\n[0060] 为防止异物或者鸟类动物误入风能塔，在空气入口或者在引风机的上游侧安装防护网。\n[0061] 风能塔内部换热器材料可采用金属材料，比如不锈钢、碳钢、铝、铜等。也可以采用非金属材料，优选导热系数高的石墨烯、高分子材料或氟塑料材料。风能换热器的换热元件的截面可以为圆形、水滴形、椭圆形、直线性、小波纹板型、大波纹板型等。在换热元件的表面还可以增加适量的翅片以提高换热效率。\n[0062] 通常一个热源单元需要一组风能塔来转化该单元的热值，一个厂区往往又有多个热源单元，因此多组风能塔可共同组成风力发电站。\n[0063] 可在风能换热器上方设置热空气出口整流罩，将塔内的空气在即将排放的时候调整到适合风力发电的流场，包括风力大小、方向和风力出口点的分布。大部分的空气从风能塔的外沿排放，驱动风机叶轮的扭矩就越大；设计的出口风速越大，则空气的动压能越高静压能越低，转化成风机叶轮的机械能的转化率越高；在相同风力下，需要将出口风力设计成尽可能相近模式，比如均为逆时针方向或者顺时针方向旋转；当热源符合变化时，为了保证能量转化效率处于较高状态，可以采取出口大小可以动态调节，将风能塔调整到有利于风力发电机的最高效的状态。\n[0064] 循环水子系统往返于冷却塔和风能塔之间。由输送泵、阀门、管道以及各种管道仪器仪表组成。为减少热量损失，循环水系统的管道优先采用良好保温措施。风能塔与吸收塔的距离，原则上在5KM范围之内比较合适，过长的距离，循环水系统的行程阻力和热损失，将有可能导致余热利用不经济。当然经过经济性分析或者其他原因，超过5KM也是可能的。\n[0065] 以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。