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冷岛节能锅炉
申请号	CN201611043219.5	申请日	2016-11-24	公开(公告)号	CN106382614A	公开(公告)日	2017-02-08
申请人	蒋钧;			发明人	蒋胜蓝; 蒋钧;
摘要	锅炉是一种重要的能源转换设备，目前，人类社会70％左右的能源需要通过锅炉转换。本发明提出了一种热效率大于100％的高效节能锅炉。本发明的锅炉，其烟囱所排放的不再是常规的热烟气，而是超出人们意料之外的、低于常温(环境温度 )的冷烟气，锅炉相对于周围环境而言是一个吸收热量的冷源，因此称之为冷岛锅炉。锅炉一方面通过锅炉本体吸收燃料燃烧(或电热、余热等其它热源)的高温热量并传递给锅炉工质( 蒸汽、水、空气、油等)，另一方面通过热泵吸收锅炉烟气或周围环境的低温热量并提升为高温热量后再传递给锅炉工质，使得锅炉热效率突破了100％的理论极限。
权利要求	1.一种高效节能的锅炉，通常包括锅炉本体、燃烧设备(电热、余热设备)、省煤器、空气预热器、热泵、风机、工质泵、压缩机、烟气净化器、烟囱等，其特征是：锅炉一方面通过锅炉本体吸收燃料燃烧(或电热、余热等其它热源)的热量并传递给锅炉工质，另一方面通过热泵吸收锅炉烟气、余热热源、周围环境的热量并传递给锅炉工质；可以不设置或不启动燃烧设备(电热、余热设备)，全部依靠热泵从余热热源、周围环境中吸收热量并传递给锅炉工质；热泵、压缩机、工质泵、风机等由电力(含低谷电)驱动或者由锅炉产生的蒸汽动力(汽轮机)驱动或者由燃料产生的燃烧动力(内燃机、燃气轮机)驱动，当需要增加锅炉工质的压力或温度时，启动压缩机或工质泵对工质进行增压以达到目的。 2.根据权利要求1所述的锅炉，其特征是：设置了排放冷空气的烟囱(风管)和风机。 3.根据权利要求1所述的锅炉，其特征是：既设置了排放冷空气的烟囱(风管)，又设置了排放冷烟气的烟囱，以实现冷空气和冷烟气的分别排放。 4.根据权利要求1所述的锅炉，其特征是：锅炉工质为串联流程，先后流经热泵、省煤器、锅炉本体等，可以不需要压缩机。 5.根据权利要求1所述的锅炉，其特征是：锅炉工质为并联流程，一部分锅炉工质流经热泵、压缩机(热水锅炉可以不需要压缩机)等，另一部分锅炉工质流经工质泵、省煤器等，最后在锅炉本体汇合。 6.根据权利要求1所述的锅炉，其特征是：将热泵产生的冷气或冷水用于空调或制冷。
说明书全文	冷岛节能锅炉一、技术领域 [0001] 本发明提出了一种热效率大于100％的高效节能锅炉。二、背景技术 [0002] 锅炉是一种重要的能源转换设备，目前，人类社会70％左右的能源需要通过锅炉转换。在锅炉技术中，热效率是衡量锅炉经济技术性能的重要指标，它是锅炉工质输出热量与锅炉输入燃料发热量的比值。传统锅炉理论中，锅炉热效率是不可能超过100％的，这是一个理论极限值，锅炉热效率η的理论计算公式为： [0003] η＝100％-q2-q3-q4-q5-q6 [0004] 公式中q2为锅炉排烟热损失，q3为化学不完全燃烧损失，q4为机械不完全燃烧损失，q5为散热损失，q6为排渣热损失，当q2、q3、q4、q5、q6均为零时，η＝100％。 [0005] 对于固体燃料锅炉来说，q2和q4是最大的两种损失，尤其在20吨以下的小型层燃锅炉中，机械不完全燃烧损失q4可达10％以上。对此问题，发明人提出了《火床燃烧设备》(专利号2010102387646)的发明专利，采用“交替抽插炉排”的新技术，使层燃锅炉的机械不完全燃烧损失q4损失降低到3％以下，并大幅减少了燃烧污染。 [0006] 为减少环境污染，加上石油价格暴跌，用燃油燃气锅炉替代10吨以下的小型燃煤锅炉成为一种趋势，燃油燃气锅炉的q3、q4、q6的损失在正常情况下基本为零，q5散热损失为2％以下，q2排烟热损失为6％-8％，这使得燃油燃气锅炉的热效率可大于90％，为了更高的热效率，目前锅炉节能技术研究主要是考虑如何降低排烟热损失q2。 [0007] 为了降低排烟热损失q2，人们通常采用降低锅炉排烟温度的技术手段。TSGG0002-2010《锅炉节能技术监督管理规程》明文规定：1吨以上的锅炉排烟温度不得高于170℃，目前最好的冷凝式锅炉在冬季的排烟温度可低至50℃。在TSGG0002-2010标准中，按燃料低位发热值计算，燃煤锅炉热效率的领先目标值是90％，燃油燃气锅炉热效率的领先目标值是 94％，许多锅炉厂对领先目标值的实现都感到困难。 [0008] 2015年12月，国家发改委和质检总局发布的《高效节能锅炉推广目录(第一批)》中，全国只有4家锅炉厂的燃煤锅炉热效率略微超过90％。 [0009] 目前，锅炉领域的技术人员普遍对锅炉热效率的提高感到悲观，认为锅炉热效率已经达到90％以上，而理论极限是100％，因此提高锅炉热效率的空间有限，意义不大。三、发明内容 [0010] 本发明所要解决的技术问题是：如何让锅炉热效率超越100％的理论极限？[0011] 发明人认为锅炉排烟热损失q2的理论极限值并不是零，而是可以为负数，当排烟温度低于常温(环境温度)时，q2将为负数，从而可实现锅炉热效率大于100％的突破。 [0012] 本发明的锅炉，锅炉烟囱所排放的不再是常规的热烟气，而是超出人们意料之外的、低于常温(环境温度)的冷烟气，锅炉相对于周围环境而言是一个吸收热量的冷源，因此称之为冷岛锅炉。由于q2为负数，因此η＝100％-q2-q3-q4-q5-q6＞100％。 [0013] 本发明采用热泵来降低锅炉排烟温度并使之低于常温，热泵从烟气中吸收低温热量并提升为高温热量后再传递给锅炉工质(蒸汽、水、空气、油等)。热泵除了吸收锅炉烟气的热量外，还可以吸收周围环境中的水或空气的热量，从而进一步提高锅炉的热效率。锅炉在夏季还可提供温度低于环境温度的水或空气，以替代空调或制冷。 [0014] 由于热泵技术的限制，目前市场上的热泵通常只能产生50-60℃的热水，即使最好的高温热泵，最高也只能产生100℃左右的蒸汽或热水，这基本上可以满足采暖热水锅炉的要求，但对工业蒸汽锅炉来说，通常需要150-250℃的蒸汽，若仅仅依靠热泵是不能达到要求的。发明人通过增加压缩机(螺杆式、涡轮式、活塞式)的方式来得到更高温度和压力的蒸汽，即在热泵产生100℃的蒸汽的基础上，再利用压缩机对蒸汽进行压缩，从而得到更高温度和压力的蒸汽。 [0015] 在等熵绝热状态下，饱和蒸汽被压缩后，可得到高压过热蒸汽。例如：绝对压力为0.1MPa、温度为100℃的饱和蒸汽，在等熵绝热状态下被压缩到绝对压力1.0MPa时，可得到 370℃的过热蒸汽。又例如：要得到绝对压力1.0MPa、温度180℃的饱和蒸汽，可首先在等熵绝热状态下，把温度为100℃的饱和蒸汽压缩到180℃，然后在等温放热状态下，保持温度不变继续压缩，直至蒸汽压力达到1.0MPa。 [0016] 本发明的锅炉，一方面通过锅炉本体吸收燃料燃烧的高温热量并传递给锅炉工质(蒸汽、水、空气、油等)，另一方面通过热泵吸收锅炉烟气或周围环境的低温热量并提升为高温热量后再传递给锅炉工质，使得锅炉热效率突破了100％的极限。当热泵产生的蒸汽压力低于锅炉本体的蒸汽压力时，可用压缩机对蒸汽进行增压后再输入锅炉本体。 [0017] 发明人的朋友认为热泵和压缩机需要电力驱动，虽然其可以使得烟气温度低于常温，使得锅炉热效率突破100％，并提高蒸汽压力和温度，但消耗的电力太多，在经济上是不合算的；另外，锅炉系统中增加了热泵和压缩机，将提高锅炉的造价。 [0018] 发明人对朋友的意见进行了反思，认为当电力价格便宜到一定程度后(例如低谷电)，在经济上就是合算的；另外，如果采用锅炉自身产生的蒸汽动力或燃烧动力(采用汽轮机、内燃机、燃气轮机等)驱动热泵、压缩机、水泵等运行，则可节约电力，降低锅炉的运行成本；热泵和压缩机虽然增加了锅炉的制造成本，但提高了锅炉热效率，大幅降低了锅炉的运行成本，因此，锅炉总成本还是降低了。 [0019] 本发明的技术方案是：一种高效节能的冷岛锅炉，包括锅炉本体、燃烧设备(电热、余热设备)、省煤器、空气预热器、热泵、风机、工质泵、压缩机、烟气净化器、烟囱等，其特征是：锅炉一方面通过锅炉本体吸收燃料燃烧(或电热、余热等其它热源)的高温热量并传递给锅炉工质，另一方面通过热泵吸收锅炉烟气、余热热源、周围环境的低温热量并提升为高温热量后再传递给锅炉工质；锅炉可以不设置或不启动燃烧设备(电热、余热设备)，全部依靠热泵从余热热源、周围环境中吸收热量并传递给锅炉工质；热泵、压缩机、工质泵、风机由电力(含低谷电)驱动或者由锅炉产生的蒸汽动力(汽轮机)驱动或者由燃料产生的燃烧动力(内燃机、燃气轮机)驱动，当需要增加锅炉工质的压力或温度时，启动压缩机或工质泵对工质进行增压以达到目的。 [0020] 人们不禁要问：难道电热锅炉也要配置烟囱？这正是冷岛锅炉的独特之处，因为锅炉热泵会吸收周围空气的热量并产生大量的冷空气，这些冷空气若积聚在锅炉周围，将使得锅炉周围的环境温度越来越低，从而降低热泵的制热效率；另外，这些冷空气在夏季虽然可以作为空调冷气利用，但在其他季节尤其是冬季，则成为降低环境温度、甚至是雪上加霜的有害物，因此，冷岛锅炉需要烟囱(风管)排放冷空气。锅炉可以既设置排放冷空气的烟囱(风管)，又设置排放冷烟气的烟囱，以实现冷空气和冷烟气的分别排放。当然，若热泵只从周围环境的液体或固体中吸收热量，则不存在冷空气需要排放。 [0021] 采用蒸汽动力驱动热泵时，锅炉本体产生高温高压蒸汽，蒸汽进入汽轮机，汽轮机再驱动热泵运转，离开汽轮机的蒸汽压力降低到额定压力，并作为锅炉蒸汽对外供汽。 [0022] 采用燃烧动力驱动热泵时，燃料先进入内燃机(燃气轮机)燃烧，内燃机再驱动热泵运转，离开内燃机的高温烟气再进入锅炉本体与锅炉工质进行换热。 [0023] 本发明的锅炉，锅炉工质在热泵和锅炉本体中的流程可以是串联的，也可以是并联的。在串联流程中，锅炉工质先后流经热泵、省煤器、锅炉本体，不需要压缩机。在并联流程中，一部分锅炉工质流经热泵，另一部分锅炉工质流经省煤器，最后在锅炉本体内汇合。对于热水锅炉，采用串联流程更好些；对于蒸汽锅炉，串联并联各有利弊。 [0024] 冷岛锅炉在设计中应采用较大的过量空气系数，由于其排烟温度低于常温，过量空气系数越大，锅炉从空气中吸收的热量就越多，这与常规锅炉设计正好相反。 [0025] 如果环境温度较高或电价便宜时，也可以不设置或不启动燃烧设备或电热设备，全部依靠电力驱动热泵从余热热源、周围环境中吸收低温热量并提升为高温热量后传递给锅炉工质，再依靠压缩机产生更高压力和温度的工质，这样锅炉热效率会更高。 [0026] 冷凝式锅炉也宣称其热效率超过了100％，但这是按燃料的低位发热值计算的热效率，若按燃料的高位发热值计算，其热效率还是低于100％；本发明的锅炉，即使按燃料的高位发热值计算，热效率也超过了100％，若按燃料的低位发热值计算，热效率更高。 [0027] 冷岛锅炉的排烟温度低于常温(环境温度)，突破了锅炉设计的理论极限，大幅度提高了锅炉的热效率，并可在夏季提供空调或制冷冷气，其节能效果非常显著。 [0028] 冷岛锅炉的排烟温度低于常温(环境温度)，其烟气冷凝水有利于烟气的净化，可大幅度减少湿法烟气处理的水分蒸发，提高锅炉烟气的除尘、脱硫、脱硝效率。四、附图说明 [0029] 图1为串联流程冷岛锅炉结构图； [0030] 图2为并联流程冷岛锅炉结构图； [0031] 图中：1、锅炉本体；2、省煤器；3、空气预热器；4、热泵；5、烟气净化器；6、烟囱；7、风机；8、工质泵；9、燃烧设备(电热、余热设备)；10、压缩机。五、具体实施方式 [0032] 实施例一：串联流程冷岛燃煤蒸汽锅炉 [0033] 例如1台1吨的燃煤蒸汽锅炉，给水温度20℃，锅炉额定蒸汽压力1.0MPa，蒸汽温度184℃，环境温度20℃，燃料热值3998大卡/kg。 [0034] 不启动热泵的情况下，锅炉进口水温20℃、出口蒸汽温度184℃，排烟温度106℃，锅炉每小时消耗燃煤186千克，热效率85.6％。 [0035] 采用电力驱动热泵时，热泵电耗25KW。水首先进入热泵，由20℃加热到100℃，水再进入省煤器，由100℃加热到146℃，最后水进入锅炉本体。省煤器排烟温度131℃，热泵再将省煤器排出的烟气由131℃冷却降低到10℃；同时，热泵每小时将13600标准立方米空气的温度由20℃冷却降低到10℃。锅炉每小时消耗燃煤157千克，锅炉热效率由85.6％提高到101.2％。 [0036] 采用蒸汽驱动热泵时，锅炉本体产生2.5MPa的饱和蒸汽，蒸汽进入汽轮机，汽轮机再驱动热泵运转，离开汽轮机的蒸汽压力降低到1.0MPa，并作为锅炉蒸汽对外供汽。水首先进入热泵，由20℃加热到120℃，水再进入省煤器，由120℃加热到171℃，最后水进入锅炉本体。省煤器排烟温度147℃，热泵再将省煤器排出的烟气由147℃冷却降低到10℃；同时，热泵每小时将16600标准立方米空气的温度由20℃冷却降低到10℃。锅炉每小时消耗燃煤155千克，锅炉热效率由85.6％提高到102.4％。 [0037] 实施例二：并联流程冷岛燃气热水锅炉 [0038] 例如1台0.7MW的天然气热水锅炉，锅炉出水温度115℃，回水温度70℃，额定热水3 流量13.3t/h，环境温度10℃，天然气燃料热值8500大卡/Nm。 [0039] 不启动热泵的情况下，锅炉回水温度70℃、出水温度115℃，锅炉排烟温度107℃，锅炉每小时消耗天然气77.2标准立方米，锅炉热效率92.6％。 [0040] 采用电力驱动热泵时，热泵电耗25KW，一部分回水由热泵加热，温度由70℃提高到115℃；另一部分锅炉回水由省煤器和锅炉本体加热，温度由70℃提高到115℃。锅炉排烟温度108℃，热泵再将锅炉烟气由108℃冷却降低到0℃，并每小时得到101千克的冷凝水。锅炉每小时消耗天然气64.05标准立方米，锅炉热效率由92.6％提高到111.6％。 [0041] 采用内燃机驱动热泵时，天然气进入内燃机燃烧，内燃机再驱动热泵运转，离开内燃机的高温烟气再进入锅炉本体与水进行换热。一部分锅炉回水由热泵加热，温度由70℃提高到115℃；另一部分锅炉回水由省煤器和锅炉本体加热，温度由70℃提高到115℃。锅炉排烟温度108℃，热泵再将锅炉烟气由108℃冷却降低到0℃，并每小时得到86千克的冷凝水；同时，热泵每小时将27700标准立方米空气的温度由10℃冷却降低到0℃。锅炉每小时消耗天然气55.15标准立方米，锅炉热效率由92.6％提高到129.6％。 [0042] 实施例三：串联流程冷岛电热蒸汽锅炉 [0043] 例如1台1吨的电热式蒸汽锅炉，锅炉蒸汽压力1.0MPa、温度184℃，给水和环境温度均为20℃，电力热值860大卡/度，烟囱直径0.8米，高20米。 [0044] 不启动热泵的情况下，锅炉本体进口水温20℃，锅炉本体出口蒸汽压力1.0MPa、温度184℃，锅炉每小时消耗电力714度，热效率98％。 [0045] 采用电力驱动热泵时，热泵电耗25KW。水首先进入热泵，由20℃加热到100℃后再进入锅炉本体，锅炉本体进口水温100℃，锅炉本体出口蒸汽压力1.0MPa、温度184℃。同时，热泵每小时将27200标准立方米空气的温度由20℃冷却降低到10℃并由烟囱排出。锅炉每小时消耗电力622度，锅炉热效率由98％提高到112.6％。 [0046] 实施例四：并联流程冷岛电热蒸汽锅炉 [0047] 例如1台1吨的电热式蒸汽锅炉，锅炉蒸汽压力1.0MPa、温度184℃，给水和环境温度均为20℃，电力热值860大卡/度，烟囱直径1米，高20米。 [0048] 不启动热泵的情况下，锅炉本体进口水温20℃，锅炉本体出口蒸汽压力1.0MPa、温度184℃，锅炉每小时消耗电力714度，热效率98％。 [0049] 采用电力驱动热泵时，热泵电耗50KW，压缩机电耗26KW。一部分水(约280kg/h)进入热泵，加热变成100℃的常压饱和蒸汽；另一部分水经水泵增压进入锅炉本体，加热变成为压力1.0MPa、温度184℃的蒸汽。热泵产生的100℃常压蒸汽通过压缩机，压力增加到1.0MPa后输入锅炉本体，与锅炉本体内的蒸汽汇合。同时，热泵每小时将54400标准立方米空气的温度由20℃冷却降低到10℃并由烟囱排出。锅炉每小时共消耗电力590度，锅炉热效率由98％提高到118.6％。 [0050] 在夏季环境温度高达30℃以上时，或者电价便宜时，可以不启动电热设备，全部依靠电力驱动热泵和压缩机来产生蒸汽，这样锅炉热效率会更高。这时，通过电力驱动热泵和压缩机，热泵电耗175KW，压缩机电耗90KW，每小时将1000千克水由20℃提高到100℃并变成常压蒸汽，压缩机再把100℃的常压蒸汽压缩成压力1.0MPa、温度184℃的蒸汽；同时，热泵每小时将194300标准立方米空气的温度由30℃冷却降低到20℃，并作为空调或制冷冷气输出。锅炉每小时消耗电力285度，锅炉热效率245.6％。 [0051] 总之，本发明的锅炉，通过热泵使得锅炉热效率突破了100％的理论极限；通过压缩机提高了锅炉工质的温度和压力；通过低谷电力、蒸汽动力、燃烧动力带动锅炉运行以降低锅炉的运行成本，取得了意想不到、显著的技术效果。 [0052] 以上对本发明所提供的冷岛锅炉进行了详细的说明，对锅炉领域的技术人员而言，在不背离本发明实质精神的前提下，对它所做的任何显而易见的改动，都将属于本发明专利权的保护范围。

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