一项回收空中水资源的专利技术(2012-5-1).doc

一项回收空中水资源的专利技术 教授级高级工程师 李崇兴 二〇一二年三月 水利部教授级高级工程师李崇兴和中科院工程热物理所研究员陈宏冀于2008年研究成功一项节能技术---燃气锅炉烟气余热低温利用与空气源热泵联合供热技术。研究这项技术的初衷是解决空气源热泵北方冬季低温运行难题，同时又具有节能、降耗、减排经济效益和环境效益。然而特别值得水利部门关注的是这项技术还有很好的节水效益。目前，这项技术技术已申请发明专利并进入实质审查阶段。 2011年3月，北京机械工程学会组织鉴定委员会对这项技术进行了鉴定，到会专家一致认为，这项技术提出了空气源热泵冬季与天然气锅炉联合运行的创新性方案，获得了较高的性能系数，有效地利用了烟气余热的低品位热部分热量，有效降低了热水生产成本。该项技术路线清楚，理论可靠，设计合理，可以实现采暖季利用燃气锅炉烟气余热的高效节能供热。鉴定委员会认为，该技术实现了多种节能技术的综合运用，集成系统达到了国内领先水平。 为使这项科研成果尽快转化和推广，由李崇兴投资在北京朝阳区京城雅居小区建成示范工程并于今年3月份进行了试运行，获得了较好的节能、减排、节水等效果。北京市节能环保中心、朝阳区环保局分别就节能和环保效果进行了检测，北京水务局节水办和节水中心到现场察看了节水效果。 下面对这项技术节水效益作一简要分析： 烟气中的水从何而来 天然气的成分 天然气的成分中95-98%是甲烷（CH4）,含有大量的氢，在燃烧的过程中，碳生成一氧化碳和二氧化碳，氢和氧结合生成水，在锅炉燃烧室的高温环境下气化为水蒸气。根据计算，一立方米的天然气燃烧后生成1.55公斤的水。如果能够全部收回，2008年冬季取暖消耗的天然气就可以收回400万吨水，相当于一个小水库的水量。据了解，北京2009年消耗天然气60亿立方米，2010年接近70亿立方米，“十二五”末将达180亿立方米。 2、锅炉烟气排放和余热回收技术 为了维持锅炉的燃烧状态和防止锅炉炉体和烟道的腐蚀，锅炉运行规范规定燃气锅炉的排烟温度要高于120℃，把在燃烧过程中生成的水蒸汽在过热的状态下排到大气中去。因此，有20%左右的热能（含显热和潜热）被排出锅炉，同时也排出了CO2 和NOX等有害气体，污染了大气环境。现有的成熟技术采用气-水换热器回收烟气余热的同时可产生一部分冷凝水，但是排烟温度在60℃以上。只能回收少部分酸性冷凝水排放到下水道。 二、如何将烟气中的冷凝水回收利用 回收烟气中的冷凝水，最简单的办法就是降温，当烟气温度降到水蒸气的露点温度时，水蒸气就凝结成水并释放出气化潜热。本技术通过三个阶段将烟气的温度从120℃降到室外环境温度。可以把烟气中所含的热量全部回收，同时也将90%以上的冷凝水回收利用。 1、三段式降温回收冷凝水 第一阶段是将120℃的烟气通过气气换热器，降到100℃左右，本阶段可以收回少量冷凝水。产生的热空气供给空气源热泵的蒸发器。 第二阶段是将100℃的烟气通过汽水换热器降到60℃左右，循环加热水箱中的水。本阶段有大量的冷凝水回收。 第三阶段是把降到60℃以下的烟气与蒸发器冷却后的空气（24℃）混合降到30℃左右，供给空气源热泵的蒸发器。在蒸发器降温时，又有大量的冷凝水产生。 经过上述三个阶段降温冷凝，有90%以上的水从烟气中冷凝分离出来。 回收锅炉烟气冷凝水是开发利用空中的水资源 鉴于燃气锅炉烟气中含水量较大，如不排出锅炉烟筒，就会发生冷凝腐蚀，影响锅炉的安全和使用寿命。因此，现行锅炉规范要求排烟温度要高于120℃（蒸汽锅炉150℃）。本专利技术是把要排到到大气中的水蒸气回收利用，因此属于空中水资源的开发利用。因为回收冷凝水是本节能技术的副产品，而且水处理的成本也很低，所以这项开发利用的成本比建设蓄水、调水工程的成本要低得多，而且保证率高，可以号召全社会的参与。 本技术能最大限度的回收利用冷凝水 以一台4吨采暖热水锅炉为例，每天运行20小时，每小时消耗天然气300立方米，每天消耗6000立方米，其烟气中可回收8-9吨冷凝水。这些水经过处理后，可以代替锅炉的软化水，也可用于卫生用水和环境用水，可以减少对自来水的需求，节约水资源。对于缺水的北京有重要的意义。对于极度缺水的地区，进行深度处理后可以用于生产生活用水。 减少有害气体的排放 由于烟气降温的过程中大量的冷凝水的产生，烟气中的部分CO2和NOX等有害气体溶在冷凝水中而使其呈弱酸性，这就减少了锅炉向大气中排放的有害气体，起到减排的效果和环境效益，为在冬季进一步净化北京的空气作贡献。 燃气锅炉冷凝水回收利用的现状 重视热能回收，忽视水资源回收 目前锅炉烟气回收技术为两个阶段，一是烟气热能回收设备的推广使用，限于低温换热工质的热利用范围等因素一般将烟气降到60℃左右。二是冷凝式锅炉研制和推广，目前国内外都把冷凝锅