CN104344414A - 废热回收装置以及废热回收方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种废热回收装置以及废热回收方法，废热回收装置包括从废气排气管道的上游至下游依序配置第一热交换器、重组器以及重组进料预热器，其中上游的废气温度高于下游的废气温度。在一实施例中，重组器可为重组产氢器，将产出的氢气直接送至燃烧设备使用。依此方式，可有效使用废热以及解决燃烧设备的内部积碳问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种废热回收装置以及废热回收方法。
背景技术
各类型蒸汽锅炉与燃烧器等燃烧设备多有大量的废热排放，且通常无法100%将燃料用尽，因此排放气中多带有可燃成分，尤其碳链较长如重油、柴油等燃料，不仅无法完全燃烧，且同时会有严重的积碳、恶臭污染物排放等问题，不仅减损设备的寿命与效能，亦会造成环境污染。
即使进行定时保养，性能仍会逐渐衰退而导致能源损耗提升。根据国内锅炉厂所提供的信息，锅炉在其生命周期内所耗的能源费用，高达总投入费用（设备购买、能源、保养等）的99%以上，远高于设备采购成本，显示降低能源的使用是锅炉相关技术最重要的成本管制要项。
因此，如何有效地利用锅炉的废热、减少锅炉的积碳结垢、进而提升能源效率并降低成本等议题，已得到锅炉业者的高度关注。
发明内容
本发明的目的在于提供一种废热回收装置及废热回收方法，使其可有效利用废热，并同时解决因老化、积碳与结垢造成锅炉效率递减的问题。
为实现上述目的，本发明提供一种废热回收装置，其包括从废气排气管道的上游至下游依序配置第一热交换器、重组器以及重组进料预热器，其中上游的废气温度高于下游的废气温度。
在本发明的一实施例中，上述废气排气管道的上游的废气温度为约200℃至约400℃，且其下游的废气温度为约100℃至小于约200℃。
在本发明的一实施例中，上述重组器装设有温度控制器，使重组器的内部温度控制在约200℃～350℃。
在本发明的一实施例中，上述重组器中包含触媒床和热平衡管道。
在本发明的一实施例中，上述重组进料预热器与重组器为两个独立的构件。
在本发明的一实施例中，上述重组进料预热器整并于重组器中。
在本发明的一实施例中，上述重组器为化石原料重组产氢器。
在本发明的一实施例中，所述化石原料重组产氢器所使用的重组进料包括C1～C5碳氢化合物。
在本发明的一实施例中，上述重组器所使用的重组进料包括C1～C5碳氢化合物。
在本发明的一实施例中，上述第一热交换器的降温流体包括水、空气、燃料进料或其组合。
在本发明的一实施例中，上述废热回收装置还包括第二热交换器，其配置在重组进料预热器的下游。
在本发明的一实施例中，上述第二热交换器的降温流体包括水、空气、燃料进料或其组合。
在本发明的一实施例中，上述废气排气管道连接至燃烧设备，且燃烧设备包括锅炉。
本发明另提供一种废热回收方法，包括：提供由燃烧设备所产生的燃烧废气；以及使燃烧废气依序通过第一热交换器、重组器及重组进料预热器，其中第一热交换器的取热温度高于重组器的取热温度，且重组器的取热温度高于重组进料预热器的取热温度。
在本发明的一实施例中，上述重组进料经过重组进料预热器加热后，先进入重组器中的热平衡管道再进入重组器中的触媒床。
在本发明的一实施例中，上述重组器为化石原料重组产氢器。
在本发明的一实施例中，使上述重组产氢器所产生的含氢气体通入燃烧设备。
在本发明的一实施例中，于燃烧废气通过重组进料预热器之后，上述方法还包括使燃烧废气通过第二热交换器，且重组进料预热器的取热温度高于第二热交换器的取热温度。
在本发明的一实施例中，上述第二热交换器的降温流体包括水、空气、燃料进料或其组合。
在本发明的一实施例中，上述第一热交换器的降温流体包括水、空气、燃料进料或其组合。
在本发明的一实施例中，上述重组器所使用的重组进料包括C1～C5碳氢化合物。
在本发明的一实施例中，上述燃烧设备包括锅炉。
本发明再提供一种废热回收装置，其包括依序配置的第一热交换器、重组器以及重组进料预热器，其中废气排气管道连接燃烧设备，第一热交换器以及重组器配置于燃烧设备中，且重组进料预热器配置在废气排气管道中。
在本发明的一实施例中，上述重组器装设有温度控制器，使重组器的内部温度控制在400℃～800℃。
在本发明的一实施例中，上述重组器中包含触媒床和热平衡管道。
在本发明的一实施例中，上述重组器为化石原料重组产氢器。
在本发明的一实施例中，上述化石原料重组产氢器所使用的重组进料包括C1～C5碳氢化合物。
在本发明的一实施例中，上述第一热交换器的降温流体包括水、空气、燃料进料或其组合。
在本发明的一实施例中，上述废热回收装置还包括第二热交换器，配置在重组进料预热器的下游。
在本发明的一实施例中，上述第二热交换器的降温流体包括水、空气、燃料进料或其组合。
在本发明的一实施例中，上述燃烧设备包括锅炉。
基于上述，在本发明的废热回收设备及方法中，使用工作流体，包括水、空气、燃料进料或其组合等作为重组器温度的控制手段，且取热顺序设定为第一热交换器、重组器、重组进料预热器以及第二热交换器。依此方式，依废热温度由高至低的温度梯度依序取热，可取得最佳热能应用。
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
附图说明
图1A为根据本发明一实施例的废热回收装置的方块示意图。
图1B为根据本发明另一实施例的废热回收装置的方块示意图。
图1C为根据本发明又一实施例的废热回收装置的方块示意图。
图2为根据本发明一实施例的废热回收方法的方块示意图。
其中，附图标记：
100、200、300：废热回收装置
102、302：第一热交换器
104、204、304：重组器
104a、205：触媒床
104b：热平衡管道
105：温度控制器
106、206：重组进料预热器
108：第二热交换器
110：燃烧设备
112：废气排气管道
112a：上游
112b：下游
114：烟气流向
116：水泵
118a、118b、120a、120b、126a、126b、128、132a、132b、136a、136b：管道
117：电磁阀
124：重组原料进料器
130：燃料进料器
134：空气供应器
138：鼓风机
S100～S110：步骤
具体实施方式
图1A为根据本发明一实施例的废热回收装置的方块示意图。请参照图1A，本发明的废热回收装置100包括从废气排气管道112的上游112a至下游112b依序配置第一热交换器102、重组器104、重组进料预热器106以及第二热交换器108。废气排气管道112的上游112a可视为接收高温废气（或称烟道气）的入口，而其下游112b可视为管道末端的出口。此外，第一热交换器102、重组器104、重组进料预热器106以及第二热交换器108在废气排气管道112内部的摆放，并不影响高温废气的流动。上游112a的废气温度高于下游112b的废气温度。在一实施例中，上游112a的废气温度为约200℃至约400℃，且下游112b的废气温度为约100℃至小于约200℃。
废气排气管道112连接至燃烧设备110。燃烧设备110包括锅炉，例如是直立式锅炉或者卧式锅炉。烟气流向114表示燃烧设备110的燃烧废气的流动方向。具体言之，燃烧废气从废气排气管道112的上游112a流至下游112b，并依序通过第一热交换器102、重组器104、重组进料预热器106以及第二热交换器108。
本发明的重组器104例如为重组产氢器。重组器104的目的是利用废热做为加热源，将化石原料转化产生含氢气体，再将产出的含氢气体送至燃烧设备110与原使用的燃料进料混合燃烧，可达成更好的燃烧效率，进而减少燃料用量、积碳量与有害物排放量等。在一实施例中，重组器104具有流体的入口与出口（未绘示），并包含填充有金属或非金属触媒的触媒床104a，可将重组原料和水的混合物转换成氢气。所产出的氢气经管道128、132b连接至燃烧设备110。亦即，管道128传输自重组器104所产出的氢气，管道132b传输经第二热交换器108热交换后的燃料进料，两者混合后送至燃烧设备110。
在一实施例中，重组器104中可还包括热平衡管道104b。重组进料先进入重组器104的热平衡管道104b与重组器作热平衡后再进入触媒床104a反应。特别要说明的是，相较于重组器104的触媒床104a，重组器104的热平衡管道104b更靠近废气排气管道112的上游112a，如此可取得更多的热能使重组进料充分预热。
特别要说明的是，本发明的重组器104为可温控产氢装置，其利用其所连接的各式燃烧设备110所产生的燃烧废气作为产氢所需的加热源。此外，重组器104装设有温度控制器105，以监控重组器104的内部温度并输出信号至电磁阀117。温度控制器105可装设在重组器104的内部或外部。
第一热交换器102的目的是为了使燃烧废气的温度降低至重组器104的工作温度范围。第一热交换器102为一种利用流体将燃烧废气降温的装置。此降温流体可包括燃烧设备110所使用的任何工作流体，例如是水、空气、燃料进料或其组合。在一实施例中，第一热交换器102的降温流体例如是水。第一热交换器102经管道118a连接至水泵116，且经管道118b、120b连接至燃烧设备110。水经第一热交换器102热交换后可被加热至一定程度，再将此加热后的水通入燃烧设备110。当燃烧设备110例如是热水或蒸汽锅炉时，因进料水已先被预热，即可减少燃烧设备110对水的加热能源输入量，故能使燃烧设备110的能源效率提升。
具体言之，第一热交换器102借由重组器104的温度控制器105的信号，控制连接第一热交换器102与流体源（例如水泵116）之间的电磁阀117开关。举例来说，重组器104的工作温度范围例如是200℃～350℃。当重组器104温度接近操作上限（例如350℃）时，温度控制器105将传递信号至水泵分支管路（by-pass）的电磁阀117，使部份的水供料至废气排气管道112的上游端的第一热交换器102，使燃烧废气降温，以使重组器104的温升趋缓。此步骤进行到当重组器104的温度下降到设定的温度下限（例如200℃）之前，即关闭分支的电磁阀117，或借由电磁阀117开关来调控分支管路里的水流量，使得燃烧废气的温度上升或受到控制，让重组器104可维持在工作温度范围内。
重组进料预热器106为一种利用燃烧设备110所产生的燃烧废气，加热重组器104所需的重组原料的热交换装置。重组进料预热器106经管道126a连接至重组原料进料器124，且经管道126b连接至重组器104。重组原料包括短碳链碳氢化合物，例如C1～C5碳氢化合物。在一实施例中，重组原料包括天然气、液化石油气（Liquefied Petroleum Gas；简称LPG）、甲醇、乙醇或二甲醚等气态或液态化石原料。经重组进料预热器106预热后的重组原料通入重组器104进行重组反应。在一实施例中，重组进料经过重组进料预热器106加热后，先进入重组器104内部的热平衡管道104b而与重组器104进行热平衡，使重组进料和重组器之间的温度差异减少后，再进入重组器104中的触媒床104a进行重组反应。
在燃烧设备110启动，开始排放烟废气后一段时间，使重组器104达到设定的工作温度后，开始进料至本产氢装置。以重组进料为甲醇水溶液时为例，可设定在重组器104到达180℃～200℃之间即开始进料。
更具体言之，虽然甲醇重组的反应温度范围例如为250℃～350℃，但于180℃～200℃之间就可进料至重组器104，其原因说明如下。以甲醇为例，若欲使重组产氢转化率达高转化率如80%以上，工作温度通常应在250℃以上。但对氢气助燃而言，并不需要待转化率很高（或是氢气浓度够高）时才能进行，氢气浓度不高时仍可助燃，而且整体燃烧效率仍比没有氢气助燃的原本方式为佳，只是氢气比例低时，效益较低。因此，于180℃～200℃开始进料至重组器104的原因，主要是使燃烧器可尽早接收到氢气，以缩短纯粹原燃料燃烧的时间而尽早取得助燃效果。另一理由是，进料预热升温速度会较重组器快（因重组器升温是需整个腔体和触媒床皆同时升温），因此当重组器104到180℃～200℃时，搭配加热到例如300℃的进料，其化学反应温度也许相当于触媒床在250℃时的条件，如此便不需待重组器升到工作温度如250℃时才开始进料。
第二热交换器108配置在重组进料预热器106的下游，其中热交换器108也可以省略，视实际使用者的需求而定。第二热交换器108的降温流体包括水、空气、燃料进料或其组合。具体言之，第二热交换器108经管道120a与水泵116连接，且经管道120b与燃烧设备110连接。第二热交换器108经管道132a与燃料进料器130连接，且经管道132b与燃烧设备110连接。此外，第二热交换器108经管道136a与空气供应器134连接，且经管道136b与燃烧设备110连接，其中鼓风机138设立于管道136b上。
本发明的废热回收装置100在燃烧废气流经重组器104后的下游端，包括重组进料预热器106以及第二热交换器108，旨在充分回收流经重组器104之后的烟道气废热，进而提升***的整体能源效率。具体言之，燃烧废气在重组进料预热器106处与重组进料进行热交换而加热重组进料，而在第二热交换器108处与燃烧设备110所用的空气、燃料进料以及水进行热交换而加热空气、燃料进料以及水。因此，烟道气废热可以充分被回收，达到节省能源的目的。
在一实施例中，废热回收装置100的重组进料预热器106与重组器104为两个独立的构件，如图1A所示。在另一实施例中，废热回收装置200的重组进料预热器206也可以整并于重组器204中，如图1B所示。此时，经重组进料预热器206预热后的重组进料经管道126b进入重组器204的触媒床205反应。
此外，当燃烧设备110为直立式锅炉、烟气排放温度较高时，废热回收装置100、200可为独立于燃烧设备110的装置，如图1A、1B所示。在另一实施例中，当燃烧设备110为卧式锅炉、烟气排放温度较低时，废热回收装置300可部分整并于燃烧设备110中。具体言之，当烟气排气管道112的烟气温度不够高时，可将第一热交换器302及重组器304配置在燃烧设备110中以取得足够热能，并将重组进料预热器106、第二热交换器依序配置于废气排气管道112上，如图1C所示。
更具体言之，请参考图1C，废热回收装置包括依序配置的第一热交换器302、重组器304以及重组进料预热器106，其中废气排气管道112连接燃烧设备110，第一热交换器302以及重组器304配置于燃烧设备110中，且重组进料预热器106配置在废气排气管道112中。
重组器304装设有温度控制器105，使重组器304的内部温度控制在400℃～800℃。此外，重组器304可包含触媒床和热平衡管道（未绘示）。重组器304为化石原料重组产氢器，其所使用的重组进料包括C1～C5碳氢化合物。特别要说明的是，由于重组器304配置于燃烧设备110（例如卧式锅炉）中，因此可取得更多的热能。此温度设定适用于反应温度较高的天然气或液化石油气等进行重组反应。
此外，图1C的废热回收装置可还包括第二热交换器108，配置在重组进料预热器106的下游。第一热交换器302与第二热交换器108的降温流体包括水、空气、燃料进料或其组合。
在上述实施例中，图1A、1B的废热回收装置应用于直立式锅炉，图1C的废热回收装置应用于卧式锅炉，但仅仅用来说明，并不用以限定本发明。换言之，视实际需求，图1A、1B的废热回收装置也可应用于卧式锅炉，图1C的废热回收装置也可应用于直立式锅炉。
图2为根据本发明一实施例的废热回收方法的方块示意图。请同时参照图1A及图2，首先，进行步骤S100，提供由燃烧设备110所产生的燃烧废气。然后，依序进行步骤S102～S106，使燃烧废气依序通过第一热交换器102、重组器104及重组进料预热器106。第一热交换器102、第二热交换器108的降温流体包括水、空气、燃料进料或其组合。第一热交换器102的取热温度高于重组器104的取热温度，且重组器104的取热温度高于重组进料预热器106的取热温度。取热温度定义为燃烧废气进入设定装置的入口温度。具体言之，第一热交换器102的取热温度为燃烧废气进入第一热交换器102的入口温度，重组器104的取热温度为燃烧废气进入重组器104的入口温度，且重组进料预热器106的取热温度为燃烧废气进入重组进料预热器106的入口温度。重组器104的重组进料包括C1～C5碳氢化合物。在一实施例中，当重组器104的重组进料为甲醇水溶液时，第一热交换器102的取热温度例如是300℃～400℃，重组器104的取热温度例如是250℃～350℃，且重组进料预热器106的取热温度例如是200℃～300℃。
在一实施例中，重组进料经过重组进料预热器106加热后，先进入重组器104内部的热平衡管道104b而与重组器104进行热平衡，使重组进料和重组器104之间的温度差异减少后，再进入重组器104的触媒床104a进行重组反应。此外，可使重组器104所产生的含氢气体通入燃烧设备110。
之后，进行步骤S108，使燃烧废气通过第二热交换器108，以工作流体回收燃烧废气的残余热能。重组进料预热器106的取热温度高于第二热交换器108的取热温度。第二热交换器108的取热温度例如是150℃～250℃。
然后，进行步骤S110，排出燃烧废气。本发明的方法可使所有工作流体做为降温流体，并利用设置重组产氢器的方式，将废热回收转换成碳氢化合物重组产氢的所需能量，再以所产生的氢气与原燃料混合燃烧，达成更好的燃烧效率，进而减少燃料用量、积碳量与有害物排放量等。
综上所述，本发明的特有功效为：
(1)能回收锅炉或燃烧装置的烟气废热，使其作为化石原料重组装置的加热源，因此不需要额外提供热源予重组装置，可达到废热再利用之效。并借由所产生之氢气与原燃料混合燃烧，又可进一步提升燃烧效率，因此整体能源利用效能将优于未加装本发明的设备。
(2)当重组器的温度因为烟气温度高而被加热至接近操作上限时，可利用重组***的温度监测，回馈控制锅炉或燃烧装置欲加热的进料(例如水)流向。先使被处理的进料进入烟气的上游端热交换器，借以和烟气热交换而降低烟气温度，使烟气后续加热重组器的温度可被控制在重组器最适当的范围内，确保重组触媒的寿命。而除了借由控制被加热进料的手法外，此回馈信号也可增加重组化石原料的进料量，使其吸收更多的烟道废热。加大重组原料而产生较多的氢气，也不妨碍锅炉或燃烧器的燃烧，仍可让锅炉或燃烧器正常运作，甚至有更好的燃烧效率。
(3)本发明在使用过程中，除了原***停机之外，即便例如锅炉已达到工作温度或蒸汽压力而关闭原燃料的进料，本产氢***仍可持续产氢而持续供给燃烧器燃烧，因此可以持续保持点火状态。然而因为仅燃烧氢气的热量并不足以提供原锅炉或燃烧装置所需的总热量，因此设备内的温度仍会缓慢降低，至设定的温度底线时再重新提供燃烧燃料。如此一来，本***会因保有持续的燃烧状态，使得***内的工作温度变动量缩小，有利于输出的稳定性。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。
Claims (30)
1.一种废热回收装置，其特征在于，包括：
从废气排气管道的上游至下游依序配置第一热交换器、重组器以及重组进料预热器，其中所述上游的废气温度高于所述下游的废气温度。
2.根据权利要求1所述的废热回收装置，其特征在于，所述废气排气管道的所述上游的废气温度为200℃至400℃，且所述废气排气管道的所述下游的废气温度为100℃至小于200℃。
3.根据权利要求1所述的废热回收装置，其特征在于，所述重组器装设有温度控制器，使所述重组器的内部温度控制在200℃～350℃。
4.根据权利要求1所述的废热回收装置，其特征在于，所述重组器中包含触媒床和热平衡管道。
5.根据权利要求1所述的废热回收装置，其特征在于，所述重组进料预热器与所述重组器为两个独立的构件。
6.根据权利要求1所述的废热回收装置，其特征在于，所述重组进料预热器整并于所述重组器中。
7.根据权利要求1所述的废热回收装置，其特征在于，所述重组器为化石原料重组产氢器。
8.根据权利要求7所述的废热回收装置，其特征在于，所述化石原料重组产氢器所使用的重组进料包括C1～C5碳氢化合物。
9.根据权利要求1所述的废热回收装置，其特征在于，所述第一热交换器的降温流体包括水、空气、燃料进料或其组合。
10.根据权利要求1所述的废热回收装置，其特征在于，还包括第二热交换器，配置在所述重组进料预热器的下游。
11.根据权利要求10所述的废热回收装置，其特征在于，所述第二热交换器的降温流体包括水、空气、燃料进料或其组合。
12.根据权利要求1所述的废热回收装置，其特征在于，所述废气排气管道连接至燃烧设备，且所述燃烧设备包括锅炉。
13.一种废热回收方法，其特征在于，包括：
提供由燃烧设备所产生的燃烧废气；以及
使所述燃烧废气依序通过第一热交换器、重组器及重组进料预热器，其中所述第一热交换器的取热温度高于所述重组器的取热温度，且所述重组器的取热温度高于所述重组进料预热器的取热温度。
14.根据权利要求13所述的废热回收方法，其特征在于，重组进料经过所述重组进料预热器加热后，先进入所述重组器中的热平衡管道再进入所述重组器中的触媒床。
15.根据权利要求13所述的废热回收方法，其特征在于，所述重组器为化石原料重组产氢器。
16.根据权利要求15所述的废热回收方法，其特征在于，使所述化石原料重组产氢器所产生的含氢气体通入所述燃烧设备。
17.根据权利要求13所述的废热回收方法，其特征在于，于所述燃烧废气通过所述重组进料预热器之后，还包括使所述燃烧废气通过第二热交换器，且所述重组进料预热器的取热温度高于所述第二热交换器的取热温度。
18.根据权利要求17所述的废热回收方法，其特征在于，所述第二热交换器的降温流体包括水、空气、燃料进料或其组合。
19.根据权利要求13所述的废热回收方法，其特征在于，所述第一热交换器的降温流体包括水、空气、燃料进料或其组合。
20.根据权利要求13所述的废热回收方法，其特征在于，所述重组器所使用的重组进料包括C1～C5碳氢化合物。
21.根据权利要求13所述的废热回收方法，其特征在于，所述燃烧设备包括锅炉。
22.一种废热回收装置，其特征在于，包括：
依序配置的第一热交换器、重组器以及重组进料预热器，其中废气排气管道连接燃烧设备，所述第一热交换器以及所述重组器配置于所述燃烧设备中，且所述重组进料预热器配置在所述废气排气管道中。
23.根据权利要求22所述的废热回收装置，其特征在于，所述重组器装设有温度控制器，使所述重组器的内部温度控制在400℃～800℃。
24.根据权利要求22所述的废热回收装置，其特征在于，所述重组器中包含触媒床和热平衡管道。
25.根据权利要求22所述的废热回收装置，其特征在于，所述重组器为化石原料重组产氢器。
26.根据权利要求25所述的废热回收装置，其特征在于，所述化石原料重组产氢器所使用的重组进料包括C1～C5碳氢化合物。
27.根据权利要求22所述的废热回收装置，其特征在于，所述第一热交换器的降温流体包括水、空气、燃料进料或其组合。
28.根据权利要求22所述的废热回收装置，其特征在于，还包括第二热交换器，配置在所述重组进料预热器的下游。
29.根据权利要求28所述的废热回收装置，其特征在于，所述第二热交换器的降温流体包括水、空气、燃料进料或其组合。
30.根据权利要求22所述的废热回收装置，其特征在于，所述燃烧设备包括锅炉。
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