本發(fā)明涉及能源利用與節(jié)能減排，具體是一種污泥焚燒尾氣處理系統(tǒng)及儲能換熱器。

背景技術(shù)：

1、污泥處置作為城市固體廢棄物管理的重要組成部分，其資源化、減量化和無害化處理受到高度關(guān)注。焚燒作為目前主流的污泥減容方式，因具有占地少、減量率高和能量可回收等優(yōu)點，被規(guī)?；茝V。

2、污泥焚燒過程中產(chǎn)生的高溫尾氣中含有大量污染物，如二氧化硫（so2）、氮氧化物（nox）、顆粒物（pm）、二氧化碳（co2）及重金屬元素等，具有溫度高、成分復(fù)雜、處理難度大等特點。當(dāng)前主流尾氣處理系統(tǒng)多聚焦于污染物凈化本身，對co2等溫室氣體排放控制不足，且余熱利用率低，導(dǎo)致整體能效較差，難以滿足綠色低碳發(fā)展要求。另外，焚燒空氣中的水分含量較高也會嚴(yán)重影響系統(tǒng)效率：一方面降低污泥燃燒熱值，另一方面提升尾氣中水蒸氣含量，加劇設(shè)備腐蝕，特別是在酸性氣體（so2、nox）冷凝時，更易產(chǎn)生低溫腐蝕問題，影響系統(tǒng)的長期運行穩(wěn)定性。傳統(tǒng)尾氣換熱設(shè)備多采用管殼式換熱器，其在應(yīng)對高顆粒、高腐蝕性尾氣方面存在顯著局限。顆粒物和重金屬在傳熱管內(nèi)部易堆積沉積，導(dǎo)致堵塞、壓降升高、換熱效率下降，需頻繁維護或更換，極大影響系統(tǒng)運行經(jīng)濟性。因此，亟需研發(fā)一種具備抗堵塞能力、適用于惡劣尾氣環(huán)境、兼具梯級熱能儲存能力的新型換熱裝備，并構(gòu)建一體化的尾氣處理系統(tǒng)，協(xié)同實現(xiàn)污染控制與能源回收的雙重目標(biāo)。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種污泥焚燒尾氣處理系統(tǒng)及儲能換熱器，該系統(tǒng)以儲能換熱器為核心單元，集成尾氣凈化、梯級余熱儲能、碳捕集固化、循環(huán)發(fā)電及空氣除濕預(yù)熱的功能，實現(xiàn)尾氣中多種污染物的高效去除，并對不同溫度等級的余熱進行分級回收與利用。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

3、本發(fā)明公開一種污泥焚燒尾氣處理系統(tǒng)，包括：尾氣凈化模塊、碳捕集固化模塊、循環(huán)發(fā)電模塊、空氣除濕熱泵模塊以及梯級儲能模塊。

4、尾氣凈化模塊用于對焚燒爐排出的尾氣依次進行顆粒物過濾、脫硫、靜電除塵及脫硝處理；

5、碳捕集固化模塊用于通過變溫吸附與低溫冷卻技術(shù)收集尾氣中的co2；

6、循環(huán)發(fā)電模塊用于通過有機朗肯循環(huán)技術(shù)將尾氣中的低品位余熱轉(zhuǎn)化為電能；

7、空氣除濕熱泵模塊用于對進入焚燒爐的空氣進行除濕與預(yù)熱；

8、梯級儲能模塊用于在凈化過程中對尾氣中不同溫區(qū)的余熱進行分級回收與管理；所述梯級儲能模塊包括儲能換熱器一、儲能換熱器二、儲能換熱器三和儲能換熱器四；其中，儲能換熱器一用于將顆粒物過濾處理后的尾氣降溫至第一溫度閾值以上并儲存高品位余熱；儲能換熱器二用于將儲能換熱器一降溫后的尾氣降溫至第二溫度閾值以上并儲存低品位余熱；儲能換熱器一和儲能換熱器二還利用自身儲存的余熱，將經(jīng)過靜電除塵以及脫硫后的尾氣逐級回升至第一溫度閾值以上從而供脫硝處理，尾氣經(jīng)脫硝后升溫；儲能換熱器三用于將脫硝后的尾氣降溫至第一溫度閾值以上并儲存高品位余熱，同時利用該余熱將循環(huán)發(fā)電模塊中的低沸點工質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)化為蒸汽；儲能換熱器四用于將儲能換熱器三降溫后的尾氣降溫至第二溫度閾值以上并儲存低品位余熱，同時利用該余熱將空氣除濕熱泵模塊除濕與預(yù)熱后的空氣進一步加熱以送入焚燒爐。

9、作為上述方案的進一步改進，所有儲能換熱器的內(nèi)部均設(shè)置有相互獨立的殼程和管程，殼程用于流通冷介質(zhì)，管程用于流通熱介質(zhì)，殼程和管程之間還設(shè)置有用于吸收熱介質(zhì)中的熱量并釋放給冷介質(zhì)的儲能介質(zhì)。

10、作為上述方案的進一步改進，所述尾氣凈化模塊包括布袋除塵器、脫硫塔、靜電除塵器及脫硝塔，分別用于對尾氣進行顆粒物過濾、脫硫、靜電除塵及脫硝處理；所述尾氣凈化模塊還包括為尾氣傳輸提供動力的引風(fēng)機；

11、所述碳捕集固化模塊包括碳捕集裝置、制冷機組、儲液罐及冷柜；其中，碳捕集裝置采用變溫吸附技術(shù)，在不同溫度下驅(qū)動吸附劑對co2進行選擇性吸附與解吸，解吸后的co2送入制冷機組以進行液化并儲存在儲液罐中，通過低溫冷卻工藝將co2轉(zhuǎn)變?yōu)楦杀问讲Υ嬗诶涔裰校?/p>

12、所述循環(huán)發(fā)電模塊包括汽輪機、發(fā)電機、回?zé)崞?、排氣塔和離心泵；其中，所述低沸點工質(zhì)在儲能換熱器三的殼程內(nèi)被加熱轉(zhuǎn)化為蒸汽后，進入汽輪機以推動汽輪機葉輪旋轉(zhuǎn)，從而帶動聯(lián)軸的發(fā)電機進行發(fā)電；低沸點工質(zhì)蒸汽在做功損失能量后經(jīng)過回?zé)崞髋c收集完co2的降溫尾氣進行余熱交換以冷凝為液態(tài)，隨后由離心泵輸送回儲能換熱器三的殼程，余熱交換完的尾氣由排氣塔（18）排放至大氣；

13、所述空氣除濕熱泵模塊包括鼓風(fēng)機、壓縮機、蒸發(fā)器、膨脹閥、冷凝器，四者依次連接以構(gòu)成制冷劑循環(huán)系統(tǒng)，制冷劑依次經(jīng)過膨脹閥、蒸發(fā)器、壓縮機、冷凝器完成逆卡諾循環(huán)，與鼓風(fēng)機送入的新風(fēng)進行熱交換；空氣在蒸發(fā)器中冷卻至低于露點溫度，從而析水完成除濕，再經(jīng)冷凝器實現(xiàn)預(yù)熱。

14、作為上述方案的進一步改進，所述梯級儲能模塊還包括緩沖罐一、開關(guān)閥一、緩沖罐二和開關(guān)閥二；

15、其中，按照尾氣的傳輸方向，焚燒爐的尾氣排放口、布袋除塵器、引風(fēng)機、儲能換熱器一的管程、儲能換熱器二的管程、緩沖罐一、開關(guān)閥一、脫硫塔、靜電除塵器、儲能換熱器二的殼程、儲能換熱器一的殼程、脫硝塔、儲能換熱器三的管程、儲能換熱器四的管程、緩沖罐二、開關(guān)閥二、碳捕集裝置、回?zé)崞骱团艢馑来芜B接，以此構(gòu)成完整的尾氣處理流路。

16、作為上述方案的進一步改進，所有儲能換熱器的管程進口和管程出口均設(shè)置有溫度傳感器，所有儲能換熱器的儲能介質(zhì)內(nèi)部亦設(shè)置有溫度傳感器；所有儲能換熱器的管程中還設(shè)置有流量傳感器；

17、所述污泥焚燒尾氣處理系統(tǒng)還包括：

18、控制器，用于根據(jù)溫度傳感器和流量傳感器所采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)，計算每個儲能換熱器熱側(cè)的熱輸入量，并聯(lián)合儲能介質(zhì)的目標(biāo)吸熱量，計算出熱平衡偏差值，從而作出以下控制策略：

19、當(dāng)儲能換熱器一和儲能換熱器二各自的熱平衡偏差值均超過一個預(yù)設(shè)的偏差閾值時，控制開關(guān)閥一開啟；

20、當(dāng)儲能換熱器三和儲能換熱器四各自的熱平衡偏差值均超過所述偏差閾值時，控制開關(guān)閥二開啟；

21、其中，儲能換熱器熱側(cè)的熱輸入量的計算公式為：

22、；

23、式中，為管程熱介質(zhì)的質(zhì)量流量，為熱介質(zhì)的比熱容，為管程熱介質(zhì)的進出口溫差，為監(jiān)測時間；

24、儲能介質(zhì)的目標(biāo)吸熱量的計算公式為：

25、；

26、式中，為儲能介質(zhì)的質(zhì)量，為儲能介質(zhì)的相變潛熱，為儲能介質(zhì)的比熱容，為達(dá)到目標(biāo)溫度所需的溫差；

27、熱平衡偏差值的計算公式為：

28、。

29、作為上述方案的進一步改進，在所述空氣除濕熱泵模塊中，蒸發(fā)器的殼程進口與冷凝器的殼程出口均設(shè)置有溫度傳感器和濕度傳感器；儲能換熱器四的殼程出口設(shè)置有溫度傳感器；

30、所述控制器還用于計算與空氣除濕熱泵模塊相關(guān)的除濕量和除濕性能系數(shù)，從而作出以下控制策略：

31、當(dāng)儲能換熱器四殼程出口的溫度低于一個預(yù)設(shè)的溫度閾值時，控制鼓風(fēng)機的轉(zhuǎn)速下調(diào)，以減少空氣的質(zhì)量流量，延長空氣在儲能換熱器四殼程中的滯留時間，從而提升空氣加熱程度；

32、當(dāng)除濕量小于一個預(yù)設(shè)的目標(biāo)除濕量時，調(diào)節(jié)壓縮機工作頻率以增強蒸發(fā)器側(cè)的冷量輸出；

33、當(dāng)除濕性能系數(shù)低于預(yù)設(shè)的性能評估閾值時，控制鼓風(fēng)機的轉(zhuǎn)速下調(diào)以減少空氣的質(zhì)量流量，延長空氣在蒸發(fā)器內(nèi)的滯留時間，從而提升除濕程度；其中，除濕量的計算公式為：

34、；

35、其中，和分別為蒸發(fā)器殼程進口和冷凝器殼程出口的空氣的絕對含濕量，單位為kg水/kg干空氣；

36、除濕專用性能系數(shù)的計算公式為：

37、；

38、式中，為空氣的質(zhì)量流量，為水蒸氣的凝結(jié)潛熱，為空氣除濕熱泵模塊的輸入功率。

39、作為上述方案的進一步改進，在所述尾氣凈化模塊中，采用濕法工藝進行脫硫處理，采用選擇性催化還原工藝進行脫硝處理。

40、本發(fā)明還公開一種儲能換熱器，應(yīng)用于上述污泥焚燒尾氣處理系統(tǒng)；所述儲能換熱器包括換熱器殼體和儲能換熱管；儲能換熱管為雙層嵌套的試管狀結(jié)構(gòu)，其夾層內(nèi)填充有儲能介質(zhì)；儲能換熱管的頂端封閉且底端開口，立式安裝在換熱器殼體的底壁，從而將換熱器殼體的內(nèi)腔分隔為殼程和管程。

41、作為上述方案的進一步改進，所述儲能換熱器還包括中心筒、進口管箱和出口管箱；進口管箱、出口管箱和換熱器殼體三者自下而上依次鄰接，形成塔狀結(jié)構(gòu)；換熱器殼體的底壁開設(shè)有連通于出口管箱的第一通孔，第一通孔與儲能換熱管底端的中心圓孔尺寸相適配；中心筒與儲能換熱管同軸設(shè)置，中心筒的底端固定連接在出口管箱的底壁上，中心筒的頂端由第一通孔伸入儲能換熱管內(nèi)，且中心筒的頂端與儲能換熱管的內(nèi)壁頂端之間存在間隔，中心筒的外壁與儲能換熱管的內(nèi)壁沿徑向存在環(huán)形間隙，以此在儲能換熱器的管程中形成折彎狀流道；出口管箱的底壁開設(shè)有連通于進口管箱的第二通孔，第二通孔與中心筒底端的中心圓孔尺寸相適配；進口管箱和出口管箱處于相對的兩處側(cè)壁上分別設(shè)置有管程進口和管程出口；換熱器殼體處于相對的兩處側(cè)壁上分別設(shè)置有殼程進口和殼程出口，且殼程進口的高度低于殼程出口的高度。

42、作為上述方案的進一步改進，所述儲能換熱器中的儲能換熱管設(shè)置有若干根，其在水平面上陣列式分布；每根儲能換熱管的夾層內(nèi)還設(shè)置有加強肋；中心筒、儲能換熱管的外表面均采用雙相不銹鋼材質(zhì)；其中，儲能換熱器一和儲能換熱器三的儲能介質(zhì)相同，儲能換熱器二和儲能換熱器四的儲能介質(zhì)相同，前兩者的儲能介質(zhì)相變溫度高于后兩者的儲能介質(zhì)相變溫度。

43、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

44、1、本發(fā)明公開的尾氣處理系統(tǒng)以儲能換熱器為核心余熱回收單元，通過多級換熱與動態(tài)能量管理，實現(xiàn)焚燒尾氣在高溫與低溫梯級區(qū)間內(nèi)的高效熱能儲存及利用。尾氣凈化路徑依次包括顆粒物過濾、脫硫、靜電除塵及脫硝，可高效去除其中的顆粒物、酸性氣體與重金屬污染物。余熱部分通過基于有機朗肯循環(huán)（orc）的循環(huán)發(fā)電模塊實現(xiàn)能量回收，利用低沸點工質(zhì)將低品位熱能轉(zhuǎn)化為電能，提升系統(tǒng)整體能源效率。碳捕集固化模塊基于變溫吸附（tsa）技術(shù)實現(xiàn)co2的分離，并結(jié)合低溫制冷過程將其液化并固化為干冰，促進碳資源高值化利用?？諝獬凉駸岜媚K則采用熱泵循環(huán)方式對燃燒空氣進行除濕與升溫處理，以降低濕度、減緩設(shè)備腐蝕并提升燃燒效率。

45、2、該尾氣處理系統(tǒng)通過設(shè)置四臺儲能換熱器，差異化地將兩兩換熱器設(shè)置成相同的換熱介質(zhì)，不僅能精準(zhǔn)匹配不同溫區(qū)尾氣的熱能特性，實現(xiàn)對焚燒過程中高溫（約160℃）至低溫（約80℃）熱能的高效分級回收與儲存，提升系統(tǒng)整體的能效水平，還能在對關(guān)鍵的脫硫、脫硝環(huán)節(jié)間實現(xiàn)回?zé)?，并在焚燒尾氣本身余熱的基礎(chǔ)上進一步利用了脫硝工藝所額外產(chǎn)生的余熱，實現(xiàn)多源熱能的協(xié)同回收、耦合利用與動態(tài)調(diào)控，推動尾氣深度凈化與能量閉環(huán)利用，顯著降低能耗與碳排放。

46、3、本發(fā)明公開的尾氣處理系統(tǒng)，通過在換熱器的管程、殼程、儲能介質(zhì)以及空氣除濕熱泵模塊的關(guān)鍵部位配備傳感器，并為控制器設(shè)計智能的控制策略，實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)機制，一方面自動引導(dǎo)尾氣流入下一個模塊或?qū)崿F(xiàn)儲能循環(huán)控制，避免熱能浪費并保障系統(tǒng)穩(wěn)定運行；另一方面實現(xiàn)了對送風(fēng)溫度與濕度的雙重保障，確保送入焚燒爐的空氣滿足最優(yōu)燃燒條件，進一步提升整套系統(tǒng)的熱泵運行效率與能量利用率。

47、4、本發(fā)明提供了一種環(huán)保、節(jié)能且智能化的尾氣處理解決方案，適用于多種低品位、高濕、高污染的工業(yè)排氣場景，具備廣闊的工程應(yīng)用前景。

48、5、本發(fā)明公開的儲能換熱器，通過創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計，引入重力沉降機制，有效避免了傳統(tǒng)管殼式換熱器中常見的管道堵塞問題，實現(xiàn)了設(shè)備的自清潔功能，從而大幅降低維護頻率，提升運行的穩(wěn)定性與長期可靠性。

49、傳統(tǒng)換熱器通常僅具備換熱功能，無法實現(xiàn)能量的存儲與調(diào)控，導(dǎo)致低品位熱能利用效率不高，能源浪費嚴(yán)重。本發(fā)明的儲能換熱器在換熱基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性地集成了梯級儲能功能，可根據(jù)熱源品位和用熱需求，分級存儲與釋放熱能，顯著提升低品位能源的回收利用效率。該設(shè)計有效打破了傳統(tǒng)換熱器“即時換熱、無法蓄熱”的局限，助力實現(xiàn)能源的平衡調(diào)配與系統(tǒng)運行的節(jié)能優(yōu)化，契合節(jié)能降碳的發(fā)展目標(biāo)。

50、在材料選擇方面，傳統(tǒng)在處理高污染氣體（如含氮化物、硫化物）的腐蝕性工況時，通常需整體采用成本昂貴的雙相不銹鋼或使用體積龐大、加工復(fù)雜的氟塑料換熱器，以應(yīng)對冷凝腐蝕問題。而本發(fā)明根據(jù)各部位腐蝕風(fēng)險的差異，熱側(cè)選用耐腐蝕性能優(yōu)異的雙相不銹鋼，有效抵御腐蝕性冷凝介質(zhì)的侵蝕；非熱側(cè)部位則可以合理采用普通合金鋼或碳鋼，以降低材料成本和簡化加工難度。該設(shè)計在保證整體耐蝕性和結(jié)構(gòu)強度的同時，大幅降低了制造成本，縮小設(shè)備體積，體現(xiàn)出更高的經(jīng)濟性、緊湊性與工程應(yīng)用價值。