CN102650431A - 一种燃气烟气余热梯级回收利用方法 - Google Patents
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Abstract
一种燃气烟气余热梯级回收利用方法利用气水间接换热和气水直接换热两种不同传热方式的串联，梯级回收烟气中的低品位热能，用于被加热水温度连续提升。被加热水温度经过两次连续提升，温度升高到60～100℃，作为蒸汽锅炉补水、余热锅炉补水、其他工艺用水或生活热水使用。该***可广泛应用于燃气热工设备，仅需消耗极少量的高品位电能，能够有效回收烟气中的低品位热能，提高***效率8～13％，提高燃料利用效率，节能减排，利用烟气冷凝过程产生的冷凝水吸附烟尘、NOX等烟气排放污染物，降低烟气排放中烟尘、NOX浓度，减轻环境污染。
Description
所属技术领域
本发明涉及一种余热回收利用方法，特别是关于燃气烟气余热梯级回收利用的方法，属于热工领域。
背景技术
随着我国产业结构的调整及能源需求的变化，清洁能源利用所占的比例日益提高。天然气作为一种清洁能源，在我国的应用潜力巨大。目前国内广泛应用的燃气直燃机、燃气锅炉、燃气轮机、余热锅炉等热工设备在减少烟尘、NOX等污染物排放，保护环境方面起到了重要作用。随着我国西气东输、川气东送等一批天然气管网的建成投产和多个进口LNG码头相继建成投产，国内天然气消费呈现高速增长态势。作为宝贵的清洁化石能源——天然气，如何对其进行合理、优化利用，提高其使用效率，减少大气污染，保护环境，是摆在人们面前的一个重要课题。
燃气热工设备排烟温度约为130～260℃，甚至更高，其中含有大量的显热和水蒸气潜热，但因烟气温度远高于露点温度，烟气中的水蒸气无法冷凝放热，只能以水蒸气形式随烟气排出。我国传统的热力计算中，燃料热值均按低位热值计算，以陕北天然气为例，其低位热值为34676kJ/Nm3，高位热值为38558kJ/Nm3，二者相差3882kJ/Nm3，即每燃烧1Nm3的天然气，占有高位热值10％的热量就散失、浪费了。如果能对烟气余热进行梯级回收利用，可以提高***效率至少10％。对于缓解日趋紧张的能源危机，节省宝贵的能源资源，提高资源利用率具有特殊意义。
传统烟气余热回收利用方法多采用间接换热方式，如省煤器、空气预热器等，吸收烟气中的显热，将排烟温度降低10～30℃，保证排烟温度在烟气露点温度以上，防止酸露腐蚀，其回收热量少，性价比不高，且不能有效减少烟气中所含的烟尘、NOX等污染物排放。
近些年来也出现了一些新的烟气余热回收方法和***，如中国专利第200710030503.3号提出了一种燃油燃气锅炉烟气余热回收方法和***，该方法包括：在高温烟气进入余热回收装置的主筒体之前，在高温烟气入口管座内通过喷嘴对高温烟气进行预喷淋冷却；使经过预喷淋冷却的高温烟气沿着主筒体的切线方向进入主筒体并在主筒体内旋转向上流动；在主筒体中上部通过喷嘴由上而下对旋转上升的高温烟气进行主喷淋冷却；高温烟气与喷淋水雾逆向接触换热后从主筒体上部流出主筒体。据称：采用预喷淋冷却，使得高温烟气在通过烟气进口时，与喷淋冷却水雾进行直接接触混合换热，一方面可以降低除雾装置的负担，另一方面可以降低主筒体的热质交换的负担，使得主筒体的体积更小，结构更加紧凑。
中国专利第200510032846.4号提出一种天然气冷热电联供的烟气低温端热利用***及其操作方法，该热利用***包括燃气发电装置、余热锅炉、吸收式制冷装置、加热供水装置；而加热供水装置包括直接式气水换热器，该换热器的器体内部设置有破碎水滴的花洒装置，且该花洒装置中的水滴通过空间又构成烟气通道；余热锅炉的烟气出口通过该直接式气水换热器与烟囱相通，直接式气水换热器的进、出水管串联在为生活热水或供热的管路上，余热锅炉的输汽管还分支开设有一通向燃气发电装置燃烧室的回注汽管，在该回注汽管上串联有减压装置。据称：设备简单，价廉、能提高***的热效率、能以极低的成本提供生活热水、大大提高***的经济效益。
上述两个专利均采用气水直接换热方式对烟气余热进行回收，产生生活热水。
中国专利第200810188037.6号提出了一种燃气锅炉烟气全热回收的装置，其包括气水换热器、混合降温器、热泵热水器。结构特点是，将150～200℃的烟气通过气水换热器降到低于90℃，然后进入混合降温器中降到40℃以下，作为热源直接进入空气源热泵热水器的蒸发器中进行换热。据称：在回收燃气锅炉烟气余热的同时解决了空气源热泵热水器在北方因冬季气温结霜和低效问题，同时也降低了燃气锅炉烟气中有害气体的排放，实现了节能减排。
上述专利采用了气水间接换热，用于生活热水的加热。
以上三个专利均只采用了气水直接换热或气水间接换热一种方式对烟气余热进行回收，通过消耗一定量的高品位电能来实现低品位热能的回收利用，产生温度不高于60摄氏度的生活热水，其余热回收的性价比不高。
发明内容
针对现有技术的以上缺点，本发明提供一种利用气水间接换热和气水直接换热两种不同传热方式的串联，消耗少量的高品位电能，梯级回收烟气中的低品位热能，用于被加热水温度连续提升的燃气烟气余热梯级回收利用方法。被加热水温度经过两次连续提升，温度升高到60～100℃，作为余热锅炉、蒸汽锅炉补水，提高***效率，同时还可以输出作为高温生活热水使用。本发明仅需消耗极少量的高品位电能，能够有效回收燃气热工设备烟气中的低品位热能，提高***效率8～13％，提高燃料利用率，减少CO2排放；利用烟气冷凝过程产生的冷凝水吸附烟尘、NOX等烟气排放污染物，降低烟气排放中烟尘、NOX浓度，减轻环境污染。
本发明的技术方案是：提供一种燃气烟气余热梯级回收利用方法，通过在热工设备尾部烟气排放出口设置烟气切换装置、气水换热器、水水换热器、直接接触式气水换热装置、除雾器、变频供水泵及管路等，回收烟气显热与水蒸气潜热。所述烟气切换装置为箱式三通结构，设有一个烟气进口，两个烟气出口，内部设有翻板，由设在外部的伺服机构直接驱动，烟气进口与燃气热工设备排气管道相连，一个烟气出口与大气相通，另一烟气出口与气水换热器烟气进口相连。所述气水换热器为翅片或热管式换热器，包括烟气进出口，冷水进出口，烟气进口与烟气切换装置烟气出口之一相连，冷水进口与水水换热器冷端出口相连，冷水出口与热工设备补水口、其他工艺用水或生活用水处相连。所述水水换热器设有冷端进出口和热端进出口，冷端进口经供水管路与变频供水泵相连，冷端出口与气水换热器冷水进口相连，热端进出口分别与直接接触式气水换热装置出水口和回水口相连。所述直接接触式气水换热装置包括两套喷淋塔、喷淋水泵、喷淋管路、调节阀、过滤器，每套称为一级。其中喷淋塔为中空结构，中空部分既是烟气通道，同时又是喷淋水喷淋通道，喷淋塔壳体上设有烟气进口、烟气出口，二者上下分开布置，喷淋塔内部顶部设有喷嘴，底部设有喷淋水箱，水箱设有出水口、排污管和溢流管；喷淋塔两级串联，其中一级喷淋塔烟气进出口为上进下出，烟气进口与气水换热器烟气出口相连，二级喷淋塔烟气进出口为下进上出，烟气出口与除雾器相连；一级喷淋水箱出水口通过一级过滤器、一级喷淋水泵、一级调节阀、直接接触式气水换热装置出水管，与水水换热器热端进口相连，二级喷淋水箱出口通过二级过滤器、二级喷淋水泵、二级调节阀经二级喷淋管路与一级喷淋塔内一级喷嘴相连；直接接触式气水换热装置回水管通过一级喷淋管路与二级喷淋塔内二级喷嘴相连。所述管路包括供水管路、补水管路、烟气管路、排污路.
本发明通过对烟气的直接吸热和间接换热，将烟气温度降至露点温度以下，梯级回收烟气显热和烟气中水蒸气潜热。烟气露点温度为烟气中水蒸气的压力等于饱和水蒸气压力时的温度，烟气中水蒸气压力越高，烟气露点温度越高。当燃气成分一定时，烟气中水蒸气压力主要受过量空气系数影响。计算表明，露点温度随过量空气系数的增大而减小，当空气量为理论空气量时，露点温度为60.9℃，实际所有热工设备的过量空气系数都大于1，因此，露点温度略低于60.9℃。
热工设备排放的高温烟气经气水换热器间接换热后温度降至90～100℃，放出的显热用于被加热水温度的提升；释放部分显热的烟气进入直接接触式气水换热装置，在一级喷淋塔内烟气自上向下运动，顶部喷嘴喷出的直径尺寸为0.5～3mm的液滴也自上而下运动，与烟气同向直接接触换热，利用液滴较大的比表面积，增大接触面积，有效强化传热，减少烟气阻力的同时，将烟气温度降至60～65℃，放出大部分显热，使得落入一级喷淋水箱内的水得以加热；二级喷淋塔内烟气自下而上运动，与液滴逆流直接接触换热，烟气放出剩余显热和水蒸气大部分潜热，将落入二级喷淋水箱内水的加热，烟气温度可降至20～50℃，经除雾器排出***。
冷水经变频供水泵加压后进入水水换热器冷端，与热端来自于直接接触式气水换热装置的热水进行间接换热，水温升高后再经气水换热器与高温烟气进行逆流间接热量交换，最终温度根据工艺要求可以升高至60～90℃，作为热工设备补水或高温生活热水使用。
水水换热器热端换热完毕的40℃水通过直接接触式气水换热装置回水管、二级喷淋管路、二级喷嘴进入二级喷淋塔内与来自于一级喷淋塔的60～65℃烟气逆流直接接触吸热，吸收烟气剩余显热和部分水蒸气潜热，根据工艺要求加热落入二级喷淋水箱内的水温度升高至50～60℃；二级喷淋水箱内的水通过水箱出口，进入二级过滤器，经二级喷淋水泵加压，二级调节阀调节流量后，通过二级喷淋管路、二级喷嘴喷入一级喷淋塔中，与100℃左右的高温烟气顺流直接接触换热，吸收烟气大部分显热，将烟温降低到60～65℃的同时，被加热到55～65℃后落入一级喷淋水箱中；一级喷淋水箱内的水通过水箱出口，进入一级过滤器，经一级喷淋水泵加压、一级调节阀调节流量后，进入直接接触式气水换热装置出口管，作为热源通过水水换热器热端完成换热后经回水管再次进入直接接触式气水换热装置，如此循环加热，为水水换热器提供热源。
一级喷淋塔内的产生的冷凝水通过一级喷淋水箱上的一级喷淋溢流管自动溢流到二级喷淋水箱内，直接接触式气水换热装置多余的凝水通过二级喷淋溢流管溢流至排污管。
烟气经温度逐渐降低的喷淋水两次喷淋后，其中的烟尘、NOX被吸附，从而减少烟尘、NOX排放量，降低环境污染；
本发明的有益效果是：通过对烟气余热的梯级回收利用，提高热工设备***效率，降低燃气消耗；将被加热水温度提升至60～100℃，达到热工设备补水或其他工艺用水温度要求，扩大热水使用范围；利用温度逐渐降低的两级喷淋，吸收烟气中烟尘和NOX，降低其在烟气中的含量，减少污染物排放。
附图说明
图1是本发明专利原理图
图2是直接接触式气水换热装置原理图。
图3是本发明按天然气成分与热值取陕北天然气，过量空气系数取1.15，蒸汽锅炉排烟温度取200℃的实施例。
图1中1、余热锅炉或蒸汽锅炉，2、烟气切换装置，3、烟气管路，4气水换热器，5、直接接触式气水换热装置，6、除雾器，7、排污管，8、补水管，9、补水阀，10、水水换热器，11、供水管路，12、变频供水泵。
图2中411、一级喷淋塔，412、一级喷嘴，413、一级喷淋管路，414一级喷淋溢流管，415、一级排污管，416、一级喷淋水箱，417、一级过滤器，418、一级喷淋水泵，419、一级喷淋调节阀，421、二级喷淋塔，422、二级喷嘴，423、二级喷淋管路，424二级喷淋溢流管，425、二级排污管，426、二级喷淋水箱，427、二级过滤器，428、二级喷淋水泵，429、二级喷淋调节阀。
具体实施方式
在图3中，燃气蒸汽锅炉1排放的200℃高温烟气，沿烟气管路3经烟气切换装置2进入气水换热器3中，在气水换热器3中高温烟气与经过水水换热器12吸收喷淋水热量的被加热水进行间接换热，温度降至100℃，放出部分显热后进入一级喷淋塔411中；在一级喷淋塔411内，烟气自上而下运动，一级喷淋塔411顶部的一级喷嘴412喷出的液滴自上而下运动，液滴与烟气同向运动，在减少烟气阻力的同时进行直接接触换热，使烟气温度在一级喷淋塔411出口处温度降低至65℃，放出绝大部分显热后进入二级喷淋塔421中；二级喷淋塔421内，烟气自下而上运动，二级喷淋塔421顶部的二级喷嘴422喷出的液滴自上而下运动，液滴与烟气逆向直接接触换热，使烟气温度进一步降低至30～40℃，放出部分显热和汽化潜热后经除雾器6排出***。
在图3中，被加热水经变频供水泵12后分为两路，一路通过补水阀9和补水管8进入一级喷淋水箱416内，再通过一级喷淋溢流管414进入二级喷淋水箱426中，此为采用本方法进行烟气余热回收利用时，首次运行加水方式。另一路通过供水管路11进入水水换热器10中，通过水水间接换热，温度升至55℃后进入气水换热器3中，在气水换热器3内经气水间接换热后，温度升至90℃后送至***补水或其他工艺用水及生活用水处。
在图3中，在气水换热器3中放热后的烟气温度降至100℃，进入一级喷淋塔411，在一级喷淋塔411中，烟气与一级喷淋塔411顶部一级喷嘴412喷出的液滴进行同向直接接触换热，通过调节二级喷淋调节阀429开度，调节在二级喷淋水泵428抽吸作用下经二级过滤器427、二级喷淋管路423从二级喷淋水箱426中取用的水量，把烟气温度降低至65℃，同时加热落入一级喷淋水箱416内的水，温度升高到62℃；一级喷淋水箱416内的水经一级过滤器417、一级喷淋水泵418、一级喷淋调节阀419，在水水换热器10中放热后，温度降至30℃，经一级喷淋管路413、二级喷嘴422喷入二级喷淋塔421内，与烟气逆流直接接触换热后，把烟气温度降至50℃的同时，落入二级喷淋水箱426中的水温度升高到52℃。
在图3中，一级喷淋塔411中一级喷淋水箱416内多余的凝水通过一级喷淋溢流管414溢流至二级喷淋塔421中的二级喷淋水箱426中，最终多余的凝水通过二级喷淋溢流管424溢流至排污管7。一级喷淋水箱416与二级喷淋水箱426中长时间运行产生的污垢通过一级排污管415和二级排污管425排入排污管7，保证***喷淋水质。
Claims (8)
1.一种燃气烟气余热梯级回收利用方法，通过在热工***尾部烟气排放出口设置烟气切换装置(2)、气水换热器(4)、水水换热器(10)、直接接触式气水换热装置(5)、除雾器(6)、变频供水泵(12)及管路等，吸收烟气显热与水蒸气潜热；其中烟气切换装置(2)、气水换热器(4)、直接接触式换热装置(5)、除雾器(6)通过烟气管路(3)依次串联；变频供水泵(12)通过供水管路(11)与水水换热器(10)、气水换热器(4)依次串联，其特征是：直接接触式换热装置(5)包括两套喷淋水泵(418)、过滤器(417)、喷淋管路(413)、调节阀(419)、喷淋塔(411)，每套称为一级，两级串联。
2.根据权利要求1所述的一种燃气烟气余热梯级回收利用方法，其特征是：气水换热器(4)为为翅片或热管式换热器。
3.根据权利要求1所述的一种燃气烟气余热梯级回收利用方法，其特征是：喷淋塔(411)为中空结构，壳体上设有烟气进出口，内部顶部设有喷嘴(412)、底部设有喷淋水箱(416)，喷淋水箱(416)上设有喷淋溢流管(414)和排污管(415)。
4.根据权利要求1所述的一种燃气烟气余热梯级回收利用方法，其特征是：在一级喷淋塔(411)内烟气与液滴顺流直接接触换热，在二级喷淋塔(421)内烟气与液滴逆流直接接触换热。
5.根据权利要求1所述的一种燃气烟气余热梯级回收利用方法，其特征是：在一级喷淋塔(411)内烟气释放全部显热，在二级喷淋塔(421)内烟气释放部分汽化潜热。
6.根据权利要求1所述的一种燃气烟气余热梯级回收利用方法，其特征是：一级喷淋水箱(416)内的水经气水换热器(4)换热后，喷入二级喷淋塔(421)中。
7.根据权利要求1所述的一种燃气烟气余热梯级回收利用方法，其特征是：一级喷淋水箱(416)内多余的凝水通过一级喷淋溢流管(414)流入二级喷淋水箱(426)，二级喷淋水箱(426)内多余凝水通过二级喷淋溢流管(424)排入排污管(7)中。
8.根据权利要求1所述的一种燃气烟气余热梯级回收利用方法，其特征是：喷嘴(412)喷出液滴的直径尺寸为0.5～3mm。
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