CN103721538A - 天然气烟气余热及冷凝水回收与脱硝一体化处理利用装置 - Google Patents

天然气烟气余热及冷凝水回收与脱硝一体化处理利用装置 Download PDF

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付林
周贤
张世钢
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Abstract

本发明涉及一种天然气烟气余热及冷凝水回收与脱硝一体化处理利用装置，其特征在于：它包括直接接触式喷淋塔、喷射装置、臭氧发生器、水质处理装置、循环水泵、热泵和喷淋装置；直接接触式喷淋塔具有烟气出口和入口烟道，入口烟道中设置喷射装置，喷射装置通过鼓风机与臭氧发生器连通；直接接触式喷淋塔底部具有水箱，水箱侧外壁设有溢流口；水箱底部设置有循环冷却水出口，循环冷却水出口通过循环水泵连通热泵冷端入口，同时循环水泵入口连通碱液箱；热泵冷端出口连通喷淋装置，喷淋装置设置在直接接触式喷淋塔内。本发明可以广泛用于集中供热热源的天然气锅炉房、燃气-蒸汽联合循环热电厂以及燃气热电冷三联供***的天然气烟气的综合处理。

Description

天然气烟气余热及冷凝水回收与脱硝一体化处理利用装置
技术领域
本发明涉及一种烟气的综合处理利用技术，特别是关于一种天然气烟气余热及冷凝水回收与脱硝一体化处理利用装置。
背景技术
天然气作为一种绿色的清洁能源，在我国大中城市越来越受到广泛的应用。但是，天然气相对于煤的高价格也使供热实际成本呈大幅度增长趋势。从国内和国际的能源供应形势来看，天然气价格仍有很大的上涨空间，因此城市供热运行成本和行业成本将越来越大。另一方面，现有天然气热工设备热效率已处于较高水平，天然气锅炉与燃气-蒸汽联合循环的烟气温度大都可以降至100℃以下，烟气显热绝大部分已得到利用。然而，天然气的主要成分是甲烷，具有较高的氢/碳（H/C）比，天然气燃烧后的烟气中含有大量的水蒸气，烟气中水蒸气的汽化潜热占天然气高位发热量的比例达到10%～11%，目前这些热量基本上都没有利用而是直接排放到环境中。回收利用烟气中水蒸气的汽化潜热可以极大地提高***热效率，减少天然气的使用量，改善城市供热行业的经济性。
二氧化硫（SO2）、氮氧化物NOx和粉尘排放会对大气造成污染，是造成酸雨和PM2.5的主要原因。世界各国对工业生产中SO2、NOx和粉尘的排放都有严格的限制。天然气作为一种洁净能源，燃料本身含硫（S）量与含氮（N）量非常少。因此，天然气烟气中的SO2含量非常少，可以达到直接排放的标准。但是，烟气中NOx的含量不仅与燃料本身有关，还与燃烧过程有关。在现有的天然气利用设备中，如天然气锅炉和燃气轮机，燃烧过程中会产生大量相关的NOx，即热力型NOx。如何采取一定措施降低NOx的排放，是工业生产中一直致力于解决的问题。另外，天然气烟气中的水蒸气排入大气后冷凝，造成了冒白烟现象，形成景观污染，同时加剧PM2.5排放情况。减少天然气燃烧后的污染物排放对于我国城市化进程具有重要意义。
烟气余热深度回收装置可以分为间接接触式与直接接触式。由于间接接触式装置需要较大的金属接触面，且传热系数较低，所以回收装置的体积往往较大，成本较高。同时烟气冷凝液的酸性对于金属材料也有一定腐蚀，需要特殊的金属材料或者是喷涂防腐材料，进一步增加了设备成本。直接接触式装置又分为填料直接接触式与无填料直接接触式。填料直接接触式装置在设备内加装填料，增加了烟气流动阻力，在使用一段时间后，填料可能会被沾污或堵塞，降低了设备可靠性。无填料直接接触式装置为空塔布置，使用喷淋管束将循环冷却水均匀雾化，同时可以保证足够小的雾滴粒径与接触换热时间。
天然气烟气中含有SO2、NOx与粉尘等污染物，SO2、NO2和粉尘与碱性水直接接触后，可以被碱性水吸收中和，实现对这些污染物的脱除。但是烟气中95%的NOx是以溶解度很低的NO形式存在，难以被碱性水吸收。如果要采用与碱性水直接接触的方法实现脱硝，如何提高NO的氧化度，是实现同时脱硫、脱硝的关键。
为了充分回收利用天然气烟气中的水蒸气潜热，提高能源利用效率，实现天然气烟气中水蒸气作为水资源的收集，同时吸收烟气中的SO2、NOx和粉尘等污染物，提高经济效益，洁净烟气，保护环境，需要一种天然气烟气余热、冷凝水回收与脱硝一体化综合处理利用装置。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种烟气与水直接接触换热的方式回收烟气余热的天然气烟气余热及冷凝水回收与脱硝一体化处理利用装置。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种天然气烟气余热及冷凝水回收与脱硝一体化处理利用装置，其特征在于：它包括一直接接触式喷淋塔、一喷射装置、一臭氧发生器、一循环水泵、一热泵和一喷淋装置；所述直接接触式喷淋塔具有一烟气出口和一入口烟道，所述入口烟道中设置所述喷射装置，所述喷射装置通过一鼓风机与所述臭氧发生器连通；所述直接接触式喷淋塔底部具有一水箱，所述水箱侧外壁设有一溢流口；所述水箱底部设置有循环冷却水出口，所述循环冷却水出口通过所述循环水泵连通所述热泵冷端入口，同时所述循环水泵入口连通一碱液箱；所述热泵冷端出口连通所述喷淋装置，所述喷淋装置设置在所述直接接触式喷淋塔内与所述入口烟道相对且高于所述入口烟道的另一侧；所述热泵热端入口与一热网回水***中的热网回水管连接，热端出口与所述热网回水***中的热网供水管连接。
所述喷淋装置选用雾化喷嘴。
所述溢流口连通一水质处理装置。
所述直接接触式喷淋塔为空塔或填料塔，且所述直接接触式喷淋塔内烟气与循环冷却水的流动形式为竖直逆流、水平逆流或水平叉流。
所述热网供水管上设置一加热器。
所述水质处理装置出水口连接所述循环水泵入口。
所述热泵采用吸收式热泵或电动压缩式热泵，所述吸收式热泵内具有一蒸发器、一发生器、一驱动源入口、一吸收器和一冷凝器；所述蒸发器入口连接所述循环水泵出口，所述蒸发器出口连接所述喷淋装置；所述发生器连接所述驱动源入口；所述吸收器入口连接所述热网回水管，所述吸收器出口连接所述冷凝器入口，所述冷凝器出口连接所述热网供水管。
在所述直接接触式喷淋塔内所述喷淋装置与所述烟气出口之间设置轴流风机，且在所述轴流风机与所述喷淋装置之间设置除雾器；或在所述入口烟道内设置轴流风机。
在所述烟气出口处设置离心风机，且在所述离心风机与所述喷淋装置之间设置除雾器；或在所述入口烟道内设置离心风机。
在所述循环水泵上设置第一变频器，在所述轴流风机上设置第二变频器。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于采用在入口烟道处设置喷射臭氧的装置，将烟气中的难以被碱性水中和的NO与O3发生氧化反应转化成易被碱性水吸收中和的NO2，处理后的烟气经直接接触式喷淋塔内的喷淋装置喷射的雾化碱性循环冷却水液滴进行逆流换热后，中和烟气中的SO2、NOx与粉尘等污染物，达到将天然气烟气余热回收及脱硝的目的。另外经过碱性循环冷却水处理的烟气中的颗粒物和水滴聚集于设置在直接接触式喷淋塔底部的水箱内，水箱内的水依次经过本发明的循环冷却水出口、热泵和喷淋装置再次与烟气换热，此种方式实现了烟气余热与冷凝水的回收利用。本发明采用上述装置实现了天然气烟气余热、冷凝水回收与脱硝一体化综合处理利用工艺。2、采用直接接触式换热的方式实现烟气与水的换热，直接接触式喷淋塔中烟气与循环冷却水直接接触，进行传热传质，无设置金属受热面，减少设备部件，降低设备成本，占地面积小，提高设备可靠性。本发明可以广泛用于集中供热热源的天然气锅炉房、燃气-蒸汽联合循环热电厂以及燃气热电冷三联供***的天然气烟气的综合处理。
附图说明
图1是本发明装置的结构示意图
图2a是烟气与循环冷却水水平逆流示意图
图2b是烟气与循环冷却水水平叉流示意图
图3是本发明采用轴流风机实施例示意图
图4是本发明采用离心风机实施例示意图
图5是本发明处于部分负荷工况时的实施例示意图
图6是本发明在热网供水管上加装加热器的实施例示意图
图7是本发明改善循环冷却水质的实施例示意图
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图1所示，本发明装置包括直接接触式喷淋塔1、喷射装置4、臭氧发生器6、水质处理装置9、循环水泵11、热泵13和喷淋装置14。
直接接触式喷淋塔1顶部具有一烟气出口2，直接接触式喷淋塔1一侧入口烟道3中设置有喷射装置4，喷射装置4与一鼓风机5出口连通，鼓风机5入口与臭氧发生器6出口连通。在直接接触式喷淋塔1底部具有一水箱7，水箱7一侧外壁设有溢流口8，溢流口8与水质处理装置9通过管道连通。水箱7底部设置有循环冷却水出口10，该循环冷却水出口10通过循环水泵11连通热泵13冷端入口，同时循环水泵11入口还连通碱液箱12。热泵13冷端出口连通喷淋装置14，喷淋装置14设置在直接接触式喷淋塔1内与入口烟道3相对且高于入口烟道3另一侧。热泵13热端入口与热网回水***中的热网回水管15连接，热端出口与热网回水***中的热网供水管16连接。
上述实施例中，喷淋装置14选用雾化喷嘴，其具有较大的通流面积，减少了喷嘴的堵塞现象。
本发明工作时：天然气锅炉或者燃气轮机排放出的烟气在入口烟道3处同经臭氧发生器6、鼓风机5、喷射装置4喷射出的O3均匀混合，烟气中的NO经氧化反应转化为NO2，氧化后的烟气进入直接接触式喷淋塔1内与喷淋装置14喷射的雾化碱性循环冷却水液滴进行逆流换热后，中和烟气中的SO2、NOx与粉尘等污染物，中和后的烟气经由烟气出口2排出，经过碱性循环冷却水处理的烟气中的颗粒物和水滴聚集在水箱7内，当水箱7内的循环冷却水液位高于溢流口8时溢出，即保证了循环冷却水总量的恒定，溢出的水流入水质处理装置9中，经水质处理装置9后的水为纯净水。此时温度较高的循环冷却水从水箱7底部的循环冷却水出口10流出，流出的循环冷却水与碱液箱12内的碱性溶液混合，经过循环水泵11加压后送入热泵13，经过热泵13处理释放循环冷却水的热量后变成冷却水传输至喷淋装置14后，进入直接接触式喷淋塔1内，碱性循环冷却水与烟气再次换热。经热泵13处理释放循环冷却水的热量用于加热从热网回水管15流经热泵13的循环水，并通过热网供水管16排出进入热网回水***。
上述实施例中，直接接触式喷淋塔1可以是空塔或填料塔，且直接接触式喷淋塔1内烟气与循环冷却水的流动形式可以为竖直逆流（如图1所示）、水平逆流（如图2a所示）或水平叉流（如图2b所示）。
上述实施例中，如图3所示，在直接接触式喷淋塔1内喷淋装置14上方设置轴流风机17，或在入口烟道3内设置轴流风机17（图中未示出），以克服直接接触式喷淋塔1内气流阻力，利于处理后的烟气通过烟气出口2排出。同时，在轴流风机17与喷淋装置14之间设置除雾器18。
上述实施例中，热泵13可以选用吸收式热泵或电动压缩式热泵，当选用吸收式热泵时，吸收式热泵内具有一蒸发器19、一发生器20、一驱动源入口21、一吸收器22和一冷凝器23。蒸发器19入口连接循环水泵11出口，蒸发器19出口连接喷淋装置14。发生器20连接驱动源入口21。吸收器22入口连接热网回水管15，出口连接冷凝器23入口，冷凝器23出口连接热网供水管16。
当本发明采用吸收式热泵、轴流风机17和除雾器18时，其工作流程如下：天然气锅炉或者燃气轮机排放出的烟气在入口烟道3处同经臭氧发生器6、鼓风机5、喷射装置4喷射出的O3均匀混合，烟气中的NO经氧化反应转化为NO2，氧化后的烟气进入直接接触式喷淋塔1内与喷淋装置14喷射的雾化碱性循环冷却水液滴进行逆流换热后，中和烟气中的SO2、NOx与粉尘等污染物，中和后的烟气经由除雾器18拦截由循环冷却水经喷淋装置14雾化后被欲排出直接接触式喷淋塔1的气流夹带的大量小液滴，减少循环冷却水损失，实现直接接触式喷淋塔1内循环冷却水的富余。并经过利于中和后烟气排出的轴流风机17通过烟气出口2排出。经过碱性循环冷却水处理的烟气中的颗粒物和水滴聚集在水箱7内，当水箱7内的循环冷却水液位高于溢流口8时溢出，溢出的水流入水质处理装置9中。此时温度较高的循环冷却水从水箱7底部的循环冷却水出口10流出，流出的循环冷却水与碱液箱12内的碱性溶液混合，经过循环水泵11加压后送入热泵13的蒸发器19入口，经过蒸发器19处理释放循环冷却水的热量后变成冷却水传输至喷淋装置14后进入直接接触式喷淋塔1内。碱性循环冷却水与烟气再次换热。高温热源从驱动源入口21进入吸收式热泵驱动其运转，并对通过热网回水管15进入吸收器22，再进入冷凝器23，后通过热网供水管16进入热网回水***的循环水加热，经过蒸发器19处理释放循环冷却水的热量与高温热源作用相同。上述实施例中，如图4所示，也可以在直接接触式喷淋塔1的烟气出口2处设置离心风机24，或在入口烟道3内设置离心风机24（图中未示出），以克服直接接触式喷淋塔1内气流阻力，利于处理后的烟气通过烟气出口2排出。
如图5所示，在烟气流量低于设计值时本发明***处于部分负荷工况时，还可以在循环水泵11上设置第一变频器25，在轴流风机17上设置第二变频器26，在驱动源入口21设置调节阀27。安装上述装置在本发明工作时与未安装上述装置的本发明工作时流程基本一致，区别在于：第一变频器25控制循环水泵11减少循环冷却水流量，第二变频器26控制轴流风机17减少烟气流量，调节阀27调节高温热源的流量，使吸收式热泵处于部分负荷工作状态，通过第一变频器25、第二变频器26和调节阀27的调节实现***在低负荷时的可靠稳定运行。
如图6所示，当热网回水***中水温较低时，还可以在冷凝器23出口的热网供水管16上设置一加热器28，安装上述装置的本发明工作时与未安装上述装置的本发明工作时流程基本一致，区别在于：加热器28用于对热网回水***中的循环水加热，加热器28热源可以为燃气-蒸汽联合循环供热厂内汽轮机抽汽，也可以为燃气锅炉内的受热面。当加热器28中的水达到供热用户所需温度后，送入热网回水***，解决当热网回水***中水温较低的问题。
如图7所示，还可以将水质处理装置9出水口连接到循环水泵11入口端前。此种连接方式的本发明工作时与未采用此种方式连接的本发明工作时流程基本一致，区别在于：经水质处理装置9处理的一部分纯净水回流循环水泵11入口端，与水箱7流出的循环冷却水和碱液箱12流出的碱性溶液混合，可以实现置换循环冷却水中的污染物，另一部分纯净水用于直接接触式喷淋塔1补水或者热网回水***中的热网补水，此种连接方式可以有效改善循环冷却水水质。
上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种天然气烟气余热及冷凝水回收与脱硝一体化处理利用装置，其特征在于：它包括一直接接触式喷淋塔、一喷射装置、一臭氧发生器、一循环水泵、一热泵和一喷淋装置；
所述直接接触式喷淋塔具有一烟气出口和一入口烟道，所述入口烟道中设置所述喷射装置，所述喷射装置通过一鼓风机与所述臭氧发生器连通；所述直接接触式喷淋塔底部具有一水箱，所述水箱侧外壁设有一溢流口；所述水箱底部设置有循环冷却水出口，所述循环冷却水出口通过所述循环水泵连通所述热泵冷端入口，同时所述循环水泵入口连通一碱液箱；所述热泵冷端出口连通所述喷淋装置，所述喷淋装置设置在所述直接接触式喷淋塔内与所述入口烟道相对且高于所述入口烟道的另一侧；所述热泵热端入口与一热网回水***中的热网回水管连接，热端出口与所述热网回水***中的热网供水管连接。
2.如权利要求1所述的天然气烟气余热及冷凝水回收与脱硝一体化处理利用装置，其特征在于：所述喷淋装置选用雾化喷嘴。
3.如权利要求1所述的天然气烟气余热及冷凝水回收与脱硝一体化处理利用装置，其特征在于：所述溢流口连通一水质处理装置。
4.如权利要求2所述的天然气烟气余热及冷凝水回收与脱硝一体化处理利用装置，其特征在于：所述直接接触式喷淋塔为空塔或填料塔，且所述直接接触式喷淋塔内烟气与循环冷却水的流动形式为竖直逆流、水平逆流或水平叉流。
5.如权利要求1或2或3或4所述的天然气烟气余热及冷凝水回收与脱硝一体化处理利用装置，其特征在于：所述热网供水管上设置一加热器。
6.如权利要求1或2或3或4所述的天然气烟气余热及冷凝水回收与脱硝一体化处理利用装置，其特征在于：所述水质处理装置出水口连接所述循环水泵入口。
7.如权利要求5所述的天然气烟气余热及冷凝水回收与脱硝一体化处理利用装置，其特征在于：所述热泵采用吸收式热泵或电动压缩式热泵，所述吸收式热泵内具有一蒸发器、一发生器、一驱动源入口、一吸收器和一冷凝器；所述蒸发器入口连接所述循环水泵出口，所述蒸发器出口连接所述喷淋装置；所述发生器连接所述驱动源入口；所述吸收器入口连接所述热网回水管，所述吸收器出口连接所述冷凝器入口，所述冷凝器出口连接所述热网供水管。
8.如权利要求1或2或3或4或7所述的天然气烟气余热及冷凝水回收与脱硝一体化处理利用装置，其特征在于：在所述直接接触式喷淋塔内所述喷淋装置与所述烟气出口之间设置轴流风机，且在所述轴流风机与所述喷淋装置之间设置除雾器；或在所述入口烟道内设置轴流风机。
9.如权利要求5所述的天然气烟气余热及冷凝水回收与脱硝一体化处理利用装置，其特征在于：在所述烟气出口处设置离心风机，且在所述离心风机与所述喷淋装置之间设置除雾器；或在所述入口烟道内设置离心风机。
10.如权利要求6所述的天然气烟气余热及冷凝水回收与脱硝一体化处理利用装置，其特征在于：在所述循环水泵上设置第一变频器，在所述轴流风机上设置第二变频器。
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