CN103032867A - 多级高效置换式的烟气余热利用系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多级高效置换式的烟气余热利用系统，所述烟气余热利用系统应用于火电发电厂，包括：锅炉；空气预热器，包括烟气侧部分和空气侧部分并经由烟气管道接收来自所述锅炉的烟气；烟气-凝结水(给水)换热器，经由连通所述烟气管道的一旁路烟气管道接收来自所述锅炉的烟气，以加热凝结水或者给水；吸收塔；以及烟气-空气换热器，布置在所述空气预热器的烟气侧部分及烟气-凝结水(给水)换热器的下游，并与所述吸收塔的入口相连接，所述烟气-空气换热器接收从所述空气预热器和所述烟气-凝结水(给水)换热器排出的烟气，其中所述烟气-空气换热器加热过的空气与所述空气预热器的空气侧部分相连。

Description

多级高效置换式的烟气余热利用系统

技术领域

本发明涉及烟气余热利用技术，尤其涉及一种多级高效置换式的烟气余热利用系统。

背景技术

随着国民经济的发展，社会对电力的需求正在不断的提高。对于正在进行工业化和经济快速发展的新兴发展中国家，如中国，电力的消耗量和发电厂的装机容量正在迅速的增加。对中国而言，由于受其一次能源的储存品种和储存量的限制，近几十年来发电厂的燃料以煤炭为主，约为70％以上，而且这种趋势在可预见的未来不会有根本的改变。虽然燃煤火电厂对于中国有着成本较低、燃料来源广泛等优势，但是燃煤火电厂存在效率较低、污染物排放较多等缺点。由于排放到大气中的污染物基本上来源于煤炭的燃烧，因此污染物的排放量与火电厂的煤耗量之间相关，同时也与烟气净化设备的烟气净化效率相互。降低火电厂煤耗量的同时也减少了火电厂向大气中污染物的排放量，提高烟气净化设备的净化效率也减少了火电厂向大气中污染物的排放量。

一般而言，可以采用以下三种方法减少火电厂的煤耗量。

(一)提高蒸汽的压力和温度。提高了蒸汽的压力和温度后，汽轮机的效率将提高，热耗下降，可提高整个火力发电系统的效率，降低煤耗。目前，主流的火电机组的蒸汽压力和温度从亚临界参数提高到超临界参数，进一步提高到超超临界参数。目前国内外正在为进一步蒸汽温度作不懈的技术研究。但是蒸汽温度和压力每提高一个台阶，锅炉和汽轮机都需要采用热强度和抗腐蚀能力跟高的材料，大大提高了设备的成本。

(二)降低汽轮机的排汽参数。降低了汽轮机的排汽参数后，也可提高汽轮机的效率，降低汽轮机的热耗。降低汽轮机的排汽参数即需要降低汽轮机的循环冷却水温度，由于受电厂所处地理位置和气候条件的限制，循环冷却水温是在一定的范围内变化的，因此汽轮机的排汽参数下降的幅度是有限的。对于同一地区，汽轮机的排汽参数的一定的。

(三)减少锅炉烟气的排放热损失。锅炉燃烧后产生的烟气，根据锅炉形式和燃煤种类的不同，其温度一般在110℃～170℃之间。通常情况下锅炉烟气通过净化处理后自己排放到大气，排放的烟气温度几乎没有变化，即烟气中的热量直接排放到大气而不加以利用。在采用烟气湿法脱硫的工艺中，烟气在吸收塔中在脱硫剂浆液的喷淋作用下温度下降到40℃～50℃，在这个过程中烟气的热量并没有被利用，而是被浆液带走，蒸发了浆液中的水分。烟气温度越高，对浆液中的水分的蒸发量越大，电厂的水耗量越大。一些电厂由于受环保的要求，向大气中排放的烟气温度要求不低于72℃～80℃，吸收塔出口的烟气需加热到这个温度以上，因此采用了烟气-烟气换热器或烟气-水-烟气换热器将锅炉排出的较高温度的烟气加热吸收塔排出的较低温度的烟气，由于加热后的烟气仍然排放到大气中，锅炉排放的烟气的热量仍然没有被利用。

对锅炉烟气余热的利用，国内外已有不少的设计和实践，均采用烟气换热器的型式，通过换热器将烟气中的热量置换给别的介质以加以利用。这种烟气换热器被称为“低温省煤器”、“低压省煤器”、“烟气冷却器”、“烟水换热器”等各种名称，其实质是相同或相似的，所不同的是烟气换热器布置的位置和换热介质不同。

(1)布置在锅炉尾部，采用凝结水吸收烟气余热。例如，国内某电厂锅炉排烟温度较高，为了降低排烟温度，提高机组的运行经济性，在锅炉尾部空气预热器出口加装了低温省煤器，采用凝结水吸收烟气余热，见附图1。前苏联为了减少排烟损失而改装锅炉机组时，在锅炉对流竖井的下部装设低温省煤器，采用热网水吸收烟气余热。

(2)布置在吸收塔之前，采用凝结水吸收烟气余热。德国Schwarze Pumpe电厂2×800MW褐煤发电机组在静电除尘器和烟气脱硫塔之间加装了烟气冷却器，采用凝结水吸收烟气余热。国内某电厂也在相同位置布置了烟水换热器，见附图2。

(3)布置在吸收塔之前，采用锅炉进风吸收烟气余热。德国科隆Nideraussem发电厂在静电除尘器和烟气脱硫塔之间加装了烟气冷却器和风加热器，以水为传导媒介，采用进入锅炉炉膛的风吸收烟气余热，见附图3。

(4)布置在吸收塔之前及电除尘器之前，采用锅炉进风或凝结水吸收烟气余热。中国电力工程顾问集团华东电力设计院的实用新型专利《应用于火力发电厂的两级烟气-空气换热器系统》(专利号201020247096.9)，用以回收热量和提高除尘器效率。

这些烟气换热器方案均采用了烟水换热器或烟风换热器，其主要作用的回收空预器出口较低温度的烟气余热，加热汽轮机系统较低温度的凝结水，减少了上述的凝结水加热需要的低品质的蒸汽，此品质的蒸汽的做功发电能力不强，因此降低发电机组煤耗量效果不是最优。

发明内容

针对业界的上述需要，本发明提供了一种多级高效置换式的烟气余热利用系统，所述烟气余热利用系统应用于火电发电厂，包括：锅炉；空气预热器，包括烟气侧部分和空气侧部分并经由烟气管道接收来自所述锅炉的烟气；烟气-凝结水(给水)换热器，经由连通所述烟气管道的一旁路烟气管道接收来自所述锅炉的烟气，以加热凝结水或者给水；吸收塔；以及烟气-空气换热器，布置在所述空气预热器的烟气侧部分及烟气-凝结水(给水)换热器的下游，并与所述吸收塔的入口相连接，所述烟气-空气换热器接收从所述空气预热器和所述烟气-凝结水(给水)换热器排出的烟气，其中所述烟气-空气换热器加热过的空气与所述空气预热器的空气侧部分相连。

根据本发明的一个较佳实施例，在上述烟气余热利用系统中，所述旁路烟气管道中设置有调节挡板门，以调节烟气量。

根据本发明的一个较佳实施例，在上述烟气余热利用系统中，所述烟气-空气换热器通过中间介质来进行换热，以及所述空气预热器的空气侧部分的进口与所述烟气-空气换热器相连接。

根据本发明的一个较佳实施例，在上述烟气余热利用系统中，所述换热介质是汽轮机回热系统的凝结水或者给水。

根据本发明的一个较佳实施例，在上述烟气余热利用系统中，所述汽轮机回热系统的凝结水或者给水来自于低压加热器的出口或者高压加热器的出口。

根据本发明的一个较佳实施例，在上述烟气余热利用系统中，所述烟气-凝结水(给水)换热器为热管式换热器或者表面式换热器。

根据本发明的一个较佳实施例，在上述烟气余热利用系统中，还包括：凝结水升压泵，设置于所述烟气-凝结水换热器与所述汽轮机回热系统之间

综上，本发明采用了多级高效置换式烟气余热利用系统。一方面，本发明设置了空预器旁路烟道，利用较高温度的烟气来加热汽轮机较高温度的凝结水或者给水，减少凝结水或者给水加热需要的较高品质的蒸汽，获得较高的发电效益。另一方面，由于空预器设置了旁路烟道，本发明进入空预器的烟气量减少将降低空预器中冷风-烟气换热量，因此在吸收塔入口设置烟气-冷风(通过中间介质)换热器加热冷风，并充分降低进入吸收塔的烟气温度，保证空预器出口风温不降低或略有升高，提高锅炉效率。由于冷风温度为环境温度，最终的排烟温度即进入吸收塔入口的烟气温度可以更大幅度的降低。

采用该系统后，利用低温烟气加热冷风，置换出的高温的烟气来加热汽轮机系统较高温度的凝结水或给水，减少了较高温度的凝结水或给水加热需要的较高品质的蒸汽，上述蒸汽具有较好的做功发电能力，因此系统可大幅降低火电机组的煤耗量、减少烟气净化设备及烟气脱硫塔的水耗、提高烟气脱硫塔的效率以及减少二氧化硫的排放量。

应当理解，本发明以上的一般性描述和以下的详细描述都是示例性和说明性的，并且旨在为如权利要求所述的本发明提供进一步的解释。

附图说明

包括附图是为提供对本发明进一步的理解，它们被收录并构成本申请的一部分，附图示出了本发明的实施例，并与本说明书一起起到解释本发明原理的作用。附图中：

图1示意性地示出了现有技术的一个实例。

图2示意性地示出了现有技术的另一实例。

图3示意性地示出了现有技术的又一实例。

图4示意性地示出了根据本发明的多级高效置换式的烟气余热利用系统的一个较佳实施例的结构。

具体实施方式

现在将详细参考附图描述本发明的实施例。

如上所述，现有的烟气换热器系统主要是吸收空预器出口的烟气余热，降低机组的煤耗量。但是，锅炉烟气系统及其相应的排放、净化等设备电耗巨大，由于系统中烟气温度较低，加热的凝结水温度不高，减少的凝结水加热需要的蒸汽的热利用效率较低；最终排烟温度仍较高，整体热利用量较小；系统存在一定风险，可以改进的方面还很多，比如：

(1)对于烟气余热利用，目前的解决方案均为加热凝结水或者热水系统，用以减少加热凝结水的蒸汽量，而减少的蒸汽可以用来发电，相对于降低了煤耗。对于大容量机组，凝结水-给水系统多采用三高四低一除氧系统，温度较低的凝结水采用品质较低的蒸汽来加热。锅炉燃烧后产生的烟气，根据锅炉形式和燃煤种类的不同，其温度一般在110℃～170℃之间。对于我国多数的大型火力发电厂，燃用的均为优质动力烟煤，一般烟气排放温度为120～130℃左右。因此，对于前述的目前采用的烟气余热系统来讲，由于烟气温度较低，仅能加热最末几级的凝结水。我们对某工程进行了测算，第六级和第七级低加用于加热凝结水的蒸汽，其发电能力相差50％左右。而本专利采用空预器的旁路烟气，温度高达350～380℃左右，可加热较高温度的凝结水或者给水，减少相应品质高的多的加热凝结水或给水的蒸汽，以此高品质蒸汽良好的做功发电能力来获得最大的节能收益。

(2)对于现有的烟气余热利用系统，采用空预器出口排放的烟气来加热凝结水，由于凝结水温度较高，换热必须保证一定的端差，大幅降低排烟温度充分利用烟气的余热比较困难，且需要很大的换热面积；且根据上述第一条说明，为了取得较高的蒸汽发电收益，宜加热温度较高的凝结水，这又与降低最终的烟气排放温度相矛盾。因此，现有的烟气余热利用系统设备换热面积巨大，且烟气的余热并不能充分利用。本专利采用的烟气-空气换热器，中间介质可以是水或也可以是其它介质，冷端介质可以环境温度的空气。烟气、空气温差较大，因而能达到最大程度换热的效果。

(3)对于仅采用烟气-空气的换热系统，经过烟气-空气的换热系统或设有介质的换热系统后，进入空预器入口的风温提高，而空预器出口风温已经和空预器进口烟气温差不大，空预器出口风温很难再提高，因此最终的结果是造成排烟温度提高，烟气-空气的换热系统空气侧获得的容量在烟气侧排出，对机组效率影响不大。而本专利采用烟气空预器旁路的方式，减少了进入空预器的烟气流量，采用烟气-空气的换热系统后，空预器的进风温度提高，只需要空预器出口风温不变或者略微提高，在技术上是完全能够实现的。

(4)本发明烟气-凝结水换热完全在高于烟气酸露点的工况下运行，烟气-空气的换热系统虽在酸露点以下的工况下运行，但是采用了中间介质，介质的压力和流量可以控制，并采用耐酸的材料避免酸腐蚀；由于采用了中间介质，系统的控制也更容易，更有利于机组的安全运行。

(5)空预器的冷端腐蚀是火力发电厂机组运行中经常遇到的另一个问题，国内多采用蒸汽暖风器或者热风再循环的方式予以解决，而这样的方案均以提高排烟温度，即降低锅炉效率，为代价。而本发明采用的烟气-空气的换热系统，提高了空预器的进风温度，完全避免了空预器的冷端腐蚀问题，同时提高了锅炉和机组的效率。

本发明针对上述已有烟气余热利用系统的不足，采用空预器旁路烟气的烟气-凝结水(给水)换热器和吸收塔入口的烟气-空气换热器，利用低温烟气加热冷风，置换出的高温的空预器旁路烟气来加热汽轮机系统较高温度的凝结水或给水。采用上述系统后，既可最大限度地回收了烟气的余热，并以最高的效率予以发电，以降低火电厂的煤耗，又可防止烟气腐蚀设备，还可以利用较低的烟气温度降低脱硝塔水耗、降低脱硫塔内烟气流速以提高脱硫效率等综合的效益。

如图4所示，本发明的应用于火电发电厂的多级高效置换式的烟气余热利用系统主要包括：锅炉401、空气预热器的烟气侧部分402、烟气-凝结水(给水)换热器403、吸收塔404、烟气-空气换热器405、空气预热器的空气侧部分406等等。

在图4中，空气预热器的烟气侧部分402经由烟气管道接收来自锅炉401的烟气。烟气-凝结水(给水)换热器(即，烟气-凝结水换热器或者烟气-给水换热器)403经由连通上述空气预热器的旁路烟气管道408接收来自锅炉401的烟气，以加热凝结水或者给水。该凝结水或者给水是汽轮机回热系统407中的凝结水或者给水。特别是，汽轮机回热系统407中的凝结水或者给水可以是来自于低压加热器的出口的凝结水，也可以是来自高压加热器的出口的给水。此外，烟气-凝结水(给水)换热器403可以是热管式换热器，也可以是表面式换热器。

根据本发明的一个优选实施例，旁路烟气管道408中可以设置有调节挡板门409，这样可以调节烟气量，进而控制混合后的排烟温度。此外，吸收塔404可以是脱硫吸收塔。

此外，烟气-空气换热器405与吸收塔404的入口相连接，该烟气-空气换热器405接收从空气预热器的烟气侧部分402和烟气-凝结水(给水)换热器403排出的烟气。

空气预热器的空气侧部分406与烟气-空气换热器405相连接。

在运行时，锅炉401燃烧产生的烟气通过空气预热器的烟气侧部分402后，根据锅炉形式和燃煤种类的不同，该空气预热器的烟气侧部分402进口处的烟气温度约为350℃～380℃之间，同时该空气预热器的烟气侧部分402的出口处的烟气温度一般在110℃～170℃之间。对于我国多数的大型火力发电厂，燃用的均为优质动力烟煤，一般烟气排放温度为120～130℃左右。

因此，本发明的系统分为两个互为补充的部分：

第一部分为烟气-凝结水(给水)换热器403，抽取空气预热器的烟气侧部分402的350℃～380℃旁路烟气，以加热凝结水或者给水，即烟气侧放热且凝结水侧吸热。放热后的烟气同空气预热器的烟气侧部分402的出口的烟气混合，混合后的烟气温度约120℃～140℃左右，同正常的空预器出口排烟温度相当。而烟气-凝结水(给水)换热器403的阻力略小于空气预热器的烟气侧部分402的烟气侧阻力，且和空气预热器的烟气侧部分402为并联关系，依靠现有引风机能够满足运行要求。

第二部分为烟气-空气换热器405。如上所述，该换热器405布置在(脱硫)吸收塔404的入口处，采用水或者其它介质作为换热中间介质。烟气侧放热给介质，介质吸热后再放热给空气。由于空气系统为大气环境吸风，温度同环境温度相当，因此可以将进入吸收塔404的烟气降低至较低的温度。空气被烟气-空气换热器405加热后，再进入空气预热器的空气侧部分406与烟气换热。由于烟气部分旁路进入了烟气-凝结水(给水)换热器403，因此进入空气预热器的烟气侧部分402的烟气量相对减少了，空气预热器的烟气侧部分402中与空气的吸热量也减少，而烟气-空气换热器405中空气已经进行了吸热，能够弥补空气预热器的空气侧部分406中吸热不足的问题，保证热风温度不变甚至略有提高。

本发明的主要技术特点是充分利用低温烟气来加热冷风，置换出的高温的烟气来加热汽轮机系统较高温度的凝结水或给水，减少了较高温度的凝结水或给水加热需要的较高品质的蒸汽，由于上述蒸汽具有较好的做功发电能力，以此达到最大程度节能的目的。

该方案的凝结水系统的阻力可以由汽轮机凝结水(给水)系统中的凝结水泵克服，例如图4中的凝结水升压泵410。如图所示，该凝结水升压泵410设置于烟气-凝结水换热器403与汽轮机回热系统407之间。

此外，旁路烟气比例、最终的排烟温度，以及烟气换热器所需要的换热面积取决于如下因素：(1)这些引出点的凝结水(给水)温度、流量；(2)空预器进口烟气温度；(3)烟气-凝结水(给水)换热器和烟气-空气换热器系统的采购成本；(4)由于凝结水(给水)温度的上升导致汽轮机抽汽减少而节约的汽轮发电机组能耗或可以多产生的电功率；(5)烟气换热器系统增加的烟气侧和凝结水侧的阻力导致的风机和凝结水泵电耗的增加；(6)脱硫系统节约的水耗带来的收益；(7)空气的吸风温度(环境温度)；(8)脱硫塔提高脱硫效率带来的收益；(9)其他因为设置了该方案而导致的电厂热力系统和烟风系统的设备配置和系统配置的变化。

综上所述，本发明基于汽轮机热力循环基本原理。汽轮机凝结水(给水)系统中的凝结水(给水)冷却锅炉烟气并被烟气加热后返回汽轮机凝结水系统，由于凝结水(给水)温度的上升排挤了部分低压加热器中(高压加热器)的抽汽，在汽轮机进汽量不变的情况下，被排挤的抽汽在汽轮机内膨胀做功，因此，在机组煤耗量不变的情况下增加了汽轮发电机的发电量，同理，在汽轮发电机发电量不变的情况下，可节约机组的煤耗。本发明通过烟气-凝结水(给水)换热器和烟气-空气换热器利用锅炉烟气中的热量。本发明采用吸收塔入口低温的烟气加热冷风，温度升高后的冷风再通过空预器加热至燃烧和制粉系统需要的热风，在空预器中参与对冷风进一步加热的烟气量可以减少，此部分烟气可以作为旁路来加热凝结水或给水，由于此旁路烟气温度很高，烟气-凝结水(给水)换热器可以加热高温的凝结水或者给水，而温度越高的凝结水(给水)，对应的加热蒸汽品质越高，做功发电能力也越强，因此本发明可以大幅提高烟气余热的利用效率。

特别是，本发明通过烟气-凝结水(给水)换热器和烟气-空气换热器利用锅炉烟气中的热量。烟气-空气换热器系统在冷端是环境温度的冷风，同锅炉排烟具有相当的温差，因此能够大幅降低进入吸收塔的烟气温度，也即提高了系统的换热量。

此外，本发明通过烟气换热器利用锅炉烟气中的热量，进入脱硫吸收塔的烟气温度降低。对于烟气湿法脱硫的工艺，需要将烟气在脱硫吸收塔中在脱硫剂浆液的喷淋作用下温度下降到40℃～50℃，在这个过程中烟气的放热蒸发了浆液中的水分。烟气温度越高，对浆液中的水分的蒸发量越大，脱硫系统的水耗量越大。因此，采用本发明后，降低进入脱硫吸收塔的烟气温度，可减少脱硫吸收塔的水的蒸发量，大大降低脱硫系统的用水量。

本发明通过烟气换热器利用锅炉烟气中的热量，进入脱硫吸收塔的烟气温度降低，导致烟气的容积流量下降。烟气进入脱硫吸收塔之后，烟气的流速将下降，烟气在脱硫塔喷淋区域中的停留时间会有所增加，即增加了烟气中的二氧化硫和脱硫浆液的接触时间，可提高脱硫吸收塔的脱硫效率，降低二氧化硫的排放。

本领域技术人员可显见，可对本发明的上述示例性实施例进行各种修改和变型而不偏离本发明的精神和范围。因此，旨在使本发明覆盖落在所附权利要求书及其等效技术方案范围内的对本发明的修改和变型。

Claims (7)

1.一种多级高效置换式的烟气余热利用系统，所述烟气余热利用系统应用于火电发电厂，包括：

锅炉；

空气预热器，包括烟气侧部分和空气侧部分并经由烟气管道接收来自所述锅炉的烟气；

烟气-凝结水(给水)换热器，经由连通所述烟气管道的一旁路烟气管道接收来自所述锅炉的烟气，以加热凝结水或者给水；吸收塔；以及

烟气-空气换热器，布置在所述空气预热器的烟气侧部分及烟气-凝结水(给水)换热器的下游，并与所述吸收塔的入口相连接，所述烟气-空气换热器接收从所述空气预热器和所述烟气-凝结水(给水)换热器排出的烟气，其中所述烟气-空气换热器加热过的空气与所述空气预热器的空气侧部分相连。

2.如权利要求1所述的烟气余热利用系统，其特征在于，所述旁路烟气管道中设置有调节挡板门，以调节烟气量。

3.如权利要求1所述的烟气余热利用系统，其特征在于，所述烟气-空气换热器通过中间介质来进行换热，以及所述空气预热器的空气侧部分的进口与所述烟气-空气换热器相连接。

4.如权利要求1所述的烟气余热利用系统，其特征在于，所述换热介质是汽轮机回热系统的凝结水或者给水。

5.如权利要求4所述的烟气余热利用系统，其特征在于，所述汽轮机回热系统的凝结水或者给水来自于低压加热器的出口或者高压加热器的出口。

6.如权利要求1所述的烟气余热利用系统，其特征在于，所述烟气-凝结水(给水)换热器为热管式换热器或者表面式换热器。

7.如权利要求4所述的烟气余热利用系统，其特征在于，还包括：

凝结水升压泵，设置于所述烟气-凝结水换热器与所述汽轮机回热系统之间。

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