CN104165531B - 用于烟气余热回收的填料塔 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于烟气余热回收的填料塔，所述用于烟气余热回收的填料塔包括：填料塔主体；烟气入口，设置在所述填料塔主体的底部；喷淋循环水入口，设置在所述填料塔主体的顶部；喷淋循环水出口，设置在所述填料塔主体的底部；烟气出口，设置在所述填料塔主体的顶部；填料层，设置在所述烟气入口与所述喷淋循环水入口之间，以及设置在所述烟气入口与所述烟气出口之间；所述填料层由S型波纹填料板或双斜波填料板水平平铺形成，所述填料层从上至下连通所述烟气入口与所述喷淋循环水入口、以及所述烟气出口，烟气和喷淋循环水在所述填料层中进行直接换热。本发明解决了空塔直接接触换热影响换热效率和整个系统的操作稳定性的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于烟气余热回收的填料塔，尤其是一种用于天然气锅炉的烟气余热回收的填料塔。
背景技术
目前广泛用于烟气回收的装置的换热设备主要分为空塔直接接触换热，和烟气——水间接换热两种方式。对于空塔直接接触换热采用在塔内气液直接接触喷淋换热方式，容易引起炉室形成涡流，紊流，影响换热效率和整个系统的操作稳定性；而对于烟气——水间接换热需要布置大量的钢管以保证受热面积,对烟气造成很高的流动阻力，此外间接换热的传热面(钢管的外表面)容易结水垢,需要定期维护换热器存在长期运行后换热效果恶化。
综上所述，现有技术中至少存在以下问题：空塔直接接触换热，容易引起炉室形成涡流，紊流，影响换热效率和整个系统的操作稳定性。
发明内容
本发明提供一种用于烟气余热回收的填料塔，以解决空塔直接接触换热影响换热效率和整个系统的操作稳定性的问题。
为此，本发明提出一种用于烟气余热回收的填料塔，所述用于烟气余热回收的填料塔包括：
填料塔主体；
烟气入口，设置在所述填料塔主体的底部；
喷淋循环水入口，设置在所述填料塔主体的顶部；
喷淋循环水出口，设置在所述填料塔主体的底部；
烟气出口，设置在所述填料塔主体的顶部；
填料层，设置在所述烟气入口与所述喷淋循环水入口之间，以及设置在所述烟气入口与所述烟气出口之间；所述填料层由S型波纹填料板或双斜波填料板水平平铺形成，所述填料层从上至下连通所述烟气入口与所述喷淋循环水入口、以及所述烟气出口，烟气和喷淋循环水在所述填料层中进行直接换热。
进一步地，所述用于烟气余热回收的填料塔还包括：与所述喷淋循环水入口连接的储水箱，设置在所述填料塔主体的底部。
进一步地，所述用于烟气余热回收的填料塔还包括：碱液进口，设置在所述储水箱上。
进一步地，溢流口，设置在所述储水箱上。
进一步地，氧化剂入口，设置在所述填料塔主体的底部。
进一步地，所述S型波纹填料板的比表面积为100至200m2/m3，厚度为0.5mm-1.5mm，网孔形状为正方形，孔的边长为5mm；或网孔形状为圆形，孔直径为4mm。
进一步地，所述双斜波填料板的比表面积为120至300m2/m3，厚度为0.5mm-2mm，网孔形状为正方形，孔的边长为5mm；或网孔形状为圆形，孔直径为4mm。
进一步地，所述填料层的厚度根据如下方法确定：将用于烟气余热回收的填料塔的换热过程分为第一阶段的换热和第二阶段的换热，第一阶段为80℃至100℃的烟气与循环水换热后温度下降到50℃至60℃过程中发生的显热换热；第二阶段为50℃至60℃的烟气与循环水换热过程中，烟气温度下降到20℃至30℃过程中发生的显热换热、以及此过程中，因烟气中的水蒸气发生相变冷凝成水而产生的潜热；一部分填料层的厚度用于满足第一阶段的换热，另一部分填料层的厚度用于满足第二阶段的换热，所述填料层的厚度等于上述两部分的厚度之和。
进一步地，所述填料层的高度为2m，总压降为300Pa。
进一步地，所述氧化剂入口通过连接至所述烟气入口设置在所述填料塔主体的底部。
本发明在用于烟气回收的空塔中加入了填料层，烟气和喷淋循环水在所述填料层中进行直接换热，增加了气液两相的接触时间，提升了直接接触换热的效率，既避免了空塔气液两相在塔内接触换热时形成的涡流、紊流对操作稳定性的影响，又避免了由此引起的塔体振动，从而增加塔的使用寿命，增强塔的安全性，与空塔气液体直接换热相比较可提升换热效率30％左右。
另外，由于增加了气液两相的接触时间，提升了直接接触换热的效率，因而能够减少水泵功率30％左右，可提高换热冷凝水的温度10-20℃，可提高提取热设备热泵的工作性能和工作范围，节约了大量的能源，减少了热排放。
进而，由于水泵功率能够减少30％左右，以3MW余热回收装置为例，其水泵功率从空塔直接换热的90KW减少到60KW,，降低了固定投资，运营能耗大大减少，同时对安装场地要求更加宽泛，制作安装周期缩短，维修更加方便。
附图说明
图1为本发明的用于烟气余热回收的填料塔的俯视结构示意图；
图2为图1的A-A剖视结构示意图。
附图标号说明：
1填料塔主体 2烟气入口 21氧化剂入口 3喷淋循环水入口 4喷淋循环水出口5烟气出口 6填料层 7储水箱 71碱液进口 8人孔
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明。
如图1和图2所示，本发明提出一种用于烟气余热回收的填料塔，所述用于烟气余热回收的填料塔包括：
填料塔主体1；
烟气入口2，设置在所述填料塔主体的底部，烟气进入填料塔主体1的温度为90度或90度左右；
喷淋循环水入口3，设置在所述填料塔主体1的顶部；
喷淋循环水出口4，设置在所述填料塔主体1的底部；喷淋循环水在填料塔主体1内从上至下喷淋，然后经喷淋循环水连接管从填料塔主体1外自下至上循环；
烟气出口5，设置在所述填料塔主体1的顶部；
填料层6，设置在所述述填料塔主体中，并设置在所述烟气入口2与所述喷淋循环水入口4之间，以及设置在所述烟气入口2与所述烟气出口5之间；所述填料层由S型波纹填料板或双斜波填料板水平平铺形成，所述填料层6从上至下连通所述烟气入口与所述喷淋循环水入口、以及所述烟气出口，烟气和喷淋循环水在所述填料层中进行直接换热。例如为2米，烟气自下而上流动，喷淋水自上而下流动，填料层为烟气与水的热质交换界面，烟气中的水蒸气将热量传递给喷淋水，烟气温度降至露点以下，冷凝放出大量的潜热，喷淋水获得烟气热量，温度升高。
以填料塔主体的内部腔体的高度8米为例，该填料塔的余热回收为3MW，填料层6的厚度计算如下：
以S波纹填料板为例，本申请选用比表面积为118m2/m3的S波纹填料板。主要考虑到与本申请的额定工况(进出口水温和空气温度变化)匹配。
在填料层6的厚度的计算上，本发明采用将换热过程分为两块模型化的方式，即填料在塔中发生显热和潜热的换热过程，在主要为显然换热过程中，90℃的烟气和循环水换热后温度下降到55℃左右；在为显然加潜热的过程中，烟气温度再由55℃下降到30℃左右，此过程包括烟气的显热换热，而且还包括在显然加潜热的过程中，因烟气中的水蒸气发生相变冷凝成水而产生的潜热。
据此，本发明中，将填料层6的厚度也分为：用于显热和显然加潜热的换热厚度，即一部分填料层6的厚度用于满足显热换热，另一部分填料层6的厚度用于满足显热换热加潜热换热。这两部分的填料层的厚度计算原理和过程是不同的，主要体现在换热系数的差异，或者再加上温度差，相变因素等的。单纯的显热换热过程中，换热系数较小，考虑到等效综合换热系数与单相对流换热系数对比，以及换热公式计算，显热过程需要的填料高度为：0.36米，显然加潜热过程参照上述冷却塔中的测试结果，需要的填料高度为：1.56米。叠加后，填料层6的总厚度为1.92米。
经过这样的模型化处理，本发明采用填料层可以简明的一分为二，因而，可以将复杂的换热过程转换为简单的分步处理，根据不同换热过程，得到不同的换热高度，最后将两部分填料层6的厚度进行叠加，即得到总的填料层6的厚度。
因此，要满足换热3MW的设计，需要s型波纹填料板的总厚度为1.92m。根据上述计算结果，实际选用H＝2m的s型波纹填料即可满足设计要求；
同理可以推导出满足换热3MW的设计,双斜波填料H＝1.52m,实际选用H＝2m。
填料层从下到上设置四层,每层支撑在支撑架上，每层高度0.5m，其中上两层主要吸收降温之后的显热，下两层主要吸收相变之后的潜热，在填料塔中入口烟气水蒸汽含量约20-25％，因此，选用低比表面积的塑料板或不锈钢波纹填料(S波纹填料或双斜波填料)。
与空塔气液两相在塔内接触换热进行对比，其不仅在换热效果上增强30％以上，同时避免了空塔气液两相在塔内接触换热时形成的涡流、紊流对操作稳定性的影响，可减少喷淋循环水泵和烟气风机功率30％左右，提高换热冷凝水的温度10-20℃，可提高提取热设备热泵的工作性能和工作范围。
进一步地，如图1所示，所述用于烟气余热回收的填料塔还包括：与所述喷淋循环水入口连接的储水箱7，设置在所述填料塔主体1的底部，以储水。填料塔主体1上还设有人孔8，用于检修。
进一步地，如图1所示，所述用于烟气余热回收的填料塔还包括：碱液进口71，设置在所述储水箱7上，以调节储水箱内PH值。当探测到PH值小于7时，可以通过碱液进口71向储水箱内投放碱液或碱面来调节水箱内水的PH值，当探测到PH值不小于9时，停止投放碱液或碱面。
进一步地，溢流口，设置在所述储水箱7上。随着冷凝水不断进入储水箱，当水量达到最高水位后，多余的水就从溢流口排出。
进一步地，如图1所示，氧化剂入口21，设置在所述填料塔主体1的底部。氧化剂与烟气混合，将烟气中的低价氮氧化物和低价氧化硫氧化成高价氧化物。
进一步地，以吸收烟气余热3MW的填料塔为例，采用S型波纹填料板：比表面积为100至200m2/m3，优选为118m2/m3，厚度为0.5mm-1.5mm，网孔形状为正方形，孔的边长为5mm；或网孔形状圆形，孔直径为4mm，填料层6的总厚度为2m，总压降为300Pa，或者，采用双斜波填料板：比表面积为120至300m2/m3，厚度为0.5mm-2mm，网孔形状为正方形，孔的边长为5mm；或网孔形状圆形，孔直径为4mm，填料层6的总厚度为2m，总压降为300Pa，换热效果上增强30％，提高换热冷凝水的温度10-20℃。
本发明的填料(层)是作为烟气的换热表面，喷淋水只要均匀喷洒在填料中以维持填料表面的温度即可获得优良的稳定的换热效果，烟气与填料表面的接触面积比较大，在获得优良的换热效果的同时，烟气在填料中的流动阻力较小，烟气中的酸性物质也比较容易被填料表面的喷淋水膜所吸收。而对于空塔喷雾与烟气直接接触式换热，烟气是与漂浮在烟气中微小雾珠的表面进行接触换热，要达到相同的接触换热面积和换热效果，喷雾直径大约在50微米，喷雾的微小雾珠在空塔中还至少停留5秒钟，则此情况的烟气压差在400-600Pa，而将水喷成大约50微米的雾珠至少需要消耗0.2MPa的喷雾水泵压头，而且喷雾空塔需要的水泵的流量相对与喷淋填料塔的要增加30-50％。一方面，由于本实施例的一种用于烟气余热回收的喷淋填料塔达到同样的换热效果可以采用更小的喷淋流量，则与烟气换热后的喷淋水的温升可以提高5-20度，从而可以明显提高余热利用设备如热泵的工作性能和工作范围；另一方面，由于本实施例的一种用于烟气余热回收的喷淋填料塔的输送喷淋水的水泵的流量和压头都明显减少，风机的压头也降低显著，因而本实施例的一种用于烟气余热回收的喷淋填料塔的输送风机和水泵的电功率，与空塔喷雾与烟气直接接触式换热方式相比较，可节省风机和水泵的电功率30-50％甚至等多，节能效果明显。
进一步地，本实施例的一种用于烟气余热回收的喷淋填料塔选用波纹填料，无论余热回收热负荷如何变化烟气在波纹填料中的流动阻力都比较均衡，不会出现空塔喷雾直接接触式换热技术的烟气在塔中的偏流和回流的问题，而且填料表面积稳定可靠也就是换热性能稳定可靠，因而余热利用的稳定性和余热利用的效率都相对明显提高。而空塔喷雾直接接触式换热技术不仅在塔中可能存在偏流和回流，特别是热回收负荷偏离设计较大时尤其突出，而且其喷雾效果显著影响换热效果和热回收效率，因为空塔喷雾直接接触式换热是喷雾的微小雾珠的表面积提供了接触换热的换热表面积，而喷雾效果在长期运行过程中不可避免会出现波动，或者部分喷雾设备在长期运行过程很有可能堵塞甚至损坏等而使得喷雾效果变差，因而空塔喷雾直接接触式换热技术就相对本实施例的一种用于烟气余热回收的喷淋填料塔的余热回收性能不够稳定和热效率波动等问题。本实施例基本消除了空塔的烟气流动的偏流和涡流的影响，避免了由此引起的塔体振动，从而增加塔的使用寿命，增强塔的安全可靠性。
进一步地，所述氧化剂入口21通过连接至所述烟气入口2设置在所述填料塔主体的底部。氧化剂例如采用臭氧，或者双氧水，通过氧化剂入口进入填料塔，与烟气混合，将烟气中的低价氮氧化物和低价氧化硫氧化成高价氧化物。采用臭氧时，同时在填料塔底部设置臭氧发生器，将臭氧与烟气混合，可兼顾脱硝和自动加碱工艺，具有更优良的节能环保效益。
本发明中，烟气在中间填料层与顶部喷淋下来的循环喷淋水逆流直接接触，烟气与循环喷淋水在填料中进行热质交换降低烟气温度和含湿量而获得余热(显热和潜热)同时回收冷凝水，大大增加了气液两相的接触时间，提升了直接接触换热的效率，避免了空塔气液两相在塔内接触换热时形成的涡流、紊流对操作稳定性的影响。进而，采用氧化剂后，烟气中的低价氮氧化物在填料塔底部被臭氧氧化后，也进行了有效处理和换热，具有更优良的节能环保效益。
以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。为本发明的各组成部分在不冲突的条件下可以相互组合，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。
Claims (9)
1.一种用于烟气余热回收的填料塔，所述用于烟气余热回收的填料塔包括：
填料塔主体；
烟气入口，设置在所述填料塔主体的底部；
喷淋循环水入口，设置在所述填料塔主体的顶部；
喷淋循环水出口，设置在所述填料塔主体的底部；
烟气出口，设置在所述填料塔主体的顶部；
填料层，设置在所述烟气入口与所述喷淋循环水入口之间，以及设置在所述烟气入口与所述烟气出口之间；所述填料层由S型波纹填料板或双斜波填料板水平平铺形成，所述填料层从上至下连通所述烟气入口与所述喷淋循环水入口以及所述烟气出口，烟气和喷淋循环水在所述填料层中进行直接换热；
其特征在于，所述填料层的厚度根据如下方法确定：将用于烟气余热回收的填料塔的换热过程分为第一阶段的换热和第二阶段的换热，第一阶段为80℃至100℃的烟气与循环水换热后温度下降到50℃至60℃过程中发生的显热换热；第二阶段为50℃至60℃的烟气与循环水换热后烟气温度下降到20℃至30℃过程中发生的显热换热以及此过程中因烟气中的水蒸气发生相变冷凝成水而产生的潜热；一部分填料层的厚度用于满足第一阶段的换热，另一部分填料层的厚度用于满足第二阶段的换热，所述填料层的厚度等于两部分填料层的厚度之和。
2.如权利要求1所述的用于烟气余热回收的填料塔，其特征在于，所述用于烟气余热回收的填料塔还包括：与所述喷淋循环水入口连接的储水箱，设置在所述填料塔主体的底部。
3.如权利要求2所述的用于烟气余热回收的填料塔，其特征在于，所述用于烟气余热回收的填料塔还包括：碱液进口，设置在所述储水箱上。
4.如权利要求2所述的用于烟气余热回收的填料塔，其特征在于，溢流口，设置在所述储水箱上。
5.如权利要求2所述的用于烟气余热回收的填料塔，其特征在于，氧化剂入口，设置在所述填料塔主体的底部。
6.如权利要求2所述的用于烟气余热回收的填料塔，其特征在于，所述S型波纹填料板的比表面积为100至200m2/m3，厚度为0.5mm-1.5mm，网孔形状为正方形，孔的边长为5mm；或网孔形状为圆形，孔直径为4mm。
7.如权利要求2所述的用于烟气余热回收的填料塔，其特征在于，所述双斜波填料板的比表面积为120至300m2/m3，厚度为0.5mm-2mm，网孔形状为正方形，孔的边长为5mm；或网孔形状为圆形，孔直径为4mm。
8.如权利要求6或7所述的用于烟气余热回收的填料塔，其特征在于，所述填料层的高度为2m，总压降为300Pa。
9.如权利要求5所述的用于烟气余热回收的填料塔，其特征在于，所述氧化剂入口通过连接至所述烟气入口设置在所述填料塔主体的底部。
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