CN105020734A - 一种回收烟气余热的方法与装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种回收烟气余热的方法与装置。方法的主要特征是，烟气显热换热器烟气通道(7)内的高温烟气向烟气显热换热器空气通道内的空气放热后，与燃料气在吸收式热泵(19)内燃烧产生的烟气混合，进入烟气次级换热器烟气通道。烟气次级换热器冷媒通道(11)内的冷媒被烟气次级换热器烟气通道内的烟气加热后进入吸收式热泵冷媒盘管(20)，被吸收式热泵内部工质吸收热量；所述工质向吸收式热泵空气盘管(21)内的空气放热，空气被加热后进入烟气显热换热器空气通道。本发明公开了用于实现本发明方法的回收烟气余热的装置。本发明主要用于石油炼制与石油化工领域的管式加热炉，回收利用管式加热炉烟气的显热和潜热。

Description

一种回收烟气余热的方法与装置
技术领域
本发明涉及石油炼制与石油化工领域的一种回收烟气余热的方法与装置。
背景技术
管式加热炉是石油炼制与石油化工领域生产装置的耗能大户，燃料消耗量在生产装置的能耗中占有相当大的比例：少则20v％～30v％(v％表示体积百分数)，多则80v％～90v％；因此回收利用管式加热炉烟气的余热对于减少燃料消耗量、降低生产成本有着重要的意义。另一方面，随着人类对能源需求的增大，管式加热炉燃料燃烧引起的SOX、NOX和烟尘的排放量日益增加；而限制污染物排放、保护环境、保持可持续发展，已经成为我国的基本国策。目前工业生产上普遍采用空气预热器来进行管式加热炉烟气余热的回收利用；但对于常规的空气预热器，一般只能回收利用烟气的显热部分，对烟气的潜热部分无法回收利用，使管式加热炉的平均热效率只有90％左右(管式加热炉的热效率按SHF0001-90《石油化工工艺管式炉效率测定法》测定)。分析表明，在管式加热炉的排烟损失中，水蒸汽的冷凝潜热所占的份额相当大；若能够将这部分潜热加以回收利用，无疑将大大提高管式加热炉的热效率。
中国专利CN103438575A公开了一种燃气锅炉低温排烟深度利用系统及其控制方法，系统包含燃气锅炉、烟气余热回收利用装置、烟气源热泵、自动加药系统、自动补水系统以及数据采集系统和集中监控系统。该发明将回收的烟气余热(包括显热和潜热)用于预热锅炉采暖给水，提高了燃气利用率。现有回收利用烟气余热(包括显热和潜热)的技术，采用的都是类似该发明的方案。但现有技术的方案并不适合在石油炼制与石油化工领域的管式加热炉上应用；因为管式加热炉对流段出来的烟气温度通常在330～340℃，用这样的高温烟气预热采暖给水，水就会汽化，系统将无法正常运行；同时管式加热炉最终要实现的是烟气与助燃空气之间的换热，而不是实现烟气与采暖给水之间的换热。如何在管式加热炉上实现利用回收的烟气余热(包括显热和潜热)来预热管式加热炉的助燃空气进而大幅提高管式加热炉的热效率，是炼化企业对管式加热炉进一步开展节能减排工作的方向。
发明内容
本发明的目的是提供一种回收烟气余热的方法与装置，以解决现有技术分别存在的无法回收利用烟气潜热、不适合在石油炼制与石油化工领域管式加热炉上应用的问题。
为解决上述问题，本发明采用的技术方案是：一种回收烟气余热的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
A、启动冷媒循环泵，使冷媒在烟气次级换热器的烟气次级换热器冷媒通道与吸收式热泵的吸收式热泵冷媒盘管之间循环流动，向吸收式热泵的吸收式热泵空气盘管通入常温空气；
B、向吸收式热泵内通入燃料气，燃料气在吸收式热泵内燃烧，加热吸收式热泵内部工质并使吸收式热泵内部工质循环流动，燃料气燃烧产生的烟气温度为140～150℃；
C、来自管式加热炉对流段的330～340℃的高温烟气进入烟气显热换热器的烟气显热换热器烟气通道，向在下述步骤D中进入烟气显热换热器的烟气显热换热器空气通道的60～70℃的空气放热，放热后温度降至100～110℃并从烟气显热换热器流出，与燃料气燃烧产生的烟气混合，再一起进入烟气次级换热器的烟气次级换热器烟气通道，烟气显热换热器空气通道内的空气被加热至230～240℃后进入管式加热炉空气助燃系统；
D、进入烟气次级换热器烟气通道的烟气向烟气次级换热器冷媒通道内的冷媒放热，温度降为35～40℃后排入大气，烟气次级换热器冷媒通道内的冷媒被加热后进入吸收式热泵冷媒盘管，吸收式热泵冷媒盘管内的冷媒被吸收式热泵内部工质吸收热量，吸收式热泵内部工质向吸收式热泵空气盘管内的空气放热，吸收式热泵空气盘管内的空气被加热至60～70℃后进入烟气显热换热器空气通道。
用于实现上述方法的回收烟气余热的装置，设有烟气显热换热器，烟气显热换热器设有烟气显热换热器烟气通道、烟气显热换热器空气通道，其特征在于：所述装置还设有烟气次级换热器、吸收式热泵、冷媒循环泵，烟气次级换热器设有烟气次级换热器烟气通道、烟气次级换热器冷媒通道，吸收式热泵设有燃料气管线、支烟气管、吸收式热泵冷媒盘管、吸收式热泵空气盘管，冷媒循环泵的入口与吸收式热泵冷媒盘管的出口之间设有冷媒循环泵入口管线，冷媒循环泵的出口与烟气次级换热器冷媒通道的入口之间设有冷媒循环泵出口管线，烟气次级换热器冷媒通道的出口与吸收式热泵冷媒盘管的入口之间设有冷媒连接管线，吸收式热泵空气盘管的入口设有空气入口管线，吸收式热泵空气盘管的出口与烟气显热换热器空气通道的入口之间设有空气输送管线，烟气显热换热器空气通道的出口设有空气出口管线，烟气显热换热器烟气通道的入口设有主烟气管线入口管线，烟气显热换热器烟气通道的出口与烟气次级换热器烟气通道的入口之间设有主烟气管线连接管线，支烟气管的出口连接于主烟气管线连接管线上，烟气次级换热器烟气通道的出口设有主烟气管线出口管线。
采用本发明，具有如下的有益效果：(1)本发明适合在石油炼制与石油化工领域的管式加热炉上应用。烟气次级换热器冷媒通道内的冷媒吸收烟气次级换热器烟气通道内烟气的热量(潜热和显热)后进入吸收式热泵冷媒盘管，吸收式热泵通过燃烧少量燃料气使其内部工质循环流动，将吸收式热泵冷媒盘管内低温位冷媒携带的烟气热量传递给吸收式热泵空气盘管内高温位的空气；所述的空气再在烟气显热换热器空气通道内吸收高温烟气热量后进入管式加热炉空气助燃系统。对于管式加热炉烟气，正常水露点为40～50℃；若管式加热炉燃料脱硫不彻底，烟气中因含有硫酸蒸汽而使烟气露点上升到90～100℃。本发明可以将烟气的温度降到35～40℃，所以可以回收利用来自管式加热炉对流段高温烟气的大部分显热和潜热，提高助燃空气温度。经计算，本发明可以使管式加热炉的热效率达到100％以上，最多达到108％。与现有技术相比，本发明可以大幅提高管式加热炉的热效率，减少其燃料消耗量。(2)本发明由于烟气的排放温度较低(35～40℃)，所以能更有效地回收烟气次级换热器烟气通道内烟气的显热。同时，烟气中的水蒸汽在烟气次级换热器烟气通道内冷凝成的液体可以吸收烟气中的一部分SOX、NOX和烟尘等污染物，从而可以减轻这些污染物对大气的污染，有利于环保。
本发明主要用于石油炼制与石油化工领域的管式加热炉，回收利用管式加热炉烟气的显热和潜热。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。附图和具体实施方式并不限制本发明要求保护的范围。
附图说明
图1是本发明的一种回收烟气余热的装置的示意图。
具体实施方式
参见图1，本发明的一种回收烟气余热的装置设有烟气显热换热器5、烟气次级换热器10、吸收式热泵19、冷媒循环泵17。烟气显热换热器5设有烟气显热换热器烟气通道7、烟气显热换热器空气通道。烟气次级换热器10设有烟气次级换热器烟气通道、烟气次级换热器冷媒通道11。吸收式热泵19为燃气型吸收式热泵，设有燃料气管线22、支烟气管16、吸收式热泵冷媒盘管20、吸收式热泵空气盘管21。
冷媒循环泵17的入口与吸收式热泵冷媒盘管20的出口之间设有冷媒循环泵入口管线18，冷媒循环泵17的出口与烟气次级换热器冷媒通道11的入口之间设有冷媒循环泵出口管线23，烟气次级换热器冷媒通道11的出口与吸收式热泵冷媒盘管20的入口之间设有冷媒连接管线12。
吸收式热泵空气盘管21的入口设有空气入口管线6，吸收式热泵空气盘管21的出口与烟气显热换热器空气通道的入口之间设有空气输送管线9。烟气显热换热器空气通道的出口设有空气出口管线24，空气出口管线24通往管式加热炉空气助燃系统。
烟气显热换热器烟气通道7的入口设有主烟气管线入口管线1，烟气显热换热器烟气通道7的出口与烟气次级换热器烟气通道的入口之间设有主烟气管线连接管线4，支烟气管16的出口连接于主烟气管线连接管线4上。烟气次级换热器烟气通道的出口设有主烟气管线出口管线8。
本发明装置所用的设备都是现有的设备。其中，吸收式热泵19仅示出了与本发明最相关的部分，其余如燃料气的燃烧区域、密闭工质循环管以及内部工质(溴化锂或氟利昂)等均没有示出。冷媒循环泵17一般为离心泵。烟气显热换热器5一般为用于气-气换热的列管式换热器、板翅式换热器或热管式换热器，烟气次级换热器10一般为用于气-气换热的列管式换热器或热管式换热器。图1所示的烟气显热换热器5和烟气次级换热器10均为盘管式换热器(属于列管式换热器一类)；烟气显热换热器烟气通道7为盘管、烟气显热换热器空气通道为烟气显热换热器5的壳体内腔；烟气次级换热器烟气通道为烟气次级换热器10的壳体内腔、烟气次级换热器冷媒通道11为盘管。
烟气次级换热器10可以设有酸液管线15，酸液管线15的出口与酸液池13相连。酸液池13设有酸液排出管线，酸液排出管线上设有酸液排出管线阀门14。
主烟气管线入口管线1与主烟气管线出口管线8之间可以设置副烟气管线3，副烟气管线3上设置副烟气管线阀门2。主烟气管线入口管线1在其与副烟气管线3的连接处至烟气显热换热器烟气通道7入口之间的管段上设置主烟气管线入口管线阀门25。在本发明回收烟气余热的装置正常操作时，副烟气管线阀门2常闭、主烟气管线入口管线阀门25常开。本发明所述的各阀门，一般均采用闸阀。
烟气次级换热器10需采用耐硫酸腐蚀的材料(铸铁、石墨、ND钢或陶瓷等)制造，以防止烟气冷凝酸液的腐蚀。
本发明回收烟气余热的装置，主要由上述的烟气显热换热器5、烟气次级换热器10、吸收式热泵19、冷媒循环泵17以及各管线组成。
下面结合图1所示装置说明本发明回收烟气余热的方法，该方法包括以下步骤：
A、启动冷媒循环泵17，使冷媒(一般为软化水)经冷媒循环泵出口管线23、冷媒连接管线12、冷媒循环泵入口管线18在烟气次级换热器冷媒通道11与吸收式热泵冷媒盘管20之间循环流动。
经空气入口管线6向吸收式热泵空气盘管21通入20～30℃的常温空气。
B、经燃料气管线22向吸收式热泵19内通入燃料气(一般为天然气或甲烷)，燃料气在吸收式热泵19内燃烧，加热吸收式热泵内部工质并使吸收式热泵内部工质循环流动。燃料气燃烧产生的烟气温度为140～150℃，经支烟气管16进入主烟气管线连接管线4。
C、来自管式加热炉对流段的330～340℃的高温烟气经主烟气管线入口管线1以及主烟气管线入口管线阀门25进入烟气显热换热器烟气通道7，向在下述步骤D中进入烟气显热换热器空气通道的60～70℃的空气放热(释放烟气显热)。该烟气放热后温度降至100～110℃并从烟气显热换热器5流出，进入主烟气管线连接管线4与燃料气燃烧产生的烟气混合(混合后的温度一般为110～120℃)，再一起从主烟气管线连接管线4进入烟气次级换热器烟气通道。烟气显热换热器空气通道内的空气被加热至230～240℃后，经空气出口管线24进入管式加热炉空气助燃系统。
D、进入烟气次级换热器烟气通道的烟气向烟气次级换热器冷媒通道11内的冷媒放热(释放烟气潜热并继续释放烟气显热)，温度降为35～40℃后经主烟气管线出口管线8排入大气。本发明所述烟气的潜热，主要是指烟气中水蒸汽的冷凝潜热。
烟气次级换热器冷媒通道11内的冷媒被加热至24～26℃后经冷媒连接管线12进入吸收式热泵冷媒盘管20。吸收式热泵冷媒盘管20内的冷媒被吸收式热泵内部工质吸收热量、温度降至14～16℃后经冷媒循环泵入口管线18由冷媒循环泵17抽出，再经冷媒循环泵出口管线23进入烟气次级换热器冷媒通道11。
吸收式热泵内部工质向吸收式热泵空气盘管21内的空气放热；吸收式热泵空气盘管21内的空气被加热至60～70℃后经空气输送管线9进入烟气显热换热器空气通道。
上述的操作步骤连续循环进行。自操作开始经过一定时间后，就可以进入稳态操作阶段，传热在烟气、空气和冷媒之间稳定地进行。本发明所述的温度，都是指稳态操作阶段的温度[其中通入吸收式热泵空气盘管21的常温空气的温度(20～30℃)、进入烟气显热换热器烟气通道7的高温烟气的温度(330～340℃)、燃料气燃烧产生的烟气温度(140～150℃)，在稳态操作阶段分别与操作开始时相同]。
在上述的操作过程中，烟气中的水蒸汽在烟气次级换热器烟气通道内冷凝成液体；该液体吸收了烟气中的一部分SOX、NOX和烟尘，成为酸液，酸液经酸液管线15进入酸液池13。当酸液池13中的酸液达到一定液位时，可以向酸液池13中加入适量的碱性物质(如NH3·H2O等)，对酸液中和、作无害化处理。之后打开常闭的酸液排出管线阀门14，将处理后的酸液经酸液排出管线以及酸液排出管线阀门14排入污水系统。
参见图1，为确保管式加热炉生产装置长周期安全运行，当本发明回收烟气余热的装置发生故障或是需要检修维护时，可以在管式加热炉不停炉的情况下，关闭主烟气管线入口管线阀门25、打开副烟气管线阀门2，使来自管式加热炉对流段的高温烟气由主烟气管线入口管线1经副烟气管线3以及副烟气管线阀门2直接进入主烟气管线出口管线8并排入大气。

Claims (5)

1.一种回收烟气余热的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
A、启动冷媒循环泵(17)，使冷媒在烟气次级换热器(10)的烟气次级换热器冷媒通道(11)与吸收式热泵(19)的吸收式热泵冷媒盘管(20)之间循环流动，向吸收式热泵(19)的吸收式热泵空气盘管(21)通入常温空气；
B、向吸收式热泵(19)内通入燃料气，燃料气在吸收式热泵(19)内燃烧，加热吸收式热泵内部工质并使吸收式热泵内部工质循环流动，燃料气燃烧产生的烟气温度为140～150℃；
C、来自管式加热炉对流段的330～340℃的高温烟气进入烟气显热换热器(5)的烟气显热换热器烟气通道(7)，向在下述步骤D中进入烟气显热换热器(5)的烟气显热换热器空气通道的60～70℃的空气放热，放热后温度降至100～110℃并从烟气显热换热器(5)流出，与燃料气燃烧产生的烟气混合，再一起进入烟气次级换热器(10)的烟气次级换热器烟气通道，烟气显热换热器空气通道内的空气被加热至230～240℃后进入管式加热炉空气助燃系统；
D、进入烟气次级换热器烟气通道的烟气向烟气次级换热器冷媒通道(11)内的冷媒放热，温度降为35～40℃后排入大气，烟气次级换热器冷媒通道(11)内的冷媒被加热后进入吸收式热泵冷媒盘管(20)，吸收式热泵冷媒盘管(20)内的冷媒被吸收式热泵内部工质吸收热量，吸收式热泵内部工质向吸收式热泵空气盘管(21)内的空气放热，吸收式热泵空气盘管(21)内的空气被加热至60～70℃后进入烟气显热换热器空气通道。
2.一种用于实现权利要求1所述方法的回收烟气余热的装置，设有烟气显热换热器(5)，烟气显热换热器(5)设有烟气显热换热器烟气通道(7)、烟气显热换热器空气通道，其特征在于：所述装置还设有烟气次级换热器(10)、吸收式热泵(19)、冷媒循环泵(17)，烟气次级换热器(10)设有烟气次级换热器烟气通道、烟气次级换热器冷媒通道(11)，吸收式热泵(19)设有燃料气管线(22)、支烟气管(16)、吸收式热泵冷媒盘管(20)、吸收式热泵空气盘管(21)，冷媒循环泵(17)的入口与吸收式热泵冷媒盘管(20)的出口之间设有冷媒循环泵入口管线(18)，冷媒循环泵(17)的出口与烟气次级换热器冷媒通道(11)的入口之间设有冷媒循环泵出口管线(23)，烟气次级换热器冷媒通道(11)的出口与吸收式热泵冷媒盘管(20)的入口之间设有冷媒连接管线(12)，吸收式热泵空气盘管(21)的入口设有空气入口管线(6)，吸收式热泵空气盘管(21)的出口与烟气显热换热器空气通道的入口之间设有空气输送管线(9)，烟气显热换热器空气通道的出口设有空气出口管线(24)，烟气显热换热器烟气通道(7)的入口设有主烟气管线入口管线(1)，烟气显热换热器烟气通道(7)的出口与烟气次级换热器烟气通道的入口之间设有主烟气管线连接管线(4)，支烟气管(16)的出口连接于主烟气管线连接管线(4)上，烟气次级换热器烟气通道的出口设有主烟气管线出口管线(8)。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：烟气显热换热器(5)为列管式换热器、板翅式换热器或热管式换热器，烟气次级换热器(10)为列管式换热器或热管式换热器。
4.根据权利要求2或3所述的装置，其特征在于：烟气次级换热器(10)设有酸液管线(15)，酸液管线(15)的出口与酸液池(13)相连，酸液池(13)设有酸液排出管线，酸液排出管线上设有酸液排出管线阀门(14)。
5.根据权利要求2或3所述的装置，其特征在于：主烟气管线入口管线(1)与主烟气管线出口管线(8)之间设有副烟气管线(3)，副烟气管线(3)上设有副烟气管线阀门(2)，主烟气管线入口管线(1)在其与副烟气管线(3)的连接处至烟气显热换热器烟气通道(7)入口之间的管段上设有主烟气管线入口管线阀门(25)。
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