CN105865223B - 一种直接接触式烟气余热回收装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种直接接触式烟气余热回收装置，包括回收塔，所述回收塔上设有供烟气流动的烟气入口、烟气出口，以及用于喷淋冷却水的主喷管、设于所述主喷管上的多个喷嘴；所述主喷管沿所述回收塔的轴线设置，多个所述喷嘴的喷射方向向四周辐射，且所述烟气入口、所述烟气出口的连线与所述喷嘴的喷射方向交叉。采用这种结构，能够减少液滴的碰撞损失，减小烟气阻力，又能降低重力加速度的影响，延长液滴的停留时间，提高传质传热能力，进而提高烟气回收的效率。
Description
技术领域
本发明涉及能源利用技术领域，尤其涉及一种直接接触式烟气余热回收装置。
背景技术
天然气等燃气经燃烧后最终排放的烟气，含有大量的水蒸气，占了天然气总热量(高位热值)10％左右的份额，目前这些热量基本上都没有利用而是直接排放到大气当中。如果将这部分汽化潜热进行回收可以极大提高设备或系统的换热效率，减少天然气使用量，有利于实现节能减排。
烟气余热回收装置可以分为间接接触式和直接接触式。间接接触式体积小，但存在接触面热阻影响导致传热系数低，效率低、烟气压损高、成本高，同时烟气侧的冷凝水成弱酸性，对换热器材质和防腐措施提出了很高要求。直接接触式又分为填料直接接触式和无填料直接接触式两种。填料直接接触式在装置内加装填料，增加了烟气侧阻力，在使用一段时间后，填料可能会被沾污或堵塞，清理维护困难。无填料直接接触式为空塔结构，将循环冷却水均匀雾化，增大了与烟气的换热面积，换热效率高，烟气阻力小，对锅炉和电厂等燃烧设备影响小，容易实施，因此近年来得到了快速发展和广泛应用。
现有技术中，关于直接接触式烟气余热回收装置主要有三类：
第一类，如中国专利201310049426.1公开的“一种用于烟气余热回收的多级侧喷式喷淋冷却系统”，这种系统利用多个串联的喷淋装置，每一级喷淋装置的两侧布置有带喷嘴的喷排，喷排方向相对，位置交错，喷淋方向为水平方向，且与烟气流动方向交叉布置。此种方式虽然换热效果较好，但喷淋量大，其中有相当部分雾滴因对喷而相互抵消，直接落入底部，停留时间短，换热性能有所衰减，制作和运行费用都较高。
第二类，如中国专利201110110470.X公开的“利用吸收式热泵回收烟气余热的集中供热系统”，此系统利用吸收式热泵制取的冷水在喷淋塔中喷淋回收烟气余热，但水和烟气为逆向流动关系，导致烟气侧阻力较大。
第三类，如中国专利200710034905.0公开的“一种水洗式烟气余热回收装置”，该装置中的水垂直向上喷淋，烟气和水之间可以是顺流、逆流、交叉流多种形式。此种向上喷淋方式虽然增加了水的停留时间，但在重力作用下，喷淋高度受限。
综上所述，现有的烟气-水直接接触式喷淋装置，或者采用烟气-水交叉双侧喷淋方式，喷淋量大且不可避免有部分液滴抵消而减弱换热能力；或者采用烟气-水逆流喷淋方式，导致烟气阻力较大；或者采用向上或向下的喷淋方式，向上喷淋导致喷淋高度受限，向下喷淋导致液滴停留时间较短。
有鉴于此，亟待针对现有技术中的问题，另辟蹊径地设计一种新型的喷淋换热装置，既减小烟气阻力，减少液滴的碰撞损失，又降低重力加速度影响，延长液滴的停留时间，提高传质传热能力。
发明内容
本发明的目的为提供一种烟气余热回收装置，以能够减少液滴的碰撞损失，减小烟气阻力，又能降低重力加速度的影响，延长液滴的停留时间，提高传质传热能力，进而提高烟气回收的效率。
为解决上述技术问题，本发明提供一种直接接触式烟气余热回收装置，包括回收塔，所述回收塔上设有供烟气流动的烟气入口、烟气出口，以及用于喷淋冷却水的主喷管、设于所述主喷管上的多个喷嘴；所述主喷管沿所述回收塔的轴线设置，多个所述喷嘴的喷射方向向四周辐射，且所述烟气入口、所述烟气出口的连线与所述喷嘴的喷射方向交叉。
采用这种结构，烟气从烟气入口进入回收塔、向烟气出口流动的过程中，通过与多个喷嘴喷射的冷却水进行换热、温度逐渐降低，其内含有的水蒸气冷凝、析出，达到余热回收的目的。
其中，向上喷淋的液滴受重力作用，在空中的停留时间长。向下喷淋的液滴在重力作用下，虽然在空间的停留时间较短，但是受到向上喷淋返回液滴的补充，换热得到了弥补。多个喷嘴的多方向喷射，取代了现有技术中两排喷嘴对喷的方式，进而避免了对喷引起相互碰撞抵消的现象。此外，由于主喷管设于回收塔的轴线上，因此给喷嘴的喷射提供了必要的喷淋距离，避免喷淋高度受限。
此外，由于烟气入口、烟气出口的连线与喷嘴的喷射方向交叉，使得烟气从入口到出口的流动方向与喷嘴的喷射方向交叉，相对于现有技术中的烟气与喷淋完全逆向流动的方式，减小了对烟气的阻力，从而在保证换热效果的基础上提高了换热效率。
优选地，多个所述喷嘴在所述主喷管的周向错开设置。
优选地，所述回收塔水平设置，所述烟气入口、烟气出口分别设于所述回收塔的左右两端。
优选地，所述回收塔竖直设置，所述烟气入口、烟气出口分别设于所述回收塔的两端。
优选地，所述主喷管的顶端还设有水平的附加喷管，所述附加喷管上设有用于向所述喷嘴喷射冷却水的附加喷嘴。
优选地，所述喷嘴、所述附加喷嘴的安装角度均可调。
优选地，所述回收塔的轴线呈曲线设置。
优选地，所述回收塔内还设有至少一个与所述主喷管平行的副喷管，所述副喷管上设有多个所述喷嘴，且相邻两个喷管之间的间距、所述回收塔内壁与其相邻的喷管之间的间距相同。
优选地，所述回收塔的底端设置积水区，所述积水区与循环泵的一端连接，且所述循环泵的另一端通过冷却装置与喷管的入口连接。
优选地，所述积水区内设有至少一个挡板、将所述积水区分隔成至少两个分区，每个分区对应设置一循环泵；
沿所述烟气的流动方向，相邻两个分区中的下游分区的出口通过其对应的循环泵连接上游分区所对应的喷管入口；最上游分区的出口依次通过其对应的循环泵、冷却装置与最下游分区所对应的喷管入口连接。
优选地，喷管沿轴向分为相互隔开的多段喷管，且各段喷管与各积水区的分区一一对应设置。
优选地，所述烟气入口、所述烟气出口中的至少一者设有除雾器。
优选地，所述冷却水为能与所述烟气发生中和反应的碱性溶液。
附图说明
图1为本发明所提供一种具体实施方式的结构示意图；
图2为图1的左视图；
图3为图1中另一种形状的回收塔的左视图；
图4为本发明所提供另一种具体实施方式的结构示意图；
图5为本发明所提供又一种具体实施方式的结构示意图；
图6为本发明所提供再一种具体实施方式的结构示意图；
图7为本发明所提供具有多个喷管的水平设置的烟气余热回收装置的结构示意图；
图8为图7的左视图；
图9为图7中另一种形状的回收塔的结构示意图；
图10为本发明所提供具有多个喷管的竖直设置的烟气余热回收装置的结构示意图；
图11为本发明所提供多级分区的水平设置的烟气余热回收装置的结构示意图；
图12为本发明提供的多个喷管、多级分区的水平设置的烟气余热回收装置的结构示意图；
图13为本发明所提供多级分区的竖直设置的烟气余热回收装置的结构示意图；
图14为本发明所提供烟气余热回收装置的横截面的喷射图。
其中，图1至图14中：
回收塔1；烟气入口11；烟气出口12；
主喷管2；喷嘴21；
附加喷管3；附加喷嘴31；
副喷管4；
积水区5；分区51；排水口52；
循环泵6；
冷却装置7；
挡板8；
除雾器9。
具体实施方式
本发明的核心为提供一种直接接触式烟气余热回收装置，该装置既能够减少液滴的碰撞损失，减小烟气阻力，又能降低重力加速度的影响，延长液滴的停留时间，提高传质传热能力，进而提高烟气回收的效率。
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
需要说明的是，本文中出现的方位词“水平、竖直、上、下、左、右”均是以说明书附图为基准而设立，它们的出现不应当影响本发明的保护范围。
在一种具体实施方式中，本发明提供一种直接接触式烟气余热回收装置，包括回收塔1，回收塔1上设有供烟气流动的烟气入口11、烟气出口12，以及用于喷淋冷却水的主喷管2、设于主喷管2上的多个喷嘴21。主喷管2沿回收塔1的轴线设置，多个喷嘴21的喷射方向向四周辐射，且烟气的流动方向与喷嘴21的喷射方向交叉。
这里“向四周辐射”指的是既包括沿向上、下、左、右喷射，且又包括与径向、轴向均成一定夹角进行多方向喷射。
采用这种结构，烟气从烟气入口11进入回收塔1、向烟气出口12流动的过程中，通过与多个喷嘴21喷射的冷却水进行换热、温度逐渐降低，其内含有的水蒸气冷凝、析出，达到余热回收的目的。
其中，向上喷淋的液滴受重力作用，在空中的停留时间长。向下喷淋的液滴在重力作用下，虽然在空间的停留时间较短，但是受到向上喷淋返回液滴的补充，换热得到了弥补。多个喷嘴21的多方向喷射，取代了现有技术中两排喷嘴21对喷的方式，进而避免了对喷引起相互碰撞抵消的现象。此外，由于主喷管2设于回收塔1的轴线上，因此给喷嘴21的喷射提供了必要的喷淋距离，避免喷淋高度受限。
此外，由于烟气入口11、烟气出口12的连线与喷嘴21的喷射方向交叉，使得烟气从入口到出口的流动方向与喷嘴21的喷射方向交叉，相对于现有技术中的烟气与喷淋完全逆向流动的方式，减小了对烟气的阻力，从而在保证换热效果的基础上提高了换热效率。
进一步的方案中，多个喷嘴21在主喷管2的周向错开设置。这样，交错设置的多个喷嘴21能够更多的覆盖回收塔1的横截面，以避免烟气在流动过程中在部分区域不能与冷却水接触而导致换热效果降低。
下面具体设置上述回收塔1的具体设置方式。
一种具体的方案中，如图1-3所示，图1为本发明所提供一种具体实施方式的结构示意图；图2为图1的左视图；图3为图1中另一种形状的回收塔1的结构示意图。
如图所示，上述回收塔1可以水平设置，烟气入口11、烟气出口12分别设于回收塔1的左右两端。该回收塔1的横截面可以为圆形、方形、长方形等多种形状。
另一种具体方案中，如图4所示，该图为本发明所提供另一种具体实施方式的结构示意图，回收塔1竖直设置，烟气入口11、烟气出口12分别设于回收塔1的两端。具体地，可以将烟气入口11设于下端、烟气出口12设于上端，也可以将烟气入口11设于上端、烟气出口12设于下端。同样，该回收塔1的横截面可以为圆形、方形、长方形等多种形状。
在此基础上，请结合参考图5、图14，图5为本发明所提供又一种具体实施方式的结构示意图，图14为本发明所提供烟气余热回收装置的横截面的喷射图。
如图5所示，主喷管2的顶端还设有水平的附加喷管3，附加喷管3上设有用于向喷嘴21喷射冷却水的附加喷嘴31。
如图14所示，对于竖直设置的烟气余热回收装置，虽然喷嘴21的喷射方向向四周辐射，但是喷嘴21本身具有一定的长度和喷射角度，从主喷管2到喷嘴21的出口这段距离的空间、以及相邻两个喷嘴的喷射覆盖范围交叉处的内侧(图中喷嘴外的小三角区)常常喷射不到，形成喷淋空隙。采用上述附加喷管3和附加喷嘴31后，附加喷嘴31能够对该喷淋空隙进行弥补，避免烟气从该空隙中流动而导致换热效果降低。
另一种具体实施方式中，上述喷嘴21、附加喷嘴31的安装角度均可调。
这里“安装角度可调”既包括喷嘴与喷管的轴线所呈的夹角可调，也包括喷嘴与喷管的径向所呈的夹角可调。这样，能够根据不同工况下的实际情况灵活调整喷嘴21的安装角度，进而调整喷嘴21的喷射方向，使其适用范围更加广泛。
另一种具体实施方式中，如图6所示，上述回收塔1的轴线呈曲线设置。
在安装现场空间受限、回收塔1不能水平或者竖直安装的情况下，可以因地制宜地将回收塔1设置为弯曲形状，例如回收塔1的轴线可以为折线、环状线、波浪线或者其他曲线，放置方式可以横放、竖放或倾斜放置，回收塔1的横截面可以为圆形、方形、长方形等多种形状。
请参考图7-10所示，图7为本发明所提供具有多个喷管的水平设置的烟气余热回收装置的结构示意图；图8为图7的左视图；图9为图7中另一种形状的回收塔1的结构示意图；图10为本发明所提供具有多个喷管的竖直设置的烟气余热回收装置的结构示意图。
另一种具体实施方式中，如图7-10所示，上述回收塔1内还可以设有至少一个与主喷管2平行的副喷管4，副喷管4上设有多个喷嘴21，且相邻两个喷管之间的间距、回收塔1内壁与其相邻的喷管之间的间距相同。
这里“相同”指的是大致相同，因回收塔1的具体形状、加工精度和安装精度的不同，允许其有一定的误差。
这种结构的烟气余热回收装置解决了因断面尺寸大、喷嘴21射程不足的问题，尤其适合于大型的烟气换热场合。
再一种具体实施方式中，上述回收塔1的底端设置积水区5，积水区5与循环泵6的一端连接，且循环泵6的另一端通过冷却装置7与喷管的入口连接。
工作过程中，循环泵6将积水从积水区5中抽出，经外部冷却装置7降温冷却后，再经喷管的入口进入换热装置内，与烟气进行喷淋直接换热。采用这种结构，简单、方便地实现了烟气回收装置的冷却水的循环、冷却和再利用。具体地，该冷却装置7可以为热泵、板式换热器、壳管式换热器或者其他形式的换热器。
当然，该积水区5还设有排水口52，多余的水能够经该排水口52排出、回收。
请参考图11至图13，图11为本发明所提供单个喷管、多级分区的水平设置的烟气余热回收装置的结构示意图；图12为本发明提供的多个喷管、多级分区的水平设置的烟气余热回收装置的结构示意图；图13为本发明所提供多级分区的竖直设置的烟气余热回收装置的结构示意图。
在另一种具体实施方式中，如图11-13所示，上述积水区5内设有至少一个挡板8、将积水区5分隔成至少两个分区51，每个分区51对应设置一循环泵6。沿烟气的流动方向，相邻两个分区51中的下游分区的出口通过其对应的循环泵6连接上游分区所对应的喷管入口，最上游分区的出口依次通过其对应的循环泵6、冷却装置7与最下游分区的喷管入口连接。
下面以图11所示的两级分区51具体说明其工作过程：
该积水区5内设有一个挡板8，将积水区5分为左积水区、右积水区，按照烟气的流动方向，左积水区为上游分区、右积水区为下游分区。由于初始烟气为高温烟气，在其流动过程中，通过与冷却水进行换热、温度逐渐降低，其内含有的水蒸气冷凝、析出，达到余热回收的目的。因此，烟气的流动过程就是温度逐渐降低的过程，对应地，与之换热后流回积水区5的冷却水的温度从左到右逐渐降低。采用隔板将积水区5分隔之后，左积水区5的水温明显高于右积水区5水温。
工作过程中，与右积水区对应的循环泵6将右积水区5的水抽取，将其输送至左区对应的喷管入口，与左区的烟气进行换热；左积水区5的喷淋积水经其循环泵6抽取后进入外部的冷却装置7进行冷却，再经右积水区对应的喷淋管入口，对右侧烟气进行换热，如此周而复始。这种分级式结构利用温度更大的水对烟气进行喷淋，进一步增强了烟气余热回收装置的换热效率。这种分级式换热烟气余热回收装置适用于温度较高、同时需要换取温差较大的冷却水的烟气。
当然，上述隔板的数目可以为两个或多个，将余热回收装置分为多个级别，以使烟气进行多级换热。
更进一步的方案中，如图12所示，上述各喷管沿轴向可以分为相互隔开的多段喷管，且各段喷管与积水区的各分区一一对应设置。
采用这种结构，使得与烟气进行换热的冷却水严格分级，也即烟气余热回收过程中分级更加彻底，更进一步提高了换热效率。
另一种具体实施方式中，无论水平设置还是竖直设置，无论单个喷管、多个喷管，单级分区还是多级分区的烟气余热回收装置，在上述烟气入口11、烟气出口12中的至少一者都可以设有除雾器9。其中，图13示出了单个喷管、多级分区且竖直设置的余热回收装置安装除雾器的结构示意图。
除雾器9能够过滤烟气中含有的较大颗粒的雾滴，更好地解决烟气出口12带水的问题，且能够防止喷淋水飞溅到相连的烟道中。该除雾器9可以具体设置为挡液板的结构，也可以为其他结构。
上述冷却水可以具体为水。此外，冷却水为能与烟气发生中和反应的碱性溶液。
由于烟气换热析出的冷凝水呈弱酸性，碱性溶液能够在换热过程中与冷凝水进行中和反应，避免了对壳体、喷管、喷嘴和冷却装置等造成腐蚀。
在烟气余热回收过程中，烟气中的水蒸气不断冷凝析出、落入积水区中，因此，碱性溶液的浓度不断下降。因此，在具体的实施方案中，可以在积水区或者循环水管路中设置加药口，以便在需要的时候通过加药口向冷却水中加入碱，以使碱性溶液的浓度保持在恒定值。
以上对本发明所提供的一种直接接触式烟气余热回收装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (13)
1.一种直接接触式烟气余热回收装置，包括回收塔(1)，所述回收塔(1)上设有供烟气流动的烟气入口(11)、烟气出口(12)，以及用于喷淋冷却水的主喷管(2)、设于所述主喷管(2)上的多个喷嘴(21)；其特征在于，所述主喷管(2)沿所述回收塔(1)的轴线设置，多个所述喷嘴(21)的喷射方向向四周辐射，且所述烟气入口(11)、所述烟气出口(12)的连线与所述喷嘴(21)的喷射方向交叉。
2.根据权利要求1所述的烟气余热回收装置，其特征在于，多个所述喷嘴(21)在所述主喷管(2)的周向错开设置。
3.根据权利要求2所述的烟气余热回收装置，其特征在于，所述回收塔(1)水平设置，所述烟气入口(11)、烟气出口(12)分别设于所述回收塔(1)的左右两端。
4.根据权利要求2所述的烟气余热回收装置，其特征在于，所述回收塔(1)竖直设置，所述烟气入口(11)、烟气出口(12)分别设于所述回收塔(1)的两端。
5.根据权利要求4所述的烟气余热回收装置，其特征在于，所述主喷管(2)的顶端还设有水平的附加喷管(3)，所述附加喷管(3)上设有用于向所述喷嘴(21)喷射冷却水的附加喷嘴(31)。
6.根据权利要求5所述的烟气余热回收装置，其特征在于，所述喷嘴(21)、所述附加喷嘴(31)的安装角度均可调。
7.根据权利要求2所述的烟气余热回收装置，其特征在于，所述回收塔(1)的轴线呈曲线设置。
8.根据权利要求1所述的烟气余热回收装置，其特征在于，所述回收塔(1)内还设有至少一个与所述主喷管(2)平行的副喷管(4)，所述副喷管(4)上设有多个所述喷嘴(21)，且相邻两个喷管之间的间距、所述回收塔(1)内壁与其相邻的喷管之间的间距相同。
9.根据权利要求1-8任一项所述的烟气余热回收装置，其特征在于，所述回收塔(1)的底端设置积水区(5)，所述积水区(5)与循环泵(6)的一端连接，且所述循环泵(6)的另一端通过冷却装置(7)与喷管的入口连接。
10.根据权利要求9所述的烟气余热回收装置，其特征在于，所述积水区(5)内设有至少一个挡板(8)、将所述积水区(5)分隔成至少两个分区(51)，每个分区(51)对应设置一循环泵(6)；
沿所述烟气的流动方向，相邻两个分区(51)中的下游分区的出口通过其对应的循环泵(6)连接上游分区所对应的喷管入口；最上游分区(51)的出口依次通过其对应的循环泵(6)、冷却装置(7)与最下游分区所对应的喷管入口连接。
11.根据权利要求10所述的烟气余热回收装置，其特征在于，喷管沿轴向分为相互隔开的多段喷管，且各段喷管与所述积水区的各分区一一对应设置。
12.根据权利要求1-8任一项所述的烟气余热回收装置，其特征在于，所述烟气入口(11)、所述烟气出口(12)中的至少一者设有除雾器(9)。
13.根据权利要求1-8任一项所述的烟气余热回收装置，其特征在于，所述冷却水为能与所述烟气发生中和反应的碱性溶液。
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Denomination of invention: A direct contact flue gas waste heat recovery device Effective date of registration: 20230411 Granted publication date: 20180907 Pledgee: Mitsubishi UFJ Bank (China) Co.,Ltd. Qingdao Branch Pledgor: EBARA REFRIGERATION EQUIPMENT & SYSTEMS (CHINA) Co.,Ltd. Registration number: Y2023370010037 |
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