CN105909330A - 一种基于有机朗肯循环的烟气余热回收及烟气处理系统 - Google Patents

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Abstract

发明涉及一种基于有机朗肯循环的烟气余热回收及烟气处理系统，包括有机朗肯循环发电系统和烟气处理器系统，有机朗肯循环系统包括蒸发器、膨胀机、发电机、冷凝器、储液罐、工质泵和有机工质流量控制阀门，烟气处理器系统包括除尘器和有害气体吸收装置。本发明将工业余热发电系统和烟气处理器相结合，工业余热发电系统回收工业中的中低品位余热并输出电能，提高了工业余热利用率和能源的利用率，烟气处理器对工业烟气进行处理，减少了污染物的排放。本发明能够进行节能减排，提高能源利用率。

Description

一种基于有机朗肯循环的烟气余热回收及烟气处理系统
技术领域
本发明属于中低温余热利用领域，尤其是涉及一种基于有机朗肯循环的烟气余热回收及烟气处理系统。
背景技术
能源问题是社会经济发展的首要问题。近年来，伴随着经济的快速发展，我国对能源的需求呈现快速增长的趋势。当前，我国能源利用仍然存在着利用效率低、经济效益差，生态环境压力大的主要问题，这极大的制约了我国经济的发展。
节能减排、降低能耗、提高能源综合利用率作为能源发展战略规划的重要内容，是解决我国能源问题的根本途径，处于优先发展的地位。实现节能减排、提高能源利用率的目标主要依靠工业领域。处在工业化中后期阶段的中国，工业是主要的耗能领域，也是污染物的主要排放源。我国工业领域能源消耗量约占全国能源消耗总量的70％，主要工业产品单位能耗平均比国际先进水平高出30％左右。
除了生产工艺相对落后、产业结构不合理的因素外，工业余热利用率低，能源没有得到充分综合利用是造成能耗高的重要原因，我国能源利用率仅为33％左右，比发达国家低约10％，至少50％的工业耗能以各种形式的余热被直接废弃。因此从另一角度看，我国工业余热资源丰富，广泛存在于工业各行业生产过程中，余热资源约占其燃料消耗总量的17％～67％，其中可回收率达60％，余热利用率提升空间大，节能潜力巨大，工业余热回收利用又被认为是一种“新能源”，近年来成为推进我国节能减排工作的重要内容。
其中烟气余热量占工业余热资源总量的50％以上，分布在冶金、化工、建材、机械及电力行业，节能潜力大，是余热利用的主要对象。以电站烟气余热为例，电站的一般排烟温度在120℃到140℃，烟气脱硫要求的温度在90℃，因此需要将烟气的温度降下来，电站一般所采用的降温方式是在锅炉尾部烟道布置低温省煤器，利用烟气加热给水，采用这种方式换热温差小，需要很大的水流量才能将烟气的温度降下来，并且使得汽轮机系统复杂性提高，汽轮机需要重新设计，汽轮机变工况时调节控制操作困难。其他类型的烟气余热的应用技术主要集中在制冷制热上，但是这种技术缺少热用户，或者热用户对冷热的需求量不大、不连续或者波动性较大，而工业烟气是一直存在的且量不变，从而采用余热制冷和制热技术是一个不连续的过程，导致烟气余热没有得到利用或者利用率不高。
有机朗肯循环是以低沸点有机物作为工质的闭式朗肯循环。与水相比，低沸点有机物在中低温热源下能够汽化产生较高压力蒸汽做功，发电效率高，且系统设备简单易维护，成本较低，被认为是一种回收中低温余热的有效方式。
针对烟气余热的特点，采用有机朗肯循环发电技术，梯级利用烟气中的余热，对提高我国化石能源综合利用效率，促进工业节能具有重要意义。
发明内容
发明目的：为了克服上述现有烟气余热利用技术存在的上述不足，发明人经过研究和改进，提出了一种基于有机朗肯循环的烟气余热回收及烟气处理系统，在利用烟气余热进行发电的同时对烟气进行减排处理，实现烟气余热的梯级利用和污染物的减排。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的一种基于有机朗肯循环的烟气余热回收及烟气处理系统，包括与锅炉尾部烟道相连接的烟气处理系统，所述锅炉尾部烟道上安装有用于烟气余热回收利用的有机朗肯循环发电系统，所述有机朗肯循环发电系统包括通过管道依次连接的蒸发器、膨胀机、冷凝器、储液罐、有机工质流量控制阀门和工质泵，所述膨胀机与所述的发电机共轴相连；所述烟气处理系统包括通过管道依次相连的控制阀门、除尘器和有害气体吸收装置，所述的控制阀门与蒸发器相连。
作为优选，所述有害气体吸收装置包括依次串联的集烟道、第一反应装置、连接烟道、第二反应装置和烟气出口，所述第一反应装置用于吸收二氧化碳、二氧化硫和二氧化氮，所述第二反应装置用于吸收一氧化碳。
作为优选，所述有机朗肯循环发电系统的循环工质是R124、R245ca、R245fa或R134a。
作为优选，所述烟气的种类可以是电站锅炉烟气、工业锅炉烟气、燃气轮机排气或燃机排气。
作为优选，所述控制阀门与蒸发器之间的管路中安装有引风机。
作为优选，还包括与所述控制阀门相并联的排烟阀门。
使用时其烟气处理装置包括除尘器和有害气体脱除装置，有害气体脱除装置设有入口及出口的第一反应装置和第二反应装置，集烟道将第一反应装置与除尘器相连，第一反应装置的出气口和第二反应装置的进气口将第一反应装置和第二反应装置相连，烟气从除尘器出来后由集烟道进入第一反应装置，由第一反应装置顶部的喷嘴喷射出的氢氧化钾溶液烟雾与烟气充分混合并吸收烟气中的二氧化碳、二氧化硫和二氧化氮，然后在第一反应装置底部汇集排出，剩余的烟气由连接烟道进入第二反应装置，由反应装置顶部的喷嘴喷射出氯化亚铜的氨溶液烟雾与剩余的烟气充分混合并吸收烟气中一氧化碳，然后烟雾凝结成液体在第二反应装置底部汇集排出，剩余的烟气由烟气出口排向环境中。
其有机朗肯循环系统包括蒸发器、膨胀机、发电机、冷凝器、冷却塔、工质泵，流量控制阀门和储液罐。蒸发器布置在炉膛的尾部烟道内，使尾部烟道中的烟气先后流经蒸发器、除尘器及脱除污染物装置，进行放热，除尘，脱除烟气中二氧化硫、二氧化碳、二氧化碳及一氧化碳之后排入大气中；蒸发器、膨胀机、冷凝器、工质泵、储液罐、有机工质流量控制阀门通过管道依次相连，且发电机与膨胀机共轴相连，有机工质流量控制阀门位于储液罐之后，控制回路中的有机工质流量；冷凝器、冷却塔、循环水泵、冷水流量控制阀门依次相连，冷水流量控制阀门位于冷凝器入口，用于控制进入冷凝器中的冷却水流量。所述的烟气处理组件包括除尘器、有害气体吸收装置、控制阀门。控制阀门、除尘器、有害气体吸收装置通过管道依次相连，通过控制阀门控制烟气的流向。
发明原理：由于工业烟气的温度范围大，例如电站锅炉烟气温度在120℃到140℃，工业窑炉的烟气温度在350℃到550℃，针对不同的烟气余热温度，有机朗肯循环可采用不同的卤代烃等有机物作为循环工质，能够适应不同温度范围的低温余热热源，且设备简单，热效率较高。因此采用有机朗肯循环将烟气中低品位热量转化为电能，实现了烟气中能量的梯级利用。同时设有烟气处理装置对烟气进行除尘和脱除烟气中污染物。
有益效果：与现有的技术相比，本发明的技术方案可以脱除烟气中的污染物，且可以回收工业烟气中的热能和连续的发出电能，提高锅炉的效率和能源利用率，减少污染物的排放，促进工业节能减排，具体阐述如下：
常规的烟气余热利用方法有两种，一种是利用烟气中的余热加热水供给热用户，这种方法存在的问题有无热用户，或者冬夏两季热用户需热量不同，一天的不同时段热用户需热量也不同，因此，采用烟气余热加热给水的方法，烟气余热的利用不连续及利用率不高，造成烟气余热的浪费，电站热效率的降低；另外一种方法是利用低温省煤器回收烟气余热加热凝结水(以电站锅炉为主)，这种方法是利用烟气余热加热冷凝水，这种烟气利用方式是一个连续的过程但换热温差比较小，此时烟气余热通过介入的汽轮机系统来增加系统的输出功率，但低温省煤器使得汽轮机系统复杂化，汽轮机需要重新设计，汽轮机变工况时调节控制操作困难。本发明采用有机朗肯循环发电系统回收烟气余热，能够有效地解决上述两种方法存在的一些不足之处，实现了烟气余热的有效利用。从烟气的利用方面，相比于采用烟气加热给水，采用有机朗肯循环利用烟气余热发电，能过连续的利用发出的高品质的电能直接供给用户，最大可能地提高了烟气余热利用率。从锅炉方面看，采用低温省煤器和采用有机朗肯循环两种方式本质上都是通过烟气余热加热冷工质从而降低烟气温度，但是采用有机朗肯循环的换热的温差要大于采用低温省煤器的换热温差；从介入系统方面看，低温省煤器通过烟气余热加热凝结水介入到汽轮机系统中来增加系统的输出功率，而有机朗肯循环发电系统则直接利用烟气余热加热有机工质发电，此时烟气余热没有直接介入汽轮机系统，烟气余热对汽轮机系统没有任何影响；另外采用有机朗肯循环时系统结构简单，机组变工况时操作方便，当选择合适的系统和有机工质时，采用有机朗肯循环发电系统回收烟气余热，系统的输出功率可能会更大。
另外本系统设有烟气处理装置，采用此系统回收工业窑炉，燃气轮机等排出的烟气中的低温余热时，还可以对其进行除尘、脱除二氧化硫、二氧化碳、一氧化碳等有毒气体，减少粉尘、污染物的排放，有利于环境保护。
除了上面所述的本发明解决的技术问题、构成技术方案的技术特征以及由这些技术方案的技术特征所带来的优点外，本发明的一种基于有机朗肯循环的烟气余热回收及烟气处理系统所能解决的其他技术问题、技术方案中包含的其他技术特征以及这些技术特征带来的优点，将结合附图做出进一步详细的说明。
附图说明
图1为本基于有机朗肯循环的烟气余热利用及处理的系统的结构示意图；
图2为有害气体吸收装置的结构示意图；
图中，1为蒸发器，2为膨胀机，3为发电机，4为冷凝器，5为储液罐，6为工质流量控制阀门，7为工质泵，8为第一控制阀门，9为第二控制阀门，10为除尘器，11为有害气体吸收装置，12为锅炉的尾部烟道，13为冷却水流量控制阀门，14为引风机。A为烟气，B为有机工质，C为冷却水，101为集烟道，102为第一反应装置，103为第一喷嘴，104为连接烟道，105为第二喷嘴，106为第二反应装置，107为烟气出口，108为第二液体出口、109为第一液体出口。
具体实施方式
实施例：
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明，本实施例结合数据进行了计算分析，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本实施例的基于有机朗肯循环的烟气余热回收及处理系统如图1所示，其系统组成为：蒸发器1装于炉膛尾部烟道12内，使锅炉尾部烟气先后经过蒸发器1，除尘器10及有害气体脱除装置11进行放热、除尘和吸收有害气体之后排入大气；蒸发器1、膨胀机2、冷凝器4、储液罐5、有机工质控制阀门6及工质泵7通过管道依次相连，且发电机3与膨胀机2共轴相连，构成有机朗肯循环发电系统；冷却水流量控制阀门13位于冷凝器4入口处，控制进入冷凝器4的冷却水量；蒸发器1、引风机14、第一控制阀门8、除尘器10和有害气体脱除装置11通过管道依次相连。
系统循环过程为：锅炉排烟进入尾部烟道12，在蒸发器1内加热有机工质，使其变为饱和的高温高压气体，然后高温高压气体进入膨胀机2做功，驱动发电机3发电，做功后的低温低压气体进入冷凝器4与冷却水进行换热，凝结为低温低压的饱和液体，低温低压的饱和液体进入储液罐5，由储液罐5出来的有机工质经工质泵7加压后进入蒸发器1进行下一个循环。工业锅炉烟气经过蒸发器1后温度降低，关闭第二控制阀门9，打开控制第一控制阀门8，使得换热后的工业烟气通过引风机14进入除尘器10除尘，之后进入有害气体吸收装置11脱除有害气体，剩余的工业烟气排放到大气。
另外，由蒸发器1出来烟气也可以不经过第一控制阀门8、除尘器10、有害气体吸收装置11，可以通过第二控制阀门9进入下一步过程，例如电站锅炉烟气，烟气在凝汽器1换热后，此时关闭第一控制阀门8，打开第二控制阀门9，换热以后的烟气经过第二控制阀门9进入电站烟气处理系统，经过电除尘、脱硫以后，经烟囱排向大气。
其中有害气体吸收装置如图2所示，是与集烟道101依次连接的第一反应装置102、连接烟道104和和第二反应装置106，在第一反应装置102顶部具有第一喷嘴103，底部具有第一液体出口109。在第二反应装置106顶部具有第二喷嘴105，尾部具有烟气出口107及第二液体出口108。
以微型燃气轮机排气为热源，进行模拟计算。如表1所示为计算过程所采用的数据及计算结果。其中有机朗肯循环选用工质为R134a，循环为亚临界循环。由表中可看出，蒸发器吸收余热总量为161.19kW，有机朗肯循环系统的输出功率为20.39kW，使得微型燃气轮机机组的效率由24.5％变为29.25％，同时烟气处理装置对0.5kg/s烟气进行处理，可见装置能够显著提高微型燃气轮机机组的效率，并减少了烟气中烟尘和有害气体的排放，达到了节能减排的效果。因而基于有机朗肯循环的烟气余热回收及处理系统能过对烟气余热进行梯级深度回收利用，并减少污染物排放，对节能减排具有重要意义。表1实施例计算数据及结果。
本发明可以回收任意的工业烟气余热，例如：冶金炉、加热炉、工业窑炉、燃料气化装置等中烟气余热，此时只要将烟气处理器喷射出溶液随着烟气种类做相应的调整，其他工业余热也可以采用此系统，例如，一些工艺设备的冷却水，此时不需要烟气处理器，经过换热以后的工艺冷却水可以循环利用或排向环境中。
本发明中的有机朗肯循环发电技术可以提高工业余热的利用率和能源利用率，除尘器可减少烟尘的排放，碳捕捉和氧化氮脱除试验减少污染物的排放，实现污染物的零排放。本发明主要体现了节能减排的理念。

Claims (8)

1.一种基于有机朗肯循环的烟气余热回收及烟气处理系统，包括与锅炉尾部烟道相连接的烟气处理系统，其特征在于：所述锅炉尾部烟道上安装有用于烟气余热回收利用的有机朗肯循环发电系统，所述有机朗肯循环发电系统包括通过管道依次连接的蒸发器、膨胀机、冷凝器、储液罐、有机工质流量控制阀门和工质泵，所述膨胀机与所述的发电机共轴相连；所述烟气处理系统包括通过管道依次相连的控制阀门、除尘器和有害气体吸收装置，所述的控制阀门与蒸发器相连。
2.根据权利要求1所述的一种基于有机朗肯循环的烟气余热回收及烟气处理系统，其特征在于：所述有害气体吸收装置包括依次串联的集烟道、第一反应装置、连接烟道、第二反应装置和烟气出口，所述第一反应装置用于吸收二氧化碳、二氧化硫和二氧化氮，所述第二反应装置用于吸收一氧化碳。
3.根据权利要求1所述的一种基于有机朗肯循环的烟气余热回收及烟气处理系统，其特征在于：所述有机朗肯循环发电系统的循环工质是R124、R245ca、R245fa或R134a。
4.根据权利要求1所述的一种基于有机朗肯循环的烟气余热回收及烟气处理系统，其特征在于：所述烟气的种类是电站锅炉烟气、工业锅炉烟气、燃气轮机排气或燃机排气。
5.根据权利要求1所述的一种基于有机朗肯循环的烟气余热回收及烟气处理系统，其特征在于：所述控制阀门与蒸发器之间的管路中安装有引风机。
6.根据权利要求1所述的一种基于有机朗肯循环的烟气余热回收及烟气处理系统，其特征在于：还包括与所述控制阀门相并联的排烟阀门。
7.根据权利要求1所述的一种基于有机朗肯循环的烟气余热回收及烟气处理系统的处理方法，其特征在于：蒸发器布置在炉膛的尾部烟道内，使尾部烟道中的烟气先后流经蒸发器、除尘器及脱除污染物装置，进行放热，除尘，脱除烟气中二氧化硫、二氧化碳、二氧化碳及一氧化碳之后排入大气中；蒸发器、膨胀机、冷凝器、工质泵、储液罐、有机工质流量控制阀门通过管道依次相连，且发电机与膨胀机共轴相连，有机工质流量控制阀门位于储液罐之后，控制回路中的有机工质流量；冷凝器、冷却塔、循环水泵、冷水流量控制阀门依次相连，冷水流量控制阀门位于冷凝器入口，用于控制进入冷凝器中的冷却水流量，相并联的控制阀门和排烟阀门用于控制烟气的流向。
8.根据权利要求7所述的一种基于有机朗肯循环的烟气余热回收及烟气处理系统的处理方法，其特征在于：烟气处理装置包括除尘器和有害气体脱除装置，有害气体脱除装置设有入口及出口的第一反应装置和第二反应装置，集烟道将第一反应装置与除尘器相连，第一反应装置的出气口和第二反应装置的进气口将第一反应装置和第二反应装置相连，烟气从除尘器出来后由集烟道进入第一反应装置，由第一反应装置顶部的喷嘴喷射出的氢氧化钾溶液烟雾与烟气充分混合并吸收烟气中的二氧化碳、二氧化硫和二氧化氮，然后在第一反应装置底部汇集排出，剩余的烟气由连接烟道进入第二反应装置，由反应装置顶部的喷嘴喷射出氯化亚铜的氨溶液烟雾与剩余的烟气充分混合并吸收烟气中一氧化碳，然后烟雾凝结成液体在第二反应装置底部汇集排出，剩余的烟气由烟气出口排向环境中。
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