CN107062298A - 一种膜法回收烟气中水蒸气及其热量的系统及换热模块 - Google Patents

一种膜法回收烟气中水蒸气及其热量的系统及换热模块 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于复合膜回收火电厂烟气中水蒸气及其热量的系统和前置暖风器的换热模块。水分回收装置采用三级布置，并设置前置暖风器回收水蒸气热量。其中，高温水分回收装置布置在空气预热器之前，回收的水蒸气温度较高，作为暖风器的热源；中温水分回收装置布置在脱硫塔之前，回收的水蒸气的热量作为前置暖风器的热源，加热环境空气；低温水分回收装置布置在脱硫塔之后，回收的水蒸气温度较低，可以直接进入凝汽器凝结。前置暖风器的换热模块主要由水蒸气输运管、Ⅰ级换热模块、Ⅱ级换热模块、疏水联箱组成。本系统在节水节能方面具有巨大应用潜力。

Description

一种膜法回收烟气中水蒸气及其热量的系统及换热模块
技术领域
本发明属于火力发电行业节水、节能技术领域，设计一个热量利用系统，利用回收的水蒸气的热量，提高空气预热器冷端温度，水蒸气凝结后进入凝结水系统回收利用。该系统不仅回收了烟气中的水分，还能有效地提高进入空气预热器的空气温度，减轻空气预热器的低温腐蚀。
背景技术
截止2014年底，我国火力发电机组装机容量已突破9亿万千瓦，占总装机容量的67%左右，可见火力发电在我国电力行业中仍然占据着绝对的地位。有统计数据表明，我国火电用水量一直占全国电力工业用水量的40%以上，并且这个比例在逐年增加。尽管我国有着较大的淡水储备，但经济的飞速发展和水资源分布的不均衡使得中西部地区面临严重的水资源匮乏问题。同时，中西部地区是我国重要的化石能源储备地区，富煤贫水的现状严重限制了中西部地区火力发电行业的进一步发展。
对于北方的大部分电厂，由于冬季气温较低，冷空气直接进入空气预热器，会严重降低空气预热器低温段的平均温度，产生空气预热器的低温腐蚀。为了避免空气预热器的低温腐蚀，普遍采用的方法是设置暖风器，其热源来自汽轮机的抽汽，这样会降低部分蒸汽的做功能力，产生做功不足，降低了发电效率，经济性较差。
燃煤发电机组运行时产生大量的烟气，其中包含大量的水蒸气，且水蒸气含有大量的潜热与显热，如果能将火电厂烟气中的水蒸气及其热量进行回收，对火电厂的节水、节能工作会产生至关重要的作用。
发明内容
本发明的目的是阐述一种基于中空纤维复合膜法回收火电厂烟气中水蒸气及其热量的系统，系统中设置前置暖风器来回收水蒸气所含的热量，利用水蒸气的热量加热一、二次风，换热后的水蒸气凝结为液态水，回收利用；此外，还根据水蒸气的凝结特性进行了前置暖风器换热模块的结构设计。
回收火电厂烟气中的水蒸气热量的利用系统：锅炉烟道内不同位置的烟气温度不同，其水蒸气所含热量的品位也有较大差别。为了更加经济的利用回收的水蒸气的热量，将水分回收装置分三级布置，水分回收装置均为中空纤维复合膜回收烟气中水蒸气装置；并设置前置暖风器提高进入暖风器的空气温度，如图1所示。其中，高温水分回收装置（1）布置在空气预热器（2）之前的烟道内，回收的水蒸气温度较高，可作为暖风器（12）的热源，疏水由疏水泵（13）汇入凝汽器热井（10），回收的水蒸气热量的利用，可以减少暖风器所消耗的汽轮机抽汽，提高发电效率；中温水分回收装置（4）布置在除尘器（3）之后、脱硫塔（5）之前，回收的水蒸气作为前置暖风器（11）的热源，加热环境空气，疏水与高温水分回收装置的疏水汇集，一同由疏水泵（13）汇入凝汽器热井（10）；低温水分回收装置（6）布置在脱硫塔（5）之后、引风机（7）之前，回收的水蒸气温度较低，所含热量的品位也较低，可以直接进入凝汽器（9）凝结，回收利用。如机组采用的是湿法脱硫，脱硫后烟气水分较多，易造成烟囱的腐蚀，水分的回收可以有效避免烟囱的腐蚀；如脱硫工艺不是湿法脱硫，脱硫后烟气的温度仍较高，可以把低温水分回收装置（6）中回收的水蒸气引入前置暖风器（11），达到回收热量的目的。
前置暖风器换热模块的结构设计：前置暖风器是利用回收的水蒸气预热进入空气预热器空气的装置，前置暖风器的换热装置主要由水蒸气输运管（18）、Ⅰ级换热模块（19）、Ⅱ级换热模块（20）、疏水联箱（21）组成。从水蒸气回收装置中回收的水蒸气经水蒸气输运管（18）输运至Ⅰ级换热模块（19）、Ⅱ级换热模块（20）进行换热，换热后的疏水进入疏水联箱（21），进行储存和下一步的输运。根据水蒸气的凝结特性以及空气与水蒸气的流量比例，将Ⅰ、Ⅱ级换热模块设计成带翅片的内外套管结构，外管有8片翅片，其中4片为固定翅片（Ⅰ级换热模块的主视图中上、下、左、右4个翅片），4片为普通翅片（Ⅰ级换热模块的主视图中左上、右上、左下、右下4个翅片）。Ⅰ级换热模块中的换热包含水蒸气的汽化潜热，换热量较大，因此内管也设置了8个翅片增强换热；Ⅱ级换热模块为液态水与空气的换热，换热量较小，为减小流动阻力，内管不设置翅片。套管内外流动冷空气，冷却套管夹层内流动的水蒸气，换热面积较大，换热效果较好，且该结构对空气流动的阻力较小，所需的送风机能耗也较小。每个水蒸气输运管下均设置两级换热模块，所有Ⅱ级换热模块下设置共同的疏水联箱，储存及输运换热后的疏水。
本发明的有益效果：回收烟气中的水蒸气可以降低烟气的酸露点温度，减轻尾部受热面低温腐蚀；水蒸气热量的回收可以用来加热空气，提升进入预热器的空气温度，提高空气预热器的冷端温度，降低空气预热器腐蚀的可能性；回收的水蒸气的热量的回收利用，可以减少锅炉暖风器所消耗的汽轮机抽汽量，增强汽轮机的做功，提高发电效率，提升机组的运行经济性；进行实验室内的验证实验，结果表明，换热模块对空气的流动阻力极小，且对于中低流速的烟气，水分回收率为40-70%，低温冷却空气温度升高5-8℃；用该数据分析600MW机组时，结果表明回收率在50%，环境温度为10℃时，空气预热器进口空气温度可提高4.3℃。
附图说明
图1为水蒸气热量回收系统的示意图。
图2为前置暖风器换热模块的整体结构示意图。
图3为Ⅰ级换热模块的主视图。
图4为图3中的A-A向剖视结构示意图。
图5为图4中的B-B向剖视结构示意图。
图6为Ⅱ级换热模块的主视图。
图7为图6中的A-A向剖视结构示意图。
图8为图7中的B-B向剖视结构示意图。
具体实施方式
本发明设计了一种基于中空纤维复合膜法回收火电厂烟气中水蒸气及其热量的系统及前置暖风器换热模块的结构，目的是实现火电厂烟气中水蒸气及其热量的回收，降低火电厂水耗与煤耗，提升火电机组运行的经济性，降低火电厂的污染物排放。
水蒸气的热量回收系统中，水分回收装置采用高、中、低三级布置：高温水分回收装置（1）布置在空气预热器（2）之前，回收的水蒸气温度较高，可作为暖风器（12）的热源，疏水经疏水泵（13）打回凝汽器热井（10），中温水分回收装置（4）布置在除尘器（3）之后、脱硫塔（5）之前，回收的水蒸气作为前置暖风器（11）的热源，加热环境空气，疏水与高温水分回收装置的疏水汇集，一同由疏水泵（13） 打入凝汽器热井（10）；低温水分回收装置（6）布置在脱硫塔（5）之后、引风机（7）之前，回收的水蒸气温度较低，所含热量的品位也较低，可以直接进入凝汽器（9）凝结回收。如机组采用的是湿法脱硫，脱硫后烟气水分较多，易造成烟囱的腐蚀，水分的回收可以有效避免烟囱的腐蚀；如脱硫工艺不是湿法脱硫，脱硫后烟气的温度仍较高，可将低温水分回收装置（6）中回收的水蒸气引入前置暖风器（11），达到回收热量的目的。冬季环境温度较低时，可以关闭阀门（17），开启阀门（16），将低温水分回收装置中回收的水蒸气一同作为前置暖风器的热源，提高前置暖风器的出口空气温度，进而提高空气预热器冷端温度。当高温水分回收装置故障时，可关闭阀门（14），高温水分回收装置退出运行；当中温水分回收装置故障时，可关闭阀门（15），中温水分回收装置退出运行；当低温水分回收装置故障时，可关闭阀门（16）、（17），低温水分回收装置退出运行；高中低温水分回收装置运行相对独立，无相互影响，且水分回收装置故障不影响锅炉风烟系统的正常运行。

Claims (4)

1.一种膜法回收烟气中水蒸气及其热量的系统及换热模块，其特征是：在热量回收系统中，水分回收装置采用高、中、低温三级布置，三级水分回收装置均为中空纤维复合膜回收烟气中水蒸气装置，烟气中水蒸气可渗透进入膜内；高温水分回收装置布置在空气预热器之前，回收的水蒸气温度较高，作为暖风器的热源；中温水分回收装置布置在脱硫塔之前，回收的水蒸气的热量作为前置暖风器的热源，加热环境空气；低温水分回收装置布置在脱硫塔之后，回收的水蒸气温度较低，可以直接进入凝汽器凝结回收；前置暖风器的换热模块主要由水蒸气输运管、Ⅰ级换热模块、Ⅱ级换热模块、疏水联箱组成；这些装置主要依靠管道、法兰，阀门等连接。
2.对于权利要求1中所述的三级布置，其特征是：高温水分回收装置布置在空气预热器之前的烟道内，回收的水蒸气作为暖风器的热源，疏水由疏水泵输运至凝汽器的热井；中温水分回收装置布置在脱硫塔之前，回收的水蒸气用作前置暖风器的热源；低温水分回收装置布置在脱硫塔之后，回收的水蒸气直接进入凝汽器凝结回收，低温回收装置的回收管中设置备用旁路，冬季环境温度较低时，可以将低温水分回收装置中的水蒸气一同作为前置暖风器的热源，提高前置暖风器的出口空气温度。
3.对于权利要求1中所述的前置暖风器，其特征是：该装置模块设置在前置暖风器内，换热模块主要由水蒸气输运管、Ⅰ级换热模块、Ⅱ级换热模块、疏水联箱组成；Ⅰ、Ⅱ级换热模块为带翅片的内外套管结构；套管内外流动冷空气，冷却套管夹层内的水蒸气；每个水蒸气输运管下设置两级换热模块，所有二级换热模块下设置共同的疏水联箱，储存及输运换热后的疏水。
4.对于权利要求3中所述的Ⅰ、Ⅱ级换热模块的结构，其特征是：外管均有8片翅片，其中4个固定翅片，4个普通翅片；Ⅰ级换热模块内管也设置了8个翅片增强换热；Ⅱ级换热模块内管不设置翅片。
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