CN108105784B - 垃圾焚烧电厂低温余热回收系统及方法 - Google Patents

垃圾焚烧电厂低温余热回收系统及方法 Download PDF

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    • Y02E20/12—Heat utilisation in combustion or incineration of waste

Abstract

本发明公开了垃圾焚烧电厂低温余热回收系统及方法，本系统采用热管/管壳式换热设备，高效利用烟气的显热以及烟气内水蒸气的潜热，提高烟气、底渣余热的回收效率；烟气余热和底渣余热提高了凝结水、一次风的温度，有利于降低焚烧炉的排烟损失、提高焚烧炉的热效率和电厂的发电量；底渣余热被回收的同时，底渣冷却水温度下降，可再次回用，减少了自来水的污染与浪费；焚烧炉烟气内余热被回收的同时，抑制了烟气中Hg、As等重金属污染物的排放，环保效果显著，其次，烟气利用自身显热升温，降低了引风机的工作压力，更有利于烟气经烟囱排到大气。

Description

垃圾焚烧电厂低温余热回收系统及方法
技术领域
本发明属于垃圾发电厂余热回收领域，具体涉及垃圾焚烧电厂低温余热回收系统及方法。
背景技术
焚烧能够实现垃圾的无害化、减量化、资源化处理，2016年底国内生活垃圾焚烧电厂总建设规模接近54.15万t/d，其中已投运的生活垃圾焚烧发电厂的垃圾焚烧处理量达到26.14万t/d。随着人们对环境污染问题日益关注，垃圾焚烧过程中热能的高效回收技术，越来越受到重视。
垃圾焚烧烟气的排放温度一般控制在150℃左右，但实际工程中，由于省煤器积灰等各种原因，垃圾焚烧烟气的排放温度通常高达180℃-200℃,烟气内含水量高达30％以上，大量显热和潜热可被利用，同时烟囱出口经常看到“白雾”现象，挥发性重金属如As、Hg等会随热烟气排到大气中，据统计，排烟温度每降低15℃，排烟热损失将降低1％左右，垃圾焚烧炉烟气露点温度(约70℃)，且烟气温度降低有利于挥发性重金属的分离，因此应当尽可能使烟气温度降至最低，在减少大气污染的同时，尽可能回收烟气中的余热。另外，垃圾焚烧后产生15％左右温度高达600℃的底渣，传统工艺下，这些底渣被自来水冷却后捞出，该过程产生的70℃-80℃的废水被直接排放，造成大量的废热损失。
如果利用垃圾焚烧炉排烟余热、底渣余热加热一次风、凝结水，不仅降低了垃圾电厂的排烟损失和排渣损失，降低了暖风器(蒸汽加热)和低压加热器的抽汽量，而且使每吨垃圾发电量和全厂的运行效率得到提高，垃圾焚烧电厂的上网电价是0.65元/度，具有可观的经济效益。
专利CN101956986B公开了一种垃圾焚烧烟气的低温余热回收方法，通过采用该方法，能够在不降低烟气自身通风能力的前提下回收烟气的潜热；专利CN102444901B公开了一种煤电厂组合式热管余热回收系统及方法，解决了煤电厂烟道内热量以及水汽的余热回收问题；专利CN102759096B公开了一种烟气余热利用系统。
综上所述，发明人发现现有技术中仍存在以下几点缺陷：
(1)节能性差：烟气的低温余热回收过程中，烟气在换热设备内因受到不同程度的局部阻力损失，同等条件下大大增加了送风机的输出功率；
(2)可靠性差：烟气内含有较多酸性气体，容易造成设备腐蚀，此外烟气余热回收过程中，温度降低程度较难控制在露点温度以上，仍有可能造成设备不同程度的腐蚀，传统的整体式换热器一旦发现腐蚀，必须停止整个系统的运行；
(3)余热回收不全面：在垃圾焚烧底渣余热回收方面，目前研究甚少，垃圾焚烧底渣冷却水如果能够回用，将在一定程度上提高垃圾焚烧发电厂的环保及经济效益；
(4)危害环境：烟气内含有Hg、As等挥发性重金属，排放到大气中势必造成环境污染；
(5)灵活性差：传统余热回收系统往往只可以将回收余热用于凝结水或者空气的升温，较少有两者兼备的设备；同时，由于传统热管换热器冷凝端与蒸发端连在一起，造成了布置上的局限性。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的不足，提供一种垃圾焚烧电厂低温余热回收系统。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种垃圾焚烧电厂低温余热回收系统，包括送风机1、热管/管壳式换热设备2、暖风器3、垃圾焚烧炉4、锅炉5、过热器6、汽轮机7、发电机8、冷凝器9、凝结水泵10、热管换热器11、低压加热器12、除氧器13、给水泵14、高压加热器15、省煤器16、烟道17、脱酸装置18、除尘器19、引风机20、烟囱21和底渣冷却器22；
其中热管/管壳式换热设备由分离式热管换热器和管壳式换热器组装而成，分离式热管换热器包括加热段、第一冷却段2-1和第二冷却段2-2，加热段与两个冷却段并联并由蒸汽上升管和回流管顺次连接，管壳式换热器包括凝结水管束2-3以及烟气冷凝水接盘2-4，管程内流通凝结水，壳程内流通烟气；
送风机1出口连接热管/管壳式换热设备的第一冷凝段2-1入口，热管/管壳式换热设备第一冷凝段2-1的出口连接暖风器3，暖风器3通往垃圾焚烧炉4炉膛进风口，焚烧烟气经烟道17送往脱酸装置18以及除尘器19，除尘器19出口连接热管/管壳式换热设备第二冷凝段2-2入口，热管/管壳式换热设备的第二冷凝段2-2出口通往引风机20入口，烟气经引风机出口最终由烟囱21排向大气；
垃圾焚烧炉4炉膛内，汽包锅炉5出口连接过热器6入口，过热器出口连接汽轮机7入口，汽轮机7连接发电机8，汽轮机7的四个抽气口分别连接高压加热器15、暖风器3、除氧器13和低压加热器12，所述汽轮机7排气口连接冷凝器9入口，冷凝器9出口连接凝结水泵10入口，所述凝结水泵10入口连接热管换热器11的蒸发段入口，所述热管换热器的蒸发段出口连接热管/管壳式换热设备2的蒸发段入口；垃圾焚烧炉4炉膛内，炉渣排向底渣冷却器22，底渣冷却器出口连接热管换热器11的冷凝段入口，热管换热器11的冷凝段出口与底渣冷却器22入口相连。
在上述技术方案中，所述热管/管壳式换热设备为箱体结构，一侧为烟气入口，一侧为烟气出口，箱体结构内为烟气的流通通道，烟气流过箱体内部时释放余热，靠近烟气入口一侧为分离式热管换热器的加热段，高温烟气经分离式热管换热器内的工作液体将热量传递到第一冷却段2-1和第二冷却段2-2，靠近烟气出口一侧为管壳式换热器。
在上述技术方案中，所述凝结水管束呈矩阵式排列，横排凝结水管束的数量与竖排凝结水管束的数量相等，横排凝结水管束的数量为4-6根，竖排凝结水管束的数量为4-6根。
在上述技术方案中，所述烟气冷凝水接盘设置于凝结水管束的垂直下方。
在上述技术方案中，所述的热管换热器采用复合钢管，工作液体选择水，外层涂抹石墨材料防腐。
一种垃圾焚烧电厂低温余热回收方法，如下所述：
(一)利用烟气余热对送风机送进的冷风和汽轮机回流的冷凝水进行加热
烟气经除尘器除尘后送入热管/管壳式换热设备2的加热端，释放显热，使所述热管/管壳式换热设备2加热段内工作液体气化，热量经蒸汽上升管分别传递到所述热管/管壳式换热设备2的第一冷却段2-1和第二冷却段2-2，烟气温度降低到露点温度；经过第一次换热器降温后的烟气被送往管壳式换热器侧的壳程与流经管程的凝结水换热，该过程中烟气温度基本保持不变，烟气中的水蒸气释放潜热而凝结，并由烟气冷凝水接盘收集，后续统一进行无害化处理，而管程内凝结水温度升高；烟气再次被送入热管/管壳式换热设备2的第二冷却段2-2，温度升高并经引风机由烟囱排出，而升温后的凝结水被送往低压加热器进一步升温；所述的热管/管壳式换热设备2的第一冷却段2-1内，工作液体遇到冷空气而凝结回流到所述的热管/管壳式换热设备2的加热段，由送风机送出的冷空气获得热量温度升高；温度升高后的冷空气经暖风器再次升温后送到垃圾焚烧炉4的炉膛内助燃；
(二)利用垃圾焚烧炉内底渣的余热对汽轮机回流的冷凝水进行加热
升温后的底渣冷却水通往热管换热器11的蒸发端，热管内工作液迅速吸收底渣冷却水的热量并气化，热量随工作液蒸汽被带往热管换热器11的冷凝端，底渣冷却水温度下降，并被送回底渣冷却器内再次冷却由焚烧炉炉膛排出的高温底渣；热管换热器11的冷凝端与低温的凝结水管束接触，热管换热器11内的工作液温度迅速下降并液化回流到蒸发端，将热量传递给低温凝结水。
在上述技术方案中，所述露点温度为68-72℃。
在上述技术方案中，所述的加热段入口烟气温度为150℃-200℃，加热段出口烟气温度为70℃-75℃，所述的管壳式换热器壳程出口，烟气温度维持在70-75℃，冷却段2-2出口烟气温度为90℃-100℃。
在上述技术方案中，所述的管壳式换热器的管程内凝结水的进水温度为35-40℃，出水温度为60℃-65℃。
本发明的优点和有益效果为：
采用热管/管壳式换热设备，高效利用烟气的显热以及烟气内水蒸气的潜热，提高烟气、底渣余热的回收效率；烟气余热和底渣余热提高了凝结水、一次风的温度，有利于降低焚烧炉的排烟损失、提高焚烧炉的热效率和电厂的发电量；底渣余热被回收的同时，底渣冷却水温度下降，可再次回用，减少了自来水的污染与浪费；焚烧炉烟气内余热被回收的同时，抑制了烟气中Hg、As等重金属污染物的排放，环保效果显著，其次，烟气利用自身显热升温，降低了引风机的工作压力，更有利于烟气经烟囱排到大气。
附图说明
图1是垃圾焚烧电厂余热回收系统工作流程图。
图2是热管/管壳式换热设备的复合余热回收装置结构示意图；
(1)为热管/管壳式换热设备侧视结构示意图；
(2)为热管/管壳式换热设备俯视结构示意图；
(3)为第一冷却段工作流程示意图；
(4)为第二冷却段工作流程示意图。
其中：
1为送风机，2为热管/管壳式换热设备，2-1为第一冷却段，2-2为第二冷却段，2-3为凝结水管束，2-4为烟气冷凝水接盘，3为暖风器，4为垃圾焚烧炉，5为锅炉，6为过热器，7为汽轮机，8为发电机，9为冷凝器，10为凝结水泵，11为热管换热器，12为低压加热器，13为除氧器，14为给水泵，15为高压加热器，16为省煤器，17为烟道，18为脱酸装置，19为除尘器，20为引风机，21为烟囱，22为底渣冷却器。
对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据以上附图获得其他的相关附图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
实施例一
如图所示，一种垃圾焚烧电厂低温余热回收系统，包括送风机1、热管/管壳式换热设备2、暖风器3、垃圾焚烧炉4、锅炉5、过热器6、汽轮机7、发电机8、冷凝器9、凝结水泵10、热管换热器11、低压加热器12、除氧器13、给水泵14、高压加热器15、省煤器16、烟道17、脱酸装置18、除尘器19、引风机20、烟囱21和底渣冷却器22；
其中热管/管壳式换热设备由分离式热管换热器和管壳式换热器组装而成，分离式热管换热器包括加热段、第一冷却段2-1和第二冷却段2-2，加热段与两个冷却段并联并由蒸汽上升管和回流管顺次连接，管壳式换热器包括凝结水管束2-3以及烟气冷凝水接盘2-4，管程内流通凝结水，壳程内流通烟气；
送风机1出口连接热管/管壳式换热设备的第一冷凝段2-1入口，热管/管壳式换热设备第一冷凝段2-1的出口连接暖风器3，暖风器3通往垃圾焚烧炉4炉膛进风口，焚烧烟气经烟道17送往脱酸装置18以及除尘器19，除尘器19出口连接热管/管壳式换热设备第二冷凝段2-2入口，热管/管壳式换热设备的第二冷凝段2-2出口通往引风机20入口，烟气经引风机出口最终由烟囱21排向大气；
垃圾焚烧炉4炉膛内，汽包锅炉5出口连接过热器6入口，过热器出口连接汽轮机7入口，汽轮机7连接发电机8，汽轮机7的四个抽气口分别连接高压加热器15、暖风器3、除氧器13和低压加热器12，所述汽轮机7排气口连接冷凝器9入口，冷凝器9出口连接凝结水泵10入口，所述凝结水泵10入口连接热管换热器11的蒸发段入口，所述热管换热器的蒸发段出口连接热管/管壳式换热设备2的蒸发段入口；垃圾焚烧炉4炉膛内，炉渣排向底渣冷却器22，底渣冷却器出口连接热管换热器11的冷凝段入口，热管换热器11的冷凝段出口与底渣冷却器22入口相连。
所述热管/管壳式换热设备为箱体结构，一侧为烟气入口，一侧为烟气出口，箱体结构内为烟气的流通通道，烟气在流通过程中释放余热，靠近烟气入口一侧为分离式热管换热器的加热段，高温烟气将热量传递给加热段内的工作液体，靠近烟气出口一侧为管壳式换热器。
所述凝结水管束呈矩阵式排列，横排凝结水管束的数量与竖排凝结水管束的数量相等，横排凝结水管束的数量为5根，竖排凝结水管束的数量为5根。
所述烟气冷凝水接盘设置于凝结水管束的垂直下方。
所述的热管换热器采用复合钢管，工作液体选择水，外层涂抹石墨材料防腐。
实施例二
利用烟气余热对送风机发出的冷风和汽轮机回流的冷凝水进行加热
烟气经除尘器除尘后送入热管/管壳式换热设备2的加热端，释放显热，使所述热管/管壳式换热设备2加热段内工作液体气化，热量经蒸汽上升管分别传递到所述热管/管壳式换热设备2的第一冷却段2-1和第二冷却段2-2，烟气温度降低到露点温度；经过第一次换热器降温后的烟气被送往管壳式换热器侧的壳程与流经管程的凝结水换热，该过程中烟气温度基本保持不变，烟气中的水蒸气释放潜热而凝结，并由烟气冷凝水接盘收集，后续统一进行无害化处理，而管程内凝结水温度升高；烟气再次被送入热管/管壳式换热设备2的第二冷却段2-2，温度升高并经引风机由烟囱排出，而升温后的凝结水被送往低压加热器进一步升温；所述的热管/管壳式换热设备2的第一冷却段2-1内，工作液体遇到冷空气而凝结回流到所述的热管/管壳式换热设备2的加热段，由送风机送出的冷空气获得热量温度升高；温度升高后的冷空气经暖风器再次升温后送到垃圾焚烧炉4的炉膛内助燃；
实施例三
利用垃圾焚烧炉内底渣的余热对汽轮机回流的冷凝水进行加热
升温后的底渣冷却水通往热管换热器11的蒸发端，热管内工作液迅速吸收底渣冷却水的热量并气化，热量随工作液蒸汽被带往热管换热器11的冷凝端，底渣冷却水温度下降，并被送回底渣冷却器内再次冷却由焚烧炉炉膛排出的高温底渣；热管换热器11的冷凝端与低温的凝结水管束接触，热管换热器11内的工作液温度迅速下降并液化回流到蒸发端，将热量传递给低温凝结水。
所述的加热段入口烟气温度为200℃，加热段出口烟气温度为75℃，所述的管壳式换热器壳程出口，烟气温度维持在75℃左右，冷却段2-2出口烟气温度为100℃。
所述的管壳式换热器的管程内凝结水的进水温度为40℃，出水温度为65℃。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种垃圾焚烧电厂低温余热回收系统，其特征在于：包括送风机（1）、热管/管壳式换热设备（2）、暖风器（3）、垃圾焚烧炉（4）、锅炉（5）、过热器（6）、汽轮机（7）、发电机（8）、冷凝器（9）、凝结水泵（10）、热管换热器（11）、低压加热器（12）、除氧器（13）、给水泵（14）、高压加热器（15）、省煤器（16）、烟道（17）、脱酸装置（18）、除尘器（19）、引风机（20）、烟囱（21）和底渣冷却器（22）；
其中热管/管壳式换热设备由分离式热管换热器和管壳式换热器组装而成，分离式热管换热器包括加热段、第一冷却段（2-1）和第二冷却段（2-2），加热段与两个冷却段并联并由蒸汽上升管和回流管顺次连接，管壳式换热器包括凝结水管束（2-3）以及烟气冷凝水接盘（2-4），管程内流通凝结水，壳程内流通烟气；
送风机（1）出口连接热管/管壳式换热设备的第一冷凝段（2-1）入口，热管/管壳式换热设备第一冷凝段（2-1）的出口连接暖风器（3），暖风器（3）通往垃圾焚烧炉（4）炉膛进风口，焚烧烟气经烟道（17）送往脱酸装置（18）以及除尘器（19），除尘器（19）出口连接热管/管壳式换热设备第二冷凝段（2-2）入口，热管/管壳式换热设备的第二冷凝段（2-2）出口通往引风机（20）入口，烟气经引风机出口最终由烟囱（21）排向大气；
垃圾焚烧炉（4）炉膛内，锅炉（5）出口连接过热器（6）入口，过热器出口连接汽轮机（7）入口，汽轮机（7）连接发电机（8），汽轮机（7）的四个抽气口分别连接高压加热器（15）、暖风器（3）、除氧器（13）和低压加热器（12），所述汽轮机（7）排气口连接冷凝器（9）入口，冷凝器（9）出口连接凝结水泵（10）入口，所述凝结水泵（10）入口连接热管换热器（11）的蒸发段入口，所述热管换热器的蒸发段出口连接热管/管壳式换热设备（2）的蒸发段入口；垃圾焚烧炉（4）炉膛内，炉渣排向底渣冷却器（22），底渣冷却器出口连接热管换热器（11）的冷凝段入口，热管换热器（11）的冷凝段出口与底渣冷却器（22）入口相连；
所述热管/管壳式换热设备为箱体结构，一侧为烟气入口，一侧为烟气出口，箱体结构内为烟气的流通通道，烟气流过箱体内部时释放余热，靠近烟气入口一侧为分离式热管换热器的加热段，高温烟气经分离式热管换热器内的工作液体将热量传递到第一冷却段（2-1）和第二冷却段（2-2），靠近烟气出口一侧为管壳式换热器；
所述凝结水管束呈矩阵式排列，横排凝结水管束的数量与竖排凝结水管束的数量相等，横排凝结水管束的数量为4-6根，竖排凝结水管束的数量为4-6根。
2.根据权利要求1所述的一种垃圾焚烧电厂低温余热回收系统，其特征在于：所述烟气冷凝水接盘设置于凝结水管束的垂直下方。
3.根据权利要求1所述的一种垃圾焚烧电厂低温余热回收系统，其特征在于：所述的热管换热器采用复合钢管，工作液体选择水，外层涂抹石墨材料防腐。
4.如权利要求1-3之一所述的垃圾焚烧电厂低温余热回收系统的低温余热回收方法，其特征在于：
利用烟气余热对送风机送进的冷风和汽轮机回流的冷凝水进行加热
烟气经除尘器除尘后送入热管/管壳式换热设备（2）的加热端，释放显热，使所述热管/管壳式换热设备（2）加热段内工作液体气化，热量经蒸汽上升管分别传递到所述热管/管壳式换热设备（2）的第一冷却段（2-1）和第二冷却段（2-2），烟气温度降低到露点温度；经过第一次换热器降温后的烟气被送往管壳式换热器侧的壳程与流经管程的凝结水换热，该过程中烟气温度基本保持不变，烟气中的水蒸气释放潜热而凝结，并由烟气冷凝水接盘收集，后续统一进行无害化处理，而管程内凝结水温度升高；烟气再次被送入热管/管壳式换热设备（2）的第二冷却段（2-2），温度升高并经引风机由烟囱排出，而升温后的凝结水被送往低压加热器进一步升温；所述的热管/管壳式换热设备（2）的第一冷却段（2-1）内，工作液体遇到冷空气而凝结回流到所述的热管/管壳式换热设备（2）的加热段，由送风机送出的冷空气获得热量温度升高；温度升高后的冷空气经暖风器再次升温后送到垃圾焚烧炉（4）的炉膛内助燃；
利用垃圾焚烧炉内底渣的余热对汽轮机回流的冷凝水进行加热
升温后的底渣冷却水通往热管换热器（11）的蒸发端，热管内工作液迅速吸收底渣冷却水的热量并气化，热量随工作液蒸汽被带往热管换热器（11）的冷凝端，底渣冷却水温度下降，并被送回底渣冷却器内再次冷却由焚烧炉炉膛排出的高温底渣；热管换热器（11）的冷凝端与低温的凝结水管束接触，热管换热器（11）内的工作液温度迅速下降并液化回流到蒸发端，将热量传递给低温凝结水。
5.根据权利要求4所述的低温余热回收方法，其特征在于：所述露点温度为68-72℃。
6.根据权利要求4所述的低温余热回收方法，其特征在于：所述的加热段入口烟气温度为150℃-200℃，加热段出口烟气温度为70℃-75℃。
7.根据权利要求4所述的低温余热回收方法，其特征在于：所述的管壳式换热器壳程出口，烟气温度维持在70-75℃，第二冷却段（2-2）出口烟气温度为90℃-100℃。
8.根据权利要求4所述的低温余热回收方法，其特征在于：所述的管壳式换热器的管程内凝结水的进水温度为35-40℃，出水温度为60℃-65℃。
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