CN109519954B - 一种电站锅炉烟气余热利用系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电站锅炉烟气余热利用系统，包括热管、烟气通道和空气通道，所述热管包括蒸发端和冷凝端，所述冷凝端设置在空气通道中；蒸发端吸收锅炉烟道中烟气的余热，通过冷凝端将热量传递给空气通道中的空气；加热后的空气进入锅炉炉膛进行助燃，所述热管内设置稳定装置。本发明提供一种新式结构的烟气余热利用装置及方法，充分利用热源，降低能耗，改善排烟效果。

Description

一种电站锅炉烟气余热利用系统

技术领域

本发明是和企业共同研发的课题项目的其中一部分，涉及热管余热回收领域，特别是涉及一种利用热管回收烟气余热方法及装置。

背景技术

随着我国经济快速发展，能源消耗日益增加，城市大气质量日益恶化的问题也越发突出，节约能源和减少环境有害物排放的问题迫在眉睫。在常见的蒸汽产生过程中，能耗高、污染严重的主要原因之一是锅炉烟气的排烟温度过高，浪费了大量能源，因此对锅炉尾气余热进行回收再利用，实现节能减排的目的，同时还可以保护环境。但是现有技术中在满足烟气余热的同时，可能会发生低温腐蚀，因此如何避免低温腐蚀是一个重要的问题，同时如果为了仅仅为了避免低温腐蚀，则在某些情况下烟气中余热浪费太多，导致发生余热利用效果不好的问题，因此上述的相关问题亟待解决。

热管技术是1963年美国洛斯阿拉莫斯(Los Alamos)国家实验室的乔治格罗佛(George Grover)发明的一种称为“热管”的传热元件，它充分利用了热传导原理与相变介质的快速热传递性质，透过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外，其导热能力超过任何已知金属的导热能力。相比于燃煤烟气余热回收中最为常用的管壳式换热器，热管换热器具有传热效率高、结构紧凑、压力损失小、有利于控制露点腐蚀等优点，在燃煤烟气余热回收利用中更具潜力。

此外，热管在换热中换热流体都是汽水混合物。热管在蒸发过程中，不可避免的会携带液体到蒸汽端内，同时因为冷凝端的放热冷凝，从而使得冷凝端中存在液体，液体也不可避免的与蒸汽混合，从而使得热管内的流体是汽液混合物，汽液混合物存在导致汽体混成一团，与液体之间换热能力下降，大大的影响了换热的效率。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提供一种新式结构的烟气余热利用装置及方法，充分利用热源，降低能耗，改善排烟效果。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种电站锅炉烟气余热利用系统，包括热管、烟气通道和空气通道，所述热管包括蒸发端和冷凝端，所述冷凝端设置在空气通道中；蒸发端吸收锅炉烟道中烟气的余热，通过冷凝端将热量传递给空气通道中的空气；所述预热后的空气进入锅炉炉膛进行助燃，所述热管内设置稳定装置，所述稳定装置是片状结构，所述片状结构在热管的横截面上设置；所述稳定装置为正方形通孔和正八边形通孔组成，所述正方形通孔的边长等于正八边形通孔的边长，所述正方形通孔的四个边分别是四个不同的正八边形通孔的边，正八边形通孔的四个互相间隔的边分别是四个不同的正方形通孔的边。

作为优选，热管的横截面是正方形。

作为优选，相邻稳定装置之间的距离为M1，正方形通孔的边长为C1，热管为正方形截面，热管正方形截面的边长为C2，满足如下要求：

M1/C2=a*Ln(C1/C2) +b

其中a,b是参数，其中1.725<a<1.733,4.99<b<5.01； 11<C2<46mm；

1．9<C1<3.2mm；

18<M1<27mm。

作为优选，所述稳定装置包括下面两种类型中的至少一种，第一种类型是正方形中心稳定装置，正方形通孔位于热管的中心，第二种类型是正八边形中心稳定装置，正八边形通孔位于热管的中心。

作为优选，相邻设置的稳定装置类型不同。

本发明具有如下优点：

1）本发明提供了一种新式正方形通孔和正八边形通孔相结合的新式结构的稳定装置的电站锅炉余热利用系统，通过正方形和正八边形，使得形成的正方形孔和正八边形孔的边形成的夹角都是大于等于90度，从而使得流体能够充分流过每个孔的每个位置，避免或者减少流体流动的短路。本发明通过新式结构的稳定装置将两相流体分离成液相和气相，将液相分割成小液团，将气相分割成小气泡，抑制液相的回流，促使气相顺畅流动，起到稳定流量的作用，提高换热效果。相对于现有技术中的稳定装置，进一步提高稳流效果，强化传热，而且制造简单。

2）本发明通过合理的布局，使得正方形和正八边形通孔分布均匀，从而使得整体上的横街面上的流体分割均匀，避免了现有技术中的环形结构沿着周向的分割不均匀问题。

3）本发明通过正方形孔和正八边形孔的间隔均匀分布，从而使得大孔和小孔在整体横截面上分布均匀，而且通过相邻的稳定装置的大孔和小孔的位置变化，使得分隔效果更好。

4）本发明通过设置稳定装置为片状结构，使得稳定装置结构简单，成本降低。

5）本发明通过在吸热管高度方向上设置相邻稳定装置之间的距离、稳定装置的孔的边长、吸热管的管径、管间距等参数大小的规律变化，研究了上述参数的最佳的关系尺寸，从而进一步达到稳流效果，降低噪音，提高换热效果。

6）本发明通过对稳定装置各个参数的变化导致的换热规律进行了广泛的研究，在满足流动阻力情况下，实现换热效果的最佳关系式。

7）提供了一种新式结构的余热利用装置，通过在热管之间设置均流管，保证了各个热管中压力的均匀，流体流量的分配均匀以及流体运动阻力的分配均匀。

附图说明：

图1为本发明电站锅炉余热利用系统的结构示意图。

图2本发明稳定装置横截面结构示意图；

图3本发明稳定装置另一个横截面结构示意图；

图4是本发明稳定装置在热管内布置示意图；

图5是本发明稳定装置在热管内布置横截面示意图；

图6是本发明热管设置均流管的横截面示意图。

图中：1、烟气通道，11、热管， 2空气通道，3均流管，4稳定装置，41正方形通孔，42正八边形通孔，43边。

具体实施方式

一种锅炉烟道烟气余热利用系统，所述余热利用系统包括热管11、烟气通道1和空气通道2，所述热管11包括蒸发端111和冷凝端112，所述冷凝端112设置在空气通道12中，蒸发端11设置在烟道内。蒸发端111吸收锅炉烟道中烟气的余热，通过冷凝端112将热量传递给空气通道12中的空气。预热后的空气进入锅炉炉膛进行助燃。

本发明热管在运行中，通过蒸发端111从烟气中吸收热量，然后在冷凝端将热量释放给空气，流体进行冷凝，依靠重力的作用再进入蒸发端111。

余热利用装置在运行过程中，存在流体分配不均匀，而且因为在集热过程中，不同的热管吸收的热量不同，导致不同的热管内流体温度不同，有的热管内甚至流体，例如水成为气液两相的状态，有的热管内流体依然是液体，这样因为流体变成蒸汽而导致热管内压力变大，因此通过在热管之间设置均流管，可以使得流体在热管内互相流动，这样使得所有热管内的压力分配达到平衡，也能促进流体分配达到平衡。

作为一种选择，如图6所示，所述热管之间设置均流管3。至少两个相邻的热管11之间设置均流管3。在研究中发现，在蒸发管吸热放热的过程中，会出现不同位置的吸热放热管的吸热量放热量不同，导致热管11之间的压力或者温度不同，这样会导致部分热管11温度过高，造成寿命缩短，一旦热管11出现问题，可能导致整个余热利用系统出现无法使用的问题。本发明通过大量的研究，在相邻的热管设置均流管3，可以在热管受热不同而导致压力不同的情况下，可以使得压力大的热管11内的流体快速的流向压力小的热管11，从而保持整体压力均衡，避免局部过热或者过冷。

作为优选，从热管11蒸发端向热管11冷凝端方向，相邻的热管11之间设置多个均流管3。通过设置多个均流管，能够使得流体在吸热蒸发过程中不断的均衡压力，保证整个热管内的压力均衡。

作为优选，在蒸发端111，从热管11蒸发端向热管11冷凝端方向，相邻均流管3之间的距离不断减小。此目的是为了设置更多的均流管，因为随着流体的向上流动，流体不断的吸热，随着流体不断的吸热，不同热管内的压力越来越不均匀，因此通过上述设置，能够保证在流体流动过程中尽快的达到压力均衡。

作为优选，在蒸发端111，从热管11蒸发端向热管11冷凝端方向，相邻均流管之间的距离不断减小的幅度越来越大。通过实验发现，上述设置，能够保证在流体流动过程中更优更快的达到压力均衡。这也是通过大量的研究压力分布变化规律而得来的最佳的连通方式。

作为优选，在蒸发端111，从热管11蒸发端向热管11冷凝端方向，均流管3的直径不断增加。此目的是为了设置保证更大的连通面积，因为随着流体的向上流动，流体不断的吸热生成蒸汽，随着蒸汽不断的差生，不同热管内的温度压力越来越不均匀，因此通过上述设置，能够保证在流体流动过程中尽快的达到压力均衡。

作为优选，在蒸发端111，从热管11蒸发端向热管11冷凝端方向，均流管3的直径不断增加的幅度越来越大。通过实验发现，上述设置，能够保证在流体流动过程中更优更快的达到压力均衡。这也是通过大量的研究压力分布变化规律而得来的最佳的连通方式。

作为优选，在冷凝端112，从热管11蒸发端向热管11冷凝端方向，相邻均流管3之间的距离不断增加。此目的是为了设置更少的均流管，降低成本。因为随着冷凝端112的下部向上，热管内蒸汽不断的放热冷凝，随着流体不断的放热，热管内的压力越来越小，因此不均匀的现象也越来越缓和，因此通过上述设置，可以节省材料，根据压力变化设置均流管，能够保证在流体流动过程中尽快的达到压力均衡。

作为优选，在冷凝端112，从热管11蒸发端向热管11冷凝端方向，相邻均流管之间的距离不断增加的幅度越来越大。通过实验发现，上述设置，能够保证在流体流动过程中更优更快的达到压力均衡。这也是通过大量的研究压力分布变化规律而得来的最佳的连通方式。

作为优选，在冷凝端112，从热管11蒸发端向热管11冷凝端方向，均流管3的直径不断降低。此目的是为了设置保证减少的连通面积，降低成本。与前面距离不断增加的原理相同。

作为优选，在冷凝端112，从热管11蒸发端向热管11冷凝端方向，均流管3的直径不断降低的幅度越来越大。通过实验发现，上述设置，能够保证在流体流动过程中更优更快的达到压力均衡。这也是通过大量的研究压力分布变化规律而得来的最佳的连通方式。

热管中因为蒸汽的换热，使得热管出现汽液两相流，一方面，热管在蒸发过程中，不可避免的会携带液体到热管内，同时因为冷凝端的放热冷凝，从而使得冷凝端中存在液体，液体也不可避免的进入蒸汽中，从而使得热管内的流体是汽液混合物，同时热管在运行过程中会因为老化产生的不凝气体，不凝气体一般上升到热管上部的冷凝端，不凝气体的的存在导致热管冷凝端内的压力增加，压力使得液体向热管内流动。大大的影响了换热的效率。因此本发明采取了新的结构，来分割汽相和液相，使得换热加强。

热管内设置稳定装置4，所述稳定装置4的结构如图2、3所示。所述稳定装置4是片状结构，所述片状结构在热管11的横截面上设置；所述稳定装置4为正方形和正八边形结构组成，从而形成正方形通孔41和正八边形通孔42。如图2所述正方形通孔41的边长等于正八边形通孔42的边长，所述正方形通孔的四个边43分别是四个不同的正八边形通孔的边43，正八变形通孔的四个互相间隔的边43分别是四个不同的正方形通孔的边43。

本发明采用新式结构的稳定装置，具有如下优点：

1）本发明提供了一种新式正方形通孔和正八边形通孔相结合的新式结构的稳定装置，通过正方形和正八边形，使得形成的正方形孔和正八边形孔的边形成的夹角都是大于等于90度，从而使得流体能够充分流过每个孔的每个位置，避免或者减少流体流动的短路。本发明通过新式结构的稳定装置将两相流体分离成液相和气相，将液相分割成小液团，将气相分割成小气泡，抑制液相的回流，促使气相顺畅流动，起到稳定流量的作用，具有减振降噪的效果，提高换热效果。相对于现有技术中的稳定装置，进一步提高稳流效果，强化传热，而且制造简单。

2）本发明通过合理的布局，使得正方形和正八边形通孔分布均匀，从而使得整体上的横街面上的流体分割均匀，避免了现有技术中的环形结构沿着周向的分割不均匀问题。

3）本发明通过正方形孔和正八边形通孔的间隔均匀分布，从而使得大孔和小孔在整体横截面上分布均匀，而且通过相邻的稳定装置的大孔和小孔的位置变化，使得分隔效果更好。

4）本发明通过设置稳定装置为片状结构，使得稳定装置结构简单，成本降低。

本发明通过设置环形稳定装置，相当于在热管内增加了内换热面积，强化了换热，提高了换热效果。

本发明因为将气液两相在所有换热管的所有横截面位置进行了分割，从而在整个换热管截面上实现气液界面以及气相边界层的分割与冷却壁面的接触面积并增强扰动，大大的降低了噪音和震动，强化了传热。

作为优选，所述稳定装置包括两种类型，如图2,3所示，第一种类型是正方形中心稳定装置，正方形位于热管或者冷凝管的中心，如图3所示。第二种是正八边形中心稳定装置，正八边形位于热管或者冷凝管的中心，如图2所示。作为一个优选，上述两种类型的稳定装置相邻设置，即相邻设置的稳定装置类型不同。即与正方形中心稳定装置相邻的是正八边形中心稳定装置，与正八边形中心稳定装置相邻的是正方形中心稳定装置。本发明通过正方形孔和正八边形孔的间隔均匀分布，从而使得大孔和小孔在整体横截面上分布均匀，而且通过相邻的稳定装置的大孔和小孔的位置变化，使得通过大孔的流体接下来通过小孔，通过小孔的流体接下来通过大孔，进一步进行分隔，促进汽液的混合，使得分隔和换热效果更好。

作为优选，所述热管11的横截面是正方形。

通过分析以及实验得知，稳定装置之间的间距不能过大，过大的话导致减震降噪以及分隔的效果不好，同时也不能过小，过小的话导致阻力过大，同理，正方形的边长也不能过大或者过小，也会导致减震降噪的效果不好或者阻力过大，因此本发明通过大量的实验，在优先满足正常的流动阻力（总承压为2.5Mpa以下，或者单根热管的沿程阻力小于等于5Pa/M）的情况下，使得减震降噪达到最优化，整理了各个参数最佳的关系。

作为优选，本发明是设置在竖直烟道上。热管与烟道延伸方向垂直。即热管与水平方向延伸。

作为优选，相邻稳定装置之间的距离为M1，正方形通孔的边长为C1，热管为正方形截面，热管正方形截面的边长为C2，满足如下要求：

M1/C2=a*Ln(C1/C2) +b

其中a,b是参数，其中1.725<a<1.733,4.99<b<5.01。

11<C2<46mm；

1．9<C1<3.2mm；

18<M1<27mm。

进一步优选，随着C1/C2的增加，a越来越小，b越来越大。

作为优选，a=1.728，b=4.997；

作为优选，正方形通孔的边长C1是正方形通孔内边长和外边长的平均值，热管正方形截面的边长C2是热管内边长和外边长的平均值。

作为优选，正方形通孔的外边长等于热管正方形截面的内边长。

作为优选，随着C2的增加，C1也不断增加。但是随着C2的增加，C1不断增加的幅度越来越小。此规律变化是通过大量的数值模拟和实验得到的，通过上述规律的变化，能够进一步提高换热效果，降低噪音。

作为优选，随着C2的增加，M1不断减小。但是随着C2的增加，M1不断减小的幅度越来越小。此规律变化是通过大量的数值模拟和实验得到的，通过上述规律的变化，能够进一步提高换热效果，降低噪音。

通过分析以及实验得知，热管的间距也要满足一定要求，例如不能过大或者过小，无论过大或者过小都会导致换热效果不好，而且因为本申请热管内设置了稳定装置，因此稳定装置也对热管间距有一定要求。因此本发明通过大量的实验，在优先满足正常的流动阻力（总承压为2.5Mpa以下，或者单根热管的沿程阻力小于等于5Pa/M）的情况下，使得减震降噪达到最优化，整理了各个参数最佳的关系。

相邻稳定装置之间的距离为M1，正方形的边长为C1，热管为正方形截面，热管的边长为C2，所述热管与水平面形成锐角为A，相邻热管中心之间的间距为M2满足如下要求：

M2/C2=d*(M1/C2)²+e-f*(M1/C2)³-h*(M1/C2)；

其中d,e,f,h是参数，

1.239<d<1.240,1.544<e<1.545,0.37<f<0.38,0.991<h<0.992。

11<C2<46mm；

1．9<C1<3.2mm；

18<M1<27mm。

16<M2<76mm。

相邻热管中心之间的间距为M2是指热管中心线之间的距离。

进一步优选，d=1.2393,e=1.5445,f=0.3722，h=0.9912；

作为优选，随着M1/C2的增加，d，e,f越来越大， h越来越小。

作为优选，随着C2的增加，M2不断增加，但是随着C2的增加，M2不断增加的幅度越来越小。此规律变化是通过大量的数值模拟和实验得到的，通过上述规律的变化，能够进一步提高换热效果。

作为优选，蒸发端（热管位于烟道1中的长度）长度为1000－1800mm之间。进一步优选，1200－1400mm之间。

作为优选，冷凝端长度为500－900mm之间。进一步优选，600－700mm之间。

通过上述公式的最佳的几何尺度的优选，能够实现满足正常的流动阻力条件下，减震降噪达到最佳效果。

对于其他的参数，例如管壁、壁厚等参数按照正常的标准设置即可。

所述的热管为多个，沿着烟气的流动方向，所述热管的分布密度越来越小。在数值模拟和实验中发现，沿着烟气的流动方向，热管的受热量越来越小，而且不同位置的热管的温度也不同，从而造成局部受热不均匀。因为随着烟气的不断的换热，烟气的温度也在不断的下降，导致换热能力也在下降，因此，本发明通过在烟气通道的不同位置设置热管的密度不同，从而使的沿着烟气流动方向，热管的吸热能力不断下降，从而使得整体热管温度保持基本相同，从而提高整体的换热效率，节约材料，避免温度不均匀造成的局部损坏，延长热管的使用寿命。

作为优选，沿着烟气的流动方向，所述热管的分布密度越来越小的幅度不断的增加。作为热管分布密度的变化，本发明进行了大量的数值模拟和实验，从而得到上述的热管分布密度的变化规律。通过上述的变化规律，能够节约材料，同时还能够提高9%左右的换热效率。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (3)

1.一种电站锅炉烟气余热利用系统，包括热管、烟气通道和空气通道，所述热管包括蒸发端和冷凝端，所述冷凝端设置在空气通道中；蒸发端设置在烟气通道内；蒸发端吸收烟气通道中烟气的余热，通过冷凝端将热量传递给空气通道中的空气；预热后的空气进入锅炉炉膛进行助燃，其特征在于，所述热管内设置稳定装置，所述稳定装置是片状结构，所述片状结构在热管的横截面上设置；所述稳定装置为正方形通孔和正八边形通孔组成，所述正方形通孔的边长等于正八边形通孔的边长，所述正方形通孔的四个边分别是四个不同的正八边形通孔的边，正八边形通孔的四个互相间隔的边分别是四个不同的正方形通孔的边。

2.如权利要求1所述的电站锅炉烟气余热利用系统，其特征在于，热管的横截面是正方形。

3.如权利要求2所述的电站锅炉烟气余热利用系统，其特征在于，相邻稳定装置之间的距离为M1，正方形通孔的边长为C1，热管为正方形截面，热管正方形截面的边长为C2，满足如下要求：

M1/C2=a*Ln(C1/C2) +b

其中a,b是参数，其中1.725<a<1.733,4.99<b<5.01； 11<C2<46mm；

1．9<C1<3.2mm；

18<M1<27mm。