CN109539293A - 一种燃煤烟气超低排放协同余热利用的系统及其运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种燃煤烟气超低排放协同余热利用的系统及其运行方法。系统包括烟风系统、热网水系统和循环水系统。烟风系统包括通过烟风通道依次连接的除尘器、高温余热回收装置、脱硫塔、低温余热回收装置和再热器等。高温余热装置与热网水系统之间设有管路相连。热网水系统和循环水系统通过热泵进行换热，使得循环水系统和脱硫塔出口烟气的低温低品位热源得到深度利用。锅炉空预器出口烟气依次进行除尘和降温、脱硫再降温，利用相变团聚和湍流团聚等作用深度脱除烟气中的细颗粒物、水分和可溶性盐，在烟气及汽机凝汽器循环水余热利用的同时实现烟气的超低排放。本发明具有低品位能量梯级利用效率高、烟气中污染物实现超低排放等优点。

Description

一种燃煤烟气超低排放协同余热利用的系统及其运行方法

技术领域

本发明涉及一种燃煤烟气超低排放协同余热利用的系统及其运行方法，属于热电联产技术领域。

背景技术

我国是以煤炭为主的能源消费大国。目前，现有燃煤电站为实现烟气的超低排放，在尾部烟道内依次增设了脱硝设备、静电除尘设备、湿法脱硫设备、湿式静电除尘设备等，但对微细颗粒物，尤其是粒径分布在0.1～1μm的颗粒脱除效果较差，而且这些微细颗粒物排放到大气中不易沉积，易造成雾霾，破坏大气环境，损害人体健康。现阶段，微细颗粒物控制技术的发展方向主要是通过物理或化学作用使小颗粒凝聚长大后脱除。凝聚基本原则是利用声场、电场、磁场等外场作用及在烟气中喷入少量化学团聚剂等措施来增进微细颗粒物间的有效碰撞接触，促使其团聚长大，以及利用饱和水汽在微细颗粒物表面核化凝结长大等。而湿法脱硫出口烟气处于饱和或过饱和的状态，为水分的核化凝结提供了充足的条件，是实现烟气水分回收和微细颗粒物的团聚凝并的理想位置。然而该位置烟气温度区间较低，通常烟温为50～55℃，对于沿海地区，可以海水作为冷却烟温的介质，而大部分内陆电厂，甚至缺水地区，很难找到合适的冷源。

同时，在燃煤电厂运行过程中，电除尘器，尤其布袋除尘器或电袋除尘器，其出口烟温通常在120℃甚至更高，直接进入脱硫塔会造成大量脱硫水蒸发，热量也伴随烟气排入大气，造成水分和能量的损失增加。该位置的余热回收空间较大，理论上可实现烟气温差从130℃到60℃左右的能量回收。另一方面，电厂汽轮机凝汽器循环水在冷却塔内通过蒸发实现32℃到20℃左右的温降，也存在较大低品质能量损失和水蒸发，是电厂节能和节水的重点突破方向。

随着我国对污染物排放要求的进一步提高，可溶性盐、SO3、以及重金属等物质的排放控制在电站燃煤锅炉中越来越受到重视，尤其部分地区出台了最新的燃煤电厂大气污染物排放标准中，明确提出了要消除烟囱出口的白烟。然而，通过直接加热方法将导致消耗巨大的能量。因此，如何根据电厂各系统设备间温度分布特征，合理的将电厂烟气污染物超低排放和烟气侧、循环水侧的低温余热回收利用结合起来，通过余热和烟气中的水分回收，同时利用烟气中低品位热能进行加热消白，从而达到节能、节水、减排的目的，是本申请的关键。

发明内容

本发明旨在提供一种燃煤烟气超低排放协同余热利用的系统及其运行方法，该系统通过热泵实现了烟气余热和循环水余热的深度回收，还通过相变团聚原理，实现了余热回收和烟气超低排放的协同。

本发明通过以下技术方案实现：

一种燃煤烟气超低排放协同余热利用系统，包括烟风系统、热网水系统和循环水系统；

所述烟风系统包括通过烟风通道依次连接的除尘器、高温余热回收装置、脱硫塔、低温余热回收装置和再热器，所述高温余热装置与所述热网水系统之间设有管路相连；

所述热网水系统包括热用户端、回水泵和混合器，所述高温余热回收装置包括依次连接的一级高温相变团聚余热回收器、高温侧湍流团聚器和二级高温相变团聚余热回收器，所述一级高温相变团聚余热回收器与所述热用户端、回水泵和混合器之间通过管路形成循环连接；所述回水泵还与所述二级高温相变团聚余热回收器和再热器及混合器之间依次设有热网水管路相连；

所述协同余热利用系统还包括热泵，所述热网水系统和所述循环水系统通过所述热泵进行换热，所述热泵连接在所述热网水系统的混合器与所述高温余热回收系统的一级高温相变团聚余热回收器之间；

所述循环水系统包括循环水箱和循环水泵，所述热泵连接在所述循环水泵和循环水箱之间，使得所述循环水泵、热泵和循环水箱之间形成循环连接；

所述低温余热回收系统包括依次相连的低温相变团聚余热回收器、低温侧湍流团聚器和高效除雾收水器；所述低温相变团聚余热回收器连接在所述循环水泵与所述热泵之间，与所述循环水泵和热泵之间的连接管路形成并联连接。

上述技术方案中，所述高温侧湍流团聚器和低温侧湍流团聚器内均设置有水平布置的3～5组湍流子组，每个湍流子组包括由上至下均匀排列的若干个湍流子，所述上下相邻的两个湍流子的距离与所述湍流子组的间隔距离相等；所述相邻两组湍流子之间呈错排布置。

上述技术方案中，所述湍流子呈V型、U型或凹槽型。

上述技术方案中，所述一级高温相变团聚余热回收器和二级高温相变团聚余热回收器内设有高温相变换热管，所述高温相变换热管选用塑料管或耐腐蚀金属管。

上述技术方案中，所述低温相变团聚余热回收器内设有低温相变换热管，所述低温相变换热管选用氟塑料管或耐腐蚀金属管。

一种燃煤烟气超低排放协同余热利用系统的运行方法，所述方法包括：

使低温燃煤烟气进入除尘器，使燃煤烟气中携带的颗粒物被除尘器捕集下来，随后烟气进入高温余热利用装置，先后与一级高温相变团聚余热回收器、二级高温相变团聚余热回收器进行两级换热后温度降低的同时将烟气中的饱和水分析出并形成液滴；使烟气在两级换热过程中进入高温侧湍流团聚器通过湍流团聚使得烟气中的微细颗粒团聚长大；

使经过高温余热利用装置降温和颗粒团聚后的烟气进入脱硫塔脱除烟气中的二氧化硫并将团聚长大的细微颗粒捕集下来，使烟气成为高湿净烟气；

使高湿净烟气进入低温余热利用装置，进一步被低温余热利用装置的低温相变团聚余热回收器回收热量，使得高湿净烟气进一步降温并将高湿净烟气中的饱和水蒸气进一步冷凝析出形成液滴，高湿净烟气成为湿净烟气；使析出液滴的湿净烟气进入低温侧湍流团聚器中使润湿微细颗粒继续碰撞团聚长大成大颗粒，随后经由高效除雾收水器去除湿净烟气中析出的含尘液滴，同时将团聚长大的大颗粒捕集下来，进一步去除湿净烟气中的可溶性盐、SO₃、重金属等污染物质使之成为净烟气；

通过回水泵将热网水从用户端回流到热网水系统，使一部分热网水进入二级高温相变团聚余热回收器与烟气换热吸收烟气的热量使得温度升高后，进入再热器加热净烟气使之温度上升，从而消除烟囱出口的白烟，热网水随之温度降低并被回送到混合器；使另一部分热网水进入混合器与从再热器返回的热网水混合，一起进入热泵换热使得热网水升温，然后进入一级高温相变团聚余热回收器吸收烟气的热量，使得热网水温度升高后供给用户端使用；

使循环水泵从循环水箱中抽取循环水进入低温相变团聚余热回收器回收热量高湿净烟气的热量，然后进入热泵作为低温热源供热泵提取热量通过间壁式加热从热网水系统进入热泵的热网水，循环水随之温度降低；使温度降低后的循环水回到循环水箱，继续下一个循环。

上述技术方案中，所述低温燃煤烟气温度为120～150℃。

本发明具有以下优点及有益效果：

1)充分利用燃煤电厂尾部烟道各设备间烟气温度的梯级分布特征，协同热网水、循环水系统各节点温度分布特征，结合热泵，沿烟气流向依次布置高效余热利用及相变凝聚装置，实现系统烟气及循环冷却水余热利用、水分回收和烟气超低排放的效果。

2)利用热网回水经二级高温相变团聚余热回收器进入再热器加热烟气用来消除白色烟羽，热量联用可调控范围灵活，减少了大量水蒸气汽化潜热所需热量，节省了大量能量。

3)低温相变团聚余热回收器冷源介质选择了循环水，气液传热温差大，换热效果好，设备占用空间小，并且采用热泵，将冷源介质循环利用，能量利用率高，余热回收充分。

4)烟气中的微细颗粒和可溶盐通过相变团聚和湍流团聚的共同作用后变为大颗粒，可得到高效脱除。

5)梯级能量回收系统设计合理，根据烟气量和温降不同，水侧工质流量调节灵活，系统可行性强和稳定性高，节能节水效果显著，同时辅以相变团聚余热回收器及湍流团聚器，可实现烟气的超低排放。

附图说明

图1为本发明所涉及的一种燃煤烟气多污染物脱除协同余热回收系统示意图。

图2为本发明所涉及的湍流团聚器示意图。

图3为本发明所涉及的低温相变团聚器结构示意图；

图4为本发明所涉及的热泵能效系数COP随热网出水温度变化关系图。

图中：1―除尘器；2―一级高温相变团聚余热回收器；3―高温侧湍流团聚器；4―二级高温相变团聚余热回收器；5―脱硫塔；6―低温相变团聚余热回收器；61―低温相变换热管；62―换热管支撑；7―湍流团聚器；8―高效除雾收水器；9―再热器；10―烟囱；11―热用户端；12―回水泵；13―混合器；14―热泵；15―凝汽器；16―循环水泵；18―湍流子。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式及工作过程作进一步的说明。

本申请文件中的上、下、左、右、前和后等方位用语是基于附图所示的位置关系而建立的。附图不同，则相应的位置关系也有可能随之发生变化，故不能以此理解为对保护范围的限定。

如图1所示，一种燃煤烟气超低排放协同余热利用系统，包括烟风系统、热网水系统和循环水系统。烟风系统包括通过烟风通道依次连接的除尘器1、高温余热回收装置、脱硫塔5、低温余热回收装置和再热器9，以及烟囱10。高温余热装置与热网水系统之间设有管路相连。

热网水系统包括热用户端11、回水泵12和混合器13。

高温余热回收装置包括依次连接的一级高温相变团聚余热回收器2、高温侧湍流团聚器3和二级高温相变团聚余热回收器4。相变余热回收器既可以回收烟气余热，还可以使得烟气随着温度的降低，烟气中的水蒸气的饱和度降低，部分过饱和蒸汽发生相变，凝聚成液滴形式析出。一级高温相变团聚余热回收器2和二级高温相变团聚余热回收器4内设有高温相变换热管，高温相变换热管选用塑料管或耐腐蚀金属管。

对一级高温相变团聚余热回收器2和二级高温相变团聚余热回收器4而言，高温相变换热管管外为烟道，为烟气流程；管内为工质通道，通过管路与热网水系统之间相连。

一级高温相变团聚余热回收器2与热用户端11、回水泵12和混合器13之间通过管路形成循环连接。回水泵12还与二级高温相变团聚余热回收器4和再热器9及混合器13之间依次设有热网水管路相连，形成热网水循环支路。

协同余热利用系统还包括热泵14，热网水系统和循环水系统通过热泵14进行换热。热泵14连接在热网水系统的混合器13与高温余热回收系统的一级高温相变团聚余热回收器2之间。

循环水系统包括循环水箱15和循环水泵16，热泵14连接在循环水泵16和循环水箱15之间，使得循环水泵16、热泵14和循环水箱15之间形成循环连接。

低温余热回收系统包括依次相连的低温相变团聚余热回收器6、低温侧湍流团聚器7和高效除雾收水器8。低温相变团聚余热回收器6连接在循环水泵16与热泵14之间，与循环水泵16和热泵14之间的连接管路形成并联连接。

高温侧湍流团聚器3和低温侧湍流团聚器7内均采用的是湍流团聚器。湍流团聚器的作用是通过湍流团聚促进如PM2.5级的微细颗粒物长大，便于捕集。如图2所示，湍流团聚器内设置有水平布置的3～5组湍流子组，每个湍流子组包括由上至下均匀排列的若干个湍流子18。上下相邻的两个湍流子的距离与湍流子组的水平间隔距离相等。相邻两组湍流子之间呈错排布置。为了增强烟气的湍流扰动，增大细颗粒的碰撞几率，湍流子18呈V型、U型或凹槽型设置。湍流子选用抗腐蚀可焊接的材料，如改性PP和PFA等制成。

如图3所示，低温相变团聚余热回收器6内设有低温相变换热管61和换热管支撑62，低温相变换热管选用氟塑料管。管直径为φ10～40mm，管厚0.8～4mm，管程走水，氟塑料管由孔板支撑。管外为烟风通道。低温相变换热管还可以选用钛等耐腐蚀金属管。

使120～150℃的低温燃煤烟气进入除尘器1，除尘器选用能够有效捕集0.1～1μm颗粒的高效电袋除尘器或布袋除尘器。使燃煤烟气中携带的颗粒物被除尘器1捕集下来，随后烟气进入高温余热利用装置，先后与一级高温相变团聚余热回收器2、二级高温相变团聚余热回收器4进行两级换热。一级高温相变团聚余热回收器2烟气侧进口烟温区间为100～150℃，出口烟温区间为80～90℃；二级高温相变团聚余热回收器4，出口烟温区间为60～70℃。烟气温度降低的同时使得烟气中的水蒸气过饱和产生相变，从而将烟气中的饱和水分析出产生液滴。使烟气在两级换热过程中进入高温侧湍流团聚器3通过湍流团聚使得烟气中的微细颗粒团聚长大成为大颗粒。而长大的大颗粒团聚物在二级高温相变团聚余热回收器4增加了随液滴析出的几率。

使经过高温余热利用装置降温和颗粒团聚后的烟气进入脱硫塔5脱除烟气中的二氧化硫等污染物并将团聚长大的大颗粒捕集下来，使烟气成为高湿净烟气。

使高湿净烟气进入低温余热利用装置，进一步被低温余热利用装置的低温相变团聚余热回收器6回收热量，低温相变团聚余热回收器6烟气侧温降3～10℃。使得高湿净烟气进一步降温并将高湿净烟气中的水蒸气或饱和水分进一步析出成为液滴，然后进入低温侧湍流团聚器7中使微细颗粒继续团聚长大。随后经由高效除雾收水器8去除高湿净烟气中析出的液滴，同时将团聚长大的微细颗粒捕集下来，从而进一步去除湿净烟气中的可溶性盐、SO₃、重金属等污染物质使之成为净烟气。

冷侧水源来自循环水回水，加热后再接入循环水回水与其混合，作为热泵14的低品质热源。

通过回水泵12将水温为40～50℃的热网水从用户端11回流到热网水系统，使一部分热网水进入二级高温相变团聚余热回收器4与烟气换热吸收烟气的热量使得温度升高到55～60℃后，进入再热器9与洁净气体换热。再热器9的换热管材质为氟塑料管，管直径为φ10～40mm，管厚0.8～4mm，管程走水，氟塑料管由孔板支撑。再热器9加热洁净气体使烟温提升2～8℃，升温后通过烟囱10排放，从而消除白色烟羽。热网水随之温度降低并被回送到混合器13。使另一部分热网水进入混合器13与从再热器9返回的热网水混合，然后一起进入热泵14换热使得热网水升温到70～80℃，然后进入一级高温相变团聚余热回收器2吸收烟气的热量，使得热网水温度升高为100～130℃后供给用户端11使用，进入下一个循环。

使循环水泵16从循环水箱15中抽取循环水进入低温相变团聚余热回收器6回收热量高湿净烟气的热量，然后进入热泵14，作为低温热源供热泵14提取热量通过间壁式加热从热网水系统进入热泵14的热网水，循环水随之温度降低；使温度降低后的循环水回到循环水箱，继续下一个循环。

循环水箱15的循环水来源优选电站系统的凝汽器出来的循环水，必要时候进行补充。

如图4所示，热泵在加热温度70～80℃范围内时，能效系数最高。热泵14实现烟气余热和循环水余热的深度回收利用。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种燃煤烟气超低排放协同余热利用系统，其特征在于，所述协同余热利用系统包括烟风系统、热网水系统和循环水系统；

所述烟风系统包括通过烟风通道依次连接的除尘器(1)、高温余热回收装置、脱硫塔(5)、低温余热回收装置和再热器(9)，所述高温余热装置与所述热网水系统之间设有管路相连；

所述热网水系统包括热用户端(11)、回水泵(12)和混合器(13)，所述高温余热回收装置包括依次连接的一级高温相变团聚余热回收器(2)、高温侧湍流团聚器(3)和二级高温相变团聚余热回收器(4)，所述一级高温相变团聚余热回收器(2)与所述热用户端(11)、回水泵(12)和混合器(13)之间通过管路形成循环连接；所述回水泵(12)还与所述二级高温相变团聚余热回收器(4)和再热器(9)及混合器(13)之间依次设有热网水管路相连；

所述协同余热利用系统还包括热泵(14)，所述热网水系统和所述循环水系统通过所述热泵(14)进行换热，所述热泵(14)连接在所述热网水系统的混合器(13)与所述高温余热回收系统的一级高温相变团聚余热回收器(2)之间；

所述循环水系统包括循环水箱(15)和循环水泵(16)，所述热泵(14)连接在所述循环水泵(16)和循环水箱(15)之间，使得所述循环水泵(16)、热泵(14)和循环水箱(15)之间形成循环连接；

所述低温余热回收系统包括依次相连的低温相变团聚余热回收器(6)、低温侧湍流团聚器(7)和高效除雾收水器(8)；所述低温相变团聚余热回收器(6)连接在所述循环水泵(16)与所述热泵(14)之间，与所述循环水泵(16)和热泵(14)之间的连接管路形成并联连接。

2.根据权利要求1所述的一种燃煤烟气超低排放协同余热利用系统，其特征在于，所述高温侧湍流团聚器(3)和低温侧湍流团聚器(7)内均设置有水平布置的3～5组湍流子组，每个湍流子组包括由上至下均匀排列的若干个湍流子(18)，所述上下相邻的两个湍流子的距离与所述湍流子组的间隔距离相等；所述相邻两组湍流子之间呈错排布置。

3.根据权利要求3所述的一种燃煤烟气超低排放协同余热利用系统，其特征在于，所述湍流子(18)呈V型、U型或凹槽型。

4.根据权利要求1所述的一种燃煤烟气超低排放协同余热利用系统，其特征在于，所述一级高温相变团聚余热回收器(2)和二级高温相变团聚余热回收器(4)内设有高温相变换热管，所述高温相变换热管选用氟塑料管或耐腐蚀金属管。

5.根据权利要求1所述的一种燃煤烟气超低排放协同余热利用系统，其特征在于，所述低温相变团聚余热回收器(6)内设有低温相变换热管，所述低温相变换热管选用氟塑料管。

6.一种燃煤烟气超低排放协同余热利用系统的运行方法，其使用如权利要求1所述的一种燃煤烟气多污染物脱除协同余热回收系统，其特征在于，所述方法包括：

使低温燃煤烟气进入除尘器(1)，使燃煤烟气中携带的颗粒物被除尘器(1)捕集下来，随后烟气进入高温余热利用装置，先后与一级高温相变团聚余热回收器(2)、二级高温相变团聚余热回收器(4)进行两级换热后温度降低的同时将烟气中的饱和水分冷凝析出并形成液滴；使烟气在两级换热过程中进入高温侧湍流团聚器(3)通过湍流团聚使得烟气中的微细颗粒团聚长大；

使经过高温余热利用装置降温和颗粒团聚后的烟气进入脱硫塔(5)脱除烟气中的二氧化硫并将团聚长大的细微颗粒捕集下来，成为高湿净烟气；

使高湿净烟气进入低温余热利用装置，进一步被低温余热利用装置的低温相变团聚余热回收器(6)回收热量，使得高湿净烟气进一步降温并将高湿净烟气中的饱和水蒸汽进一步冷凝析出形成液滴；使析出液滴的湿净烟气进入低温侧湍流团聚器(7)中使润湿微细颗粒继续碰撞团聚长大成大颗粒，随后经由高效除雾收水器(8)去除湿净烟气中析出的含尘液滴，同时将团聚长大的大颗粒捕集下来，进一步去除湿净烟气中的污染物质使之成为净烟气；

通过回水泵(12)将热网水从用户端(11)回流到热网水系统，使一部分热网水进入二级高温相变团聚余热回收器(4)与烟气换热吸收烟气的热量使得温度升高后，进入再热器(9)加热净烟气使之温度上升，从而消除烟囱出口的白烟，热网水随之温度降低并被回送到混合器(13)；使另一部分热网水进入混合器(13)与从再热器(9)返回的热网水混合，一起进入热泵(14)换热使得热网水升温，然后进入一级高温相变团聚余热回收器(2)吸收烟气的热量，使得热网水温度升高后供给用户端(11)使用；

使循环水泵(16)从循环水箱(15)中抽取循环水，进入低温相变团聚余热回收器(6)回收热量净烟气中的热量，然后进入热泵(14)，通过热泵(14)循环水热量传递给热网回水，循环水随之温度降低；使温度降低后的循环水回到循环水箱，继续下一个循环。

7.根据权利要求6所述的一种燃煤烟气超低排放协同余热利用系统的运行方法，其特征在于，所述低温燃煤烟气温度为120～150℃。

8.根据权利要求6所述的一种燃煤烟气超低排放协同余热利用系统的运行方法，其特征在于，所述湿净烟气中的污染物质包括超细颗粒物、可溶性盐、SO₃、重金属中的任一种或多种。