CN110652843A - 一种基于虹吸作用的膜法烟气水分回收系统和控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于虹吸作用的膜法烟气水分回收系统和控制方法，所述系统包括依次连通的水箱、变频循环水泵、膜组件进口联箱、膜组件、出口联箱和溢流管；膜组件进口联箱的顶部连通设置有竖直向上且顶端高于烟道最高点的进口联箱立管；所述膜组件、膜组件进口联箱、膜组件出口联箱和水箱自高位到低位设置；所述控制方法包括系统启动注水过程、负压收水运行过程和膜组件表面在线正压反冲洗过程。本发明将虹吸原理应用到膜法烟气水分回收技术中，实现膜组件的负压运行和在线正压反冲洗的自由切换，减少了系统的复杂性和投资成本。
Description
技术领域
本发明涉及烟气处理技术领域，特别是一种基于虹吸作用的膜法烟气水分回收系统。
背景技术
燃煤机组在今后相当长的一段时间内仍然是当前主要的电力来源，节约用水、降低水资源消耗是我国电力发展的必然选择和趋势，特别是我国北方富煤缺水地区，意义更加重大。
烟气中蕴含着丰富的水资源，电站锅炉空气预热器的出口烟气温度大多数在120～130℃，水蒸气的体积含量一般在4％～13％，脱硫后的烟气温度普遍在50℃左右，水蒸气也基本处于饱和状态。
膜法收水技术，即烟气中水蒸气在复合膜内的跨膜热/质传递与输运机理是当前的研究热点，其原理是烟气通过膜组件后实现水蒸气和烟气的分离，为后期烟气的余热回收以及水蒸气回收奠定基础。但是，在工程建设过程中，膜法收水技术的难点在于复合膜内的工作介质(水)需要在负压下运行，然而，由于烟道较高(很多电厂锅炉的尾部烟道都在半空，距地面较高)、且膜管内水流量较大，如果选择离心泵，则需要在烟道下方做离心泵的地基基础，并架空到烟道附近，无论是泵设备还是土建投资费用都会很高。另外，考虑在运行中，烟气中携带着颗粒物，在膜组件分离的过程中容易发生膜组件污堵的问题，因而，膜组件的在线冲洗也是目前膜法收水技术实施需要克服的困难之一。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种基于虹吸作用的膜法烟气水分回收系统和控制方法，能够不仅能够解决膜组件在负压下运行的难题，还能够解决膜组件的在线冲洗问题，进一步降低能耗，节约运行成本。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下。
一种基于虹吸作用的膜法烟气水分回收系统，包括通过管道依次连通的水箱、用于输送循环水的变频循环水泵、位于烟道下方用于缓存循环水的膜组件进口联箱、用于烟气水分回收的膜组件以及起对空作用及防止膜组件出口循环水溅射的膜组件出口联箱，膜组件进口联箱的顶部连通设置有竖直向上且顶端高于烟道最高点的进口联箱立管；所述膜组件、膜组件进口联箱、膜组件出口联箱和水箱自高位到低位设置；
所述膜组件进口联箱的中上部侧壁上设置有通过管道连接有低位液位开关，进口联箱立管的中下部和中上部分别通过管道连通设置有中位溢流控制阀和高位溢流控制阀，中位溢流控制阀和高位溢流控制阀经溢流管连通至水箱；其中，高位溢流控制阀标高高于膜组件中最高膜管的高度，中位溢流控制阀标高低于最低膜管的高度；
膜组件进口联箱与膜组件连接的管道上设置有进口电动调门，膜组件出口联箱与膜组件之间通过一级下降管连接，一级降管靠近膜组件出口联箱的一端设置有出口电动调门；出口电动调门安装高度低于膜组件进口联箱上低位液位开关的高度；
膜组件出口联箱和水箱之间通过二级下降管连通。
上述一种基于虹吸作用的膜法烟气水分回收系统，所述水箱与变频循环水泵之间的管道上设置有用于冷却循环水的循环水冷却换热器。
上述一种基于虹吸作用的膜法烟气水分回收系统，所述水箱为具有溢流口、放空排污口和出水口的开式对空水箱。
上述一种基于虹吸作用的膜法烟气水分回收系统，所述膜组件的最高膜管或出口最高点设置有监测膜管内是否满水的压力表。
上述一种基于虹吸作用的膜法烟气水分回收系统，所述进口联箱立管内设置有用于连续监测水位的液位计，进口联箱立管的顶部设置有对空排气门。
一种基于虹吸作用的膜法烟气水分回收系统的控制方法，包括注水、膜组件负压收水以及膜组件在线正压反冲洗的步骤。
上述基于虹吸作用的膜法烟气水分回收系统的控制方法，所述注水过程的具体方法为：关闭中位溢流控制阀、高位溢流控制阀、对空排气门和出口电动调门，打开进口电动调门；然后开启变频循环水泵，监测膜组件最高点的压力表压力在0.15～0.2MPa时，关闭进口电动调门、出口电动调门，打开高位溢流控制阀，监测液位计，调整变频循环水泵降低循环水流量直至高位溢流控制阀处于微溢流状态，此时系统正压注水完成。
上述基于虹吸作用的膜法烟气水分回收系统的控制方法，所述膜组件负压收水的具体方法为：打开对空排气门、进口电动调门、出口电动调门、中位溢流控制阀，直至进口联箱立管水位降低至中位溢流控制阀高度处，系统虹吸状态建立，膜组件处于负压运行状态；膜组件处于负压运行过程中，通过控制变频循环水泵的循环水流量使系统中的水位高度维持在低位液位开关、中位溢流控制阀高度之间。
上述基于虹吸作用的膜法烟气水分回收系统的控制方法，所述膜组件的负压运行和在线正压反冲洗工作状态通过调整进口联箱立管的液位高度实现。
上述基于虹吸作用的膜法烟气水分回收系统的控制方法，，所述膜组件在线正压反冲洗的具体方法为：运行状态下，关闭中位溢流控制阀，调整变频循环水泵增加循环水流量，水位逐渐提高直至高位溢流控制阀的高度，此时膜组件最高点压力表显示压力从负变正，系统进行正压冲洗过程。
由于采用了以上技术方案，本发明所取得技术进步如下。
本发明将虹吸原理应用到膜法烟气水分回收系统中，通过合理控制系统的正负压状态，来实现膜组件在负压运行状态和在线正压冲洗的切换，在实现烟气的膜法收水基础上，进一步实现膜组件的在线冲洗，保证系统的清洁，不仅减少了系统的复杂性和投资成本，而且也降低了烟气水分回收的能耗，节约了运行成本。
附图说明
图1为本发明所述系统的工艺流程图；
图2为本发明实施例中高度差的示意图。
其中：1.水箱、2.变频循环水泵、3.上升管、4.膜组件进口联箱、5.进口联箱立管、6.液位计、7.低位液位开关、8.中位溢流控制阀、9.高位溢流控制阀、10.溢流管、11.循环水冷却换热器、12.对空排气门、13.进口电动调门、14.膜组件、15.压力表、16.一级下降管、17.出口电动调门、18.膜组件出口联箱、19.二级下降管。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例对本发明进行进一步详细说明。
一种基于虹吸作用的膜法烟气水分回收系统，其结构如图1所示，包括通过管道依次连通的水箱1、循环水冷却换热器11、变频循环水泵2、膜组件进口联箱4、膜组件14以及膜组件出口联箱18，膜组件进口联箱4的顶部连通设置有竖直向上的进口联箱立管5；其中水箱1、循环水冷却换热器11、变频循环水泵2低位设置，变频循环水泵2出口与膜组件进口联箱4之间通过上升管3连通，膜组件出口联箱18与膜组件14之间通过一级下降管16连接，膜组件出口联箱18和水箱1之间通过二级下降管19连通。上述膜组件14、膜组件进口联箱4、膜组件出口联箱18和水箱1自高位到低位设置。
本发明中，水箱1为开式对空水箱，其主要作用为存储循环水以及膜组件收集的烟气中的水蒸气。开式对空水箱具有溢流口、放空排污口和出水口，其中出口水可根据水质的情况引至脱硫补水或外循环水补水母管或工艺水箱或锅炉补水等。
循环水冷却换热器11用于冷却系统所使用的循环水。变频循环水泵2采用离心式水泵，用于在系统中输送循环水，可根据系统的运行状态需求，调节循环水的流量。
膜组件进口联箱4用于缓存循环水；位于烟道下方，并不得高于烟道最底部，否则烟道底部的膜组件无法建立负压；但也不宜过低，高度需要低于膜管建立虹吸的最大真空度对应的高度。膜组件进口联箱4的中上部侧壁上设置有通过管道连接有低位液位开关7。
进口联箱立管5的中下部和中上部分别通过管道连通设置有中位溢流控制阀8和高位溢流控制阀9，中位溢流控制阀8和高位溢流控制阀9经溢流管10连通至水箱1。其中，高位溢流控制阀9标高高于膜组件14中最高膜管的高度，中位溢流控制阀8标高低于最低膜管的高度。进口联箱立管5内设置有用于连续监测水位的液位计6，进口联箱立管5高度要高于烟道最高点，且进口联箱立管的顶部设置有对空排气门12。
膜组件进口联箱4和进口联箱立管5为膜组件进口提供水源，还可以调节液位。当对空排气阀12处于打开状态下、且液位降至中位溢流控制阀8以下时，膜组件14在虹吸作用下处于负压运行状态，即对烟气进行水蒸气的分离。
膜组件14用于对烟气中的水分进行回收。膜组件14的最高膜管或出口最高点设置有压力表15，用于监测膜管内是否满水。
膜组件出口联箱18起对空作用，并防止膜组件出口的循环水发生溅射，也位于烟道下方，并低于膜组件进口联箱4内的液面高度。膜组件进口联箱4与膜组件14连接的管道上设置有进口电动调门13，一级降管16靠近膜组件出口联箱18的一端设置有出口电动调门17；出口电动调门17安装高度低于膜组件进口联箱4上低位液位开关7的高度。
本发明中能够采用虹吸原理实现膜法烟气收水的必要条件是，膜组件进口联箱与膜组件出口联箱的高度差以及系统中充满循环水。
本发明还提供了一种基于虹吸作用的膜法烟气水分回收系统的控制方法，主要包括系统运行前的注水以及系统运行过程中膜组件负压收水以及膜组件在线正压反冲洗的步骤，膜组件的负压运行和在线正压反冲洗工作状态通过调整进口联箱立管的液位高度来实现。
系统注水过程的具体方法为：关闭中位溢流控制阀8、高位溢流控制阀9、对空排气门12和出口电动调门17，打开进口电动调门13；然后开启变频循环水泵2，监测膜组件最高点的压力表15压力在0.15～0.2MPa时，关闭进口电动调门13、出口电动调门17，打开高位溢流控制阀9，监测液位计6，调整变频循环水泵2降低循环水流量直至高位溢流控制阀9处于微溢流状态，此时系统正压注水完成。
膜组件负压收水的具体方法为：注水过程结束后，打开对空排气门12、进口电动调门13、出口电动调门17、中位溢流控制阀8，直至进口联箱立管5水位降低至中位溢流控制阀8高度处，系统虹吸状态建立，膜组件处于负压运行状态；膜组件处于负压运行过程中，通过控制变频循环水泵2的循环水流量使系统中的水位高度维持在低位液位开关7、中位溢流控制阀8高度之间。若水位降低过快，应加大变频循环水泵2循环水流量，使水位维持在低位液位开关7安装高度以上，避免虹吸断水。
膜组件在线正压反冲洗的具体方法为，运行状态下，关闭中位溢流控制阀8，调整变频循环水泵2增加循环水流量，水位逐渐提高直至高位溢流控制阀9的高度，此时膜组件最高点压力表15显示压力从负变正，系统进行正压冲洗过程。
冲洗结束后，打开中位溢流控制阀8，调整变频循环水泵2减少循环水流量，水位逐渐降低直至中位溢流控制阀8的高度，系统虹吸状态再次建立，膜组件处于负压运行状态。
本发明中，还可通过增加后减少一级下降管16伸入膜组件出口联箱18内的深度来调节膜组件进膜组件出口联箱的液位差和膜组件内循环水的流量。
本实施例以某电厂300MW机组锅炉的尾部烟道加装膜组件回收烟气水分为例，校核计算工程中膜组件进口联箱4、膜组件出口联箱18的位置高度，以验证虹吸作用在膜法收水技术中应用的合理性。
假定从膜组件进口联箱到膜组件的高度为4.68m，从膜组件出口到膜组件出口联箱的高度为7.38m，则膜组件进、膜组件出口联箱高差H＝2.7米。其他数据取值：膜组件及水平管路长度为11.2m，即虹吸管道的总长为7.38+4.68+11.2＝23.26m。膜组件和水管路的粗糙系数为0.011，沿程阻力系数为0.018，局部阻力系数为27.73，具体包括直角进口为0.5、出口为0、蝶形阀(全开a/d＝0.2考虑，两套)为0.04、真空截止阀(两套)为10、膜组件(综合值)为17.19。
校核计算过程及说明。
(1)只要虹吸管内的真空不被破坏，并使膜组件进口联箱和膜组件出口联箱液面保持一定的高度差H，虹吸管就能连续输水。考虑到膜法收水的内循环水流量较大，该高度差H不宜低于1m。如图2所示，虹吸管属于淹没出流，忽略膜组件进口联箱和膜组件出口联箱中的流速，取H＝2.7m，所有管路直径为0.565m，由公式1计算得到：循环水流量为0.34m3/s，相对的膜管内的流速为1.36m/s。
由此可见，膜管内循环水的流速低于1.5m/s(取自膜组件厂家的设计数据)，因此膜组件进、膜组件出口联箱的高差H取值基本合理。
(2)虹吸管中的最小真空度和最大真空度分别发生在图2中的截面A处和截面B处。虹吸管中真空度最大的截面到膜组件进口联箱的液面垂直距离Hs称为虹吸管的安装高度。但虹吸管内真空度过大时，将会造成水体汽化而影响虹吸管的输水效果。工程上为了保证虹吸管的正常工作，一般限制管内的最大真空度不得超过允许值[Hv]＝7～8m水柱。
截面B前管道总长为15.88米，局部阻力系数为22.71，根据公式2可以得到：安装高度Hs为4.76m，大于从膜组件进口联箱到膜组件的长度4.68m。
一般取α＝1，Hv＝7m。可见，安装高程越大，流速越低。
同理，可以计算得到截面B后管道总损失Hw为0.47m，截面B处的压强为33.64kPa，截面A后管道总损失Hw为2.57m，截面A处的压强为54.18kPa。水温为45℃时的饱和蒸气压强为9.855kPa，由于虹吸管截面B处的压强远远大于水温45℃时的饱和蒸气压强，故虹吸管中水不会在该处产生汽化，同时也满足膜管对负压运行的要求条件。
通过上述计算可知，虹吸管的安装高度Hs为4.76m，略大于从膜组件进口联箱到膜组件的长度4.68m，小于虹吸管内最大真空度不得超过允许值7～8m水柱，因此膜组件进口联箱的高度取值基本合理。
本发明实际使用时，可预先设定膜组件与膜组件进口联箱之间、膜组件与出口联箱之间以及膜组件进口联箱和膜组件出口联箱之间的高度，进行虹吸状态下膜管内循环水的流速以及虹吸管内的最大真空度来验证取值的合理性。
Claims (10)
1.一种基于虹吸作用的膜法烟气水分回收系统，其特征在于：包括通过管道依次连通的水箱(1)、用于输送循环水的变频循环水泵(2)、位于烟道下方用于缓存循环水的膜组件进口联箱(4)、用于烟气水分回收的膜组件(14)以及起对空作用及防止膜组件出口循环水溅射的膜组件出口联箱(18)，膜组件进口联箱(4)的顶部连通设置有竖直向上且顶端高于烟道最高点的进口联箱立管(5)；所述膜组件(14)、膜组件进口联箱(4)、膜组件出口联箱(18)和水箱(1)自高位到低位设置；
所述膜组件进口联箱(4)的中上部侧壁上设置有通过管道连接有低位液位开关(7)，进口联箱立管(5)的中下部和中上部分别通过管道连通设置有中位溢流控制阀(8)和高位溢流控制阀(9)，中位溢流控制阀(8)和高位溢流控制阀(9)经溢流管(10)连通至水箱(1)；其中，高位溢流控制阀(9)标高高于膜组件(14)中最高膜管的高度，中位溢流控制阀(8)标高低于最低膜管的高度；
膜组件进口联箱(4)与膜组件(14)连接的管道上设置有进口电动调门(13)，膜组件出口联箱(18)与膜组件(14)之间通过一级下降管(16)连接，一级降管(16)靠近膜组件出口联箱(18)的一端设置有出口电动调门(17)；出口电动调门(17)安装高度低于膜组件进口联箱(4)上低位液位开关(7)的高度；
膜组件出口联箱(18)和水箱(1)之间通过二级下降管(19)连通。
2.根据权利要求1所述的一种基于虹吸作用的膜法烟气水分回收系统，其特征在于：所述水箱(1)与变频循环水泵(2)之间的管道上设置有用于冷却循环水的循环水冷却换热器(11)。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于虹吸作用的膜法烟气水分回收系统，其特征在于：所述水箱(1)为具有溢流口、放空排污口和出水口的开式对空水箱。
4.根据权利要求1所述的一种基于虹吸作用的膜法烟气水分回收系统，其特征在于：所述膜组件(14)的最高膜管或出口最高点设置有监测膜管内是否满水的压力表(15)。
5.根据权利要求1所述的一种基于虹吸作用的膜法烟气水分回收系统，其特征在于：所述进口联箱立管(5)内设置有用于连续监测水位的液位计(6)，进口联箱立管(5)的顶部设置有对空排气门(12)。
6.一种如权利要求1至5所述的基于虹吸作用的膜法烟气水分回收系统的控制方法，其特征在于：包括注水、膜组件负压收水以及膜组件在线正压反冲洗的步骤。
7.根据权利要求6所述的基于虹吸作用的膜法烟气水分回收系统的控制方法，其特征在于，所述注水过程的具体方法为：关闭中位溢流控制阀(8)、高位溢流控制阀(9)、对空排气门(12)和出口电动调门(17)，打开进口电动调门(13)；然后开启变频循环水泵(2)，监测膜组件最高点的压力表(15)压力在0.15～0.2MPa时，关闭进口电动调门(13)、出口电动调门(17)，打开高位溢流控制阀(9)，监测液位计(6)，调整变频循环水泵(2)降低循环水流量直至高位溢流控制阀(9)处于微溢流状态，此时系统正压注水完成。
8.根据权利要求7所述的基于虹吸作用的膜法烟气水分回收系统的控制方法，其特征在于，所述膜组件负压收水的具体方法为：打开对空排气门(12)、进口电动调门(13)、出口电动调门(17)、中位溢流控制阀(8)，直至进口联箱立管(5)水位降低至中位溢流控制阀(8)高度处，系统虹吸状态建立，膜组件处于负压运行状态；膜组件处于负压运行过程中，通过控制变频循环水泵(2)的循环水流量使系统中的水位高度维持在低位液位开关(7)、中位溢流控制阀(8)高度之间。
9.根据权利要求8所述的基于虹吸作用的膜法烟气水分回收系统的控制方法，其特征在于，所述膜组件的负压运行和在线正压反冲洗工作状态通过调整进口联箱立管(5)的液位高度实现。
10.根据权利要求9所述的基于虹吸作用的膜法烟气水分回收系统的控制方法，其特征在于，所述膜组件在线正压反冲洗的具体方法为：运行状态下，关闭中位溢流控制阀(8)，调整变频循环水泵(2)增加循环水流量，水位逐渐提高直至高位溢流控制阀(9)的高度，此时膜组件最高点压力表(15)显示压力从负变正，系统进行正压冲洗过程。
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| KR20170002095A (ko) * | 2015-06-29 | 2017-01-06 | 코웨이엔텍 주식회사 | 수두차를 이용한 막여과 고도정수처리 장치 및 그 동압 제어 방법 |
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2019
- 2019-10-28 CN CN201911028177.1A patent/CN110652843A/zh active Pending
Patent Citations (1)
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| KR20170002095A (ko) * | 2015-06-29 | 2017-01-06 | 코웨이엔텍 주식회사 | 수두차를 이용한 막여과 고도정수처리 장치 및 그 동압 제어 방법 |
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