CN112879940B - 一种低温烟气潜热回收综合利用系统及方法 - Google Patents

一种低温烟气潜热回收综合利用系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低温烟气潜热回收综合利用系统及方法，外壳的上端具有烟气出口，下端具有烟气进口和填料塔排水口，烟气进口位于填料塔排水口的上方；烟气汇集板、第一冷凝器和喷淋液体汇集板从下至上设置于外壳内，烟气汇集板位于烟气进口的上方；喷淋出口沿外壳的周向均匀布设并与外壳的上部连接，连接点位于喷淋液体汇集板的上方；烟气汇集板和喷淋液体汇集板均为环形板，外缘与外壳连接；第一冷凝器的出口和填料塔排水口与混合器入口连接，混合器出口与压缩式热泵系统的进水口连接，压缩式热泵系统的出水口与分离器的入口连接，分离器的出口与第一冷凝器进口以及喷淋系统的进口连接。本发明能够对烟气潜热进行利用，满足锅炉深度节能的要求。

Description

一种低温烟气潜热回收综合利用系统及方法
技术领域
本发明属于深度节能领域，涉及一种低温烟气潜热回收综合利用系统及方法。
背景技术
为应对全球气候变化，实现“3060”碳达峰和碳中和目标，必须大力推进火电机组节能减排发展。节能减排直接影响着火电厂的效益。而锅炉排烟热损失作为锅炉热损失中最大的一项，达到锅炉总热损失的70%~80%，由于设计、运行调整、燃用煤种变更等多种原因，致使锅炉实际排烟温度偏离锅炉设计值，而通常锅炉的排烟温度为60~100℃，若排烟潜热能够被回收利用，将排烟温度进一步降低（如到25℃），系统节能效率大大可以提高。因此，减少锅炉排烟潜热损失对机组的节能减排有重要的意义。结合目前电厂改造方案，烟气余热利用的方向可分为预热助燃空气，预热并干燥燃料、加热凝结水、加热热网水、采暖制冷等。但都未对烟气潜热（如60℃以下的热量）进行利用，因此如何将这部分热量进行利用，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种低温烟气潜热回收综合利用系统及方法，该系统及方法能够对烟气潜热（如60℃以下的热量）进行利用，满足锅炉深度节能的要求。
本发明采用的技术方案如下：
一种低温烟气潜热回收综合利用系统，包括填料塔、混合器、分离器和压缩式热泵系统，填料塔包括外壳、第一冷凝器、烟气汇集板、喷淋液体汇集板和喷淋系统；外壳的上端具有烟气出口，外壳的下端具有烟气进口和填料塔排水口，烟气进口位于填料塔排水口的上方；烟气汇集板、第一冷凝器和喷淋液体汇集板从下至上设置于所述外壳内，烟气汇集板位于烟气进口的上方；喷淋系统的喷淋出口沿所述外壳的周向均匀布设并与外壳的上部连接，连接点位于喷淋液体汇集板的上方；烟气汇集板和喷淋液体汇集板均为环形板，环形板的外缘与所述外壳连接；第一冷凝器的出口和填料塔排水口均与混合器入口连接，混合器出口与压缩式热泵系统的进水口连接，压缩式热泵系统的出水口与分离器的入口连接，分离器的出口与第一冷凝器进口以及喷淋系统的进口连接。
优选的，烟气汇集板的内径大于喷淋液体汇集板的内径，喷淋液体汇集板的内径大于烟气出口的内径。
优选的，烟气汇集板的内径与喷淋液体汇集板的内径之比为1.5～2，喷淋液体汇集板的内径与烟气出口的内径之比为1.5～1.8。
优选的，烟气汇集板和喷淋液体汇集板的外径与内径之比不大于3。
优选的，烟气汇集板和喷淋液体汇集板的内 缘低于外缘。
优选的，烟气汇集板和喷淋液体汇集板与所述外壳轴线之间的夹角为5°～15°。
优选的，喷淋系统包括若干喷淋管，若干喷淋管沿所述外壳的周向均匀布设并与外壳的上部连接，喷淋管的出口为渐缩式喷口，喷淋管的出口指向喷淋液体汇集板的中心孔，喷淋管的入口与分离器的出口连接，所述若干喷淋管的出口所在圆周直径大于喷淋液体汇集板的内径。
优选的，压缩式热泵系统包括蒸发器、压缩机、第二冷凝器和膨胀机，混合器的出口与蒸发器的入口连接，蒸发器的出口与分离器的入口连接；蒸发器沿介质流动方向依次连接压缩机、第二冷凝器和膨胀机。
本发明还提供了一种低温烟气潜热回收综合利用方法，该方法采用本发明如上所述的低温烟气潜热回收综合利用系统实现，包括如下过程：
锅炉排出的烟气从烟气进口流入填料塔内，经过烟气汇集板，烟气沿填料塔中心区域从下向上流动，烟气流经第一冷凝器时进行换热，烟气中的水分析出流入填料塔排水口；烟气流经喷淋液体汇集板时，喷淋液体汇集板将烟气与喷淋出口的喷淋液汇集在中心位置区域，烟气与喷淋液充分混合换热后，烟气温度降低并析出水分，然后剩余的烟气从塔顶烟气出口排出；
从第一冷凝器出口出来的水以及从填料塔排水口出来的水进入混合器进行混合，混合器中的混合水进入压缩式热泵系统进行换热，经压缩式热泵系统换热后的水进入分离器，从分离器出口出来的水一路送入到第一冷凝器、一路送入到喷淋系统进行循环；
压缩式热泵系统中的介质吸收从混合器输入的混合水的热量进行循环做功。
优选的，压缩式热泵系统包括蒸发器、压缩机、第二冷凝器和膨胀机，混合器的出口与蒸发器的入口连接，蒸发器的出口与分离器的入口连接；蒸发器沿介质流动方向依次连接压缩机、第二冷凝器和膨胀机；
锅炉排出的烟气温度为55～60℃，第一冷凝器入口水温为15～18℃，经第一冷凝器换热后烟气温度降低到40～45℃，第一冷凝器出口水温度为30～35℃，烟气流经第一冷凝器时进行换热时，烟气中90%～95%的水分析出流入填料塔排水口；喷淋出口的喷淋液温度与第一冷凝器入口水温相同；烟气与喷淋液充分混合换热后，烟气的温度降低到25～28℃，烟气中8%的水分析出；填料塔排水口的水温为22～25℃，混合器中的混合水温度为25～27℃；
经蒸发器换热后的水温为15～18℃，蒸发器中加热后的介质送入到压缩机进行压缩，压缩后的压力为2.5～3MPa、温度为140～150℃，介质进入第二冷凝器与外界冷端换热，换热后温度为45～50℃、压力为2.5～3MPa，之后介质流入到膨胀机内膨胀做功，膨胀机的排气温度为5～10℃、压力为0.5～0.8MPa，介质再流入蒸发器吸热，进行系统循环。
本发明具有如下有益效果：
本发明低温烟气潜热回收综合利用系统的填料塔中，通过烟气汇集板和喷淋液体汇集板能够将烟气汇集在填料塔的中心，随着烟气的流动、烟气与第一冷凝器以及喷淋系统喷淋的冷却水进行充分地换热，使得烟气的潜热释放并回收；由于第一冷凝器和填料塔排水口出水的温度不同，因此设置混合器将两者混合，使得水温均匀，便于压缩式热泵系统水该部分热量进行利用；压缩式热泵系统中的介质吸收从混合器输入的混合水的热量进行循环做功，从而实现了低温烟气潜热回收综合利用。此外压缩式热泵系统的出水口与分离器的入口连接，能够将经过压缩式热泵系统热量利用后的冷水送入分离器，并经分离器分别送入第一冷凝器以及喷淋系统进行循环吸热，从而实现了整个系统的热量传递与循环。从上述可以看出，本发明的低温烟气潜热回收综合利用系统能够减少污染物排放，减少碳排放，整体经济效益较高；回收的水侧热量送入到压缩式热泵中继续换热，利用压缩式热泵回收水侧低温侧热量，大大提高了回收热，具有良好得经济效益。
进一步的，烟气汇集板的内径大于喷淋液体汇集板的内径，喷淋液体汇集板的内径大于烟气出口的内径，便于在烟气流动的过程中聚集以及保证烟气的流速。
进一步的，烟气汇集板的内径与喷淋液体汇集板的内径之比为1.5～2，保证烟气从下而上流动时，烟气流速得到提高，烟气能充分以中心为基点，向外扩散充分换热。喷淋液体汇集板的内径与烟气出口的内径之比为1.5～1.8保证喷淋与烟气充分接触，充分换热。
进一步的，烟气汇集板和喷淋液体汇集板的外径与内径之比不大于3，保证烟气聚集以及流速达到15m/s。
进一步的，烟气汇集板和喷淋液体汇集板的内 缘低于外缘，便于冷凝水不停留聚集。
进一步的，喷淋管的出口为渐缩式喷口，便于喷淋水形成水雾，增加换热效率。所述若干喷淋管的出口所在圆周直径大于喷淋液体汇集板的内径，保证了喷淋雾状液体能充分包裹烟气，充分与烟气混合降温。
附图说明
图1为本发明低温烟气潜热回收综合利用系统的整体结构示意图。
图2为本发明填料塔的结构示意图；
图3为本发明填料塔的纵剖示意图。
其中，1为填料塔、2为混合器、3为蒸发器、4为分离器、5为压缩机、6为第二冷凝器、7为膨胀机、8为烟气进口、9为烟气汇集板、10为第一冷凝器、11为第一冷凝器进口、12为第一冷凝器出口、13为喷淋液体汇集板、14为喷淋管、15为烟气出口、16为填料塔排水口。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
参照图1-图3，本发明低温烟气潜热回收综合利用系统包括填料塔1、混合器2、分离器4和压缩式热泵系统，填料塔1包括外壳、第一冷凝器10、烟气汇集板9、喷淋液体汇集板13和喷淋系统；外壳的上端具有烟气出口15，外壳的下端具有烟气进口8和填料塔排水口16，烟气进口8位于填料塔排水口16的上方；烟气汇集板9、第一冷凝器10和喷淋液体汇集板13从下至上设置于所述外壳内，烟气汇集板9位于烟气进口8的上方；喷淋系统的喷淋出口沿所述外壳的周向均匀布设并与外壳的上部连接，连接点位于喷淋液体汇集板13的上方；烟气汇集板9和喷淋液体汇集板13均为环形板，环形板的外缘与所述外壳连接；第一冷凝器10的出口和填料塔排水口16均与混合器2入口连接，混合器2出口与压缩式热泵系统的进水口连接，压缩式热泵系统的出水口与分离器4的入口连接，分离器4的出口与第一冷凝器10进口以及喷淋系统的进口连接。
作为本发明优选的实施方案，烟气汇集板9的内径大于喷淋液体汇集板13的内径，喷淋液体汇集板13的内径大于烟气出口15的内径。
作为本发明优选的实施方案，烟气汇集板9的内径与喷淋液体汇集板13的内径之比为1.5～2，喷淋液体汇集板13的内径与烟气出口15的内径之比为1.5～1.8。
作为本发明优选的实施方案，烟气汇集板9和喷淋液体汇集板13的外径与内径之比不大于3。
作为本发明优选的实施方案，烟气汇集板9和喷淋液体汇集板13的内 缘低于外缘。
作为本发明优选的实施方案，烟气汇集板9和喷淋液体汇集板13与所述外壳轴线之间的夹角为5°-15°。
作为本发明优选的实施方案，参照图2和图3，喷淋系统包括若干喷淋管14，若干喷淋管14沿所述外壳的周向均匀布设并与外壳的上部连接，喷淋管14的出口为渐缩式喷口，喷淋管14的出口指向喷淋液体汇集板13的中心孔，喷淋管14的入口与分离器4的出口连接，所述若干喷淋管14的出口所在圆周直径大于喷淋液体汇集板13的内径。
作为本发明优选的实施方案，参照图1，压缩式热泵系统包括蒸发器3、压缩机5、第二冷凝器6和膨胀机7，混合器2的出口与蒸发器3的入口连接，蒸发器3的出口与分离器4的入口连接；蒸发器3沿介质流动方向依次连接压缩机5、第二冷凝器6和膨胀机7。
本发明还提供了一种低温烟气潜热回收综合利用方法，该方法采用本发明如上所述的低温烟气潜热回收综合利用系统实现，参照图1-图3，包括如下过程：
锅炉排出的烟气从烟气进口8流入填料塔1内，经过烟气汇集板9，烟气沿填料塔1中心区域从下向上流动，烟气流经第一冷凝器10时进行换热，烟气中的水分析出流入填料塔排水口16；烟气流经喷淋液体汇集板13时，喷淋液体汇集板13将烟气与喷淋出口的喷淋液汇集在中心位置区域，烟气与喷淋液充分混合换热后，烟气温度降低并析出水分，然后剩余的烟气从塔顶烟气出口15排出；
从第一冷凝器10出口出来的水以及从填料塔排水口16出来的水进入混合器2进行混合，混合器2中的混合水进入压缩式热泵系统进行换热，经压缩式热泵系统换热后的水进入分离器4，从分离器4出口出来的水一路送入到第一冷凝器10、一路送入到喷淋系统进行循环；
压缩式热泵系统中的介质吸收从混合器2输入的混合水的热量进行循环做功。
作为本发明优选的实施方案，参照图1-图3，压缩式热泵系统包括蒸发器3、压缩机5、第二冷凝器6和膨胀机7，混合器2的出口与蒸发器3的入口连接，蒸发器3的出口与分离器4的入口连接；蒸发器3沿介质流动方向依次连接压缩机5、第二冷凝器6和膨胀机7；
锅炉排出的烟气温度为55～60℃，第一冷凝器10入口水温为15～18℃，经第一冷凝器10换热后烟气温度降低到40～45℃，第一冷凝器10出口水温度为30～35℃，烟气流经第一冷凝器10时进行换热时，烟气中90%～95%的水分析出流入填料塔排水口16；喷淋出口的喷淋液温度与第一冷凝器10入口水温相同；烟气与喷淋液充分混合换热后，烟气的温度降低到25～28℃，烟气中8%的水分析出；填料塔排水口16的水温为22～25℃，混合器2中的混合水温度为25～27℃；
经蒸发器3换热后的水温为15～18℃，蒸发器3中加热后的介质送入到压缩机5进行压缩，压缩后的压力为2.5～3MPa、温度为140～150℃，介质进入第二冷凝器6与外界冷端换热，换热后温度为45～50℃、压力为2.5～3MPa，之后介质流入到膨胀机7内膨胀做功，膨胀机7的排气温度为5～10℃、压力为0.5～0.8MPa，介质再流入蒸发器3吸热，进行系统循环。
实施例
本实施例的低温烟气潜热回收综合利用系统，包括填料塔1、混合器2、蒸发器3、分离器4、压缩机5、第二冷凝器6和膨胀机7；填料塔1出口高温水分两路，一路从中间第一冷凝器10引出，一路从填料塔排水口16引出；两路经混合器2混合为一路，再进入蒸发器3；蒸发器3出口连通分离器4，分离器4分两路，一路送入到第一冷凝器10进口11，一路送入到喷淋管14进口。蒸发器3沿介质流动方向依次连接压缩机5、第二冷凝器6和膨胀机7，重新回到蒸发器3。
填料塔1包含烟气进口8、烟气汇集板9、第一冷凝器10、喷淋液体汇集板13、喷淋管14、烟气出口15及填料塔排水口16。以图2和图3所示的方位为例，烟气进口8和填料塔排水口16分别位于填料塔1壳体的顶部和底部，烟气进口8设置于填料塔1壳体的底部并位于填料塔排水口16上方，烟气汇集板9、第一冷凝器10、喷淋液体汇集板13设置于填料塔1壳体的内部，烟气汇集板9设置于烟气进口8的上方，喷淋液体汇集板13设置于烟气汇集板9的上方，第一冷凝器10设置于烟气汇集板9和喷淋液体汇集板13之间，填料塔1塔顶沿周向均匀布置了若干个喷淋管14，若干个喷淋管14与填料塔1壳体顶部连接，分布于烟气出口15的周围，喷淋管14的出口均位于喷淋液体汇集板13的上方，喷淋管14用于向喷淋液体汇集板13的中心孔喷水雾，来与烟气进行换热。
利用本实施例低温烟气潜热回收综合利用系统进行低温烟气潜热回收综合利用的过程包括：
锅炉向外界排烟温度为60℃，从烟气进口8流入填料塔1内，经过烟气汇集板9，大量烟气沿填料塔1中心区域从下向上流动。流经第一冷凝器10进行换热，冷凝器入口水温为15℃，换热后烟气温度降低到40℃，水侧加热到出口30℃，90%烟气中的水分析出流入塔底。40℃的烟气流经喷淋液体汇集板13，将烟气与喷淋液汇集在中心位置区域，喷淋液温度为15℃，充分混合换热后，烟气温度降低到28℃，这部分将析出8%的烟气水分，烟气从塔顶烟气出口15排出，从填料塔排水口16排出的水温度为20～25℃。
填料塔1出口水分两路，一路从中间第一冷凝器10引出，水温30℃，一路从填料塔排水口16引出，水温约25℃；两路经混合器混合为一路，混合后水温27℃，进入蒸发器3换热，换热后水侧温度降低到15℃。蒸发器3出口连通分离器4，分离器4分两路，一路送入到第一冷凝器10进口，一路送入到喷淋管14进口进行循环。
蒸发器3吸收低温水侧热量，加热后的介质送入到压缩机进行压缩，压缩后的参数2.5MPa，150℃，进入冷凝器与外界冷端换热，换热后温度50℃，压力2.5MPa，流入到膨胀机7内膨胀做功，排气5℃，压力0.5MPa，流入蒸发器吸热，进行系统循环。
从上述可以看出，本发明低温烟气潜热回收综合利用系统通过设置填料塔系统和压缩式热泵系统联合进行烟气潜热回收。填料塔系统将低温烟气降低到28℃，析出大于95%烟气水分进行回收，减少污染物排放，减少碳排放，整体经济效益较高；回收的水侧热量送入到压缩式热泵中继续换热，利用压缩式热泵回收水侧低温侧热量，大大提高了回收热，具有良好得经济效益。本发明提出的低温烟气潜热回收综合利用系统及方法，能够将低温烟气温度从60℃降低到28℃，效率大大得到提升，投资成本低，系统简单，经济效益高。

Claims (8)

1.一种低温烟气潜热回收综合利用系统，其特征在于，包括填料塔（1）、混合器（2）、分离器（4）和压缩式热泵系统，填料塔（1）包括外壳、第一冷凝器（10）、烟气汇集板（9）、喷淋液体汇集板（13）和喷淋系统；外壳的上端具有烟气出口（15），外壳的下端具有烟气进口（8）和填料塔排水口（16），烟气进口（8）位于填料塔排水口（16）的上方；烟气汇集板（9）、第一冷凝器（10）和喷淋液体汇集板（13）从下至上设置于所述外壳内，烟气汇集板（9）位于烟气进口（8）的上方；喷淋系统的喷淋出口沿所述外壳的周向均匀布设并与外壳的上部连接，连接点位于喷淋液体汇集板（13）的上方；烟气汇集板（9）和喷淋液体汇集板（13）均为环形板，环形板的外缘与所述外壳连接；第一冷凝器（10）的出口和填料塔排水口（16）均与混合器（2）入口连接，混合器（2）出口与压缩式热泵系统的进水口连接，压缩式热泵系统的出水口与分离器（4）的入口连接，分离器（4）的出口与第一冷凝器（10）进口以及喷淋系统的进口连接；
烟气汇集板（9）的内径大于喷淋液体汇集板（13）的内径，喷淋液体汇集板（13）的内径大于烟气出口（15）的内径；
烟气汇集板（9）和喷淋液体汇集板（13）的内 缘低于外缘。
2.根据权利要求1所述的一种低温烟气潜热回收综合利用系统，其特征在于，烟气汇集板（9）的内径与喷淋液体汇集板（13）的内径之比为1.5～2，喷淋液体汇集板（13）的内径与烟气出口（15）的内径之比为1.5～1.8。
3.根据权利要求1-2任意一项所述的一种低温烟气潜热回收综合利用系统，其特征在于，烟气汇集板（9）和喷淋液体汇集板（13）的外径与内径之比不大于3。
4.根据权利要求3所述的一种低温烟气潜热回收综合利用系统，其特征在于，烟气汇集板（9）和喷淋液体汇集板（13）与所述外壳轴线之间的夹角为5°～15°。
5.根据权利要求1所述的一种低温烟气潜热回收综合利用系统，其特征在于，喷淋系统包括若干喷淋管（14），若干喷淋管（14）沿所述外壳的周向均匀布设并与外壳的上部连接，喷淋管（14）的出口为渐缩式喷口，喷淋管（14）的出口指向喷淋液体汇集板（13）的中心孔，喷淋管（14）的入口与分离器（4）的出口连接，所述若干喷淋管（14）的出口所在圆周直径大于喷淋液体汇集板（13）的内径。
6.根据权利要求1所述的一种低温烟气潜热回收综合利用系统，其特征在于，压缩式热泵系统包括蒸发器（3）、压缩机（5）、第二冷凝器（6）和膨胀机（7），混合器（2）的出口与蒸发器（3）的入口连接，蒸发器（3）的出口与分离器（4）的入口连接；蒸发器（3）沿介质流动方向依次连接压缩机（5）、第二冷凝器（6）和膨胀机（7）。
7.一种低温烟气潜热回收综合利用方法，其特征在于，该方法采用权利要求1-6任意一项所述的低温烟气潜热回收综合利用系统实现，包括如下过程：
锅炉排出的烟气从烟气进口（8）流入填料塔（1）内，经过烟气汇集板（9），烟气沿填料塔（1）中心区域从下向上流动，烟气流经第一冷凝器（10）时进行换热，烟气中的水分析出流入填料塔排水口（16）；烟气流经喷淋液体汇集板（13）时，喷淋液体汇集板（13）将烟气与喷淋出口的喷淋液汇集在中心位置区域，烟气与喷淋液充分混合换热后，烟气温度降低并析出水分，然后剩余的烟气从塔顶烟气出口（15）排出；
从第一冷凝器（10）出口出来的水以及从填料塔排水口（16）出来的水进入混合器（2）进行混合，混合器（2）中的混合水进入压缩式热泵系统进行换热，经压缩式热泵系统换热后的水进入分离器（4），从分离器（4）出口出来的水一路送入到第一冷凝器（10）、一路送入到喷淋系统进行循环；
压缩式热泵系统中的介质吸收从混合器（2）输入的混合水的热量进行循环做功。
8.根据权利要求7所述的一种低温烟气潜热回收综合利用方法，其特征在于，压缩式热泵系统包括蒸发器（3）、压缩机（5）、第二冷凝器（6）和膨胀机（7），混合器（2）的出口与蒸发器（3）的入口连接，蒸发器（3）的出口与分离器（4）的入口连接；蒸发器（3）沿介质流动方向依次连接压缩机（5）、第二冷凝器（6）和膨胀机（7）；
锅炉排出的烟气温度为55～60℃，第一冷凝器（10）入口水温为15～18℃，经第一冷凝器（10）换热后烟气温度降低到40～45℃，第一冷凝器（10）出口水温度为30～35℃，烟气流经第一冷凝器（10）时进行换热时，烟气中90%～95%的水分析出流入填料塔排水口（16）；喷淋出口的喷淋液温度与第一冷凝器（10）入口水温相同；烟气与喷淋液充分混合换热后，烟气的温度降低到25～28℃，烟气中8%的水分析出；填料塔排水口（16）的水温为22～25℃，混合器（2）中的混合水温度为25～27℃；
经蒸发器（3）换热后的水温为15～18℃，蒸发器（3）中加热后的介质送入到压缩机（5）进行压缩，压缩后的压力为2.5～3MPa、温度为140～150℃，介质进入第二冷凝器（6）与外界冷端换热，换热后温度为45～50℃、压力为2.5～3MPa，之后介质流入到膨胀机（7）内膨胀做功，膨胀机（7）的排气温度为5～10℃、压力为0.5～0.8MPa，介质再流入蒸发器（3）吸热，进行系统循环。
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