CN117906161A - 一种强制和自然对流兼具的烟气余热回收装置的锅炉 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种强制和自然对流兼具的烟气余热回收装置的锅炉，所述锅炉包括水平烟道，所述水平烟道中设置烟气余热回收装置，所述烟气余热回收装置包括烟气冷却机构，沿着烟气流动方向，将冷却管分为上游部分和下游部分，所述箱体结构设置在下游部分，所述上游部分冷却管的空气采用强制对流的方式与烟气进行换热，下游部分空气采用自然对流方式进行换热。本发明对锅炉水平烟道进行改造，在不产生附加能耗的前提下，利用饱和湿烟气自身的热量实现环境空气与饱和湿烟气的自然对流，实现对饱和湿烟气的冷却，达到饱和湿烟气余热以及水回收的目的。
Description
技术领域
本发明涉及一种烟气余热利用的方法及其装置，主要涉及余热锅炉或换热器的换热技术领域。
背景技术
现实炼钢厂、水泥厂等，都存在着节能和余热利用的技术问题，因此如何最高效率的利用排放出来的烟气进行热能的回收是技术人员不断改革的课题。在钢铁生产过程中，烧结工序的能耗约占总能耗的10％，仅次于炼铁工序，位居第二。在烧结工序的总能耗中，有将近50％的热能是以烧结机烟气和冷却机废气的显热形式排入大气。由于烧结冷却机废气的温度不高，因此通常情况下这部分热量不被回收，或者仅采用简单的换热器进行余热吸收，不仅回收效率低，而且产生的蒸汽量较少。
现实烟气余热利用技术，通常是将二种或多种不同温度的烟气，预先进行混合后一并进入余热锅炉或换热器进行换热。这种方式由于没有充分地利用高温烟气的高品质热量，使得烟气的能量利用率非常低。
公开号为CN101017059A的中国发明专利公开了提供一种烟气余热利用的方法及其装置，它将多种不同温度烟气分开通道/入口进入一余热锅炉或换热器，高温烟气经过高温换热面/区/腔内降温，当温度降至与低温烟气温度相当时再混合，共同流经低温换热面，使不同温度的烟气余热得到最大限度的回收利用。该发明方法是将多种不同温度烟气分通道进入锅炉或换热器，高温烟气经过高温换热面/区/腔内降温，当温度降至与低温烟气温度相当时再混合，其中高、低温烟气的温差大于50℃，使烟气余热得到最大限度的回收利用。本发明还包括为实现上述方法的装置，它由高温烟气入口、低温烟气入口、高温换热面/区/腔、低温换热面/区/腔、混合换热面/区/腔和烟气排放口构成。公开号为CN101598506A的中国发明专利申请公开了一种利用废气余热的冷热水交换装置。包括废气池、进气管和加热水管，所述废气池中插有所述进气管，该进气管中通有热废气，所述加热水管为多道盘旋弯曲的循环水管，该加热水管的两端从所述废气池(1)中伸出，一端为进水口，另一端为出水口；所述废气池中装有水，所述进气管的出气口和所述循环水管浸在水面下。公开号为CN105485915A的中国发明专利公开了一种用于燃油燃气锅炉的烟气余热回收装置，以解决现有的烟气余热回收装置占地面积大、安装困难的问题。支撑管、内墙和外墙有内至外依次同轴设置，支撑管与内墙之间为内室，内墙与外墙之间为外室，省煤器环形集箱设置在内墙和外墙的上端，底部烟道设置在内墙和外墙的下端，出烟筒的下端与内室相通、上端与大气相通，省煤器环形集箱的内环侧壁上设有与进烟通道相通的环形进烟口，省煤器管束的上端与省煤器环形集箱连通、下端与底部烟道相通，光管空预器管束的上端与出烟筒相通、下端与底部烟道相通，数个内室烟道隔板由上至下呈螺旋状布置在内室中，数个外室烟道隔板由下至上呈螺旋状布置在外室中上管板与下管板之间。本发明用于燃油燃气锅炉上。
上述发明实现烟气余热回收利用锅炉，原理可行，但仍存在以下问题：1.对锅炉烟道系统改造大，投资高，增大了烟气处理系统的占地面积；2.系统中设备多，结构复杂，控制难度大，运行故障率高；3.系统中设置了多台水泵，增加了系统能耗及湿烟气水回收成本；4.缺少对烟气中水汽的回收。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种设置低能耗烟气余热回收装置的锅炉，该装置对锅炉水平烟道进行改造，在不产生附加能耗的前提下，利用饱和湿烟气自身的热量实现环境空气与饱和湿烟气的自然对流，实现对饱和湿烟气的冷却，达到饱和湿烟气余热以及水回收的目的。该装置能够降低烟气余热回收工艺的投资及运行成本。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种强制和自然对流兼具的烟气余热回收装置的锅炉，所述锅炉包括水平烟道，所述水平烟道中设置烟气余热回收装置，所述烟气余热回收装置包括烟气冷却机构，所述冷却机构包括竖直方向设置的冷却管，冷却管上端和下端分别连接冷却管收束板并从冷却管收束板的管孔穿过，空气从冷却管下端的管孔进入通过自然对流的方式从上端的管孔流出，所述烟气经过冷却管与冷却管进行换热；沿着烟气流动方向，将冷却管分为上游部分和下游部分，所述箱体结构设置在下游部分，所述上游部分冷却管的空气采用强制对流的方式与烟气进行换热，下游部分空气采用自然对流方式进行换热。
作为改进，光管空预器管束的上端与出烟筒相通、下端与底部烟道相通，数个内室烟道隔板由上至下呈螺旋状布置在内室中，数个外室烟道隔板由下至上呈螺旋状布置在外室中上管板与下管板之间。
作为改进，沿着烟气的流动方向，下游部分的冷却管分布密度越来越大。
作为改进，沿着烟气的流动方向，下游部分的冷却管分布密度越来越大的幅度不断增加。
作为改进，包括废气池、进气管和加热水管，所述废气池中插有所述进气管，该进气管中通有热废气，所述加热水管为多道盘旋弯曲的循环水管。
作为改进，所述冷却管上端的收束板设置在烟道的上端的外部表面上，冷却管下端的收束板为箱体结构，所述箱体上面开口，其他面封闭，所述箱体下面设置在烟道下端的外表面，距离下端外面表一定距离，所述箱体下表面设置管孔，所述箱体下表面的中部设置排水口。
与现有技术相比较，本发明具有如下的优点：
1、本发明将冷却管分为两部分，可以实现不同温度的余热利用，输出不同的温度的空气，同时也能将余热利用以及水的回收分开，保证热量的充分回收以及水的充分回收，提高余热回收效率。
2、改造小、结构简单：本发明基于烟气间接冷凝技术，仅在锅炉原有水平烟道上进行改造，投资较小。与现有技术相比，无需新增喷淋塔等设备，不会增加烟气处理系统占地面积。
3、能耗低：本发明利用饱和湿烟气的自身热量驱动环境空气与其发生自然对流，实现湿烟气的余热回收以及水的回收。与现有技术相比，无需使用水泵等耗能设备，降低了湿烟气回收水的成本。
4、本发明将下游冷却管的分布密度进行变化，从而使得整体上水的分布均匀，避免冷却管上水的分布有的干涸，有的太多，从而保证管子的使用寿命以及水的充分冷凝回收。
附图说明
图1、图2为本发明的低能耗湿烟气回收热量装置结构示意图。
图3为本发明的冷却管收束板结构及烟气冷却管排布方式示意图。
图4为本发明的冷凝水收集机构示意图。
图5为烟气冷凝机构示意图。
图6为本发明装配于锅炉水平烟道的结构示意图。
附图中的附图标记如下：
1：冷却管收束板；2：冷凝水收集槽；3：烟气冷却管；3-1：空气入口；3-2：空气出口；4：排水口；5：锅炉水平烟道；5-1：烟气入口；5-2：烟气出口。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明的一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施方式中所有方向性指示（诸如上、下……）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二＂的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
并且，本发明各个实施方式之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
一种设置低能耗烟气余热回收装置的锅炉，所述锅炉包括水平烟道5，所述水平烟道5中设置烟气余热回收装置，所述烟气余热回收装置如图1所示，包括烟气冷却机构，所述冷却机构包括竖直方向设置的冷却管3，冷却管3上端和下端分别连接冷却管收束板1并从冷却管收束板1的管孔穿过，空气从冷却管下端的管孔进入通过自然对流的方式从上端的管孔流出，所述烟气经过冷却管与冷却管进行换热。
本发明改造小、结构简单，本发明基于烟气间接冷凝技术，仅在锅炉原有水平烟道上进行改造，投资较小。与现有技术相比，无需新增喷淋塔等设备，不会增加烟气处理系统占地面积。
作为改进，如图6所示，所述冷却管上端的收束板设置在烟道的上端的外部表面上，冷却管下端的收束板为箱体结构，所述箱体上面开口，其他面封闭，所述箱体下面设置在烟道下端的外表面，距离下端外面表一定距离，所述箱体下表面设置管孔，所述箱体下表面的中部设置排水口4。
公开号为CN 110124465 B、CN 111974177 A、CN 110124500 B的中国发明专利公开的均采用收水塔结合冷凝水循环的方式实现湿烟气水回收利用，原理可行。但仍存在以下问题：1.对锅炉烟道系统改造大，投资高，增大了烟气处理系统的占地面积。2.系统中设备多，结构复杂，控制难度大，运行故障率高。3.系统中设置了多台水泵，增加了系统能耗及湿烟气水回收成本。
本发明设置了烟气中水冷凝回收装置，改造小、结构简单，本发明基于烟气间接冷凝技术，仅在锅炉原有水平烟道上进行改造，投资较小。与现有技术相比，无需新增喷淋塔等设备，不会增加烟气处理系统占地面积。能够同时实现余热回收以及湿空气中水的回收。相对与现有技术的回收系统具有很大的改进。
作为改进，所述数个烟气冷却管3内部为均空气流道，底端为空气入口，顶端为空气出口，贯穿烟道。
作为改进，湿烟气的温度为50℃~55℃、相对湿度为100%，环境空气与湿烟气的温差为35℃~80℃。
作为改进，沿着烟气流动方向，将冷却管3分为上游部分和下游部分，所述箱体结构（冷凝水回收箱体）设置在下游部分，所述上游部分冷却管的空气采用强制对流的方式与烟气进行换热，下游部分空气采用自然对流方式进行换热。
本发明将冷却管分为两部分，上游部分进行充分的余热利用，可以极大的提高余热利用效率，输出高温度空气，下游可以利用余热利用以及水的回收，。输出低温度空气，可以实现不同温度的余热利用，输出不同的温度的空气，同时也能将余热利用以及水的回收分开，保证热量的充分回收以及水的充分回收，提高余热回收效率。
作为改进，上游部分的烟气设置温度传感器，用于检测烟气的温度，通过检测的烟气温度控制进入上游部分冷却管的空气流量。通过检测烟气温度避免在上游生成冷凝水，影响热量的回收以及水的收集。
作为改进，如果检测的上游部分烟气的温度低于设定数值，控制器控制风机减少进入上游部分冷却管的空气流量，如果检测的上游部分烟气的温度高于设定数值，制器控制风机增加进入上游部分冷却管的空气流量。通过自动控制的方式，使得上游烟气温度保持在露点以上，避免形成水的冷凝。作为优选，温度设定数值高于露点温度。
作为改进，上游部分和下游部分的冷却管材料不同。下游的冷却管耐腐蚀性能要强于上游冷却管。因为下游需要冷凝水，因此存在低温腐蚀的问题。通过将上下游冷却管分开，使得根据不同情况设置不同的材料，能够在高效率吸收余热以及回收水的情况下，大大降低成本。
作为改进，沿着烟气的流动方向，下游部分的冷却管分布密度越来越大。本发明将下游冷却管的分布密度进行变化，从而使得整体上水的分布均匀，避免冷却管上水的分布有的干涸，有的太多，从而保证管子的使用寿命以及水的充分冷凝回收。
作为改进，沿着烟气的流动方向，下游部分的冷却管分布密度越来越大的幅度不断增加。上述设置能够进一步满足冷凝水分布均匀。
作为改进，沿着烟气的流动方向，下游部分的冷却管耐腐蚀性能越来越好。主要是下游温度低，可能导致冷却水分不过多，因此通过增加下游的冷却管耐腐蚀性能，能够使得整体抗腐蚀性能增加，进一步降低成本，提高使用寿命。
通过上游和下游冷却管的分开，可以使得上游和下游冷却管单独的更换。例如，下游腐蚀性能导致冷却管寿命短，因此更换频率高，通过上有下游分开，避免整体更换，提高效率。
作为一个实施例，如图1-6所示，一种低能耗湿烟气中热量和水回收装置，包括烟气冷却机构和冷凝水收集机构。其中烟气冷却机构由冷却管收束板1及若干根烟气冷却管3组成，冷凝水收集机构包括冷凝水收集槽2和排水口4。低能耗湿烟气回收水装置布置于锅炉水平烟道5，可在原水平烟道上进行改造，通过法兰与水平烟道5装配连接，或随新的烟道制造。
烟气冷却管3采用错列布置，与湿烟气流动方向呈90°，烟气冷却管的布置方式如图3所示。
如图5所示，将冷却管收束板1固定若干根烟气冷却管3，组成烟气冷却机构。将烟气冷却机构由锅炉水平烟道5上部壁面插入，使烟气冷却管3贯穿锅炉水平烟道5，利用法兰将冷却管收束板1与锅炉水平烟道5上部壁面装配连接。利用法兰将冷凝水收集机构与锅炉水平烟道5下部壁面装配连接，并使各烟气冷却管与冷凝水收集槽的管束安装孔相配合，保证烟气流道的密闭性。排水口4位于冷凝水收集槽底面的几何中心，通过管路、阀门与外部连接，以排出冷凝水。
具体回收热量和水过程如下：
湿法脱硫后的饱和湿烟气由烟气入口5-1流入锅炉水平烟道5，烟气冷却管3内的空气被锅炉水平烟道5内的饱和湿烟气加热，环境空气受热升温，密度随之减小。烟气冷却管3内的空气与空气入口3-1下方环境空气的密度差使得空气产生了向上的自生通风力，环境空气自发地由空气入口3-1流入，由空气出口3-2流出，环境空气与饱和湿烟气形成自然对流。饱和湿烟气在该对流换热过程中不断放热，其中的水蒸气释放汽化潜热后在烟气冷却管3的表面冷凝为水。由于烟气冷却管3与烟气流动方向呈90°，烟气冷却管3外表面上凝结的水在重力作用下流入冷凝水收集槽2中，经排水口4排出，完成回收水。
实施例
以烟气量为200 Nm3/h，烟气流速15 m/s的600 MW机组为例，烟气入口温度50℃、相对湿度100%。采用本发明的低能耗烟气回收水装置，所述装置选用DN 40尺寸的烟气冷却管，烟气冷却管采用错列布置，共布置16排管束（第一排39根、第二排38根，共616根烟气冷却管）。该装置春季/秋季（环境空气温度10℃）可以实现水回收量5.13 t/天；夏季（环境温度20℃）可实现水回收量4.59 t/天；冬季（环境温度-20℃）可实现水回收量5.98 t/天。
采用不同管径的烟气冷却管的低能耗烟气回收水装置所能实现的水回收量如表1所示。
表1 低能耗湿烟气回收水装置水回收量（t/天）
（注：春季/秋季温度为10℃，夏季温度为20℃，冬季温度为-20℃；
选用DN 32钢管时，第一排45根管，第二排44根管，装置共712根管；
选用DN 40钢管时，第一排39根管，第二排38根管，装置共616根管；
选用DN 50钢管时，第一排31根管，第二排10根管，装置共488根管；
选用DN 70钢管时，第一排25根管，第二排24根管，装置共392根管。）
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 (6)
1.一种强制和自然对流兼具的烟气余热回收装置的锅炉，所述锅炉包括水平烟道，所述水平烟道中设置烟气余热回收装置，所述烟气余热回收装置包括烟气冷却机构，所述冷却机构包括竖直方向设置的冷却管，冷却管上端和下端分别连接冷却管收束板并从冷却管收束板的管孔穿过，空气从冷却管下端的管孔进入通过自然对流的方式从上端的管孔流出，所述烟气经过冷却管与冷却管进行换热；沿着烟气流动方向，将冷却管分为上游部分和下游部分，所述箱体结构设置在下游部分，所述上游部分冷却管的空气采用强制对流的方式与烟气进行换热，下游部分空气采用自然对流方式进行换热。
2.如权利要求1所述的锅炉，其特征在于，光管空预器管束的上端与出烟筒相通、下端与底部烟道相通，数个内室烟道隔板由上至下呈螺旋状布置在内室中，数个外室烟道隔板由下至上呈螺旋状布置在外室中上管板与下管板之间。
3.如权利要求1所述的锅炉，其特征在于，沿着烟气的流动方向，下游部分的冷却管分布密度越来越大。
4.如权利要求3所述的锅炉，其特征在于，沿着烟气的流动方向，下游部分的冷却管分布密度越来越大的幅度不断增加。
5.如权利要求1所述的锅炉，其特征在于，包括废气池、进气管和加热水管，所述废气池中插有所述进气管，该进气管中通有热废气，所述加热水管为多道盘旋弯曲的循环水管。
6.如权利要求1所述的锅炉，其特征在于，所述冷却管上端的收束板设置在烟道的上端的外部表面上，冷却管下端的收束板为箱体结构，所述箱体上面开口，其他面封闭，所述箱体下面设置在烟道下端的外表面，距离下端外面表一定距离，所述箱体下表面设置管孔，所述箱体下表面的中部设置排水口。
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