CN209530481U - 一种烟气水分及余热回收装置及回收系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于火力发电行业的节能环保技术领域，公开了一种烟气水分及余热回收装置及回收系统，该回收装置包括蒸汽回收膜组、余热锅炉、烟囱和吹灰器，其中蒸汽回收模组包括串联设置的第一膜组件和第二膜组件；余热锅炉排出的湿烟气在膜组件中与冷却水隔膜接触，烟气中的水蒸气在膜材料孔内冷凝并借助膜两侧的压差跨膜与冷凝水混合，同时向冷凝水传递潜热，可对烟气中的水分和热量进行高效回收。本实用新型还公开了一种回收系统，回收后的水分可用于锅炉或冷凝器补水，水分和热量在整个系统中循环利用。解决了现有技术中的湿烟气水分能量回收过程中，装置较多、流程复杂、回收效率低、回收水品质不高的问题。

Description

一种烟气水分及余热回收装置及回收系统

技术领域

本实用新型涉及火力发电行业的节能环保技术领域，具体涉及一种烟气水分及余热回收装置和一种燃气-蒸汽联合循环机组烟气余热及水分的回收系统。

背景技术

我国淡水资源总量约为28000亿立方米，占全球水资源的6％，但人均水资源只占世界人均水资源的25％，且水资源分布不均。研究发现，我国的火电用水量约占全国工业用水量的45％，且装机耗水率比国际先进水平高出40％左右，水资源短缺已经成为制约火力发电的一个重要原因。

燃气轮机采用天然气为燃料，天然气主要成分甲烷的氢/碳(H/C)比高于煤炭，使得燃气轮机排放的烟气中水蒸气含量高于燃煤机组。目前大型F级燃气机组与燃气-蒸汽联合循环机组排放烟气中水蒸气的汽化潜热占天然气高位发热量的比例高达10％左右，若不加以利用这部分潜热，而直接将其排放到环境中，会造成能量的巨大浪费。若将燃气机组烟气中的水分和潜热回收利用，不仅可以缓解电厂水资源短缺问题，还可以极大地提高系统效率，减少天然气的使用量。

目前回收火电厂烟气中水蒸气和余热的主流技术是冷凝法和溶液吸收法。冷凝法捕集的水分水质较差，甚至可能具有强腐蚀性；溶液吸收法具有再生能耗高、吸收剂腐蚀性强和设备占地面积大等缺点。

近年来，膜法除湿技术也得到了越来越多的研究，其机理是利用膜两端的浓度差及膜的选择透过性，实现水蒸气与氮气、氧气等不凝气体的分离，然后采用冷凝的方式使水蒸气液化。膜法除湿技术相对于冷凝法和溶液吸收法具有除湿过程连续进行、无腐蚀问题等优点，受到了国内外的广泛关注。

中国专利CN107631290A公开了一种基于膜吸收的烟气余热回收系统，包括燃气锅炉、真空膜水分回收器、膜束换热器、间接换热器、空气余热器、供热管网、烟囱。该系统首先将烟气中的水蒸气和干烟气通过真空膜进行分离，再对分离后的干烟气和水蒸气分别进行热能的回收，存在所用装置多，工艺流程较为复杂的缺陷。

现有技术中，对发电厂湿烟气进行水分热量回收，普遍存在装置较多、流程复杂、回收效率低、回收水品质不高等问题。

发明内容

因此，本实用新型要解决的技术问题在于克服现有技术中的湿烟气水分能量回收过程中，装置较多、流程复杂、回收效率低、回收水品质不高的问题，从而提供一种烟气水分及余热回收装置。

本实用新型要解决的另一个技术问题在于克服现有技术中的湿烟气水分能量回收装置较多、流程复杂、回收效率低、回收水品质不高的问题，从而提供一种燃气蒸汽联合循环机组烟气余热及水分的回收系统。

为此，本实用新型提供了一种烟气水分及余热回收装置，包括串联设置的第一膜组件和第二膜组件，用以回收烟气中的水分和余热；

余热锅炉，与所述第一膜组件相连，用以产生待处理的湿烟气；

烟囱，与所述第二膜组件相连，用以排放处理后的烟气；

吹灰器，与所述第一膜组件相连，用以对所述第一膜组件和第二膜组件进行除灰。

进一步地，所述第一膜组件为无机陶瓷膜膜组件或亲水性有机复合膜膜组件；所述第二膜组件为无机陶瓷膜膜组件或亲水性有机复合膜膜组件。

进一步地，所述第一膜组件为无机陶瓷膜膜组件，所述第二膜组件为亲水性有机复合膜膜组件。

进一步地，所述吹灰器为空气吹灰器或蒸汽吹灰器。

本实用新型还提供了一种燃气蒸汽联合循环机组烟气余热及水分的回收系统，包括所述的烟气水分及回收装置。

进一步地，所述燃气蒸汽联合循环机组烟气余热及水分的回收系统还包括，蒸汽轮机，与所述余热锅炉连接，用以带动发电机发电，并将产生的高温尾气输送至所述余热锅炉；

蒸气透平机，与所述余热锅炉连接，用以接收所述余热锅炉产生的高温蒸气，并带动发电机发电。

进一步地，所述燃气蒸汽联合循环机组烟气余热及水分的回收系统还包括，

冷凝器，其入口分别与所述蒸气透平机和第二膜组件连接，用以冷凝蒸气透平机排放的低温蒸气和第二膜组件排放的水，其出口分别与第一膜组件的冷却水入口、第二膜组件的冷却水入口和余热锅炉的补给水入口相连接。

进一步地，所述燃气蒸汽联合循环机组烟气余热及水分的回收系统还包括，

加热器，其入口与所述冷凝器的出口相连接；

除氧器，其入口分别与所述加热器的出口和第一膜组件的出水口相连接，其出口与余热锅炉相连接。

进一步地，所述燃气蒸汽联合循环机组烟气余热及水分的回收系统还包括，

储水器，其入口与所述第一膜组件的出水口相连，用以储存第一膜组件排出的水。

本实用新型还提供了所述燃气蒸汽联合循环机组烟气余热及水分的回收系统的回收方法，包括：余热锅炉向第一膜组件输送的湿烟气的温度为 50-110℃；湿烟气通过第一膜组件和第二膜组件的水通量为0.3-0.8 L·m^-2·h^-1，单膜组件压降为0.2-1.0MPa；第一膜组件和第二膜组件中冷却水的流速为2.5-25L/h。

进一步地，余热锅炉向第一膜组件输送的湿烟气的温度为80-110℃；湿烟气通过第一膜组件和第二膜组件的水通量为0.4-0.6L·m^-2·h^-1，单膜组件压降为0.4-0.8MPa；第一膜组件和第二膜组件中冷却水的流速为5-25 L/h。

本实用新型技术方案，具有如下优点：

1、本实用新型提供的烟气水分及余热回收装置具有装置简单、易于操作的优点；采用膜法除湿技术，通过向膜组件中同时通入烟气和冷却水，实现了水分和热量的同时回收，串联使用两个膜组件，显著提高了水分和热量的回收效率。

2、无机陶瓷膜膜组件具有化学稳定性好、耐高温、耐腐蚀等优点，可接触温度较高的烟气，将其作为第一膜组件，并选用膜孔径较小的陶瓷膜具有较高的分离系数，保证回收水的质量；亲水性有机膜膜组件随着烟气温度的降低分离系数呈上升趋势，分离系数对温度较敏感，在低温条件下可以回收到更纯净的水资源，将其作第二膜组件。通过串联使用第一膜组件和第二膜组件进行烟气回收，且以无机陶瓷膜膜组件作为第一膜组件，以亲水性有机复合膜膜组件作为第二膜组件，显著提升了回收水的水质。

3、本实用新型提供的燃气蒸汽联合循环机组烟气余热及水分的回收系统可高效回收湿烟气中的水分和热量，从烟气中回收的水因高品质可直接用于系统中的循环水，回收的潜热可用来提高余热锅炉的给水温度，实现了水分热量的循环回用，节约能源。

4、本实用新型提供的燃气蒸汽联合循环机组烟气余热及水分回收系统的回收方法，可对湿烟气中的水分和热量实现同时回收，回收效率高，回收水的水质高，操作简单。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型实施例的燃气蒸汽联合循环机组烟气余热及水分的回收系统的示意图；

附图标记：

1-第一膜组件、2-第二膜组件、3-余热锅炉、4-烟囱、5-吹灰器、6-蒸汽轮机、7-蒸汽透平机、8-冷凝器、9-加热器、10-除氧器、11-储水器、12- 第一发电机、13-第二发电机。

本实用新型提供的烟气水分及余热回收装置的工作过程为：向第一膜组件1的膜管内通冷却水，使膜管内形成微负压，余热锅炉3排放的湿烟气从第一膜组件1的一侧流进，与膜管外侧接触，湿烟气和冷却水隔膜接触，湿烟气中的水蒸气在膜材料孔内冷凝成液体，由于膜管内有水形成的微负压，膜管两侧有一定压差，膜材料孔内的液体借助压差跨膜进入膜管内与冷却水混合，同时，膜管两侧的烟气和冷却水进行了热交换，升温后的冷却水可作为余热锅炉3的补给水。烟气从第一膜组件1排出后进入第二膜组件2，在第二膜组件2内与冷却水隔膜接触，烟气进一步将水蒸气传质到冷却水中，回收水分后的冷却水可重新利用，不能被膜透过的干烟气通过烟囱4进行排放。吹灰器5设置在第一膜组件1的前端，由于第一膜组件1和第二膜组件2串联设置，吹灰器5可通过吹灰对第一膜组件1和第二膜组件2进行维护。

本实用新型提供的燃气蒸汽联合循环机组烟气余热及水分的回收系统的工作过程为：蒸汽轮机6采用天然气为燃料，带动第一发电机12发电，蒸汽轮机6产生的高温尾气通入余热锅炉3，余热锅炉3中的水经加热后产生水蒸气，水蒸气进入蒸汽透平机7带动第二发动机13发电，蒸汽透平机7排出的水蒸气进入冷凝器8中冷凝，冷凝器8排出的冷凝水一部分水依次通过加热器9和除氧器10作为补给水输送给余热锅炉3，另一部分水分别通入第一膜组件1和第二膜组件2；余热锅炉3排出湿烟气通入第一膜组件1，在第一膜组件1中湿烟气中的水蒸气发生冷凝并跨膜与冷却水混合，得到第一膜组件回收水，第一膜组件回收水进入除氧器10中作为余热锅炉3的补给水；余热锅炉3排出的湿烟气经第一膜组件1处理后进入第二膜组件2，在第二膜组件2中湿烟气中的水蒸气发生冷凝并跨膜与冷却水混合，得到第二膜组件回收水，第二膜组件回收水进入冷凝器8中回收使用；湿烟气经第二膜组件2处理后得到干烟气，干烟气经烟囱4排放。

具体实施方式

提供下述实施例是为了更好地进一步理解本实用新型，并不局限于所述最佳实施方式，不对本实用新型的内容和保护范围构成限制，任何人在本实用新型的启示下或是将本实用新型与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本实用新型相同或相近似的产品，均落在本实用新型的保护范围之内。

实施例1

某电厂使用200MW级燃气-蒸汽联合循环机组，蒸汽轮机6以天然气为燃料，带动第一发电机12发电，蒸汽轮机6产生的高温尾气通入余热锅炉3，余热锅炉3中的水经加热后产生水蒸气，水蒸气进入蒸汽透平机7 带动第二发动机13发电，蒸汽透平机7排出的水蒸气进入冷凝器8中冷凝，冷凝器8排出的冷凝水一部分水依次通过加热器9和除氧器10作为补给水输送给余热锅炉3，另一部分水分别作为冷却水通入第一膜组件1和第二膜组件2；余热锅炉3排出湿烟气温度为80℃，将湿烟气通过串联的第一膜组件1和第二膜组件2，从而回收烟气中的水分及能量。通入第一膜组件1的余热锅炉湿烟气流速为10m/s，烟气侧表压为2KPa，渗透侧压力为0KPa，烟气成分体积含量如表1所示。第一膜组件1采用平均孔径9nm的α-Al₂O₃无机陶瓷膜膜组件，第二膜组件2采用SPEEK/PES 中空纤维复合膜膜组件，经过第一膜组件1时，烟气中水蒸气含量为12.8％，水通量为0.42L·m^-2·h^-1，渗透侧循环水的流速为2.5L/h，循环水温升高2.2℃，回收水质的pH为6.6，该回收水可用于余热锅炉3补给水或输送至储水器11中进行存储；通过第二膜组件2时，水通量为 0.38L·m^-2·h^-1，渗透侧循环水的流速为2.5L/h，循环水温升高0.5℃，回收水质的pH值为7.0，该回收水通入冷凝器8中进行循环回用。通过第一膜组件1和第二膜组件2后，水蒸气的回收率为63.8％，能量回收率为12.6％。

表1余热锅炉烟气主要成分及其体积含量％

Φ(CO<sub>2</sub>)	Φ(H<sub>2</sub>O)	Φ(N<sub>2</sub>)	Φ(O<sub>2</sub>)
				11.31	12.80	70.08	4.81

实施例2

某电厂使用200MW级燃气-蒸汽联合循环机组，蒸汽轮机6以天然气为燃料，带动第一发电机12发电，蒸汽轮机6产生的高温尾气通入余热锅炉3，余热锅炉3中的水经加热后产生水蒸气，水蒸气进入蒸汽透平机7带动第二发动机13发电，蒸汽透平机7排出的水蒸气进入冷凝器 8中冷凝，冷凝器8排出的冷凝水一部分水依次通过加热器9和除氧器 10作为补给水输送给余热锅炉3，另一部分水分别作为冷却水通入第一膜组件1和第二膜组件2；余热锅炉3排出湿烟气温度为100℃。将湿烟气通过串联的第一膜组件1和第二膜组件2，从而回收烟气中的水分及能量。通入第一膜组件1的余热锅炉湿烟气的流速、压力、成分体积含量同实施例1。第一膜组件1和第二膜组件2都采用有机复合膜膜组件，有机复合膜膜组件为SPEEK/PES中空纤维复合膜膜组件，纤维膜尺寸为外径1.2mm、内径0.7mm、长度500mm。经过第一膜组件1时，烟气中水蒸气含量为12.8％，水通量为0.45L·m^-2·h^-1，渗透侧循环水的流速为2.5L/h，循环水温升高2.6℃，回收水质的pH值为6.5；通过第二膜组件2时，水通量为0.36L·m^-2·h^-1，渗透侧循环水的流速为2.5L/h，循环水温升高0.5℃，回收水质的pH值6.6。通过第一膜组件1和第二膜组件2后，计算得出水蒸气的回收率为61.7％，能量回收率为11.1％。

实施例3

某电厂使用200MW级燃气-蒸汽联合循环机组，蒸汽轮机6以天然气为燃料，带动第一发电机12发电，蒸汽轮机6产生的高温尾气通入余热锅炉3，余热锅炉3中的水经加热后产生水蒸气，水蒸气进入蒸汽透平机7 带动第二发动机13发电，蒸汽透平机7排出的水蒸气进入冷凝器8中冷凝，冷凝器8排出的冷凝水一部分水依次通过加热器9和除氧器10作为补给水输送给余热锅炉3，另一部分水分别作为冷却水通入第一膜组件1和第二膜组件2；余热锅炉3排出湿烟气温度为110℃。将湿烟气通过串联的第一膜组件1和第二膜组件2，从而回收烟气中的水分及能量。通入第一膜组件1的余热锅炉湿烟气流速、压力、成分体积含量同实施例1。第一膜组件1和第二膜组件2都采用平均孔径9nm的α-Al₂O₃无机陶瓷膜膜组件。经过第一膜组件1时，烟气中水蒸气含量为12.8％，水通量为0.42 L·m^-2·h^-1，渗透侧循环水的流速为2.5L/h，循环水温升高2.2℃，回收水质的pH值为6.5，该回收水可用于余热锅炉3补给水或输送至储水器 11中进行存储；通过第二膜组件2时，水通量为0.32L·m^-2·h^-1，渗透侧循环水的流速为2.5L/h，循环水温几乎不变，回收水质的pH值为6.7，该回收水通入冷凝器8中进行循环回用。通过第一膜组件1和第二膜组件2后，计算得出水蒸气的回收率为57.2％，能量回收率为9.9％。

实施例4

某电厂使用200MW级燃气-蒸汽联合循环机组，蒸汽轮机6以天然气为燃料，带动第一发电机12发电，蒸汽轮机6产生的高温尾气通入余热锅炉3，余热锅炉3中的水经加热后产生水蒸气，水蒸气进入蒸汽透平机7 带动第二发动机13发电，蒸汽透平机7排出的水蒸气进入冷凝器8中冷凝，冷凝器8排出的冷凝水一部分水依次通过加热器9和除氧器10作为补给水输送给余热锅炉3，另一部分水分别作为冷却水通入第一膜组件1和第二膜组件2；余热锅炉3排出湿烟气温度为65℃。将湿烟气通过串联的第一膜组件1和第二膜组件2，从而回收烟气中的水分及能量。通入第一膜组件1的余热锅炉湿烟气流速、压力、成分体积含量同实施例1。第一膜组件1采用SPEEK/PES中空纤维复合膜膜组件，第二膜组件2采用平均孔径9nm的α-Al₂O₃无机陶瓷膜膜组件。经过第一膜组件1时，烟气中水蒸气含量为12.8％，水通量为0.45L·m^-2·h^-1，渗透侧循环水的流速为 2.5L/h，循环水温升高2.6℃，回收水质的pH值为6.5，该回收水可用于余热锅炉3补给水或输送至储水器11中进行存储；通过第二膜组件2时，水通量为0.32L·m^-2·h^-1，渗透侧循环水的流速为2.5L/h，循环水温几乎不变，回收水质的pH值为6.6，该回收水可用于余热锅炉3补给水或输送至储水器11中进行存储。通过第一膜组件1和第二膜组件2后，计算得出水蒸气的回收率为50.7％，能量回收率为10.8％。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型创造的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种烟气水分及余热回收装置，其特征在于，包括，

蒸汽回收膜组，包括串联设置的第一膜组件(1)和第二膜组件(2)，用以回收烟气中的水分和余热；

余热锅炉(3)，与所述第一膜组件(1)相连，用以产生待处理的湿烟气；

烟囱(4)，与所述第二膜组件(2)相连，用以排放处理后的烟气；

吹灰器(5)，与所述第一膜组件(1)相连，用以对所述第一膜组件(1)和第二膜组件(2)进行除灰。

2.根据权利要求1所述的烟气水分及余热回收装置，其特征在于，所述第一膜组件(1)为无机陶瓷膜膜组件或亲水性有机复合膜膜组件；所述第二膜组件(2)为无机陶瓷膜膜组件或亲水性有机复合膜膜组件。

3.根据权利要求2所述的烟气水分及余热回收装置，其特征在于，所述第一膜组件(1)为无机陶瓷膜膜组件，且所述第二膜组件(2)为亲水性有机复合膜膜组件。

4.根据权利要求1所述的烟气水分及余热回收装置，其特征在于，所述吹灰器(5)为空气吹灰器或蒸汽吹灰器。

5.一种燃气蒸汽联合循环机组烟气余热及水分的回收系统，其特征在于，包括权利要求1-4任一项所述的烟气水分及余热回收装置。

6.根据权利要求5所述的燃气蒸汽联合循环机组烟气余热及水分的回收系统，其特征在于，还包括，

蒸汽轮机(6)，与所述余热锅炉(3)连接，用以带动发电机发电，并将产生的高温尾气输送至所述余热锅炉(3)；

蒸气透平机(7)，与所述余热锅炉(3)连接，用以接收所述余热锅炉(3)产生的高温蒸气，并带动发电机发电。

7.根据权利要求5所述的燃气蒸汽联合循环机组烟气余热及水分的回收系统，其特征在于，还包括，

储水器(11)，其入口与所述第一膜组件(1)的出水口相连，用以储存第一膜组件(1)排出的水。

8.根据权利要求6所述的燃气蒸汽联合循环机组烟气余热及水分的回收系统，其特征在于，还包括，

冷凝器(8)，其入口分别与所述蒸气透平机(7)和第二膜组件(2)连接，用以冷凝蒸气透平机(7)排放的低温蒸气和第二膜组件(2)排放的水，其出口分别与第一膜组件(1)的冷却水入口、第二膜组件(2)的冷却水入口和余热锅炉(3)的补给水入口相连接。

9.根据权利要求8所述的燃气蒸汽联合循环机组烟气余热及水分的回收系统，其特征在于，还包括，

加热器(9)，其入口与所述冷凝器(8)的出口相连接；

除氧器(10)，其入口分别与所述加热器(9)的出口和第一膜组件(1)的出水口相连接，其出口与余热锅炉(3)相连接。