CN217178555U - 一种气水面式换热器前置式烟气余热回收系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种气水面式换热器前置式烟气余热回收系统，包括连接有烟道的气水面式换热器，与气水面式换热器相连接的脱硫塔，与脱硫塔相连接的气水混合换热器，同时与气水面式换热器和气水混合换热器相连接的水循环系统，以及与水循环系统相连接的供热管。本申请提供了一种气水面式换热器前置式烟气余热回收系统，在使烟气温度降低的同时，还能回收烟气的余热进行利用，而又同时回收了脱硫后的烟气显热和水蒸汽潜热，使整个系统的节能效率提高10％以上。

Description

一种气水面式换热器前置式烟气余热回收系统

技术领域

本申请涉及余热回收领域，具体地说是涉及一种气水面式换热器前置式烟气余热回收系统。

背景技术

节能、降碳、治理雾霾是我国，乃至于全世界关注的重大问题。我国的碳排放量占世界排放总量的27.2％，超过了所有发达国家的碳排放总和。因此，我国承诺2030年实现碳达峰，2060年实现碳中和。

大型电厂、钢铁厂是当今的耗能大户，其生产过程中的碳排放量均处于企业前列，其生产与尾气处理也极大的促成了雾霾的形成。大型电厂、钢铁厂的烟气脱硫、烟气余热回收、和尾气处理方面的技术均是国家急需的。

我国的燃煤发电量大约占总发电量的70％左右，远远高于其它国家的比例。并且我国用于发电的燃煤的含硫量普遍偏高，在生产过程中均需要进行脱硫处理。为了脱硫，我国引进了国外的湿法脱硫技术。目前我国80％以上的大型燃煤发电厂都采用这一引进工艺。如图1所示，该工艺的原理是：将石灰浆通过喷雾与锅炉排出的烟气接触，烟气中的二氧化硫与石灰浆发生化学反应生成石膏，从而达到了脱硫的目的。

但是，湿法脱硫工艺需要消耗大量的水和热量。脱硫塔烟气温度越高，消耗的水和热量越多。从锅炉出来的烟气通常为120～150℃，而通常需要将其温度降低到80℃左右。通过脱硫塔吸收一定热量以后，出口烟气基本达到饱和状态，温度在50～55℃左右。这种饱和烟气在空气中则会凝结成水蒸汽，就是通常所说的“白烟”。为了“消白”通常采用GGH换热器(gasgas heater)。即，将锅炉出口烟气降温的热量用于加热湿烟气，使其在饱和温度之上，达到“消白”的目的。整个湿法脱硫的工艺图如图1所示。

但是，湿法脱硫工艺还存在着以下缺陷：

(1)能耗高：

要将石灰浆的水吸收，需要大量的热量，使水变成水蒸汽，最终排出的烟气基本上达到饱和状态。增加的这部分热损失将使锅炉效率降低7～10％。而通过 GGH仅仅只能使烟气温度升高，并无法回收热量。

(2)水量消耗大：

制作石灰浆需要大量的水，在湿法脱硫过程中，大量的水将会变成蒸汽，极大的提高了耗水量。经实测，一台600MW的电站锅炉采用湿法脱硫技术消耗的水量在130t/h以上，不仅水量消耗巨大，而且产生水蒸汽还容易造成环境污染。

(3)造成雾霾，污染环境：

进行湿法脱硫时将会产生大量的水蒸汽，该水蒸汽排入大气中则会形成气溶胶。有研究表明，水蒸汽是导致雾霾的第一大影响因数。有的研究认为，水蒸汽造成雾霾的影响的比例超过50％。因此，国家出台政策要消除水蒸汽，即“消白”。

实用新型内容

针对现有技术之不足，本申请提供了一种气水面式换热器前置式烟气余热回收系统，在使烟气温度降低的同时，还能回收烟气的余热进行利用，而又同时回收了脱硫后的烟气显热和水蒸汽潜热，使整个系统的节能效率提高10％以上。

一种气水面式换热器前置式烟气余热回收系统，包括连接有烟道的气水面式换热器，与气水面式换热器相连接的脱硫塔，与脱硫塔相连接的气水混合换热器，同时与气水面式换热器和气水混合换热器相连接的水循环系统，以及与水循环系统相连接的供热管。

作为优选，所述气水面式换热器的气侧进口与烟道相连接，所述气水面式换热器的气侧出口与脱硫塔的烟气进口相连接。

作为优选，所述气水混合换热器的烟气侧进口与脱硫塔的烟气出口相连接，所述气水混合换热器的烟气侧出口上连接有烟囱。

进一步的，所述水循环系统由气水混合换热器，蒸发器进水口与气水混合换热器的热水出口相连接、蒸发器出水口与气水混合换热器的冷水进口相连接的热泵，以及依次串接在气水混合换热器的热水出口和热泵的蒸发器进水口之间的水箱、水处理器和过滤器组成。

作为优选，所述供热管的供热管加热端与热泵的冷凝进水口相连接，所述供热管的供热管供热端与热泵的冷凝出水口相连接。

作为优选，所述脱硫塔的进液口上连接有石灰浆制备装置；所述石灰浆制备装置的进水口与水箱的出水口相连接。

与现有技术相比，本申请具有如下有益效果：

(1)本实用新型将现有技术工艺系统中的GGH创新改造为了气水面式换热器，即能够使得烟气温度降低，还能减少脱硫喷淋的耗水量，同时又能回收烟气的余热，不仅更好的节省了能源，还能有效减少水蒸气外排量，进而有效的降低了雾霾的产生。

(2)本实用新型根据热力学原理，将气水面式换热器、气水混合换热器以及热泵三种换热设备科学耦合，使其在同一系统中协同使用，能够有效的对烟气脱硫后的显热和水蒸汽潜热进行回收，并通过热泵提升温度，将低品位能源提升为高品位能源，通过供热、加热电厂补给水或加热锅炉给水的方式有效的利用余热，使整个热力系统的节能效率提高10％以上。

(3)本实用新型通过设置热泵在提升热用户供热系统介质温度的同时获得了低温冷源，并将7～10℃的冷水与脱硫塔出口烟气混合，使最终排入大气的烟温由52℃左右降低至30℃左右，使烟气中的水蒸气大部分凝结成水，减少排入大气的水蒸气量65％左右，减少了雾霾，并大量节省脱硫耗水量，更有效的利用了水资源。

(4)本实用新型依据热力学基本理论，气水面式换热器、气水混合换热器以及热泵的组合方式和参数进行了优化，使节能效率达到最优化，有效的提高了系统的余热回收以及节能效果。

本申请的一部分附加特性可以在下面的描述中进行说明。通过对以下描述和相应附图的检查或者对实施例的生产或操作的了解，本申请的一部分附加特性对于本领域技术人员是明显的。本申请披露的特性可以通过对以下描述的具体实施例的各种方法、手段和组合的实践或使用得以实现和达到。

附图说明

在此所述的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。在各图中，相同标号表示相同部件。其中，

图1为现有技术中湿法脱硫技术的工艺图。

图2为本实用新型的系统框图。

图3为本实用新型实施例3简化后的系统图。

附图标记说明：1、烟道；2、气水面式换热器；3、脱硫塔；4、气水混合换热器；5、水箱；6、石灰浆制备装置；7、水处理器；8、过滤器；9、烟囱； 10、热泵；11、供热管供热端；12、供热管加热端。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，如果本申请的说明书和权利要求书及上述附图中涉及到术语“第一”、“第二”等，其是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，如果涉及到术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本申请中，如果涉及到术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等，其指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本申请及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。

并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。

此外，在本申请中，如果涉及到术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”、“套接”等应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

实施例1

如图2所示，一种气水面式换热器前置式烟气余热回收系统，包括连接有烟道1的气水面式换热器2，与气水面式换热器2相连接的脱硫塔3，与脱硫塔 3相连接的气水混合换热器4，同时与气水面式换热器2和气水混合换热器4相连接的水循环系统，以及与水循环系统相连接的供热管。

烟道：是指能够产生烟气的设备的排烟通道，该能够产生烟气的设备可以为锅炉、窑炉、冶炼炉、燃气机等，在本申请中尤指燃煤锅炉。

气水面式换热器：烟气与水进行面式换热的装置(gaswater heater,简称 GWH)。通过GWH将烟气热量传递给经过GWH的水，使其被进一步加热。需要注意的是，背景技术中的湿法脱硫工艺采用的是GGH(gasgas heater)，将烟气热量传递给尾部湿烟气，其仅提高了排烟温度，而没有回收热量。而本申请采用了GWH，是将烟气热量传递给液体，使得烟气热量能够得到回收利用。GWH可以采用普通的管式换热器，尤以单面肋片管为佳。由于GWH一侧为水，一侧为烟气，故而其换热系数通常高于GGH。因此，选用GWH比选用GGH具有更高的换热效率，且GWH的制造工艺更简单，造价更低廉。

脱硫塔：在湿法脱硫工艺中已经被广泛应用，为本领域的现有技术，在此便不进行赘述。

气水混合换热器：烟气与水混合换热的装置(gaswater mixing heater,简称GWMH)。本装置将从脱硫塔排出的烟气与冷却水混合，将烟气中的部分显热和水蒸汽潜热融于水中，使冷却水温度升高，达到回收烟气余热的目的。喷淋塔就是常用的气水混合换热器。

所述气水面式换热器2的气侧进口与烟道1相连接，所述气水面式换热器2 的气侧出口与脱硫塔3的烟气进口相连接。

所述气水混合换热器4的烟气侧进口与脱硫塔3的烟气出口相连接，所述气水混合换热器4的烟气侧出口上连接有烟囱9。

烟囱：现有的排烟装置，在领域中被广泛运用，在此便不进行赘述。

所述水循环系统由气水混合换热器4，蒸发器进水口与气水混合换热器4的热水出口相连接、蒸发器出水口与气水混合换热器4的冷水进口相连接的热泵10，以及依次串接在气水混合换热器4的热水出口和热泵10的蒸发器进水口之间的水箱5、水处理器7和过滤器8组成。

水箱：水箱是存放混合液体的设备。它可以为脱硫塔提供水源，同时将气水混合换热器置换出来的热水储存，为下一道余热回收工序提供水源和热源。由于蒸汽凝结将产生凝结水，可以作为石灰浆制备装置的一部分补充水。因此，这部分凝结水也得到了利用。水箱在一般的工程中广泛利用，属于现有技术，可以在市场上购买或单独设计制造，在此便不进行赘述。

水处理器、过滤器：由于水循环系统是闭环系统，可实现0排放。但由于烟气不断与水进行直接交换，将有一部分粉尘和二氧化硫等物质积累，因此需要对其中的循环水进行处理。因为锅炉烟气已经在脱硫塔处进行了洗涤，故而经过气水混合换热器的烟气中的粉尘和二氧化硫含量很低。因此本工艺系统的水处理和粉尘过滤量很少，可以采用常规的水处理器和过滤器对其进行处理。水处理器和过滤器均为现有的常规产品，在此便不进行赘述。其中水处理装置可以在循环水的粉尘和酸度达到一定程度后间断运行，进一步降低系统的运行成本。

热泵：热泵(heat pump,简称HP)是一种将低温热源传递给高温介质的装置。在本申请中，是将经过GWH加热后的热水作为热源，通过热泵将热量传递给需要加热升温的介质，使其进一步升温。比如通过热泵将供热管中的回水加热后再用于用户供热。

通常情况下有压缩式热泵和吸收式热泵，压缩式热泵消耗的是电能，吸收式热泵消耗的是热能，而在本申请中两种热泵均可采用，具体则需要根据实际情况进行选择与使用。比如，对于发电厂来说，既有电能也有热能，两种方式都可以选用。根据卡诺定理，热泵的效率与吸热端和放热端的温差有关。温差越低，能效比越高。由于采用了前置GWH的加热，使热泵进出口端差降低10℃左右，能效比大约可以提高2左右，大约可以节能40％左右。

水循环系统中的循环水能够在气水混合换热器和气水面式换热器两个位置处进行升温，在一个循环的过程中完成了对烟气的两次降温，极大的提高了降温效率，很好的避免了“白烟”的排放，更好的保护了环境，降低了雾霾的产生。通过热泵来利用循环水对供热管中的介质进行升温，即能够有效的对循环水进行降温，又能够更好的利用烟气的余热，极大的提高了热利用率，同时保证了循环水的正常使用，确保了对烟气的降温效果。

设置水处理器和过滤器能够有效的避免循环水中各项指标超标，更好的保护了循环水流经的各个设备不被腐蚀，提高了各个设备的使用效果与使用寿命，很好的降低了系统整体的维护频率，进一步降低了企业的生产与使用成本。

所述供热管的供热管加热端12与热泵10的冷凝进水口相连接，所述供热管的供热管供热端11与热泵10的冷凝出水口相连接。

供热管供热端和供热管加热端：供热管的一部分，通过本申请的系统能够进一步提升供热管中介质的温度。

通过热泵能够有效的对水循环系统中的循环水进行降温，并对供热管中的供热介质进行升温，有效的完成了热量的利用，很好的提高了系统的热利用率。

所述脱硫塔3的进液口上连接有石灰浆制备装置6；所述石灰浆制备装置6 的进水口与水箱5的出水口相连接。

石灰浆制备装置：在湿法脱硫工艺中已经被广泛应用，为本领域的现有技术，在此便不进行赘述。

石灰浆制备装置连接的出水口是水箱的凝结水出水口，如此可以更好的确保水的洁净度，避免水中的杂质进入石灰浆制备装置对其造成影响。

水箱与脱硫剂制浆设备相连接，在水箱内烟气中的水蒸气凝结后能够被送入脱硫剂制浆设备中的进行回收利用，更加充分的利用了水资源。

所述水箱5上连接有水源。

水源能够为水箱补充水份，确保了循环水供应的充足，进而保证了水循环的正常进行。

实施例2

具体流程为：

锅炉或其它燃煤、燃气炉的尾部烟气通过烟道进入气水面式换热器，通过换热降温,烟温由T_g0降为T_g1,后进入脱硫塔。在一般情况下，锅炉尾部烟气温度 T_g0为120℃左右。如果直接进入脱硫塔会使脱硫塔温度升高，排出温度会达到 60℃以上，消耗大量水和热量，导致环境出现雾霾等污染。如果通过气水面式换热器降温使120℃的烟温降至80℃，再进入脱硫塔，从脱硫塔出来的烟温大约为50～52℃，水蒸汽和耗水量大大减少。

背景技术中湿法脱硫虽然也能将烟温降低至80℃左右，但这部分热量仅用于加热排烟温度，并没有得到有效利用。因此，本实施例的方案比现有技术节能量为：

Q₁＝m_gCp(T_g0T_g1) (1)

其中，Q₁为气水面式换热器节能量J/h，m_g为烟气流量Nm³/h，Cp为烟气比热J/m³ K，T_g0、T_g1分别为烟气进出时的温度。按照公式(1)，对于蒸发量为1200t/h、发电功率约为350MW的锅炉，GWH的节能量大约为60GJ/h，大约为17MW。节能量大约为4～5％。可见气水面式换热器的节能量非常可观，同时对环保也有很大好处。

经过气水面式换热器降温后的烟气从脱硫塔底部进入，石灰浆从脱硫塔顶部向下喷雾，烟气中的二氧化硫与石灰浆产生化学反应，生成硫酸钙即石膏。烟气与石灰浆中的水接触，使水气化生成水蒸汽，使烟气湿度降低，达到饱和状态，然后从脱硫塔的出烟口排出。在脱硫塔中，该烟气的温度从T_g1降为T_g2。

从脱硫塔排出后的湿烟气进入汽水混合换热器，与从热泵的热源出口排出的低温循环水混合，使循环水温度升高至平衡温度，将烟气中的显热和水蒸汽的潜热转移至循环水中。进入汽水混合换热器冷却后的低温饱和蒸汽通过烟囱排入大气。在这一工艺环节中，烟气温度从T_g2再降为T_g3后排入大气，其节能量基本上可以用公式(2)计算：

Q₂＝m_gCp(T_g2T_g3)+m_c(h₁h₂) (2)

其中：Q₂为气水混合换热器的节能量，m_c为水蒸汽凝结量kg/h，h₁、h₂分别为气水混合换热器中进、出水蒸汽焓J/kg。这表明，气水混合换热器回收了烟气中的显热和水蒸汽潜热。在这两部分回收热量中，潜热约占总回收热量的80％以上。

通过气水混合换热器，将烟气热量转移至水中，使从热泵热源出口出来的冷水从温度T_w0上升至T_w1，依次经过水箱沉淀、过滤器过滤和水处理器处理后进入气水面式换热器进行加热，使水温从T_w1升高至T_w2。然后进入热泵10的热源入口为热泵提供热源。

通过加温的液态排入水箱，混合液体在水箱沉淀后排入水处理装置进行处理。其处理包括微量的脱硫、脱硝处理、电子水处理器等。这些装置均为现有技术，可以在市场上采购与使用，在此便不进行赘述。经过水处理装置处理后的液体进入过滤器，除去杂质后进入气水面式换热器，经过加热后进入热泵，为热泵提供热源。经过热泵吸热降温后的液体再进入气水混合器与脱硫塔排出的湿烟气混合，形成媒介水的循环使用。

热泵通过吸收循环水的热量Q₂，同时消耗一定能源，将热量传递给需要加热的水。需要加热的水通过热用户回水管进入热泵的加热入口，经热泵加热后从热用户供热管11排出，最终进入热用户使用系统，供热用户使用。

实施例3

现以一燃煤热电厂烟气余热回收利用方案举例：

某大型燃煤热电厂将湿法脱硫烟气余热回收用于供热。该电厂基本参数如下：

电厂发电功率：350MW；

脱硫后的烟气流量：120万m³/h；

烟气水蒸汽含量：15％；

供热温度：60℃；

供热回水温度：38～45℃(取设计值40℃)；

热网循环水量：∠4000t/h。

才用本申请的方案进行设置，其中气水混合换热器采用喷淋塔。经简化后的热力系统图见图3，同时标注了各个节点的温度：

根据上述参数计算出相关数据如下：

GWH回收热量Q₁：62.4GJ/h(17.3MW)；

湿烟气中水蒸汽热量回收率：65％；

湿烟气中的水蒸汽热量：222GJ/h；

喷淋塔烟气显热回收热量：49.9GJ/h；

喷淋塔总总节能量：272GJ/h；

热泵蒸发侧显热需要水量：1493t/h；

热泵蒸发侧潜热需要水量：6639t/h；

热泵蒸发侧循环水总量：8132t/h；

GWH加热端温升：1.85℃；

喷淋塔凝结水量：85t/h；

GWH加热端循环水量：1493t/h；

喷淋塔总回收热量Q2：272GJ/h(75.6MW)；

热泵机组蒸发器进口温度：18℃；

系统总节能量：334GJ/h(92.8MW)；

出口温度：10℃；

热泵蒸发侧循环水量：8140t/h；

热泵冷凝侧循环水量：3254t/h(符合业主要求小于4000t/h)；

不加GWH冷凝侧循环水量：4000吨/h；

GWH节能率：18.7％；

热网回水温度：38℃；

电热泵能效比：5.5；

热泵输入功率：13.75MW；

系统等价值节能量：48.8MW(电热等价系数按3.2计算)。

技术性能指标详见下表1：

表1

由上述内容克制，与现有的烟气余热回收系统相比，本申请的节能量、能耗等关键指标都有明显的改善。其中余热回收量增加22.75％，耗电下降3.58％，等价节能量增加38.63％。

需要注意的是，本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

另外，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本实用新型公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本实用新型的公开范围并落入本实用新型的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本实用新型说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本实用新型的保护范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种气水面式换热器前置式烟气余热回收系统，其特征在于，包括连接有烟道(1)的气水面式换热器(2)，与气水面式换热器(2)相连接的脱硫塔(3)，与脱硫塔(3)相连接的气水混合换热器(4)，同时与气水面式换热器(2)和气水混合换热器(4)相连接的水循环系统，以及与水循环系统相连接的供热管。

2.根据权利要求1所述的一种气水面式换热器前置式烟气余热回收系统，其特征在于，所述气水面式换热器(2)的气侧进口与烟道(1)相连接，所述气水面式换热器(2)的气侧出口与脱硫塔(3)的烟气进口相连接。

3.根据权利要求1所述的一种气水面式换热器前置式烟气余热回收系统，其特征在于，所述气水混合换热器(4)的烟气侧进口与脱硫塔(3)的烟气出口相连接，所述气水混合换热器(4)的烟气侧出口上连接有烟囱(9)。

4.根据权利要求1所述的一种气水面式换热器前置式烟气余热回收系统，其特征在于，所述水循环系统由气水混合换热器(4)，蒸发器进水口与气水混合换热器(4)的热水出口相连接、蒸发器出水口与气水混合换热器(4)的冷水进口相连接的热泵(10)，以及依次串接在气水混合换热器(4)的热水出口和热泵(10)的蒸发器进水口之间的水箱(5)、水处理器(7)和过滤器(8)组成。

5.根据权利要求4所述的一种气水面式换热器前置式烟气余热回收系统，其特征在于，所述供热管的供热管加热端(12)与热泵(10)的冷凝进水口相连接，所述供热管的供热管供热端(11)与热泵(10)的冷凝出水口相连接。

6.根据权利要求4所述的一种气水面式换热器前置式烟气余热回收系统，其特征在于，所述脱硫塔(3)的进液口上连接有石灰浆制备装置(6)；所述石灰浆制备装置(6)的进水口与水箱(5)的出水口相连接。

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