JP2015525863A

JP2015525863A - 並流式ボイラー排煙ガス余熱回収システム

Info

Publication number: JP2015525863A
Application number: JP2015518806A
Authority: JP
Inventors: ▲劉▼兵
Original assignee: 上海伏波▲環▼保▲設備▼有限公司
Priority date: 2012-07-06
Filing date: 2013-06-07
Publication date: 2015-09-07
Also published as: US20150107537A1; WO2014005476A1; US9476583B2

Abstract

【課題】本発明は、煙温度を一層低くすることによって、ボイラー排煙ガスの余熱省エネ回収のスペースを大きく向上し、脱硫黄除塵設備に入るボイラー排煙ガス温度を削減し、脱硫黄設備運行コストを節約する。【解決手段】本発明は一種の並流式ボイラー排煙ガス余熱回収システムを公開し、第一と第二熱交換器を含み、前記第一熱交換器が煙道高温側に設置され、吸熱部及び放熱部を含み、前記吸熱部と放熱部が第一配管を通じて循環回路に接続し、前記吸熱部が煙道に設置され、前記第二熱交換器が煙道低温側に設置され、前記第二熱交換器が第二配管の入口集管と輸出多岐管を含み、前記第一と第二熱交換器が第三配管を通じて接続し、前記第一熱交換器の放熱部が第三配管内に置かれ、加熱媒体が前記第三配管に流入した後、第二熱交換器の入口多岐管を通じて第二熱交換器に入り、それに前記第二熱交換器の輸出多岐管を通じて流出する。【選択図】図１

Description

本発明は、エネルギー環境保護分野に係り、具体的に言うと、一種の並流式ボイラー排煙ガス余熱回収システムに係る。

わが国では、現在圧倒的多数のボイラーの燃料が相変わらず煤を主とし、その中で、硫黄元素を含み、燃焼後ボイラーにより排出された排煙ガスに、酸性ガスが含まれることになり、煙の温度が高い場合、これらがガス状態の形式でボイラーの各受熱面を通る。煙の温度がある温度より低い場合、酸性ガスが排煙ガスでの水蒸気と結びづいて硫酸を生成することによって、熱交換設備を腐食する。低温腐食は、通常の状況の下で、ボイラー空気予熱器の冷接点及び給水温度の高い節炭器に発生する。受熱面の温度が排煙ガスの露点より低い場合、排煙ガスでの水蒸気と石炭燃焼後生成した三酸化硫黄（硫黄の燃焼生成物の極一部分だけである）が結びづいて生成した硫酸が在受熱面に凝縮し、受熱面を厳しく腐食する。ボイラー端部受熱面の酸霧腐食を避ける為に、通常の状況の下で、ボイラー排煙温度を高く設計する。新ボイラーの温度が140℃位で、一時期運行した後、往々にして160℃まで達する。

環境保護面の国家規定排出標準を満足し、酸性雨による危害を削減為に、この部分の排煙ガスに対して脱硫黄処理を行い、即ち、排煙ガスでのSO₂、SO₃等の酸性ガスを除去すべきである。吸収剤及び脱硫黄生成物の脱硫黄プロセスでの乾湿状態によって脱硫黄技術を湿式、乾法及び半乾（半湿）法に分けることができる。湿式技術は、吸収剤を含有する溶液又は漿液を使用して濡れた状態の下で脱硫黄及び脱硫黄生成物処理を行うことである。当方法は、速い硫黄反応速度、簡単な設備及び高い脱硫黄効率等の利点を有する。したがって、大型発電ボイラーであるか、中小型工業ボイラーであるかにも関わらず、この技術は主導的な地位を占める。

前記から見ると、ボイラーの排煙ガスが一般に140〜160℃であることが分かる。脱硫効率を向上し、それに脱硫タワー自身設備を保護する為に、脱硫時に脱硫タワーに入ったボイラー排煙ガスに対して冷却処理を行う。一般に60℃以下に降下する。排煙ガス温度を140〜160℃から60℃に降下すると、大量な排煙ガス余熱を無駄にしただけでなく、脱硫運行コストを向上した。この部分の排煙ガス余熱を回収し、脱硫タワーに入る排煙ガス温度を低減することによって、設備の経済的な運行及び環境保護省エネに対して大きな役割を果たす。

通常のやり方は、この部分の排煙ガス余熱を回収してボイラーの給水を加熱することである。我々が分かるように、ボイラーに入る水に対して、一般なフローとしては、まず除塩して軟化してから、酸素を除去した後、節炭器を通してボイラーに至ることである。排煙ガス余熱加熱ボイラーの給水が、加熱酸素除去・除塩軟化水を指す。普通の工業ボイラーにとって、除塩軟化水の温度が環境温度、即ち、25℃位で、環境温度に連れて変化する。直接にこの部分の脱塩水でボイラー排煙ガスを冷却することによって排煙ガス余熱を回収すると、排煙ガスと接触する熱交換器壁面の温度が不足することになり、これで排煙ガスでの酸性ガスが熱交換器壁面に結露して換熱設備を腐食することになる。国内で、この部分の排煙ガス余熱を回収技術は主に下記の通りである。低圧節炭器、ヒートパイプ式熱交換器及び相変化熱交換器等の成熟な技術を有する。

排煙温度低減における低圧節炭器技術の主な対象は国内大中型発電所のボイラーであり、これがボイラー端部煙道に取り付けられ、高圧給水の代わりに、蒸気タービン熱回収システムでの低圧ヒーター水側の凝縮水を利用して排煙ガスを冷却し、その換熱条件が節炭器と類似するが、水側の圧力が節炭器の圧力より遥かに低いので、低圧節炭器と称される。低圧節炭器の取付により、蒸気タービン換熱システムが一つの外来カロリーを取得し、一部分蒸気抽出器を節約し、排煙熱損失を良く回収し、全工場の熱効率を向上した。

ヒートパイプは自身内部作動液の相変化を通じて電熱を実現する部品である。ヒートパイプは、蒸発部と凝縮部の二つの部分に分けられ、熱源が蒸発部でこれに給熱する時、作業物質が発熱物質から吸熱・気化して蒸気になり、蒸気が圧力差の作用の下で中間通路を通じて高速でその他の側に流れ、蒸気が凝縮部で冷熱源に潜熱を放出した後液体に凝縮する。作業物質が蒸発部で蒸発する際に、そのガス液境界面が窪み、多くのメニスカス形液面を形成し、毛細管圧力を形成し、液体作業物質が管コア毛細管圧力及び重力等の回流動力の作用の下でまた蒸発部に戻り、引き続き吸熱して蒸発し、このように循環・往複すると、作業物質の蒸発及び凝縮を通じて、カロリーを絶えずに熱接点から冷接点に伝達する。ヒートパイプが作業物質の相変化換熱を通じてカロリーを伝達するので、ヒートパイプが極めて大きな伝熱能力及び伝熱効率を有する。

相変化熱交換器がヒートパイプの基礎の下でさらに伸び、元々のヒートパイプクラスターを連通することによって、その内部媒体が任意に流動するようにし、その上、内部媒体の作動圧力が負荷の変動に連れて随意に調整可能にし、随時にヒートパイプクラスターでの非凝縮性ガスを排出できるようにする。

但し、前記三種の換熱技術がすべて換熱設備の壁面温度が排煙ガスの酸露点温度より高いことを利用して設備を保護して酸露腐食を防止するので、考えることが伝熱温差等の要素であるので、排煙ガスの温度低減幅が極めて小さい。ここ数年来、耐腐食材料の広範な応用に連れて、温度降下範囲を更に向上した。

公開番号がCN1477333Aである中国発明申請が一種の複合式換熱技術であり、給水がまず相変化熱交換器を通じて排煙ガス冷接点により予熱され、これから節炭器を通じて排煙ガス熱接点と直接換熱することによって、一層高い加熱水温度を達成する。このように冷たい流動体がまず排煙ガス低温部により加熱されてから、排煙ガス高温部に流れてさらに加熱される流動方向が逆流式と称され、その適用範囲が低温冷熱源であり、この中で、ボイラー給水が少なく、回収される熱量を全部加熱給水に利用できる。排煙ガスの露点温度が80℃であり、それに一定の安全マージン及び伝熱温度差が保留されると仮定すると、設備の正常な運行を保証する為に、その最終排煙温度を相変わらず100℃以上にする。

公開番号が201844388Uである中国実用新案特許が一種の逆流式排煙ガス余熱回収装置であり、給水前に、まず煙道低温部に位置する分離式ヒートパイプ式熱交換器を通してから、煙道高温部に位置する直列接続式の管式熱交換器に流れる。

しかし、熱交換器が酸露腐食の影響を受けないようにする為に、逆流式熱交換器が進水温度に対して一定の要求を有し、その排煙ガス温度区間の利用が僅か有限な程度であり、冷却が依然として徹底でない。

熱交換器壁面温度が排煙ガスの酸露点温度より高い場合、硫酸蒸気析出がないので、熱交換器を腐食しないと近似に考えても良い。以上の技術及び取り上げられた特許が正にこれに基づく。壁面温度の降下に連れて、硫酸が凝縮し始まる。開始時に、硫酸濃度が高く、凝縮量も少ないので、腐速度が高くない。壁温度の降下に連れて、凝縮量が増え、腐食が速くなり、露点温度以下20〜30℃の箇所で最大値に達し、温度が更に降下すると、金属と酸液との反応活性が降下し、腐食速度もこれに連れて降下し、壁面温度が排煙ガス水露点温度より低い場合、大量な水蒸気が析出され、腐食が著しく増える。したがって、排煙ガス熱交換器にとって、腐食が厳重な的区域が二つある。1、壁温が酸露点以下20〜30℃である区域。2、壁温が水露点以下である区域。

以上技術及び取り上げられた特許が、排煙ガス熱交換器の壁面温度が排煙ガス酸露点温度より高くすることによって、酸露腐食問題を避ける。ただし、上前記分析のように、排煙ガス温度の160℃から60℃まで降下する利用可能な範囲と比べて、冷却不徹底の問題がある。この種類の状況に基づいて、本発明で取り上げられた解決案を提供する。

本発明で解決する技術問題は、一種の並流式ボイラー排煙ガス余熱回収システムを提供することであり、排煙ガス加熱水の総体流れ方向が並流式であり、第一熱交換器がまず冷水を加熱してから、予熱後の冷水を第二熱交換器で加熱する。このように冷水がまず排煙ガス高温部により加熱されてから、排煙ガス低温部と更に加熱される。この総流動方向が並流式と称され、このように二級熱交換器の壁温を良く制御でき、それに煙の温度を一層低く降下できる。

本発明は下記の技術案を採用する。

一種の並流式ボイラー排煙ガス余熱回収システムであり、第一と第二熱交換器を含み、前記第一熱交換器が煙道高温側に設置され、吸熱部及び放熱部を含み、前記吸熱部と放熱部が第一配管を通じて循環回路に接続し、前記吸熱部が煙道に設置され、前記第二熱交換器が煙道低温側に設置され、前記第二熱交換器が第二配管の入口集管と輸出多岐管を含み、前記第一と第二熱交換器が第三配管を通じて接続し、前記第一熱交換器の放熱部が第三配管内に置かれ、加熱媒体が前記第三配管に流入した後、第二熱交換器の入口多岐管を通じて第二熱交換器に入り、それに前記第二熱交換器の輸出多岐管を通じて流出する。

好ましくは、前記第三配管が第一支線及び流量調節に使用される第二支線を含み、第一支線と第二支線が並列で接続し、前記第一熱交換器の放熱部が前記第一支線内に置かれる。

好ましくは、前記第三配管の第二支線に調節バルブが設置され、前記調節バルブの開口度が制御装置により制御される。

好ましくは、前記第一熱交換器の吸熱部及び放熱部を接続する第一配管に温度測定点が設置され、当温度測定点が温度信号を制御装置に輸送する。

本発明が主に二級熱交換器を含み、それぞれ第一熱交換器及び第二熱交換器であり、その中で第一熱交換器が煙道での高温側に位置し、排煙ガスがまずこれと換熱し、第二熱交換器が煙道での低温側に位置する。

本発明での第一熱交換器が吸熱部及び放熱部の二つの部分に分けられる。吸熱部がボイラーの除塵器後の煙道に取り付けられ、通る排煙ガスの余熱を吸収する。吸熱部と放熱部が配管により一つの閉じた循環システムに接続され、接続配管に一つの循環ポンプが接続され、管線内の媒体が強制循環水である。

加熱待ち媒体（即ち、加熱待ち低温給水）がまず第一熱交換器の放熱部で加熱され、その中で一つのバイパス（即ち、第二支線）が設置され、バイパスに一つの調節バルブが接続され、バイパス給水の流量を調節する。加熱後の給水及びバイパスからの給水が、まとめられた後第二熱交換器で加熱される。

本発明の第二熱交換器が節炭器式熱交換器であり、輸出入多岐管及び管束に分けられる。第一熱交換器放熱部と第二支線配管が第二熱交換器の輸入多岐管に接続してから、第二熱交換器管束に接続し、加熱待ち給水が、管内と管外を通る排煙ガスと直接熱交換する。本発明第二熱交換器の材質が具体実施例によって、耐腐食鋼であってもよいし、普通の炭素鋼であってもよい。

本発明の制御システムが主に一つの制御装置及び強制循環ポンプ輸出端に取り付けられる温度測定点を含む。温度測定点で測定された温度信号が制御装置に伝送され、制御装置が得られた温度信号によって、調節バルブの開口度をコントロールし、これでバイパスの給水流量調節を実現する。

本発明に関わる並流式ボイラー排煙ガス余熱回収システムのシステム原理図である。

図1を参照して下さい。これは、本発明に関わる並流式ボイラー排煙ガス余熱回収システムのシステム原理図である。第一と第二熱交換器を含み、前記第一熱交換器が煙道8高温側に設置され、吸熱部7及び放熱部3を含み、前記吸熱部7と放熱部3が第一配管11を通じて循環回路に接続し、前記吸熱部7が煙道8に設置される。前記第二熱交換器が煙道8低温側に設置され、前記第二熱交換器が第二配管12の入口多岐管5と輸出多岐管4を含む。前記第一と第二熱交換器が第三配管13を通じて接続し、前記第三配管13が第一支線14と第二支線15を含み、前記第一支線14に前記第一熱交換器の放熱部3が設置され、加熱待ち媒体が前記第一支線14と第二支線15を通って合流した後、第二熱交換器の輸入多岐管5を通じて第二熱交換器に入った後、第二熱交換器の輸出多岐管4を通じて流出する。前記第三配管13の第二支線15に調節バルブ2が設置され、前記調節バルブ2の開口度が制御装置1によりコントロールされ、それに、前記第一熱交換器の吸熱部7及び放熱部3を接続する第一配管11に温度測定点9が設置され、当温度測定点9が温度信号を制御装置1に輸送する。前記第一熱交換器の第一配管11で強制循環水が流れ、第一配管11に循環ポンプ10が設置される。前記第三配管13の第一支線14と第二支線15に皆ボイラー低温給水が流れる。その上、前記第二熱交換器の管束6が排煙ガスとの接触部分の材料が耐腐食鋼であっても良いし、普通の炭素鋼であっても良い。

システムフロー図と結びづいて、現在本発明の実施を述べる。目的としては、一層高い程度で脱硫設備に入る排煙ガス温度を降下し、それに、より多い排煙ガス余熱を回収する為である。本発明分は、第一熱交換器及び第二熱交換器に分けられる。二級換熱に分けて排煙ガスの余熱回収を行う。第一熱交換器の目的が初歩的な加熱ボイラーの低温給水であり、加熱後の低温給水がバイパス（即ち、第二支線15）の給水と合流してから、第二節炭器式熱交換器に入って排煙ガスと換熱を行い、排煙ガス余熱を回収し、脱硫設備に入る排煙ガス温度を降下する。

本発明の二つの熱交換器の腐食防止機制を述べる為に、現在ある具体的な実例を利用して分析説明を行う。あるボイラー空気予熱器後の排煙温度が125℃であり、除塵器を通した後、その温度が120℃に降下すると仮設する。その排煙ガスの酸露点が90 ℃であり、水露点温度が45℃であると仮設する。凝縮器出口から低圧ヒーター（又は脱酸素装置）に入る除塩給水温度が40℃であると仮設する。ボイラー省エネ改造前に、除塵器後の120℃排煙ガスが直接脱硫設備に入って温度降下・脱硫されてから排出されたので、大きなエネルギー無駄を引き起こした。

技術背景での各種の技術及び取り上げられた特許が、熱交換器壁面温度が酸露点温度より高い事実だけ出発して排煙ガスに対して余熱回収を行うので、排煙ガス酸露点温度が90℃である場合、伝熱温度差等の要素を加え、この省エネ改造後、その排煙温度が110℃位であり、省エネ改造スペースが10℃しかないので、温度降下と省エネ投資効果・利益が明らかでない。

本発明のやり方は二つの熱交換器に分けられ、その中で第一熱交換器が40℃除塩給水に対して予熱を行う。第一熱交換器が吸熱部7及び放熱部3の二つの部分に分けられ、吸熱部7が排煙ガスの余熱を吸収し、それにこれを通る強制循環水に伝達し、循環水が放熱部3で熱量を40℃除塩給水に伝達し、バイパス調節バルブ2の開口度調節を通じてバイパスの除塩給水流量をコントロールし、第一熱交換器放熱部3の伝熱量を間接にコントロールし、これで、第一熱交換器放熱部3と吸熱部7閉じた循環での強制循環水の温度をコントロールし、第一熱交換器吸熱部7における酸露腐食防止目的を実現した。前記様々な技術と同じように、第一熱交換器の最大省エネスペースが10℃位で、その排煙温度が約110℃位である。

これで40℃部分の除塩給水をある温度に加熱でき、合理的な受熱面配置を通じて、混合後の脱塩水温度を45℃位にコントロールでき、若排煙ガスの水露点温度が42℃である場合、バイパス流量を大きく調節でき、これで第一熱交換器放熱部3の換熱量を削減でき、この時、第一熱交換器吸熱部7の排煙温度が110℃より高い（又はこれに等しい）。

第一熱交換器を通ってから混合した後の脱塩水温が約排煙ガスの水露点温度45℃であり、この時、第二節炭器式熱交換器に入って直接排煙ガスと換熱する（第二熱交換器の輸入多岐管5を通って第二熱交換器に入る流動媒体温度が排煙ガスの水露点温度であるのを保証すること）。我々、この時、節炭器式熱交換器と排煙ガスとの接触側の壁面温度が通る脱塩水の温度+5℃位であることが分かる。したがって、この時、第二熱交換器の壁面温度が50℃位であり、排煙ガスの水露点温度より高く、排煙ガスが70℃に降下すると、総吸熱量により塩水の温度が20℃上がり、したがって、脱塩水の輸出温度が65℃である。これで、第二熱交換器と排煙ガス接触側の壁面温度区間が50〜70℃であり、排煙ガス水露点付近の酸露腐食を避けるが、第二熱交換器の一部分の壁温度が酸露点以下20〜30℃範囲という厳重な腐食区間にある可能性がある。この部分に対して、第二熱交換器管束6が耐腐食鋼を採用し、又は総省エネ量を調整する。要するに、ボイラーの具体的なモデル、排煙ガスの酸露点及び排煙ガスの水露点等の要素に結びづいて総合に考えることによって、一番良い省エネ方案を得ることができる。

１：制御装置２：調節バルブ３：第一熱交換器放熱部
４：第二熱交換器水排出多岐管５：第二熱交換器取水多岐管
６：第二熱交換器管束７：第一熱交換器吸熱部８：煙道
９：温度測定点１０：強制循環ポンプ１１：第一配管
１２：第二配管１３：第三配管１４：第一支線１５：第二支線

Claims

第一と第二熱交換器を含み、前記第一熱交換器が煙道（8）高温側に設置され、吸熱部（7）及び放熱部（3）を含み、前記吸熱部（7）と放熱部（3）が第一配管（11）を通じて循環回路に接続し、前記吸熱部（7）が煙道（8）の中に設置され、前記第二熱交換器が煙道（8）低温側に設置され、前記第二熱交換器が第二配管（12）の輸入多岐管（5）と輸出多岐管（4）を含み、前記第一と第二熱交換器が第三配管（13）を通じて接続し、前記第一熱交換器の放熱部（3）が第三配管（13）内に置かれ、加熱待ち媒体が前記第三配管（13）に流入してから、第二熱交換器の入口多岐管（5）を通じて第二熱交換器に入り、それに前記第二熱交換器の輸出多岐管（4）を通じて流出することを特徴とする一種の並流式ボイラー排煙ガス余熱回収システム。
前記第三配管（13）が第一支線（14）及びデータ流量調節に使用される第二支線（15）を含み、第一支線（14）と第二支線（15）が並列で接続し、前記第一熱交換器の放熱部（3）が前記第一支線（14）内に置かれることを特徴とする請求項1記載の並流式ボイラー排煙ガス余熱回収システム。
前記第三配管（13）の第二支線（15）に調節バルブ（2）が設置され、前記調節バルブ（2）の開口度が制御装置（1）により制御されることを特徴とする請求項2記載の並流式ボイラー排煙ガス余熱回収システム。
前記第一熱交換器の吸熱部（7）及び放熱部（3）を接続する第一配管（11）に温度測定点（9）が設置され、当温度測定点（9）が温度信号を制御装置（1）に輸送することを特徴とする請求項3に記載の並流式ボイラー排煙ガス余熱回収システム。
前記第一熱交換器の第一配管（11）で強制循環水が流れることを特徴とする請求項1記載の並流式ボイラー排煙ガス余熱回収システム。
前記加熱待ち媒体がボイラー低温給水であることを特徴とする請求項1に記載の並流式ボイラー排煙ガス余熱回収システム。
前記第二熱交換器の管束（6）が排煙ガスとの接触部分の材料が耐腐食鋼であることを特徴とする請求項1に記載の並流式ボイラー排煙ガス余熱回収システム。
前記第二熱交換器の管束（6）と排煙ガスとの接触部分の材料が普通の炭素鋼であることを特徴とする請求項1又は4に記載の並流式ボイラー排煙ガス余熱回収システム。