RU2484402C1

RU2484402C1 - Device for heat utilisation of condensation of water vapour and cleaning of waste gases of power plant

Info

Publication number: RU2484402C1
Application number: RU2011139257/06A
Authority: RU
Inventors: Анатолий Петрович Бурдуков; Виталий Исакович Попов; Юрий Степанович Попов; Михаил Александрович Кузнецов
Original assignee: Учреждение Российской академии наук Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения РАН
Priority date: 2011-09-26
Filing date: 2011-09-26
Publication date: 2013-06-10
Also published as: RU2011139257A

Abstract

FIELD: power industry.

SUBSTANCE: gas flow enters a preliminary gas cleaning step made in the form a dry cyclone, and then, to the heat utilisation unit with the main cleaning step, which is made in the form of a centrifugal bubbling unit with liquid absorbent. At that, centrifugal bubbling unit is placed into a sealed casing made in the form of a hollow cylindrical heat exchanger, and inner space between itself and external housing of the heat utilisation unit and external housing of dry cyclone is filled with vacuum powder insulation.

EFFECT: device increases efficiency of utilisation and cleaning of waste gases.

2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области теплоэнергетики, а более точно - к утилизации тепла конденсации водяного пара и очистки уходящих газов энергетической установки, и может найти применение в химической, металлургической, топливно-энергетической и других отраслях промышленности, связанных с утилизацией и уничтожением вредных для жизнедеятельности человека веществ.The invention relates to the field of power engineering, and more precisely to the utilization of heat of condensation of water vapor and purification of flue gases of a power plant, and can find application in chemical, metallurgical, fuel and energy and other industries related to the disposal and destruction of substances harmful to human life .

Известно, что дальнейшее повышение эффективности и КПД энергетических комплексов, включая ТЭЦ, связано с использованием тепла конденсации водяного пара из уходящих газов и их глубокой очисткой от вредных для человека веществ (Бурдуков А.П., Дубинский Ю.И., Зубков В.А. Утилизация тепла конденсации водяного пара уходящих газов твердых энергетических топлив. Теплоэнергетика. №2. 1996, с.14-16).It is known that a further increase in the efficiency and efficiency of energy complexes, including thermal power plants, is associated with the use of condensation heat of water vapor from flue gases and their deep cleaning of substances harmful to humans (Burdukov A.P., Dubinsky Yu.I., Zubkov V.A. Utilization of heat of condensation of water vapor of exhaust gases of solid energy fuels. Heat Power Engineering. No. 2. 1996, p.14-16).

Наиболее близким изобретением по совокупности признаков к заявленному устройству для утилизации тепла конденсации водяного пара и очистки уходящих газов энергетической установки является система утилизации теплоты и очистки выбросных газов (Патент РФ №2175101 «Система утилизации теплоты и очистки выбросных газов». Кл. F28C 3/16. 2001 г.).The closest invention in terms of features to the claimed device for heat recovery of condensation of water vapor and purification of the flue gases of a power plant is a system for heat recovery and purification of exhaust gases (RF Patent No. 2175101 “System for the utilization of heat and purification of exhaust gases”. Cl. F28C 3/16 2001).

Система включает в себя теплоутилизатор в виде вертикального корпуса с входным и выходным патрубками, разделенный горизонтальной перегородкой на камеры греющей и нагреваемой сред, в которых установлены вертикальные тепловые трубы, размещенные своими конденсаторами в камере нагреваемой среды, и испарителями - в камере греющей среды; средство для очистки газов, выполненное в виде мокрого скруббера Вентури, соединенного своим входом с подводящим газоходом энергетической установки, а выходом - с входным патрубком теплоутилизатора; дополнительный мокрый скруббер Вентури, который соединен с трубопроводом подачи дутьевого воздуха и греющей камерой теплоутилизатора.The system includes a heat exchanger in the form of a vertical housing with inlet and outlet nozzles, divided by a horizontal partition into chambers of heating and heated media, in which vertical heat pipes are installed, placed with their condensers in the chamber of the heated medium, and evaporators in the chamber of the heating medium; means for cleaning gases, made in the form of a wet Venturi scrubber connected to its inlet with a supply duct of the power plant, and the output to the inlet of the heat exchanger; additional wet Venturi scrubber, which is connected to the blowing air supply pipe and the heating chamber of the heat exchanger.

К недостаткам данного изобретения, принятого за прототип, является то, что данная система не позволяет обеспечить полную утилизацию тепла уходящих газов, а лишь только его часть, оставшуюся после прохождения газами его первой мокрой очистки - основного скруббера Вентури. К тому же мокрая коагуляция частиц пыли в этой первичной ступени не очистит уходящие газы, а, наоборот, усложнит их дальнейшую очистку и утилизацию тепла.The disadvantages of this invention, taken as a prototype, is that this system does not allow for complete utilization of the heat of the exhaust gases, but only part of it left after the gases passed its first wet cleaning - the main venturi scrubber. In addition, the wet coagulation of dust particles in this primary stage will not purify the flue gases, but, on the contrary, will complicate their further purification and utilization of heat.

Вторая ступень очистки данной системы имеет следующий недостаток: попавший во внутреннее пространство утилизатора жидкий шлам при его зигзагообразном движении покроет поверхность испарителей тепловых труб нерастворимым смолянистым нагаром, который снижает эффективность теплообменника.The second stage of cleaning this system has the following drawback: the liquid sludge that has entered the internal space of the utilizer during its zigzag motion will cover the surface of the heat pipe evaporators with an insoluble tar deposit, which reduces the efficiency of the heat exchanger.

Задачей заявляемого изобретения является устранение вышеперечисленных недостатков, присущих известной системе, путем создания и реализации принципиально новой конструкции устройства для утилизации тепла конденсации водяного пара и очистки уходящих газов энергетической установки.The task of the invention is to eliminate the above disadvantages inherent in the known system by creating and implementing a fundamentally new design of a device for utilizing the heat of condensation of water vapor and cleaning the flue gases of a power plant.

Указанная задача решается за счет новой конструкции устройства для утилизации тепла конденсации водяного пара и очистки уходящих газов энергетической установки с более эффективной системой утилизации тепла и очистки уходящих газов при минимальных затратах на его реализацию, включая и эксплуатационные затраты.This problem is solved due to the new design of the device for utilizing heat of condensation of water vapor and purifying the exhaust gases of a power plant with a more efficient system for utilizing heat and purifying the exhaust gases with minimal costs for its implementation, including operating costs.

Устройство для утилизации тепла конденсации водяного пара и очистки уходящих газов энергетической установки, включающее предварительную ступень очистки, корпус утилизатора с входным и выходным патрубками и блок утилизации тепла с основной ступенью очистки.A device for recovering heat of condensation of water vapor and cleaning the exhaust gases of a power plant, including a preliminary cleaning stage, a heat exchanger body with inlet and outlet pipes and a heat recovery unit with a main cleaning stage.

Указанный технический результат достигается тем, что предварительная ступень очистки в предлагаемом устройстве выполнена в виде сухого циклона с тангенциальным щелевым подводом очищаемого газа; блок утилизации тепла с основной ступенью очистки выполнен в виде центробежно-барботажного аппарата с жидким абсорбентом, который гидравлически связан по газу с выходным патрубком сухого циклона с тангенциальным щелевым подводом очищаемого газа и выходным патрубком корпуса утилизатора тепла; центробежно-барботажный аппарат с жидким абсорбентом вертикально установлен над сухим циклоном и заключен в дополнительный защитный герметичный кожух, выполненный в виде полого цилиндрического теплообменника. Указанный технический результат достигается также тем, что пространство, расположенное между корпусом утилизатора тепла и наружным корпусом сухого циклона с защитным кожухом центробежно-барботажного аппарата, выполнено в виде герметичного объема и заполнено вакуумно-порошковой изоляцией.The specified technical result is achieved by the fact that the preliminary cleaning stage in the proposed device is made in the form of a dry cyclone with a tangential gap supply of the gas to be cleaned; the heat recovery unit with the main cleaning stage is made in the form of a centrifugal bubbler apparatus with a liquid absorbent, which is hydraulically connected via gas to the outlet pipe of a dry cyclone with a tangential slot supply of the gas to be cleaned and the outlet pipe of the heat recovery body; a centrifugal bubbler apparatus with a liquid absorbent is vertically mounted above a dry cyclone and enclosed in an additional protective tight enclosure made in the form of a hollow cylindrical heat exchanger. The indicated technical result is also achieved by the fact that the space located between the heat recovery body and the outer shell of the dry cyclone with the protective casing of the centrifugal bubbler apparatus is made in the form of a sealed volume and filled with vacuum-powder insulation.

На фиг.1 изображен общий вид (в разрезе) устройства для утилизации тепла конденсации водяного пара и очистки уходящих газов энергетической установки.Figure 1 shows a General view (in section) of a device for utilizing heat of condensation of water vapor and purification of flue gases of a power plant.

На фиг.2 изображено сечение устройства по А-А на фиг.1. На фиг.3 изображено сечение устройства по Б-Б на фиг.1. Сведения, подтверждающие возможность осуществления заявляемого изобретения с помощью указанного технического результата, состоят в следующем.Figure 2 shows a cross section of the device along aa in figure 1. In Fig.3 shows a cross section of the device along BB in Fig.1. Information confirming the possibility of implementing the claimed invention using the specified technical result, are as follows.

Заявляемое изобретение для утилизации тепла конденсации водяного пара и очистки уходящих газов энергетической установки включает в себя наружный корпус 1 с входным патрубком 2 и выходным патрубком 3, корпус 4 сухого циклона с бункером 5 для сбора твердых частиц и патрубком 6 для их удаления, тангенциальный ввод 7 газа сухого циклона, щелевую решетку 8 для равномерного распределения газа, выходной патрубок 9 сухого циклона, центробежно-барботажный аппарат 10, коллектор 11 с входным патрубком 12 для ввода жидкого абсорбента в центробежно-барботажный аппарат, камеру 13 отработанного абсорбента с патрубком 14 для его вывода, полый цилиндрический теплообменник 15 с патрубком 16 для ввода воды и патрубком 17 для ее вывода и регулировочные конусы 18, 19 сухого циклона. При этом пространство 20, образованное корпусом 1 утилизатора и корпусом 4 сухого циклона с цилиндрическим теплообменником 15 центробежно-барботажного аппарата 10, выполнено в виде вакуумного объема и заполнено вакуумно-порошковой изоляцией (на чертеже не показано).The claimed invention for the recovery of heat of condensation of water vapor and purification of the exhaust gases of a power plant includes an outer casing 1 with an inlet pipe 2 and an outlet pipe 3, a dry cyclone body 4 with a hopper 5 for collecting particulate matter and a pipe 6 for removing them, tangential input 7 dry cyclone gas, slotted grate 8 for uniform gas distribution, dry cyclone outlet pipe 9, centrifugal bubbler apparatus 10, manifold 11 with inlet pipe 12 for introducing liquid absorbent into centrifugal bubbler the apparatus, the spent absorber chamber 13 with a nozzle 14 for its output, a hollow cylindrical heat exchanger 15 with a nozzle 16 for water input and a nozzle 17 for its output, and adjusting cones 18, 19 of a dry cyclone. In this case, the space 20 formed by the housing 1 of the utilizer and the housing 4 of the dry cyclone with a cylindrical heat exchanger 15 of the centrifugal bubbler apparatus 10 is made in the form of a vacuum volume and is filled with vacuum-powder insulation (not shown in the drawing).

Данное устройство входит в тепловую схему энергетической установки и подключается непосредственно перед дымососом к выходному газосбросному устройству энергетической установки. Это устройство предназначено для утилизации тепла, которое выбрасывается в атмосферу с дымовыми газами в виде скрытой теплоты парообразования водяных паров, генерируемых как за счет испарения влаги рабочей массы топлива, так и пирогенетически в результате сгорания его горючей массы. На практике для снижения относительной влажности газов, покидающих газоочистное устройство в состоянии полного насыщения водяными парами, к ним подмешивают горячий воздух или часть горячего исходного газа, что с экономической точки зрения не всегда оправдано. При глубоком, ниже температуры начала конденсации водяных паров, охлаждении уходящих газов с помощью данного устройства происходит конденсация водяных паров, как за счет ухода влаги, так и в результате понижения температуры оставшихся газов. При этом двойная система очистки данного устройства, включающая «сухую» и «мокрую» ступени, гарантирует полную очистку уходящих газов как от крупных твердых частиц несгоревшего топлива, так и от взвешенных мелких частиц (аэрозолей). Выходящие из энергетической установки горячие отходящие газы, находящиеся при температуре 100-160°С, через входной патрубок 2 поступают сразу в тангенциальный ввод 7 сухого циклона. С помощью щелевой решетки 8 газ равномерно распределяется по окружности и закручивается. Под действием центробежной составляющей скорости вихревого потока твердые частицы прижимаются к внутренней стенке корпуса 4 сухого циклона. При взаимодействии со стенкой их скорость уменьшается, и они под действием гравитационной силы двигаются к основанию сухого циклона и попадают в бункер 5, откуда они периодически удаляются из сухого циклона через патрубок 6. В это время основной вихревой поток очищаемого газа, освободившись от твердых частиц, изменяет свое направление на противоположное и поступает в выходной патрубок 9 сухого циклона. Далее очищаемый газ направляется в центробежно-барботажный аппарат 10. Здесь при встрече с жидким абсорбентом уходящие газы не только очищаются окончательно от всех инородных частиц и аэрозолей, но и отдают свое тепло, при этом за счет теплоты фазового перехода происходит дополнительное выделение тепла и охлаждение очищаемого газа. Центробежно-барботажный аппарат в данном случае используется и как мокрый скруббер и как контактный теплообменник (газ-жидкость). Жидкий абсорбент под действием центробежного поля отжимается к периферии, а поступающий очищаемый газ дробит абсорбент до микронных частиц. В результате чего поверхность жидкого абсорбента увеличивается в десятки раз, а его химическая активность возрастает. Следует заметить, что это дробление жидкого абсорбента эффективнее, чем распыление его в мокрых скрубберах Вентури. Поэтому центробежно-барботажный аппарат улавливает микровзвесь, в то время как в мокрых скрубберах Вентури микровзесь не улавливается, а проскакивает мимо абсорбента. В то же время жидкий абсорбент в центробежно-барботажном аппарате сам разбивает очищаемый газ на мелкие пузырьки, которые распределяются внутри вихревого кольцевого слоя в соответствии со своим весом и объемом и движутся внутри этого кольца по вполне определенным траекториям. При этом пары воды, находящиеся в очищаемом газе, поглощаются жидким абсорбентом и охлаждаются на внутренних поверхностях центробежно-барботажного аппарата и в конечном итоге скапливаются в камере 13 сбора отработанного абсорбента. Далее отработанный жидкий абсорбент через патрубок 14 выводится из центробежно-барботажного аппарата 10 на регенерацию (регенератор условно не показан), а затем через входной патрубок 12 и коллектор 11 вновь вводится в него. При этом все тепло, полученное центробежно-барботажным аппаратом 10 и сухим циклоном от очищаемого газа, поглощается водой теплообменника 15, которое далее через патрубок 17 направляется к потребителю, например, в тепловой насос или возвращается в цикл энергетической установки. Для более эффективной работы теплообменника 15 он окружен вместе с сухим циклоном герметичным объемом, в котором можно поддерживать разрежение как за счет вакуумно-порошковой изоляции, так и за счет подсоединения этого пространства к вакуумному насосу (на чертеже не показано).This device is included in the thermal circuit of the power plant and is connected directly in front of the exhaust fan to the exhaust gas outlet device of the power plant. This device is designed to recover heat that is released into the atmosphere with flue gases in the form of latent heat of vaporization of water vapor generated both by evaporation of moisture from the working mass of fuel and pyrogenetically as a result of combustion of its combustible mass. In practice, in order to reduce the relative humidity of the gases leaving the gas treatment device in a state of full saturation with water vapor, they mix hot air or part of the hot feed gas, which is not always justified from an economic point of view. When deep, below the temperature of the beginning of condensation of water vapor, cooling of the flue gases with the help of this device, condensation of water vapor occurs, both due to the departure of moisture, and as a result of lowering the temperature of the remaining gases. At the same time, the dual cleaning system of this device, including the “dry” and “wet” stages, guarantees complete cleaning of the exhaust gases from both large solid particles of unburned fuel and suspended small particles (aerosols). The hot exhaust gases leaving the power plant at a temperature of 100-160 ° C through the inlet pipe 2 go directly to the tangential inlet 7 of the dry cyclone. Using the slotted grating 8, the gas is evenly distributed around the circumference and twisted. Under the action of the centrifugal component of the vortex flow velocity, solid particles are pressed against the inner wall of the dry cyclone body 4. When interacting with the wall, their speed decreases, and under the influence of gravitational force they move to the base of the dry cyclone and fall into the hopper 5, from where they are periodically removed from the dry cyclone through the nozzle 6. At this time, the main vortex stream of the gas being purified, freed from solid particles, changes its direction to the opposite and enters the outlet pipe 9 of the dry cyclone. Then, the gas to be cleaned is sent to a centrifugal bubbler apparatus 10. Here, when meeting with a liquid absorbent, the exhaust gases not only are finally cleaned of all foreign particles and aerosols, but also give up their heat, and due to the heat of the phase transition, additional heat is released and the cleaned gas. The centrifugal bubbler apparatus in this case is used both as a wet scrubber and as a contact heat exchanger (gas-liquid). The liquid absorbent under the action of a centrifugal field is squeezed to the periphery, and the incoming cleaned gas breaks up the absorbent into micron particles. As a result, the surface of the liquid absorbent increases tens of times, and its chemical activity increases. It should be noted that this crushing of liquid absorbent is more effective than spraying it in wet Venturi scrubbers. Therefore, a centrifugal bubbler device captures the micro suspension, while in wet Venturi scrubbers the micro suspension is not captured, but slips past the absorbent. At the same time, the liquid absorbent in the centrifugal bubbler apparatus itself breaks the gas to be cleaned into small bubbles, which are distributed inside the vortex ring layer in accordance with their weight and volume and move inside this ring along well-defined paths. In this case, water vapor located in the gas to be cleaned is absorbed by the liquid absorbent and cooled on the inner surfaces of the centrifugal bubbler apparatus and ultimately accumulates in the chamber 13 for collecting the spent absorbent. Next, the spent liquid absorbent through the pipe 14 is removed from the centrifugal bubbler apparatus 10 for regeneration (a regenerator is not shown conventionally), and then through the inlet pipe 12 and the collector 11 is again introduced into it. In this case, all the heat received by the centrifugal bubbler apparatus 10 and the dry cyclone from the gas to be cleaned is absorbed by the water of the heat exchanger 15, which is then sent through the pipe 17 to the consumer, for example, to a heat pump or returned to the cycle of the power plant. For more efficient operation of the heat exchanger 15, it is surrounded, together with a dry cyclone, with a sealed volume, in which vacuum can be maintained both due to vacuum-powder insulation and by connecting this space to a vacuum pump (not shown in the drawing).

Технический эффект от использования предлагаемого изобретения состоит в следующем.The technical effect of the use of the invention is as follows.

Предложенное устройство для утилизации тепла конденсации водяного пара и очистки уходящих газов энергетической установки обладает малой металлоемкостью, просто в изготовлении и надежно в эксплуатации. Степень очистки уходящих газов из энергетической установки с помощью данного устройства настолько высока, что исключает использование других дополнительных аппаратов перед выбросом газов в атмосферу. С экономической точки зрения оно эффективно и надежно в процессе эксплуатации. Экономия от использования данного устройства, особенно при использовании в качестве топлива низкокалорийных бурых углей и водоугольных суспензий, может возникает как за счет утилизации дополнительного тепла, так и за счет уменьшения объема выбрасываемых в атмосферу газов.The proposed device for the recovery of heat of condensation of water vapor and purification of the exhaust gases of a power plant has a low metal consumption, is simple to manufacture and reliable in operation. The degree of purification of the flue gases from the power plant using this device is so high that it excludes the use of other additional devices before the gases are released into the atmosphere. From an economic point of view, it is efficient and reliable during operation. Savings from the use of this device, especially when using low-calorie brown coals and water-coal suspensions as a fuel, can arise both due to the utilization of additional heat, and due to a decrease in the volume of gases emitted into the atmosphere.

Таким образом, изложенные выше сведения показывают, что при использовании заявляемого изобретения выполнена следующая совокупность условий:Thus, the above information shows that when using the claimed invention, the following combination of conditions:

- средство, воплощающее заявляемое изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в промышленности, а именно в области теплоэнергетики, в частности в качестве оборудования для утилизации тепла конденсации водяного пара и очистки уходящих газов энергетической установки;- a tool embodying the claimed invention in its implementation, is intended for use in industry, namely in the field of power engineering, in particular as equipment for the utilization of heat of condensation of water vapor and purification of flue gases of a power plant;

- для заявляемого изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов;- for the claimed invention in the form described in the independent clause of the claims, the possibility of implementation using the methods and methods described above or known prior to the priority date is confirmed;

- средства, воплощающие заявляемое изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.- means embodying the claimed invention in its implementation, is able to ensure the achievement of the perceived by the applicant technical result.

Преимущество заявляемого изобретения состоит в том, что в результате его осуществления повышается степень очистки уходящих газов и эффективность утилизации их тепла, а простота изготовления его конструкции существенно понижает все виды затрат по очистке и утилизации тепла уходящих газов, включая эксплуатационные, обеспечивая при этом высокую степень надежности.The advantage of the claimed invention is that as a result of its implementation, the degree of purification of the flue gases and the efficiency of utilization of their heat are increased, and the simplicity of the manufacture of its design significantly reduces all types of costs for cleaning and utilizing the heat of the flue gases, including operational, while ensuring a high degree of reliability .

Claims

1. A device for recovering heat of condensation of water vapor and cleaning the exhaust gases of a power plant, including a preliminary cleaning stage, a heat exchanger body with inlet and outlet pipes and a heat recovery unit with a main cleaning stage, characterized in that the preliminary cleaning stage in it is made in the form of a dry a cyclone with a tangential slot supply of the gas to be purified, and the heat recovery unit with the main cleaning stage is made in the form of a centrifugal bubbler apparatus with a liquid absorbent, which it is automatically connected by gas to the outlet pipe of the dry cyclone with a tangential slot supply of the gas to be cleaned and the outlet pipe of the heat recovery body, while the centrifugal-bubbler apparatus with a liquid absorbent is vertically mounted above the dry cyclone and enclosed in an additional, sealed protective casing made in the form of a hollow cylindrical heat exchanger.

2. The device according to claim 1, characterized in that the space located between the body of the heat recovery unit and the outer casing of the dry cyclone with the protective casing of the centrifugal bubbler apparatus is made in the form of a vacuum volume and is filled with vacuum-powder insulation.