CN116147008A - 一种被动式回收烟气水热装置及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种被动式回收烟气水热装置及其工作方法，属于烟气水热回收技术领域。包括烟气回收管和烟气回收管内沿烟气流动方向依次设置的发散冷却管段、喷管段和分相调制管段；烟气回收管与发散冷却管段、喷管段和分相调制管段之间形成环向的加压冷空气通道；发散冷却管段包括多孔材料管，多孔材料管的进口与烟气源连通；喷管段内部的通流面沿烟气流动方向渐扩；分相调制管段包括外管和设在外管内的空心网状内管，外管与喷管段连接；外管与空心网状内管之间形成环向的脱水烟气通道；空心网状内管的前端封闭，后端开口并与收水系统连接。本发明结构简单，无需对现有系统进行大规模改造，能够高效回收烟气中的水分，过程中减少设备的腐蚀。

Description

一种被动式回收烟气水热装置及其工作方法

技术领域

本发明属于烟气水热回收技术领域，具体涉及一种被动式回收烟气水热装置及其工作方法。

背景技术

火电燃煤机组对水资源十分依赖。但是由于水、煤资源空间分布不协调，导致大多数依托煤炭资源建立的电厂，选址往往是水资源较为匮乏的地区。脱硫系统尾部烟气中含有大量的饱和或未饱和的水蒸气，如果不对其中的水分进行回收，而直接排放，将会进一步加剧燃煤电厂对水资源的浪费；同时，含水烟气经烟囱直接排放，将会在烟囱出口形成“白色烟羽”，造成视觉障碍。此外，脱硫系统尾部烟气温度约为50℃，是一部分回收价值可观的余热资源，探索对其的合理利用方式是脱硫系统尾部烟气处理的重点之一。

对脱硫系统尾部烟气中水分的回收，可以通过冷凝法、溶液吸收法和膜法实现。冷凝法因其简单易实现、经济性好、稳定性高，在工业上应用较多。在合理设计换热器的基础上，引入冷却介质，使脱硫系统尾部烟气中饱和或未饱和的水蒸气凝结在换热面表面，再利用收水装置将冷凝水收集。另外，对所用冷却介质的后续处理，涉及烟气的余热利用，即将水蒸气凝结时释放出的大量汽化潜热传递给冷却介质。因此，冷凝法可以较好地实现烟气水热回收的结合。

已经公开的利用冷凝法对脱硫系统尾部烟气水分回收及余热利用装置存在的主要问题包括：在冷却介质的选取上，一般选用环境空气或水，以此获得的冷却量有限。一方面，环境温度与烟气间的温差有限，若增大两者间的温差，则需要额外耗能对空气或水预先进行冷却；另一方面，受换热器的体积限制，冷却介质与烟气间的换热面积有限，增大换热面积意味着装置体积的增加，若采取等效的方法，具体实施上会遇到较大的困难。此外，现有的基于冷凝法实现烟气节水的装置大多将水蒸气凝结在换热面表面，利用重力作用使冷凝水沿换热面流入收集装置中。考虑换热面对冷凝水的承载能力有限，已经脱水的烟气可能会再次携带换热面上的冷凝水，进入烟囱排放，影响装置整体的收水率。

发明内容

为了解决上述现有问题，本发明的目的在于提供一种被动式回收烟气水热装置及其工作方法，结构简单，无需对现有系统进行大规模改造，能够高效回收烟气中的水分，过程中减少设备的腐蚀。

本发明通过以下技术方案来实现：

本发明公开的一种被动式回收烟气水热装置，包括烟气回收管和烟气回收管内沿烟气流动方向依次设置的发散冷却管段、喷管段和分相调制管段；烟气回收管与发散冷却管段、喷管段和分相调制管段之间形成环向的加压冷空气通道；

发散冷却管段包括多孔材料管，多孔材料管的进口与烟气源连通；喷管段内部的通流面沿烟气流动方向渐扩；分相调制管段包括外管和设在外管内的空心网状内管，外管与喷管段连接；外管与空心网状内管之间形成环向的脱水烟气通道，所述脱水烟气通道与烟气处理系统连接；空心网状内管的前端封闭，后端开口并与收水系统连接；加压冷空气通道的进口与加压冷空气源连接，加压冷空气通道的出口与空气预热器连接。

优选地，空心网状内管网孔的有效孔径d_e满足下式：

式中，σ为表面张力，g为重力加速度，ρ_l和ρ_g分别为进入分相调制管段的混合物中液相成分和气相成分的密度。

优选地，喷管段的结构参数满足下式：

式中，σ为表面张力，ΔP为所述脱水烟气通道与空心网状内管内部的压差，ω为空心网状内管网面的厚度。

优选地，空心网状内管的前端为锥形网面或平面网面。

优选地，空心网状内管前端的外径为喷管段末端内径的0.7～0.8倍。

优选地，外管的外径为空心网状内管外径的1.2～1.5倍。

优选地，外管与空心网状内管之间通过若干组固定支架连接，每组固定支架在所述脱水烟气通道的横截面上均布。

进一步优选地，固定支架上开设有通孔。

优选地，多孔材料管的材质为陶瓷基复合多孔材料或金属基复合多孔材料。

优选地，加压冷空气通道的进口与加压冷空气源连接，加压冷空气通道的出口与空气预热器连接。

本发明公开的上述被动式回收烟气水热装置的工作方法，包括

来自加压冷空气源的加压冷空气进入加压冷空气通道，在发散冷却管段经多孔材料管实现发散冷却，与多孔材料管内部的含饱和水蒸气的烟气转变成为含液相雾滴与气相烟气的混合物，经喷管段降压后，在分相调制管段实现气液被动式相分离，液相雾滴在毛细管力的作用下进入空心网状内管内部，然后进入收水系统，气相烟气经脱水烟气通道进入烟气处理系统；加压冷空气通道内经换热升温后的空气进入空气预热器作为锅炉的二次风。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明公开的一种被动式回收烟气水热装置，在冷凝法的基础上，实现了烟气中饱和水蒸气冷却凝结过程与气液相分离过程的分离。在冷却方式上，本发明的发散冷却管段利用多孔材料实现发散冷却，冷却介质选择加压冷空气，能够在较小的体积内布置装置，短时间以较小的温差达到满足冷凝烟气中饱和的水蒸气的冷却量。经发散冷却段后，含饱和水蒸气的纯气相湿烟气转变成为含液相雾滴与气相烟气的混合物。在气液相分离的机制上，本发明的分相调制管段利用空心网状内管将该部分分为内部区域，以及空心网状内管与外管之间的脱水烟气通道，实现被动式相分离。一方面，将混合物中的液相成分隔离在内部区域，便于在空心网状内管的后端收集排出的冷凝水。另一方面，将混合物中的气相成分隔离在脱水烟气通道，有效地避免了利用壁面或换热面承载冷凝水的装置中，需要考虑壁面或换热面上附着过量的冷凝水不能及时排出，以增加的后续除雾装置。发散冷却管段与分相调制管段之间的喷管段实现了对通道内气液混合物的降压，以使分相调制管段的空心网状内管网面处，混合物中的气相成分不会因为较大的压差而穿过网面，而仅能够使混合物中的液相成分在毛细管力的作用下进入其内部区域，实现气液的被动相分离。此外，在本发明的尾部不仅能够收集冷凝分离所得的冷凝水，还能回收升温后的加压冷空气，并将其通入空预器内作锅炉的二次风，缓解直接将环境温度的空气通入空预器而使其烟气侧易受低温腐蚀。本发明在实际应用上，无需对现有系统进行大规模改造，适应性好。

本发明公开的上述被动式回收烟气水热装置的工作方法，工艺简单、制造和运行成本低，能够高效地实现对烟气的水、热综合回收。

附图说明

图1为本发明的整体结构轴向剖面示意图；

图2为本发明的分相调制管段含固定支架部分横截面的左视图；

图3为本发明的多孔材料实现发散冷却的原理图。

图中：1为发散冷却管段，2为喷管段，3为分相调制管段，4为加压冷空气通道，5为多孔材料管，6为空心网状内管，7为固定支架，8为烟气回收管，9为外管，10为通孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述，其内容是对本发明的解释而不是限定：

如图1，本发明的一种被动式回收烟气水热装置，包括烟气回收管8和烟气回收管8内沿烟气流动方向依次设置的发散冷却管段1、喷管段2和分相调制管段3；烟气回收管8与发散冷却管段1、喷管段2和分相调制管段3之间形成环向的加压冷空气通道4；

发散冷却管段1包括多孔材料管5，多孔材料管5的进口与烟气源连通；喷管段2内部的通流面沿烟气流动方向渐扩；分相调制管段3包括外管9和设在外管9内的空心网状内管6，外管9与喷管段2连接；外管9与空心网状内管6之间形成环向的脱水烟气通道，所述脱水烟气通道与烟气处理系统连接；空心网状内管6的前端封闭，后端开口并与收水系统连接；加压冷空气通道4的进口与加压冷空气源连接，加压冷空气通道4的出口与空气预热器连接。

在本发明的一个较优的实施例中，空心网状内管6网孔的有效孔径d_e满足下式：

式中，σ为表面张力，g为重力加速度，ρ_l和ρ_g分别为进入分相调制管段3的混合物中液相成分和气相成分的密度。

在本发明的一个较优的实施例中，喷管段2的结构参数满足下式：

式中，σ为表面张力，ΔP为所述脱水烟气通道与空心网状内管6内部的压差，ω为空心网状内管6网面的厚度。

在本发明的一个较优的实施例中，空心网状内管6的前端为锥形网面或平面网面。

在本发明的一个较优的实施例中，空心网状内管6前端的外径为喷管段2末端内径的0.7～0.8倍。

在本发明的一个较优的实施例中，外管9的外径为空心网状内管6外径的1.2～1.5倍。

如图2，在本发明的一个较优的实施例中，外管9与空心网状内管6之间通过若干组固定支架7连接，每组固定支架7在所述脱水烟气通道的横截面上均布。优选地，固定支架7上开设有通孔10。

在本发明的一个较优的实施例中，多孔材料管5的材质为陶瓷基复合多孔材料或金属基复合多孔材料。

在本发明的一个较优的实施例中，加压冷空气通道4的进口与加压冷空气源连接，加压冷空气通道4的出口与空气预热器连接。

上述被动式回收烟气水热装置的工作方法，包括：

来自加压冷空气源的加压冷空气进入加压冷空气通道4，在发散冷却管段1经多孔材料管5实现发散冷却，与多孔材料管5内部的含饱和水蒸气的烟气转变成为含液相雾滴与气相烟气的混合物，经喷管段2降压后，在分相调制管段3实现气液被动式相分离，液相雾滴在毛细管力的作用下进入空心网状内管6内部，然后进入收水系统，气相烟气经脱水烟气通道进入烟气处理系统；加压冷空气通道4内经换热升温后的空气进入空气预热器作为锅炉的二次风。

本发明涉及的主要原理如下：

发散冷却管段1利用多孔材料实现对通道内含水烟气的发散冷却，为提高脱水效率，冷却介质使用加压冷空气。

如图3所示，厚度为h的多孔材料将装置分为中心圆柱状的热端，其间流通湿烟气，以及烟气回收管8与多孔材料管5之间的环形区域，即为冷端，其间流通加压冷空气。冷热端换热稳定时建立模型如下。

控制方程包括：

(1)连续方程：

式中，ρ_f为加压冷空气的密度，u为加压冷空气通入速度。

(2)动量方程：

式中，p为加压冷空气的压力，μ为加压冷空气的运动粘度；K为多孔材料的渗透率，F为多孔介质的惯性系数，分别用下面的式子计算：

(3)加压冷空气的能量方程：

式中，h_f为加压冷空气的焓值，T_f为多孔材料孔隙中加压冷空气的温度；λ_f,eff为多孔材料孔隙部分的有效导热率，用下式计算：

λ_f,eff＝ελ_f

Q_sf为加压冷空气与多孔材料之间的换热量，用下式计算：

Q_sf＝αh_sf(T_s-T_f)

式中，T_s为多孔材料固体部分的温度，α为多孔介质的比表面积，用下式计算：

h_sf为多孔材料内部孔隙中加压冷空气与固体部分间的换热系数，用下式计算：

(4)多孔材料固体部分的能量方程：

式中，λ_s,eff为多孔材料固体部分的有效导热率，用下式计算：

λ_s,eff＝(1-ε)λ_s

边界条件包括：

(1)冷端边界条件(x＝0)。

对于多孔材料：

对于质量流率为m，初始温度为T_∞的加压冷空气：

式中，c_p为加压冷空气的比定压热容，h_c为冷端边界加压冷空气与多孔材料的固体部分间的换热系数，用下式计算：

h_c＝0.664Re^1/2Pr^1/3

式中，Re和Pr分别表示加压冷空气的雷诺数和普朗特数。

(2)热端边界条件(x＝h)：

进入烟气通道后，边界条件即为进入本发明的湿烟气条件。

与现有冷凝法回收烟气中的水分采用的冷却机理相比，本发明采用发散冷却机理对湿烟气冷却，利用多孔材料空隙扩增的比表面积，在不增加装置体积的情况下，短时间内实现大冷却量。烟气经过本发明的发散冷却段，温度可降低6～8℃以上。

特别地，加压冷空气流经多孔材料管5后进入烟气主流通道，受到烟气的主流方向的影响，会在多孔材料表面沿烟气主流方向运动，形成一层薄薄的气膜。该气膜对换热效果的影响可以忽略不计，但是其存在可以实现烟气与多孔材料管5的隔离，减少对多孔材料管5的腐蚀。

经过发散冷却管段1后，含饱和水蒸气的纯气相湿烟气转变成为含液相雾滴与气相烟气的混合物。

分相调制管段3用带有通孔10的固定支架7将一个空心网状内管6悬于外管9内，在外管9和空心网状内管6之间形成一个环形区域，与空心网状内管6中心的内部区域间隔。

特别地，环形区域沿烟气主流方向的2～3个横截面对称布置固定支架7，单个固定支架7中间开有通孔10，以保证环形区域内脱水烟气的顺畅流通。

混合物中的液相成分在毛细管力的作用下通过空心网状内管6前端面及侧壁网面上的微小孔隙，在毛细管力的作用下吸入内部区域；而混合物中的气相成分则被阻挡在环形区域内。毛细管力，是毛细管中能使与其管壁湿润或非湿润的液体自然穿越毛细管的作用力，该力指向液体凹面所朝的方向，其大小与该液体的表面张力成正比，与毛细管的半径成反比。本发明中，毛细管力作用于混合物中的液相成分，穿越空心网状内管6网面上的孔隙进入内部区域。上述过程，对经发散冷却管段1后含水烟气实现被动式相分离。

具体地，空心网状内管6的侧面为网面，前端面为锥形或平面网面，后端面为开口，排出分离后的冷凝水。前端面的网面首先对流入分相调制管段3的混合物实现气液相分离，部分未经空心网状内管6的前端面进入内部区域的液相成分，将在环形区域经空心网状内管6的侧面进入内部区域。

各网面网孔的有效孔径d_e应满足下式：

式中，σ为表面张力，g为重力加速度，ρ_l和ρ_g分别为液相成分和气相成分的密度。

空心网状内管6利用毛细管力使混合物中仅有液相成分能够穿过网面，进入内部区域，而使气相成分完全隔离在环形区域。为避免混合物中的气相成分进入内部区域，环形区域与内部区域之间的压差ΔP应满足下式：

式中，ω为网面厚度，D为空心网状圆柱体的内径。

由于D远大于ω，故减号后一项实际应用中可以忽略不计。即实际应用本发明中的压差ΔP应满足下式：

为满足上述压差要求，本发明在发散冷却管段1出口与分相调制管段3入口段之间布置喷管段2，具体地，为一渐扩喷管。

湿烟气经过本发明后，空心网状内管6后端面流出的冷凝水经收水装置后可用于补充系统补水等；空心网状内管6与外管9之间的环形区域流出的脱水烟气通入烟囱后排放；特别地，外管9与烟气回收管8之间的环形区域流出升温后的加压冷空气可作锅炉二次风通入空预器中。通常，将环境温度的空气通入空预器加热后作为锅炉二次风提供氧气。但是，燃料燃烧生成的硫氧化物与烟气中的水蒸气生成硫酸蒸气，硫酸蒸气的存在使烟气的露点显著升高。若空预器下部空气的温度较低，硫酸蒸气会凝结在预热器受热面上，造成了硫酸腐蚀。将升温后的加压冷空气通入空预器作为锅炉二次风，可以有效缓解空预器烟气侧的低温腐蚀。同时，升温后的加压冷空气可以减少对空预器的热量需求，达到了脱硫系统尾部烟气余热利用的目的。

以上所述仅为本发明实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内可轻易想到的变化或者替换，或利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或者等效流程变换，或直接、间接运用在其他相关技术领域的情况，均应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种被动式回收烟气水热装置，其特征在于，包括烟气回收管(8)和烟气回收管(8)内沿烟气流动方向依次设置的发散冷却管段(1)、喷管段(2)和分相调制管段(3)；烟气回收管(8)与发散冷却管段(1)、喷管段(2)和分相调制管段(3)之间形成环向的加压冷空气通道(4)；

发散冷却管段(1)包括多孔材料管(5)，多孔材料管(5)的进口与烟气源连通；喷管段(2)内部的通流面沿烟气流动方向渐扩；分相调制管段(3)包括外管(9)和设在外管(9)内的空心网状内管(6)，外管(9)与喷管段(2)连接；外管(9)与空心网状内管(6)之间形成环向的脱水烟气通道，所述脱水烟气通道与烟气处理系统连接；空心网状内管(6)的前端封闭，后端开口并与收水系统连接；加压冷空气通道(4)的进口与加压冷空气源连接，加压冷空气通道(4)的出口与空气预热器连接。

2.根据权利要求1所述的被动式回收烟气水热装置，其特征在于，空心网状内管(6)网孔的有效孔径d_e满足下式：

式中，σ为表面张力，g为重力加速度，ρ_l和ρ_g分别为进入分相调制管段(3)的混合物中液相成分和气相成分的密度。

3.根据权利要求1所述的被动式回收烟气水热装置，其特征在于，喷管段(2)的结构参数满足下式：

式中，σ为表面张力，ΔP为所述脱水烟气通道与空心网状内管(6)内部的压差，ω为空心网状内管(6)网面的厚度。

4.根据权利要求1所述的被动式回收烟气水热装置，其特征在于，空心网状内管(6)的前端为锥形网面或平面网面。

5.根据权利要求1所述的被动式回收烟气水热装置，其特征在于，空心网状内管(6)前端的外径为喷管段(2)末端内径的0.7～0.8倍。

6.根据权利要求1所述的被动式回收烟气水热装置，其特征在于，外管(9)的外径为空心网状内管(6)外径的1.2～1.5倍。

7.根据权利要求1所述的被动式回收烟气水热装置，其特征在于，外管(9)与空心网状内管(6)之间通过若干组固定支架(7)连接，每组固定支架(7)在所述脱水烟气通道的横截面上均布。

8.根据权利要求7所述的被动式回收烟气水热装置，其特征在于，固定支架(7)上开设有通孔(10)。

9.根据权利要求1所述的被动式回收烟气水热装置，其特征在于，多孔材料管(5)的材质为陶瓷基复合多孔材料或金属基复合多孔材料。

10.权利要求1～9所述的被动式回收烟气水热装置的工作方法，其特征在于，包括：

来自加压冷空气源的加压冷空气进入加压冷空气通道(4)，在发散冷却管段(1)经多孔材料管(5)实现发散冷却，与多孔材料管(5)内部的含饱和水蒸气的烟气转变成为含液相雾滴与气相烟气的混合物，经喷管段(2)降压后，在分相调制管段(3)实现气液被动式相分离，液相雾滴在毛细管力的作用下进入空心网状内管(6)内部，然后进入收水系统，气相烟气经脱水烟气通道进入烟气处理系统；加压冷空气通道(4)内经换热升温后的空气进入空气预热器作为锅炉的二次风。

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