CN105089729B - 两级高效循环蒸发有机朗肯循环燃煤烟气余热回收系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种两级高效循环蒸发有机朗肯循环燃煤烟气余热回收系统及方法，在烟道内依次设有高温级蒸发器、高温级预热器、低温级蒸发器和低温级预热器，通过工质循环吸热回收烟气余热。系统选用循环式蒸发器，控制低温级蒸发器外壁面温度高于水露点，控制高温级蒸发器的外壁面温度高于酸露点。低温级预热器采用耐腐蚀性好的导热塑料换热管，高温级预热、蒸发环节所需工质进入高温级预热器前,先在低温级预热器内预热，可以避免高温级预热器也出现外壁面温度低于水露点的状况。此外，低温级蒸发器及高温级蒸发器使用高通量换热管，强化管内沸腾换热。一方面可以降低管外壁面温度与蒸发温度的差值，利于系统的调控，另一方面可以减少换热面积。
Description
技术领域
本发明涉及一种两级高效循环蒸发有机朗肯循环燃煤烟气余热回收系统，属于烟气余热发电领域。
技术问题
燃煤锅炉是通过燃烧煤来产生热量，热量经转化后，产生蒸汽或热水。但并不是所有的热量都能有效转化，仍会有不少能量通过排烟损失掉。电站燃煤锅炉的排烟温度大概在120℃～140℃之间，工业燃煤锅炉的排烟温度大概在150℃～204℃之间。这部分能量的特征在于品质不高，但排放量大。若能有效地回收利用燃煤锅炉烟气废热，对于提高锅炉燃煤利用效率，减少燃煤使用量，降低污染物排放量有重大意义。
有机朗肯循环(ORC)系统具有效率较高、结构简单、环境友好、可就近布置等优点，能有效地回收利用低温余热。如专利(CN203626908U)中所述，利用有机朗肯循环可有效回收40～200℃的低温烟气余热，充分利用工业锅炉排放的烟气中的显热和潜热发电。但由于燃煤烟气中含有硫酸蒸汽、水蒸汽及飞灰等成分，这就导致利用常规有机朗肯循环系统回收烟气余热的过程中存在诸多问题：
(1)两级蒸发有机朗肯循环回收烟气余热时，受蒸发温度及回收深度的影响，使得大部分受热面的外壁面温度低于酸露点，烟气中的硫酸蒸汽会发生凝结，对受热面产生低温腐蚀。
(2)有机朗肯循环系统预热过程中的工质温度很低(可低至20～30℃)，低温预热器外壁面温度将低于水露点。在发生水凝结的情况下，会加剧低温腐蚀,从而影响受热面的换热性能。
(3)有机朗肯循环系统常使用的蒸发器类型类似于干式蒸发器，即预热、蒸发及过热3个环节都是在同一换热器内进行，设备简单，利于调节供液量，然而其管内充液量低，表面液体润湿度低，导致其表面传热系数相对较低。且此类型蒸发器的外壁面温度变化范围大，从而对管外壁面温度的调节造成困难，不利于避免或缓解受热面的低温腐蚀问题。
发明内容
针对上述问题，本文提出了一种两级高效循环蒸发有机朗肯循环燃煤烟气余热回收系统及方法；因应用传统的干式蒸发器对调控换热管的外壁面温度会造成困难，系统选用循环式蒸发器，蒸发工质先在预热器中预热至饱和状态，后进入蒸发器内反复循环吸热蒸发。因该类型蒸发器的预热及蒸发两个环节是分离的，可通过分段调控管外壁温的方法以缓解系统的低温腐蚀问题，即通过调节低温级蒸发温度以控制低温级蒸发器外壁面温度高于水露点，该段采用抗腐蚀钢材ND钢；通过调节高温级蒸发温度以控制高温级蒸发器的外壁面温度高于酸露点，该段可采用普通的钢材，降低换热器成本。循环式蒸发器循环倍率可达2～5，管道内表面能始终润湿，表面传热系数较干式蒸发器高。同时，系统的低温级蒸发器及高温级蒸发器使用高通量换热管，高通量换热管即是在管内壁烧结一层多孔层，人为的增加汽化核心，蒸发工质在管内沸腾换热系数较光管可提高2～3倍。通过循环式蒸发器及高通量换热管的同时应用一方面可以实现蒸发工质与管壁之间的更小温差传热，更利于系统的调控，另一方面可以减少换热面积。因两级蒸发有机朗肯循环系统预热过程工质温度很低，其外壁面温度会低于水露点，从而会有大量的水凝结，加剧该段换热器的低温腐蚀，为此，该段采用导热塑料换热管，导热塑料管是利用导热填料对高分子基体材料进行均匀填充，以提高其导热性能，其几乎不与酸碱发生发应，有很好的耐腐蚀性，有效解决该段低温腐蚀问题。高温级预热、蒸发环节所需工质进入高温级预热器前,先在低温级预热器内预热，从而可以避免工质直接从储液罐引出(此时工质温度低)而导致高温级预热器也出现外壁面温度低于水露点的状况，高温级预热器采用抗腐蚀钢材ND钢。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
两级高效循环蒸发有机朗肯循环燃煤烟气余热回收系统在烟道内依次设有高温级蒸发器、高温级预热器、低温级蒸发器和低温级预热器，所述低温级预热器的进口与低温级工质泵的出口连接，所述低温级预热器的一出口与低温级汽包的第一进口连接，所述低温级预热器的另一出口与高温级工质泵连接，所述低温级蒸发器的出口与低温级汽包的第二进口连接，所述低温级汽包的第一出口与热功动力转换机械的补气口连接，所述低温级汽包的第二出口与低温级蒸发器进口连接。
所述高温级工质泵的出口与高温级预热器的进口连接，所述高温级预热器的出口与高温级汽包的第一进口连接，所述高温级蒸发器的出口与高温级汽包的第二进口连接，所述高温级汽包的第一出口与热工动力转换机械的进气口连接，所述高温级汽包的第二出口与高温级蒸发器的进口连接。
所述热工动力转换机械的出口与冷凝器的进口连接，所述冷凝器的出口与工质储液罐的进口连接，所述工质储液罐的出口与低温级工质泵的进口连接。
进一步的，所述高温级蒸发器和低温级蒸发器为循环式蒸发器，所述循环式蒸发器为蒸发工质在其管内反复循环吸热蒸发直至完全汽化，其预热及蒸发两个环节是分离的。
更进一步的，所述高温级蒸发器和低温级蒸发器使用高通量换热管，所述高通量换热管为在换热管的内管壁表面烧结一层多孔层，人为的增加汽化核心，强化沸腾换热。进一步的，所述低温级预热器为几乎不与酸碱发生反应的导热塑料换热管。
进一步的，控制低温级蒸发器和高温级预热器外壁面温度分别高于水露点，高温级蒸发器的外壁面温度高于酸露点，则所述低温级蒸发器和高温级预热器选用ND钢，所述高温级蒸发器选用普通钢材。
两级高效循环蒸发有机朗肯循环燃煤烟气余热回收系统的运行方法，如下：
系统运行时，燃煤烟气依次通过高温级蒸发器、高温级预热器、低温级蒸发器和低温级预热器，实现热交换；
同时经过冷凝的工质，经低温级工质泵加压后进入低温级预热器预热，达到饱和状态；
达到饱和状态的工质的其中一路从低温级预热器进入到低温级汽包中，经低温级汽包进入低温级蒸发器蒸发，蒸发后的汽液两相工质返回低温级汽包中进行气液分离。其中，工质蒸汽进入热功动力装换机械补气口中，液相工质再次进入低温级蒸发器循环蒸发；
达到饱和状态的工质的另一路从低温级预热器进入高温级工质泵中继续加压，加压后的工质依次进入高温级预热器、高温级汽包及高温级蒸发器中完成第二次预热和循环蒸发过程；
完成第二次预热和蒸发的工质进入高温级汽包中进行气液分离，其中，工质蒸汽进入热功动力转换机械膨胀做功，液相工质回流至高温级蒸发器进行新一轮蒸发；
经热功动力转换机械膨胀做功后的乏汽进入冷凝器冷凝成饱和液体，流入工质储液罐中，完成整个工质循环。
有益效果：本发明与现有技术比较，优势在于：
(1)循环蒸发的形式将低温级蒸发环节的预热及蒸发环节分离。低温级预热器选用几乎不与酸碱发生发应的塑料换热管，有效解决该段低温腐蚀问题。同时通过控制工质低温级蒸发温度，实现低温级蒸发段外壁面温度高于水露点。
(2)循环蒸发的形式将高温级蒸发环节的预热及蒸发环节分离，通过控制高温级蒸发器外壁面温度高于酸露点，该段可以不使用抗腐蚀钢材，节省成本。
(3)低温级蒸发器和高温级蒸发器选用高通量换热管，实现管内的高效蒸发换热。管内沸腾换热系数可以提高2～3倍，总换热面积可以减少5～10％。此外，循环蒸发及高通量换热管的同时使用大大降低工质蒸发温度与管外壁面温度的差值，利于对管外壁面温度的精确调控。
(4)选择在低温级预热器出口分流，可以避免高温级预热器也出现外壁面温度低于水露点的状况。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图中包括：低温级预热器1、低温级蒸发器2、高温级预热器3、高温级蒸发器4、高温级汽包5、高温级汽包第一进口5-A、高温级汽包第二进口5-B、高温级汽包第一出口5-1、高温级汽包第二出口5-2、低温级汽包6、低温级汽包第一进口6-A、低温级汽包第二进口6-B、低温级汽包第一出口6-1、低温级汽包第二出口6-2、热功动力转换机械7、发电机8、冷凝器9、工质储液罐10、低温级工质泵11、高温级工质泵12。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示，一种两级高效循环蒸发有机朗肯循环燃煤烟气余热回收系统，在烟道内依次设有高温级蒸发器4、高温级预热器3、低温级蒸发器2和低温级预热器1，所述低温级预热器1的进口与低温级工质泵11的出口连接，所述低温级预热器1的一出口与低温级汽包6的第一进口6-A连接，所述低温级预热器1的另一出口与高温级工质泵12连接，所述低温级汽包6的第二出口6-2与低温级蒸发器2的进口连接，所述低温级蒸发器2的出口与低温级汽包6的第二进口6-B连接，所述低温级汽包6的第一出口6-1与热功动力转换机械7的补气口连接。
所述高温级工质泵12的出口与高温级预热器3的进口连接，所述高温级预热器3的出口与高温级汽包5的第一进口5-A连接，所述高温级汽包5的第二出口5-2与高温级蒸发器4的进口连接，所述高温级蒸发器4的出口与高温级汽包5的第二进口5-B连接，所述高温级汽包5的第一出口5-1与热工动力转换机械7的进气口连接。
所述热工动力转换机械7的出口与冷凝器9的进口连接，所述冷凝器9的出口与工质储液罐10的进口连接，所述工质储液罐10的出口与低温级工质泵11的进口连接。
所述热功动力转换机械7为汽轮机或膨胀机。该系统还包括发电机8，发电机8与热功动力转换机械7相连。
所述高温级蒸发器4和低温级蒸发器2为在本发明中使用循环式蒸发器，所述循环式蒸发器的蒸发工质在管内反复循环吸热蒸发直至完全汽化，其预热和蒸发两个环节是分离的。所述高温级蒸发器4和低温级蒸发器2在本发明中采用高通量换热管，所述高通量换热器即为在换热器的内管壁表面烧结一层多孔层，能提供大量稳定的汽化核心，强化沸腾换热，实现管道内的高效蒸发换热。所述低温级预热器1为几乎不与酸碱发生发应的塑料换热管，所述低温级蒸发器2和高温级预热器3选用ND钢，所述高温级蒸发器4选用普通钢材。
两级高效循环蒸发有机朗肯循环燃煤烟气余热回收系统的运行方法，系统运行时，燃煤锅炉烟气依次通过高温级蒸发器4、高温级预热器3、低温级蒸发器2和低温级预热器1，实现热交换。
同时经过冷凝的工质，经低温级工质泵11加压后进入低温级预热器1预热，达到饱和状态。
达到饱和状态的工质的其中一路从低温级预热器1的出口进入到低温级汽包6中，经低温级汽包6进入低温级蒸发器2蒸发，蒸发后的汽液两相工质返回低温级汽包6中进行气液分离，其中，工质蒸汽进入热功动力装换机械7补气口中，液相工质再次进入低温级蒸发器2循环蒸发。
达到饱和状态的工质的另一路从低温级预热器1进入高温级工质泵12中继续加压，加压后的工质依次进入高温级预热器3高温级汽包5及高温级蒸发器4中完成第二次预热和循环蒸发的过程。
完成第二次预热和蒸发的工质进入高温级汽包5中进行气液分离，其中，工质蒸汽进入热功动力转换机械7膨胀做功，液相工质回流至高温级蒸发器4进行新一轮蒸发。
经热功动力转换机械7膨胀做功后的乏汽进入冷凝器9冷凝成饱和液体，流入工质储液罐10中，完成整个工质循环。
采用本发明对燃煤低温烟气余热回收时，可就近布置，锅炉原有的管路布置及排烟系统等均可维持不变，仅需对除尘器后湿法脱硫装置前的部分烟道进行改造以安装余热回收换热器，并对管道进行保温处理。同时可根据实际运行过程中，烟气的酸露点及水露点大小，调节高、低温级蒸发温度，保证系统的安全运行。
应用实例一，热源为125℃的燃煤锅炉低温烟气，烟气流量506.56m3/s，酸露点92℃，水露点50℃。所述低沸点工质为R123，两级蒸发，烟气出口温度78℃。计算结果如下表所示：
| 传统干式蒸发器 | 再循环蒸发器 | 再循环蒸发器(高通量) | |
| 烟气进口温度，℃ | 125 | 125 | 125 |
| 烟气出口温度，℃ | 78 | 78 | 78 |
| 烟气流量，m3/s | 506.56 | 506.56 | 506.56 |
| 工质冷凝温度，℃ | 32 | 32 | 32 |
| 冷却水温度，℃ | 20 | 20 | 20 |
| 高温级夹点温差，℃ | 10 | 10 | 10 |
| 低温级夹点温差，℃ | >8 | >8 | >8 |
| 汽轮机效率 | 0.85 | 0.85 | 0.85 |
| 工质泵效率 | 0.85 | 0.85 | 0.85 |
| 高温级蒸发温度，℃ | 79 | 79 | 79 |
| 低温级蒸发温度，℃ | 96 | 96 | 96 |
| 总做功量，kw | 2758 | 2758 | 2758 |
| 换热面积,m2 | 26986 | 26374 | 25046 |
| 风机耗功量，kw | 462.90 | 453.58 | 433.17 |
| 净做功量，kw | 2295.10 | 2304.42 | 2324.83 |
| 净回收效率 | 10.15％ | 10.19％ | 10.28％ |
计算结果可知，烟气进、出口温度恒定，优化后使用再循环蒸发器烟道内的总换热面积比干式蒸发器低2.26％，风机能耗降低2.0％，净做功量及净回收效率提高0.39％。
对于使用高通量换热器的再循环蒸发器而言，沸腾换热系数是按光管的3倍计算，同时蒸汽量及蒸发器的出口干度恒定，较光管再循环蒸发ORC系统而言，蒸发段的换热面积可以降低1328m2,总换热面积降低了5.0％，风机能耗降低4.5％，净发电量及净回收效率提高0.875％。
根据上述分析，循环式蒸发器虽然系统较干式蒸发器复杂，但由于其管内流量大，出口干度低，管内壁液体润湿度高，换热性能强，对于大型系统而言有比较大的优势。同时，循环式蒸发器的预热及蒸发两个环节是分离的，且蒸发段的管内沸腾换热系数大，管壁温度低，利于调控壁温以缓解低温腐蚀。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.两级高效循环蒸发有机朗肯循环燃煤烟气余热回收系统，其特征在于：烟道内依次设有高温级蒸发器(4)、高温级预热器(3)、低温级蒸发器(2)和低温级预热器(1)，所述低温级预热器(1)的进口与低温级工质泵(11)的出口连接，所述低温级预热器(1)的第一出口与低温级汽包6的第一进口(6-A)连接，所述低温级预热器(1)的第二出口与高温级工质泵(12)连接，所述低温级汽包(6)的第二出口(6-2)与低温级蒸发器(2)的进口连接，所述低温级蒸发器(2)的出口与低温级汽包(6)的第二进口6-B连接，所述低温级汽包(6)的第一出口(6-1)与热功动力转换机械(7)的补气口连接；
所述高温级工质泵(12)的出口与高温级预热器(3)的进口连接，所述高温级预热器(3)的出口与高温级汽包(5)的第一进口(5-A)连接，所述高温级汽包(5)的第二出口(5-2)与高温级蒸发器(4)的进口连接，所述高温级蒸发器(4)的出口与高温级汽包(5)的第二进口(5-B)连接，所述高温级汽包(5)的第一出口(5-1)与热工动力转换机械(7)的进气口连接；
所述热工动力转换机械(7)的出口与冷凝器(9)的进口连接，所述冷凝器(9)的出口与工质储液罐(10)的进口连接，所述工质储液罐(10)的出口与低温级工质泵(11)的进口连接；
所述高温级蒸发器(4)和低温级蒸发器(2)为高通量换热器，所述高通量换热管为在换热管的内管壁表面烧结一层多孔层。
2.根据权利要求1所述两级高效循环蒸发有机朗肯循环燃煤烟气余热回收系统，其特征在于：所述热功动力转换机械(7)为汽轮机或膨胀机，所述热功动力转换机械(7)与发电机(8)相连。
3.根据权利要求1所述两级高效循环蒸发有机朗肯循环燃煤烟气余热回收系统，其特征在于：所述高温级蒸发器(4)和低温级蒸发器(2)为循环式蒸发器，所述循环式蒸发器为蒸发工质在其管内反复循环吸热蒸发直至完全汽化，其预热及蒸发两个环节是分离的。
4.根据权利要求1所述两级高效循环蒸发有机朗肯循环燃煤烟气余热回收系统，其特征在于：所述低温级预热器(1)为几乎不与酸碱发生反应的塑料换热管。
5.根据权利要求1所述两级高效循环蒸发有机朗肯循环燃煤烟气余热回收系统，其特征在于：所述低温级蒸发器(2)的外壁面温度高于水露点，所述高温级蒸发器(4)的外壁面温度高于酸露点，则所述低温级蒸发器(2)和高温级预热器(3)选用ND钢，所述高温级蒸发器(4)选用普通钢材。
6.根据权利要求1所述两级高效循环蒸发有机朗肯循环燃煤烟气余热回收系统，其特征在于：所述高温级预热器(3)的工质选择先在低温级预热器(1)中提前预热，再分流流至高温级工质泵(12)加压。
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