CN103868087B - 一种协同增强pm2.5脱除和烟气余热深度利用的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种协同增强PM_2.5脱除和烟气余热深度利用的方法及装置，它由烟气增湿装置、电除尘器、低温省煤器、湿法脱硫塔组成。其方法于烟气进入电除尘器之前喷入雾化热水进行增湿调质处理，增强电除尘器捕集PM_2.5和提高烟气含湿量，雾化热水由低温省煤器提供；在电除尘器与脱硫塔间设有低温省煤器，回收烟气降温放出的显热，并获得高相对湿度烟气；再通过调节后续湿法脱硫塔的进口气液温差和脱硫液气比，使进入脱硫塔的高相对湿度烟气在脱硫洗涤过程中达到过饱和，过饱和水汽在PM_2.5表面发生核化凝结，使PM_2.5粒度长大并被捕集。本发明可增强电除尘器和湿法烟气脱硫系统对PM_2.5的捕集效果，又可回收烟气余热。

Description

一种协同增强PM2.5脱除和烟气余热深度利用的方法及装置

技术领域

本发明属于燃煤电站锅炉、工业锅炉节能减排技术领域，特别涉及一种协同增强电除尘和湿法烟气脱硫系统脱除PM_2.5和燃煤烟气余热深度利用的方法及装置。

背景技术

PM_2.5是导致雾霾天气的主要原因，已成为我国突出的大气环境问题；燃煤电站锅炉和工业锅炉是我国大气中PM_2.5的主要来源之一。目前，我国80%以上的大中型燃煤电站采用的除尘脱硫工艺是电除尘器+湿法烟气脱硫系统，该工艺在燃煤工业锅炉的应用也日趋增多。近些年来，人们从极距、极配方式、清灰方式、气流分布等方面对电除尘器进行了大量研究和改进，使这一技术在治理燃煤粉尘的应用方面日趋成熟，但仍存在PM_2.5难以有效脱除的技术瓶颈。另外，由于脱硫浆液的洗涤作用，湿法烟气脱硫系统虽可协同脱除烟气中的粗粉尘，但由于存在脱硫浆液雾化夹带、脱硫产物结晶析出，以及各种气-液、气-液-固脱硫反应等物化过程，本身又可能会形成PM_2.5，使得烟气经湿法脱硫后PM_2.5排放浓度反而增加。

针对传统污染物控制设施对PM_2.5的脱除效率亟需提高的现状；目前，采用各种物理或化学作用使PM_2.5长大成较大颗粒后加以清除是增强电除尘、湿法脱硫等传统污染物控制设施脱除PM_2.5的重要技术手段。其中，基于过饱和水汽在微粒表面凝结特性的水汽相变技术特别适合与湿法脱硫等烟气中水汽含量较高的过程结合。在湿法脱硫洗涤过程中高温烟气与中低温脱硫液相接触，使部分脱硫液汽化，烟温降低，烟气相对湿度增大，脱硫净烟气可达到饱和状态，较易实现PM_2.5凝结长大所需的过饱和水汽环境。此外，在电除尘器入口烟道喷入水、高聚物粘结剂等改变PM_2.5表面特性和增强颗粒间的粘附力等途径来促进PM₂.₅团聚长大是增强电除尘脱除PM_2.5的重要途径。申请号为200710132250.0的发明专利公开了一种湿法烟气脱硫中应用水汽相变促进PM_2.5脱除的方法，采用在塔进口烟气、脱硫净化烟气中添加蒸汽两种方式，分别使烟气在脱硫洗涤过程中及脱硫净化烟气达到过饱和；但单靠添加蒸汽方式实现过饱和，能耗过高。

我国燃煤电站锅炉和工业锅炉分别是第一和第二大耗能设备，排烟热损失是各项热损失中最大的一项，占锅炉总热损失的80%或更高；同时也是PM_2.5排放的重点行业。我国每年有近2亿吨标煤的能量以余热的形式排向大气。在能源问题日益成为经济社会发展瓶颈的今天，提高能源的利用率，回收低位烟气余热，已成为我国节能减排战略中最具潜力的研究方向之一。目前，烟气余热利用的方向大体可分为加热凝结水、预热助燃空气、预热并干燥燃料、加热热网水、采暖制冷等。烟气余热回收装置视其设置位置不同，可分为以下两种：（1）设置于空气预热器出口与电除尘器入口前的烟道上；（2）设置于电除尘器与脱硫塔之间。德国近几年来新建火电厂的共同特点：增加了烟气热量回收环节，即在电除尘器和烟气脱硫装置之间的烟道上安装了烟气冷却器，回收的热量用于加热凝结水；我国这方面的工程应用实例也日趋增多。但已有烟气余热利用技术主要侧重于经济可行性及节能性分析、冷凝防腐以及传热传质等方面，对如何协同增强PM_2.5脱除尚未引起关注。

发明内容

发明目的：本发明针对传统污染物控制设施对PM_2.5的脱除效率亟需提高及燃煤电站、工业锅炉烟气余热利用的需求，提供一种应用烟气增湿调质、水汽相变增强PM_2.5脱除，并协同实现烟气余热深度利用的方法及装置。

技术方案：一种协同增强PM_2.5脱除和烟气余热深度利用的方法，在电除尘器入口烟道中的烟气增湿装置内喷入雾化热水，利用雾化热水在高温烟气中的蒸发对烟尘进行增湿调质处理，经增湿调质后烟气中水汽含量增至10～15%，温度降至105～120℃；经增湿和电除尘的烟气引入低温省煤器，以水为热交换媒质，使低温省煤器出口烟气温度降低至60℃～70℃，回收烟气降温放出的显热，并获得相对湿度达到70%～80%的烟气；来自低温省煤器的烟气由脱硫塔下部烟气进口进入塔内，与上部喷出的中低温脱硫液逆流接触，调节脱硫塔进口气液温差和脱硫操作液气比，使烟气在脱硫洗涤过程中达到过饱和，过饱和的水汽在PM_2.5表面发生核化凝结，PM_2.5粒度增大，由脱硫洗涤液和除雾器脱除凝结长大的含尘液滴。

所述雾化热水来自低温省煤器的冷却水出水，以平均粒径为30～50μm的雾滴喷入电除尘器入口烟气增湿装置内。

所述雾化热水中还添加由高聚物粘结剂和润湿剂组成的化学团聚剂，雾化热水中高聚物粘结剂和润湿剂的质量占处理粉尘质量的0.05～0.25%。

脱硫塔中的脱硫液的进入温度为30～40℃，比进口烟温低20℃以上；脱硫操作液气比控制在5L/Nm³以上。

一种实施所述的协同增强PM_2.5脱除和烟气余热深度利用方法的装置，该装置按照烟气流向依次由烟气增湿装置、电除尘器、低温省煤器、湿法脱硫塔串联组成；烟气增湿装置设置于电除尘器入口烟道内，烟气增湿装置的热水入口与低温省煤器的冷却水出口由管道连接；湿法脱硫塔的烟气出口设有除雾器，湿法脱硫塔上部设有脱硫液喷嘴，底部设有补充脱硫液入口和脱硫废液出口，脱硫废液出口经过脱硫液循环泵与脱硫液喷嘴连接。

低温省煤器进口烟道与电除尘器出口烟道之间还加装增压风机。

烟气增湿装置内设有双流体雾化喷嘴，双流体雾化喷嘴离电除尘器烟气入口的距离为10～15m。

所述低温省煤器中换热管为螺旋翅片管，沿冷却水流向分为高温段、低温段，低温段换热管采用耐腐蚀材料制作。

有益效果：

本发明将增强传统污染物控制设施脱除PM_2.5与锅炉烟气余热的深度利用有机结合，具有如下有益效果：

1、在电除尘器入口烟道设置烟气增湿装置，喷入雾化热水；一方面，通过改变PM_2.5表面特性和增强颗粒间的粘附力促进PM_2.5团聚长大，并可有效降低粉尘比电阻，以及随烟温降低减少工况烟气量，增加粉尘在电除尘器中的停留时间，促进电除尘效率提高，进而增强电除尘脱除PM_2.5。同时，烟气含湿量增加，辅以后续低温省煤器的降温作用，可使进入脱硫塔的烟气相对湿度显著提高。此外，雾化热水取自后续低温省煤器，无需额外消耗能量。

2、针对燃煤电站锅炉及工业锅炉烟气余热深度利用的需求，在电除尘器与湿法脱硫塔间设置低温省煤器；一方面，经增湿和电除尘的烟气经过低温省煤器时，回收烟气降温放出的显热，实现烟气余热的深度利用，并同时获得高相对湿度烟气，可为烟气在后续脱硫洗涤过程中实现过饱和提供重要保证。同时，又使烟气温度降低到最佳脱硫效率状态，减少脱硫洗涤过程中水分的蒸发，节省脱硫洗涤耗水量；并可降低烟气通过脱硫塔的流速，进而减弱因脱硫液滴夹带导致的湿法脱硫过程中细颗粒的形成。

3、针对湿法脱硫过程烟气中水汽含量较高的特点，通过脱硫塔入口烟气温湿度调节和WFGD系统的过程优化实现水汽相变所需的过饱和环境，并在烟气温湿度调节过程中协同实现烟气余热的深度利用，可有效解决单纯依靠添加蒸汽使烟气在脱硫洗涤过程中或使脱硫净烟气达到过饱和能耗过高的不足。通过合理调控塔进口烟气和脱硫洗涤液温差及脱硫操作液气比，使烟气在脱硫洗涤过程中达到过饱和，PM_2.5发生凝结长大，并由脱硫洗涤液和除雾器脱除凝结长大的含尘液滴，不仅可有效脱除燃煤烟气中的PM_2.5，还可有效脱除脱硫洗涤过程中形成的SO₃酸雾滴、无机盐微粒等。

4、本发明工艺简单，只需在电除尘器进出口烟道分别增设增湿装置和低温省煤器，即可增强电除尘器和湿法烟气脱硫系统对PM_2.5的捕集效果，不仅能降低进入湿法脱硫塔的PM_2.5浓度，还可有效脱除WFGD过程中形成的PM_2.5；并可回收烟气余热，实现PM_2.5高效脱除与烟气余热深度利用的双重功效，可广泛应用于安装有湿法烟气脱硫系统的燃煤电站锅炉和工业锅炉。

附图说明

图1是本发明的装置结构示意图

图中：1-烟气增湿装置；2-电除尘器；3-增压风机；4-低温省煤器；5-脱硫塔；6-双流体雾化喷嘴；7-换热管；8-脱硫液喷嘴；9-除雾器；10-脱硫液循环泵。

具体实施方式

如图1所示，本发明的协同增强PM_2.5脱除和烟气余热深度利用方法的装置，主要有烟气增湿装置1、电除尘器2、低温省煤器4、脱硫塔5组成。烟气增湿装置1设于电除尘器2入口烟道处，内设双流体雾化喷嘴6，双流体雾化喷嘴6离电除尘器2烟气入口的距离为10～15m。低温省煤器4设置于电除尘器2烟气出口和脱硫塔5烟气进口之间；低温省煤器4中换热管7可选用螺旋翅片管，沿冷却水流向分为高温段、低温段，低温段换热管采用耐腐蚀材料制作，如ND钢、耐候钢、搪瓷、聚丙烯塑料、PTFE（衬里）等；低温省煤器4进口烟道与电除尘器2出口烟道之间可加装增压风机3以克服烟气阻力。脱硫塔5可采用喷淋塔、旋流板塔、填料塔、湍球塔等塔类型，塔内设有脱硫液喷嘴8，脱硫液喷嘴8上方设有除雾器9，脱硫液喷嘴8通过管道与设在脱硫塔塔底出口的脱硫液循环泵10相连。

一种协同增强PM_2.5脱除和烟气余热深度利用的方法为：来自燃煤电站锅炉或工业锅炉的烟气进入设于电除尘器2之前的烟气增湿装置1中时，经双流体雾化喷嘴6喷入平均粒径为30～50μm的雾化热水水滴，利用高温烟气使雾化水滴在进入电除尘器2之前完全蒸发，雾化热水来自低温省煤器4，添加量以能够控制烟气经增湿调节后水汽体积百分含量增至10～15%、温度降至105～120℃为准；雾化热水中可添加能促进PM_2.5粒度增大的由高聚物粘结剂和润湿剂组成的化学团聚剂以增强电除尘捕集PM_2.5的效果。所述的高聚物粘结剂可以为改性聚合氯化铝、聚合硫酸铁、聚硅硫酸铝、羧甲基纤维素钠、黄原胶、海藻酸钠等，润湿剂可以为乙氧基改性聚二甲基硅氧烷、聚醚改性有机硅、脂肪酸单硫酸钠复合盐、水性有机硅润湿剂、乳化剂OP-10等；高聚物粘结剂和润湿剂的添加量占处理粉尘质量的0.05～0.25%；经增湿调质后，粉尘比电阻降低，并增强颗粒间的粘附力促进PM_2.5发生团聚长大。然后进入电除尘器2脱除燃煤烟气中90～95%以上的PM_2.5。电除尘后的烟气引入低温省煤器4，以水为吸热介质，通过调节冷却水水量控制低温省煤器4出口烟气温度进一步降至60～70℃，相对湿度增至70～80%；作为吸热介质的水可以来自于回热系统的凝结水，也可以是来自于供热系统的回水，或者是其他温度适宜的水；在低温省煤器吸收烟气余热后的热水一部分供烟气增湿装置1作为雾化水水源，其余回收利用，如返回至电厂回热系统或供热系统等。来自低温省煤器4的高相对湿度烟气由脱硫塔5下部烟气进口进入塔内，与经循环泵10、脱硫液喷嘴8喷出的中低温脱硫洗涤液逆流接触，脱硫塔进口脱硫液温度为30～40℃，比进口烟温低20℃以上，脱硫操作液气比控制在5L/Nm³以上，使高相对湿度烟气在与脱硫洗涤液逆流接触过程中达到过饱和，过饱和水汽在PM_2.5表面发生核化凝结，使PM_2.5粒度增大，凝结长大的含尘液滴由脱硫洗涤液和除雾器9脱除；脱除的PM_2.5除原始燃煤烟气中的PM_2.5外，还包括脱硫洗涤中形成的PM₂.₅，如SO₃酸雾滴、无机盐微粒等；经脱硫和脱除PM_2.5后的净化烟气从塔顶烟气出口排出。湿法烟气脱硫工艺可为石灰石-石膏法、氨法、双碱法、海水法、钠碱法、氧化镁法中的任意一种。

以下结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明不只限于此实施例。

实施例1

烟气由全自动燃煤锅炉产生，烟气量为300Nm³/h，辅以SAG-410型气溶胶发生器在烟气中添加适量燃煤飞灰，使燃煤烟气中含尘浓度为4850mg/m³，其中PM_2.5浓度为172mg/m³。沿烟气流向依次设有烟气增湿装置、电除尘器、低温省煤器、石灰石/石膏法烟气脱硫系统。电除尘器为三电场结构，阴极选用常规针刺电极，极板间距0.30m。低温省煤器换热管选用翅片管，ND耐腐蚀钢制作。湿式脱硫塔采用塔径200mm、塔高4500mm的喷淋塔，喷淋塔顶部安装折流板除雾器。含尘烟气先进入烟气增湿装置，经双流体雾化喷嘴喷入温度约70℃、平均粒径约45μm的微细水雾，喷入量为每Nm³烟气0.005kg，喷入处烟温182℃。经维萨拉-HMT337型温湿度变送器测定，增湿后烟气中水汽体积百分含量由7.25%增至11.45%，烟温降至112℃。然后依次进入电除尘器、低温省煤器，电除尘器运行电压50kV；通过调节冷却水量，低温省煤器出口烟气温度进一步降至65℃，相对湿度增至75.3%。脱硫液进口温度为40℃，与烟气逆流接触，三级喷淋，液气比18L/Nm³。经WJ-60B型皮托管平行全自动烟尘采样仪测试，电除尘器出口、脱硫塔出口粉尘浓度分别为46mg/m³、17mg/m³；其中，采用电称低压冲击器ELPI在线测试，电除尘器出口、脱硫塔出口PM_2.5质量浓度分别为14mg/m³、6mg/m³。

实施例2

在喷入烟气增湿装置的雾化热水中添加聚合硫酸铁、聚醚改性有机硅，配成化学团聚剂溶液，团聚剂溶液质量百分比组成为：0.05%聚合硫酸铁、0.005%聚醚改性有机硅，其余同实施例1。经WJ-60B型皮托管平行全自动烟尘采样仪测试，电除尘器出口、脱硫塔出口粉尘浓度分别为37mg/m³、13mg/m³；其中，采用电称低压冲击器ELPI在线测试，电除尘器出口、脱硫塔出口PM_2.5质量浓度分别为12mg/m³、5mg/m³。

对比例1

烟气增湿装置中未喷雾化热水，其余同实施例1。经测定，低温省煤器出口烟气温度76℃，相对湿度48.1%；电除尘器出口、脱硫塔出口粉尘浓度分别为54mg/m³、33mg/m³；其中，电除尘器出口、脱硫塔出口PM_2.5质量浓度分别为18mg/m³、24mg/m³。

对比例2

低温省煤器中未通冷却水回收烟气余热，烟气增湿装置中也未喷雾化热水，其余同实施例1。经测定，低温省煤器出口烟气温度128℃；电除尘器出口、脱硫塔出口粉尘浓度分别为54mg/m³、35mg/m³；其中，电除尘器出口、脱硫塔出口PM_2.5质量浓度分别为18mg/m³、26mg/m³。

Claims (6)

1.一种协同增强PM_2.5脱除和烟气余热深度利用的方法，其特征在于，在电除尘器入口烟道中的烟气增湿装置内喷入雾化热水，利用雾化热水在高温烟气中的蒸发对烟尘进行增湿调质处理，经增湿调质后烟气中水汽含量增至10~15%，温度降至105~120℃；经增湿和电除尘的烟气引入低温省煤器，以水为热交换媒质，使低温省煤器出口烟气温度降低至60℃~70℃，回收烟气降温放出的显热，并获得相对湿度达到70%~80%的烟气；来自低温省煤器的烟气由脱硫塔下部烟气进口进入塔内，与上部喷出的中低温脱硫液逆流接触，调节脱硫塔进口气液温差和脱硫操作液气比，使烟气在脱硫洗涤过程中达到过饱和，过饱和的水汽在PM_2.5表面发生核化凝结，PM_2.5粒度增大，由脱硫洗涤液和除雾器脱除凝结长大的含尘液滴；脱硫塔中的脱硫液的进入温度为30~40℃，比进口烟温低20℃以上；脱硫操作液气比控制在5L/Nm³以上；所述雾化热水中还添加由高聚物粘结剂和润湿剂组成的化学团聚剂，雾化热水中高聚物粘结剂和润湿剂的质量占处理粉尘质量的0.05~0.25%。

2.根据权利要求1所述的协同增强PM_2.5脱除和烟气余热深度利用的方法，其特征在于，所述雾化热水来自低温省煤器的冷却水出水，以平均粒径为30~50微米的雾滴喷入电除尘器入口烟气增湿装置内。

3.一种实施权利要求1或2所述的协同增强PM_2.5脱除和烟气余热深度利用方法的装置，其特征在于，该装置按照烟气流向依次由烟气增湿装置、电除尘器、低温省煤器、湿法脱硫塔串联组成；烟气增湿装置设置于电除尘器入口烟道内，烟气增湿装置的热水入口与低温省煤器的冷却水出口由管道连接；湿法脱硫塔的烟气出口设有除雾器，湿法脱硫塔上部设有脱硫液喷嘴，底部设有补充脱硫液入口和脱硫废液出口，脱硫废液出口经过脱硫液循环泵与脱硫液喷嘴连接。

4.根据权利要求3所述的实施协同增强PM_2.5脱除和烟气余热深度利用方法的装置，其特征在于，低温省煤器进口烟道与电除尘器出口烟道之间还加装增压风机。

5.根据权利要求3所述的实施协同增强PM_2.5脱除和烟气余热深度利用方法的装置，其特征在于，烟气增湿装置内设有双流体雾化喷嘴，双流体雾化喷嘴离电除尘器烟气入口的距离为10~15m。

6.根据权利要求3所述的实施协同增强PM_2.5脱除和烟气余热深度利用方法的装置，其特征在于，所述低温省煤器中换热管为螺旋翅片管，沿冷却水流向分为高温段、低温段，低温段换热管采用耐腐蚀材料制作。