CN105536423B - 燃煤锅炉烟气细颗粒物的脱除装置及工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及燃煤锅炉烟气细颗粒物的脱除装置及工艺，其特征在于该装置包括2n个烟气蒸汽引射器、撞击流相变室和高效除雾器，2n个烟气蒸汽引射器沿撞击流相变室的主体的中心呈中心对称布置，且位于撞击流相变室的前部，在撞击流相变室的出口处连接有高效除雾器；所述烟气蒸汽引射器包括烟气导管和蒸汽添加喷嘴，蒸汽添加喷嘴设置在烟气导管的入口处；所述撞击流相变室的水平方向和竖直方向的长度比为1‑1.6:1，撞击流相变室内设置有扰流柱­­­­，在高效除雾器的尾部设有烟气出口。

Description

燃煤锅炉烟气细颗粒物的脱除装置及工艺

技术领域

本发明属于脱除锅炉烟气中超细颗粒物的技术领域，尤其涉及燃煤锅炉烟气细颗粒物的脱除装置及工艺。

背景技术

PM_2.5直径小、比表面积大、易于富集重金属等有毒物质，其悬浮在大气中，对大气能见度、人的身心健康均可造成影响。最近几年出现的雾霾天气就是由这种细颗粒物引起的，成为空气的首要污染物。因此，大力推进细颗粒物的排放控制，不仅是国家节能减排战略的重大需求，也是解决全球环境问题的必然要求。传统的除尘器对燃煤烟气中烟尘颗粒的脱除效率可以达到99％以上，但对以亚微米为主的细颗粒物PM_2.5的捕集效率却很低，这部分细颗粒物以数量计可达到排放烟气中细颗粒物总数的90％以上。目前国内外正在开发研究的主要为燃烧后控制技术，通过外加条件作用使较小粒径的颗粒长大为粒径较大的颗粒之后，再采用传统除尘技术加以脱除。

颗粒物团聚的方式有声聚并、电聚并、湍流聚并和化学聚并，以及蒸汽相变团聚，单独利用其中一种聚并技术耗能较多，而且脱除细颗粒的效果有限。其中蒸汽相变团聚技术是目前工业中应用的技术，可有效促进颗粒物团聚；通常蒸汽相变团聚在一空腔中进行，相变室内水汽和细颗粒物混合不均匀，导致不少水汽直接由烟气带走，但单靠过饱和水汽在颗粒物表面的凝结作用，长大至3～5μm以上有一定难度，且过高的蒸汽添加量，会显著增大能耗。

申请号为2007101322500的发明专利公开了一种烟气湿法脱硫中协同脱除PM_2.5的方法及其装置，该方法应用蒸汽相变来促进PM_2.5的脱除，采用两种方式添加蒸气：1)在脱硫塔入口添加蒸汽，使烟气在脱硫洗涤过程中达到过饱和；2)在脱硫塔出口处添加蒸汽，使净烟气达到过饱和；细颗粒物在过饱和状态下发生蒸汽相变，团聚长大成较大颗粒。单靠添加蒸汽方式使颗粒团聚长大，所需的蒸汽量较多，造成能耗较大，且颗粒碰撞团聚效果也不明显，导致颗粒脱除效率低。

颜金培等人于2014年在《中国环境科学学会学术年会光大环保优秀论文集(2014)》发表的声波与相变耦合促进燃煤细颗粒脱除的实验研究中，提到了基于声波和相变耦合作用强化细颗粒长大的方法，并建立了在相变室中加入声波振动与蒸汽相变团聚联合作用下燃煤细颗粒物长大脱除的实验装置，但是声聚并技术需要解决高能耗和消除噪声等危害，对于工业应用推广困难。

熊桂龙提出了一种高湿烟气中细颗粒物的脱除方法及其装置(熊桂龙.水汽相变耦合撞击流促进细颗粒物脱除的研究[D].东南大学,2012.)，该装置是对旋风除尘器进行的改进，将一个入口改为两个对喷入口，而入口管道由蒸汽管道和烟气管道嵌套而成，入口流出的烟气在旋风除尘器上部形成撞击流，增强颗粒物的碰撞，使细颗粒物凝并长大，继而利用旋风除尘器的惯性脱除细颗粒，其不足之处在于采用撞击流技术，导管较多，烟气导管需调节不同角度，工艺复杂。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是：提出一种燃煤锅炉烟气细颗粒物的脱除装置及工艺。该装置在烟气导管中设置蒸汽添加喷嘴，使烟气过饱和度达到1.02～1.2，流动过程中过饱和蒸汽逐渐凝结于细颗粒物表面，发生蒸汽相变团聚使细颗粒物长大，同时在碰撞区后设置扰流柱，可形成漩涡，更利于颗粒的团聚长大，且装置结构简单，易于操作。该工艺以利用蒸汽相变聚并为主，结合撞击流和湍流聚并的机理来脱除烟气中的细颗粒物，再利用高效除雾器脱除细颗粒物，脱除效果明显，能耗较低，易于工业推广。

本发明解决所述装置技术问题采用的技术方案是:

一种燃煤锅炉烟气细颗粒物的脱除装置，其特征在于该装置包括2n个烟气蒸汽引射器、撞击流相变室和高效除雾器，2n个烟气蒸汽引射器沿撞击流相变室的主体的中心呈中心对称布置，且位于撞击流相变室的前部，在撞击流相变室的出口处连接有高效除雾器；所述烟气蒸汽引射器包括烟气导管和蒸汽添加喷嘴，蒸汽添加喷嘴设置在烟气导管的入口处；所述撞击流相变室的水平方向和竖直方向的长度比为1-1.6:1，撞击流相变室内设置有扰流柱，在高效除雾器的尾部设有烟气出口。

一种燃煤锅炉烟气细颗粒物的脱除工艺，该工艺利用上述的燃煤锅炉烟气细颗粒物的脱除装置，该工艺的具体步骤是：

1)烟气与蒸汽预混合

在烟气蒸汽引射器中，烟气引射蒸汽，控制烟气和蒸汽的流量比例，使烟气过饱和度S增至S＝1.02～1.2，得到蒸汽烟气混合物；

2)撞击流细颗粒团聚

经过步骤1)预混合后，来自对称设置的烟气导管中的两股蒸汽烟气混合物进入撞击流相变室中，以10～20m/s的速率相向进入撞击流相变室的主体中，烟气与蒸汽混合物相互撞击，使细颗粒物粒度进一步增大；

3)湍流聚并，脱除大颗粒

经过步骤2)撞击流细颗粒团聚后，在撞击区后设置扰流柱，形成漩涡，增强颗粒的团聚效果；经团聚得到的大颗粒在离心作用下随气流流向撞击流相变室的出口，凝并长大的颗粒物再经高效除雾器脱除，由烟气出口排出。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明工艺简单，易于操作。采用烟气混合管路，使烟气与水蒸气混合均匀，烟气导管中加入少量水蒸汽就可达到异质核化的过饱和度条件；采用对称分布来实现烟气对喷，颗粒团聚室内仅加入了一个扰流柱作为漩涡发生器，整体结构简单，运行阻力小。

2.由于采用撞击流技术，可有效解决水汽和含细颗粒物烟气混合不均匀的现象，避免不少水汽直接由烟气带走的问题；以及单独使用蒸汽相变团聚时，颗粒不易长大至常规除尘(除雾)技术可脱除粒径大小的问题。

3.本发明采用圆柱形扰流柱作为漩涡发生器，圆柱形结构运行阻力小，形成的漩涡可以增加颗粒在团聚室主体的停留时间，且增加颗粒碰撞概率，为颗粒团聚长大提供有利条件。

4.利用过饱和水汽在细颗粒物表面核化凝结是促使细颗粒粒径增大的重要措施，特别适合于烟气水汽含量较高、烟温较低的团聚过程。本发明装置连接在脱硫装置之后，烟气经吸收处理、湿式洗涤除尘后，烟气相对湿度接近或达到饱和状态，烟温降低，在以上条件下，添加少量蒸汽即可达到蒸汽相变团聚所需要的过饱和度条件，减少混合室水蒸汽的添加量，减少能耗。

附图说明

图1是本发明燃煤锅炉烟气细颗粒物的脱除装置一种实施例的结构示意图；

图2是本发明装置中扰流柱位于撞击流相变室水平中心线3/8位置处的烟气与蒸汽混合物的速度矢量图；

图3是本发明中扰流柱位置相比于图2向流体上游移动得到的烟气与蒸汽混合物的速度矢量图；

图4是本发明中扰流柱位置相比于图2向流体下游移动得到的烟气与蒸汽混合物的速度矢量图；

图5是经过图2的装置团聚前后的粒径分布对比图。

图1中：1－烟气蒸汽引射器；2－撞击流相变室；3－高效除雾器；4－烟气出口；11－烟气导管；12－蒸汽添加喷嘴；21－扰流柱。

具体实施方式

下面结合实施例及其附图进一步详细说明本发明，但并不以此作为对本申请权利要求保护范围的限定。

本发明燃煤锅炉烟气细颗粒物的脱除装置(简称装置，参见图1)包括2n(n≧1)个烟气蒸汽引射器1、撞击流相变室2和高效除雾器3，2n个烟气蒸汽引射器1沿撞击流相变室2的主体的中心呈中心对称布置，且位于撞击流相变室2的前部，在撞击流相变室2的出口处连接有高效除雾器3；所述烟气蒸汽引射器1包括烟气导管11和蒸汽添加喷嘴12，蒸汽添加喷嘴12设置在烟气导管11的入口处；所述撞击流相变室2的水平方向和竖直方向的长度比为1-1.6:1，撞击流相变室2内设置有扰流柱21，扰流柱作为漩涡发生器，撞击后的气流经过扰流柱后产生漩涡，增加颗粒的碰撞几率和在相变室内的停留时间，在高效除雾器3的尾部设有烟气出口4。

本发明装置的进一步特征在于所述扰流柱21设置于撞击流相变室2的沿水平方向中心线5/16-5/8位置处，扰流柱的位置影响漩涡的位置、大小和数量，影响颗粒的团聚效果，经优化得到扰流柱的较佳位置，且在该位置处，扰流柱形成的漩涡能够比较均匀地布满撞击流相变室，保证漩涡的形成效果。

本发明装置的进一步特征在于所述撞击流相变室2为长方体或圆柱形。

本发明装置的进一步特征在于所述撞击流相变室2的内衬涂有耐蚀低表面能材料，如采用RLHY-901防腐涂料，低表面能材料粘度小，可以减少水汽在壁面的凝结，可增加水蒸汽凝结于颗粒表面的几率，节省水蒸汽用量。

本发明装置的进一步特征在于所述高效除雾器3为高效丝网除雾器，细颗粒物凝结长大后成为外表面覆盖一层液膜的含尘雾滴，通过该高效丝网除雾器，能够更好地脱除凝并长大的颗粒以及过程中凝结的液滴。

本发明中烟气蒸汽引射器1的数量与烟气流量的大小有关，烟气蒸汽引射器中，烟气引射蒸汽，控制烟气和蒸汽的流量比例，完成烟气的预混合，对称设置的相向而来的两个烟气导管对喷，实现两股烟气的撞击，促进颗粒的碰撞。

本发明燃煤锅炉烟气细颗粒物的脱除工艺(简称工艺)的具体步骤是：

1)烟气与蒸汽预混合

在烟气蒸汽引射器1中，烟气引射蒸汽，控制烟气和蒸汽的流量比例，使烟气过饱和度S增至S＝1.02～1.2，过饱和度在此范围内是发生蒸汽相变团聚的前提条件，水蒸汽与颗粒发生异质成核(即蒸汽相变团聚)，得到蒸汽烟气混合物，过饱和蒸汽凝结于细颗粒物表面，使细颗粒物长大；

2)撞击流细颗粒团聚

经过步骤1)预混合后，来自对称设置的烟气导管11中的两股蒸汽烟气混合物进入撞击流相变室2中，以10～20m/s的速率相向进入撞击流相变室2的主体中，烟气与蒸汽混合物相互撞击，形成一个高度湍动、细颗粒物浓度极高的撞击区，促进过饱和蒸汽与细颗粒物表面的接触；同时，表面凝结有水膜的细颗粒物之间发生相互碰撞凝并，使细颗粒物粒度进一步增大；

3)湍流聚并，脱除大颗粒

经过步骤2)撞击流细颗粒团聚后，在撞击区后设置扰流柱21，形成漩涡，使大颗粒与小颗粒分离，漩涡处增加了小颗粒物浓度，有利于小颗粒物的凝结长大；并且增加了小颗粒的团聚时间，小颗粒在漩涡中继续团聚长大，同时漩涡增加颗粒之间的碰撞机会，增强颗粒的团聚效果；经团聚得到的大颗粒在离心作用下随气流流向撞击流相变室2的出口，凝并长大的颗粒物再经高效除雾器3脱除，由烟气出口4排出。

本发明中所述的烟气是指经过燃煤锅炉脱硫设备，在脱硫过程中已被脱除了含硫元素和大颗粒后的烟气；烟气经过脱硫处理，烟气湿度≧70％，温度为45～60℃。所述烟气细颗粒物是指空气动力学直径小于2.5μm的颗粒，在湿法烟气脱硫后，细颗粒物主要为2.5μm以下的烟尘颗粒，以及脱硫过程中形成的(NH₄)₂S0₃、(NH₄)₂S0₄等气溶胶微粒,还含有一些重金属元素和锅炉运行过程中形成的细小水滴和脱硫液形成的液滴等。

实施例1

本实施例燃煤锅炉烟气细颗粒物的脱除装置(简称装置，参见图1)包括2个烟气蒸汽引射器1、撞击流相变室2和高效除雾器3，2个烟气蒸汽引射器1沿撞击流相变室2的主体的中心呈中心对称布置，且位于撞击流相变室2的前部，在撞击流相变室2的出口处连接有高效除雾器3；所述烟气蒸汽引射器1包括烟气导管11和蒸汽添加喷嘴12，蒸汽添加喷嘴12设置在烟气导管11的入口处；所述撞击流相变室2的水平方向和竖直方向的长度比为1.6:1，撞击流相变室2内设置有扰流柱21，扰流柱作为漩涡发生器，撞击后的气流经过扰流柱后产生漩涡，增加颗粒的碰撞几率和在相变室内的停留时间，在高效除雾器3的尾部设有烟气出口4。

本实施例中烟气由全自动燃煤锅炉产生，烟气量为60Nm³/h，采用湿式氨法脱硫工艺，经脱硫后烟气温度由80℃降至45℃，相对湿度96％。脱硫烟气由一对烟气蒸汽引射器1相向进入撞击流相变室2，撞击速度为18m/s，每Nm³烟气注入0.02kg常压饱和蒸汽，使烟气过饱和度S达到1.1左右，撞击流相变室2采用长方形结构，长宽分别为80cm、50cm，图2中扰流柱位于撞击流相变室水平中心线3/8位置处，图3中扰流柱位于撞击流相变室水平中心线5/16位置处，图4中扰流柱位于撞击流相变室水平中心线5/8位置处，撞击流相变室的出口处安装高效丝网除雾器。在图2较优扰流柱位置条件下，经ELPI实时在线测量，添加蒸汽后，如图5所示，高效丝网除雾器出口细颗粒物粒径增大，数浓度脱除率达到70.2％。

图2为撞击流相变室内扰流柱位于撞击流相变室水平中心线3/8位置处的烟气与蒸汽混合物的速度矢量图，从图2中可以看出含尘烟气经烟气导管11进入撞击流相变室2内，形成对喷发生撞击；流经扰流柱21后，形成两组漩涡，分别位于扰流柱上游和下游，两组漩涡在撞击流相变室2的水平中心线两侧对称分布。烟气中的颗粒在漩涡的作用下发生分离，小颗粒被卷吸进入漩涡中心，增加小颗粒在撞击流相变室2内的停留时间，从而增加小颗粒的团聚时间；同时漩涡增加颗粒之间的碰撞机会，增强颗粒的团聚效果。

图3是本发明中扰流柱位置相比于图2向撞击流相变室2的入口方向移动，扰流柱位于撞击流相变室水平中心线5/16位置处，得到的烟气与蒸汽混合物的速度矢量图；从图3可以看出，将扰流柱的位置相对于图2沿相变室中心线向撞击流相变室2入口方向移动后，两组漩涡的整体位置也向入口方向移动，且形成的漩涡直径与图2相比变小，漩涡距离撞击流相变室2的出口较远，漩涡的形成对接近撞击流相变室2出口的颗粒凝聚作用相对减小。

图4是本发明中扰流柱位置相比于图2向撞击流相变室2的出口方向移动，扰流柱位于撞击流相变室水平中心线5/8位置处，得到的烟气与蒸汽混合物的速度矢量图；从图4可以看出，将扰流柱的位置相对于图2沿相变室水平中心线向撞击流相变室2的出口方向移动后，仅在扰流柱上游形成了漩涡，漩涡数量由4个变为2个，漩涡对颗粒的分离和团聚时间的增加作用相对减弱。

图5是经过本实施例扰流柱位于撞击流相变室水平中心线3/8位置处(参见图2)的装置团聚前后的粒径分布对比图，即初始粒径与团聚后粒径分布对比，从图中可知，经团聚后，颗粒粒径明显变大，且从粒径分布上来看团聚后大于3μm的颗粒占多数，为较大颗粒，可被脱除，且脱除效果明显。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (4)

1.一种燃煤锅炉烟气细颗粒物的脱除装置，其特征在于该装置包括2n个烟气蒸汽引射器、撞击流相变室和高效除雾器，2n个烟气蒸汽引射器沿撞击流相变室的主体的中心呈中心对称布置，且位于撞击流相变室的前部，在撞击流相变室的出口处连接有高效除雾器；所述烟气蒸汽引射器包括烟气导管和蒸汽添加喷嘴，蒸汽添加喷嘴设置在烟气导管的入口处；所述撞击流相变室的水平方向和竖直方向的长度比为1-1.6:1，撞击流相变室内设置有扰流柱，在高效除雾器的尾部设有烟气出口；所述扰流柱设置于撞击流相变室的沿水平方向中心线5/16-5/8位置处；

利用上述的燃煤锅炉烟气细颗粒物的脱除装置进行燃煤锅炉烟气细颗粒物脱除的具体步骤是：

1)烟气与蒸汽预混合

在烟气蒸汽引射器中，烟气引射蒸汽，控制烟气和蒸汽的流量比例，使烟气过饱和度S增至S＝1.02～1.2，水蒸汽与颗粒发生异质成核，得到蒸汽烟气混合物，过饱和蒸汽凝结于细颗粒物表面，使细颗粒物长大；

2)撞击流细颗粒团聚

经过步骤1)预混合后，来自对称设置的烟气导管中的两股蒸汽烟气混合物进入撞击流相变室中，以10～20m/s的速率进行撞击，流向撞击流相变室的主体中，两股烟气与蒸汽混合物相互撞击，使细颗粒物撞击团聚使粒度进一步增大；

3)湍流聚并，脱除大颗粒

经过步骤2)撞击流细颗粒团聚后，在撞击区后设置扰流柱，形成较大漩涡的流场结构，颗粒在漩涡中旋转，大大增强颗粒的碰撞团聚效果；经团聚得到的大颗粒在离心作用下随气流流向撞击流相变室的出口，凝并长大的颗粒物再经高效除雾器脱除，由烟气出口排出。

2.根据权利要求1所述的燃煤锅炉烟气细颗粒物的脱除装置，其特征在于所述撞击流相变室为长方体或圆柱形。

3.根据权利要求1所述的燃煤锅炉烟气细颗粒物的脱除装置，其特征在于所述撞击流相变室的内衬涂有耐蚀低表面能材料。

4.根据权利要求1所述的燃煤锅炉烟气细颗粒物的脱除装置，其特征在于所述高效除雾器为高效丝网除雾器。