CN106693651B - 一种生物质锅炉多效液相冷凝烟气净化装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生物质锅炉多效液相冷凝烟气净化装置，包括一次烟道和二次烟道，所述一次烟道内设置有螺旋盘管换热器，所述螺旋状盘管换热器连通冷介质提供装置；所述一次烟道的一端为烟气进口，另一端为烟气出口，所述烟气出口没入一液体净化箱内，所述液体净化箱内盛载有碱性液体；所述二次烟道的一端为烟气入口，另一端为烟气排出口，所述烟气入口与所述液体净化箱相连通；所述二次烟道内设置有雾化喷淋器。通过一次烟道、液体净化箱和二次烟道的设置，实现多效液相冷凝烟气净化的效果。

Description

一种生物质锅炉多效液相冷凝烟气净化装置

技术领域

本发明涉及烟气净化技术领域，具体涉及一种生物质锅炉多效液相冷凝烟气净化装置。

背景技术

资源、能源、环境和社会的良性互动是可持续发展的生态文明社会建设的方向。目前，我国城市拥有大量的燃煤锅炉，其中大都分布在城区内及城市周边，由于烧的都是含硫量高的劣质煤，因锅炉无脱硫装置，加上操作低等因素，冒黑烟、硫污染等直接影响了城市及周边的空气质量，为此，取消城市煤锅炉及煤改气、电的呼声很高，且许多城市已采取了行动，但由于气源紧张、电价昂贵，而城市热力又达不到的区域，收效甚微。用清洁的生物质燃料替代煤，在城市锅炉内使用就成为首选。2016年中国生物质锅炉行业发展现状调研及投资前景分析报告认为，我国目前有工业锅炉约50多万台，每年耗煤量约为全国煤耗总量的1/3，由燃煤工业锅炉造成的环境污染非常严重，大量的工业锅炉必须换用洁净能源。根据我国的生物质资源条件，利用农林剩余物作为锅炉燃料使用则具有环境友好、可以再生的特点，研究工业锅炉生物质燃烧技术，开发生物质燃料锅炉，对节约常规能源、优化我国能源结构，减轻环境污染有着积极意义。

生物质燃料燃烧污染物排放主要为少量的大气污染物及可综合利用的固体废弃物。生物质燃料纤维素含量高，为70％左右；硫含量大大低于煤；燃料密度大，便于贮存和运输；产品形状规格多，利用范围广；热值与中质煤相当，燃烧速度比煤快11％以上，燃烧充分、黑烟少、灰分低、环保卫生；另在采取配套的脱硫除尘装置后，大气污染物排放种类少、浓度低。燃气锅炉排放标准为：SO₂≤100mg/m³、烟尘≤100mg/m³。生物质燃料锅炉燃烧后大气污染物排放浓度远低于国家标准。生物质燃料锅炉燃烧固体废弃物主要为燃烧后的灰分，可以回收做钾肥，资源综合利用。生物质燃料的环境效益主要体现在以下几方面：

(1)生物质燃料代替煤等常规能源，能减少大气污染物的排放量，有效改善城乡空气环境质量。生物质燃料中硫的含量不到煤炭的其替代煤燃烧能有效地减少大气中二氧化硫的排放量(2)燃烧后的固体废物可综合利用，灰分可以回收做钾肥，实现“秸秆——燃料——肥料”的有效循环。仅秸秆而言，我国每年农作物秸秆产重约为7.06亿千吨，河南省每年达7000万千吨，占全国的1/10。若秸秆等废弃的农作物自然腐烂，将产生大量的甲烷，通常认为甲烷气体的温室效应是二氧化碳的21倍。将废弃的农作物做成燃料，既变废为宝，节约资源，又可减排温室气体，保护环境。

目前虽然我国已经有相当规模的生物质燃料锅炉研发使用，我国严峻的锅炉排放污染尤其是大气污染成为广大生物质锅炉研发人员和环境保护工作者不得不考虑的目标，尤其针对生物质燃料锅炉烟气净化的装置却一直未有突破，一直在沿用以往燃煤锅炉烟气净化工艺和装置，一方面生物质锅炉烟尘尤其独特性质，比如SO、NO含量较低，灰分较低，挥发份较大等，现有的燃煤锅炉烟气净化工艺复杂，设备成本较高，不适合直接用来进行生物质锅炉烟气净化，另外一方面，我国中小型生物质锅炉数量大，但生产投资成本低，现有的烟气净化工艺系统成本较高，不适合用作生物质锅炉烟气净化，亟需研发出一种除尘效果好，设备操作简单，净化功能多样，生产成本低的适用于中小型生物质锅炉使用的烟气净化设备。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明旨在提供一种生物质锅炉多效液相冷凝烟气净化装置，针对中小型生物质锅炉排放实际情况，研发出一种适用于中小型生物质锅炉烟气除尘、净化、脱硫、余热利用的烟气净化设备，重点研究了该套设备的工艺设计、系统计算、设备选择及使用效果等内容。建立了烟气高效净化、余热回收利用、具备高效脱硫效果有机地结合于一体的适用于中小型生物质燃料锅炉烟气净化技术，研发出以烟气除尘为重点，以烟气脱硫为核心，结合烟气余热利用为一体的一种生物质燃料锅炉烟气多效液相冷凝烟气净化工艺与设备。提高生物质燃料锅炉烟气净化效果，促进我国中小型生物质锅炉良性循环和农业资源的可持续利用，降低烟气净化购置和使用成本，增加生物质锅炉使用经济效益，保护生态环境，实现生物质锅炉烟气生态化和资源化处理。整个烟气净化技术可实现低碳生产，具有巨大的推广应用前景。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种生物质锅炉多效液相冷凝烟气净化装置，包括一次烟道和二次烟道，所述一次烟道内设置有螺旋盘管换热器，所述螺旋状盘管换热器连通冷介质提供装置；所述一次烟道的一端为烟气进口，另一端为烟气出口，所述烟气出口没入一液体净化箱内，所述液体净化箱内盛载有碱性液体；所述二次烟道的一端为烟气入口，另一端为烟气排出口，所述烟气入口与所述液体净化箱相连通；所述二次烟道内设置有雾化喷淋器。

进一步地，所述一次烟道和二次烟道均为立式设置，所述一次烟道的上端为烟气进口，下端为烟气出口；所述二次烟道的上端为烟气排出口，下端为烟气入口，所述雾化喷淋器设于所述二次烟道内部的上部，并且喷淋方向朝着所述烟气入口。

进一步地，所述二次烟道内设置有多层旋流板，所述旋流板的旋流方向与所述雾化喷淋器的喷淋方向相反；所述二次烟道内靠近烟气排出口处，往烟气排出口的方向依次设有一层除雾脱水板和引风机。

进一步地，所述液体净化箱内设置有排管换热器，所述排管换热器连通于另一冷介质提供装置。

进一步地，所述雾化喷淋器通过循环泵连通于所述液体净化箱。

进一步地，所述液体净化箱的底部设置有料渣分离斗，所述料渣分离斗的底部设有可开合的盖体。

进一步地，所述冷介质提供装置为水循环装置，其连通于热水型干燥设备。

更进一步地，所述冷介质提供装置为水循环装置，其连通于热水型干燥设备。

利用上述生物质锅炉多效液相冷凝烟气净化装置进行生物质锅炉多效液相冷凝烟气净化的方法，包括如下步骤：

S1生物质锅炉烟气从一次烟道的烟气进口进入一次烟道，在螺旋状盘管换热器的导向下，烟气中的烟尘经过旋风分离后沿着气壁被烟气吹入液体净化箱中，实现烟气的初次除尘；烟气在经过一次烟道的过程中还与螺旋状盘管换热器内的冷介质发生热交换；冷介质提供装置为所述螺旋状盘管换热器提供冷介质；

S2烟气在液体净化箱内与碱性液体作用，形成鼓泡作用，进行初步脱硫、再次除尘后进入经过二次烟道的烟气入口进入二次烟道内；

S3二次烟道的雾化喷淋装置不断将碱性液体以水雾的方式喷淋，旋流板旋流方向和雾化喷淋器方向相反，从液体净化箱出来并通过烟气入口进入的烟气在旋流板的作用下，形成逆向旋流气流，与雾化喷淋下来的碱性水雾从相反方向接触，由于气液差速相对运动，强化了液膜更新，液滴和粘附聚并的尘粒在离心力的作用下抛向塔壁，向下流动，再次受边界层气液冲击，二次烟道内壁液膜被破坏而卷入气流中，形成沸腾床，流入液体净化箱内；烟气中的硫氧化物气体与雾化的碱性水滴接触反应生成亚硫酸和硫酸盐随水膜流入液体净化箱内，排入渣料分离斗；定期打开渣料分离斗底部的可开合盖对流入渣料分离斗内的固体废料进行清理；

S4烟气上升经除雾脱水板的阻挡分离水滴，然后经引风机引向二次烟道的烟气排出口排出。

需要说明的是，步骤S2中，烟气在液体净化箱内与碱性液体作用所发生的热量经由排管换热器传递中流经排管换热器的冷介质中，该冷介质由另一冷介质提供装置提供；

当所述冷介质提供装置为水循环装置时，冷介质经过螺旋状盘管换热器与烟气进行热交换后流入热水型干燥设备中，热量用于对生物质成型燃料进行干燥；

当所述另一冷介质提供装置也为水循环装置时，冷介质经过排管换热器吸收热量后流入热水型干燥设备中，该热量用于对生物质成型燃料进行干燥。

本发明的有益效果在于：

(1)一次烟道采用螺旋换热、旋风分离一体化设计。一次烟道中设立螺旋状换热盘管，一方面起到旋风分离器的作用，使得烟气中的烟尘经过旋风分离后沿着气壁被烟气吹入水箱中，另一方面起到换热盘管的作用，进行烟气余热换热利用，通过控制盘管液体流速控制一次排烟温度，降低烟气中有害金属离子的排放。

(2)实现高压、低压多效液相冷凝换热余热利用设计，在高压区(一次烟道)利用螺旋盘管主要进行烟气换热，降低炉膛排烟温度，降低烟气中NOx、温室气体和其它有害物质如重金属离子、类金属离子的浓度。在低压区(二次烟道)利用雾化喷淋、液相冷凝进行余热的二次换热，进一步降低烟气温度，实现烟气温度的达标排放。通过二次余热换热实现排烟余热的梯级利用，显著降低排烟温度，实现烟气余热梯级利用。

(3)采用旋流逆向多级反复脱硫除尘设计。在二次烟道的基础上，加装多层逆向旋流板，1层除雾脱水板，并增加脱水干燥段。旋流板旋流方向和雾化喷淋器方向相反，从净化水箱出来的烟气在旋流板的作用下，形成逆向旋流气流，与雾化喷淋器喷淋下来的碱性水雾从相反方向接触，由于气液差速相对运动，强化了液膜更新，液滴和粘附聚并的尘粒在离心力的作用下抛向塔壁，向下流动，再次受边界层气液冲击，塔壁液膜被破坏而卷入气流中，形成“沸腾床”，气液得以充分接触并延长了反应时间，提高了除尘、脱硫的反应效率。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为不同喷淋高度位置对雾化液滴粒径的影响示意图；

图3为喷淋高度为1500mm时，不同雾化角在Y轴方向上粒径分布示意图；

图4为不同喷嘴间距对喷淋雾化Z轴上粒径分布示意图；

图5为雾化喷淋的控制系统的系统一次图；

图6为雾化喷淋的控制回路示意图；

图7为碱性液体循环处理工艺流程示意图；

图8为模糊逻辑调节器结构示意图；

图9为输入量、输出量模糊子集G、EI、EO、U对应的隶属度函数示意图；

图10为三维模糊逻辑推理机的输入输出关系示意图；

图11为U与G、EI、EO之间的关系示意图；

图12为烟气净化装置进出口温度曲线示意图；

图13为烟气净化装置进出口烟尘浓度曲线示意图；

图14为烟气净化装置进出口SO₂浓度曲线示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明作进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围并不限于本实施例。

如图1所示，一种生物质锅炉多效液相冷凝烟气净化装置，包括一次烟道1和二次烟道2，所述一次烟道1内设置有螺旋盘管换热器3，所述螺旋状盘管换热器3连通冷介质提供装置(图中未示)；所述一次烟道1的一端为烟气进口11，另一端为烟气出口12，所述烟气出口11没入一液体净化箱4内，所述液体净化箱4内盛载有碱性液体；所述二次烟道2的一端为烟气入口21，另一端为烟气排出口22，所述烟气入口21与所述液体净化箱4相连通；所述二次烟道2内设置有雾化喷淋器5。

进一步地，所述一次烟道1和二次烟道2均为立式设置，所述一次烟道1的上端为烟气进口11，下端为烟气出口12；所述二次烟道2的上端为烟气排出口22，下端为烟气入口21，所述雾化喷淋器5设于所述二次烟道2内部的上部，并且喷淋方向朝着所述烟气入口21。

进一步地，所述二次烟道2内设置有多层旋流板6，所述旋流板6的旋流方向与所述雾化喷淋器5的喷淋方向相反；所述二次烟道2内靠近烟气排出口22处，往烟气排出口22的方向依次设有一层除雾脱水板9和引风机10。

进一步地，所述液体净化箱4内设置有排管换热器7，所述排管换热器7连通于另一冷介质提供装置(图中未示)。

进一步地，所述雾化喷淋器5通过循环泵连通于所述液体净化箱4。通过循环泵将雾化喷淋器和液体净化箱连通起来，可以实现碱性液体的循环使用。

进一步地，所述液体净化箱4的底部设置有料渣分离斗8，所述料渣分离斗8的底部设有可开合的盖体81。料渣分离斗是一个锥形的结构，和液体净化箱底部直接焊接，液体净化箱内的固体顺着锥形器壁沉积在料渣分离斗的底部，隔一定时间打开底部的可开合的盖体将固体废料排掉。

进一步地，所述冷介质提供装置为水循环装置，其连通于热水型干燥设备。

更进一步地，所述冷介质提供装置为水循环装置，其连通于热水型干燥设备。

通过采用水循环装置，可以充分利用净化过程中产生的热量。

利用上述生物质锅炉多效液相冷凝烟气净化装置进行生物质锅炉多效液相冷凝烟气净化的方法，包括如下步骤：

S1生物质锅炉烟气从一次烟道的烟气进口进入一次烟道，在螺旋状盘管换热器的导向下，烟气中的烟尘经过旋风分离后沿着气壁被烟气吹入液体净化箱中，实现烟气的初次除尘；烟气在经过一次烟道的过程中还与螺旋状盘管换热器内的冷介质发生热交换；冷介质提供装置为所述螺旋状盘管换热器提供冷介质；

S2烟气在液体净化箱内与碱性液体作用，形成鼓泡作用，进行初步脱硫、再次除尘后进入经过二次烟道的烟气入口进入二次烟道内；

S3二次烟道的雾化喷淋装置不断将碱性液体以水雾的方式喷淋，旋流板旋流方向和雾化喷淋器方向相反，从液体净化箱出来并通过烟气入口进入的烟气在旋流板的作用下，形成逆向旋流气流，与雾化喷淋下来的碱性水雾从相反方向接触，由于气液差速相对运动，强化了液膜更新，液滴和粘附聚并的尘粒在离心力的作用下抛向塔壁，向下流动，再次受边界层气液冲击，二次烟道内壁液膜被破坏而卷入气流中，形成沸腾床，流入液体净化箱内；烟气中的硫氧化物气体与雾化的碱性水滴接触反应生成亚硫酸和硫酸盐随水膜流入液体净化箱内，排入渣料分离斗；定期打开渣料分离斗底部的可开合盖对流入渣料分离斗内的固体废料进行清理；

S4烟气上升经除雾脱水板的阻挡分离水滴，然后经引风机引向二次烟道的烟气排出口排出。

需要说明的是，步骤S2中，烟气在液体净化箱内与碱性液体作用所发生的热量经由排管换热器传递中流经排管换热器的冷介质中，该冷介质由另一冷介质提供装置提供；

当所述冷介质提供装置为水循环装置时，冷介质经过螺旋状盘管换热器与烟气进行热交换后流入热水型干燥设备中，热量用于对生物质成型燃料进行干燥；

当所述另一冷介质提供装置也为水循环装置时，冷介质经过排管换热器吸收热量后流入热水型干燥设备中，该热量用于对生物质成型燃料进行干燥。

以下将对本发明作进一步的描述和说明。

二次烟道设计

二次烟道雾化喷淋除尘可分切向出风和轴向出风两种类型，实际的应用和测定表明,轴向出风式无论是气流流动的对称性还是稳定性均优于切向出风式。本发明中二次烟道采用轴向出风方式。

二次烟道试验模型结构尺寸和试验条件如表1所示：

表1

令r₁＝2/3r_e,分别计算出三个无量纲数:

(面积比)

(高径比)

(斯托克斯数)

由上式可知,当二次烟道内的切向风速或除尘器的入口风速不变时，适当增加二次烟道高度或减少二次烟道直径，加大高径比C，或者适当增大捕尘空间断面积或减小入风口断面积，加大面积比或者适当增加斯托克斯数S_t,都可以在一定程度上提高除尘效率。在本实验条件下，选择高径比C＝2.5～4.0面积比时，除尘效果最佳。所以二次烟道高度可以设定为1800mm，直径为600mm，面积为3.4m²。

雾化喷淋装置设计

本发明中喷淋装置采用封闭循环系统，循环泵扬程为16-20m，流量为10-68L/min，电压为220v。碱性液体在喷嘴雾化作用下形成液滴，受到重力作用，浮力作用与空气阻力作用，当重力等于浮力与阻力之和，液滴匀速运动，此时液滴速度为被风携带的临界速度，又称沉降速度。液滴在空间内沉降速度计算公式参照颗粒计算公式，公式如下:

当雾化喷淋装置喷淋流量过小，易形成沟流，长期运行则造成结坂，当喷淋量过大时，则会造成对碱性液体的浪费，同时加重循环泵的负担。合理的喷嘴排布方式及喷嘴选型可在较小水量下实现液膜均匀分布。本发明的喷琳装置选用多通道喷渐的方式。

喷嘴雾化特性研究

1)喷淋高度

图2为不同高度下单喷嘴雾化特性测试，此时选用喷嘴角度65度，流量为13.4L/min。由图可知，随着喷淋高度的升高，平均粒径减小，同时其粒径分布越均匀。平均粒径随轴位置分布，在呈现三峰分布，降低喷淋高度时，粒径分步则呈现V型分布，波动范围增大，粒径分步均匀性也降低。当喷嘴位置于处1500mm时喷淋波动较小，液滴无飞溅情况，水利用率高，由此可知喷淋高度的提高有助于形成均匀液膜。

2)不同雾化角对雾化液滴粒径的影响

图3为喷淋高度为1500mm时，不同雾化角在Y轴方向上粒径分布，由图可知，随着雾化角的增大平均粒径减小，同时其粒径分布越均匀。喷嘴雾化角为90度时，液滴运动到壁面扩展更易形成均勾液膜。

3)不同喷臂间距对雾化液滴粒径的影响

图4为不同喷嘴间距对喷淋雾化Z轴上粒径分布，此时选用喷臂角度为90度，流量为13.4L/min。由图4可知，喷臂间距为10mm时，粒径随位置变化呈现双峰分布，喷嘴间距为15mm时，粒径随位置变化呈现三峰分布。可知随着喷嘴间距增加，液滴平均粒径增大，分布波动性减小，分步更为均匀。

综上可知，嘴雾化角越大，喷淋高度越高，雾化平均粒径分布越均匀，分布波动越小。喷淋间距越大，平均粒径分布越均匀，液膜分布越均匀。因此雾化喷淋喷管高度在选定为1500mm，喷头间距为15mm，喷淋角度为90度。

雾化喷淋器的控制系统设计

雾化喷淋是烟气除尘和脱硫的重要环节，由于不同阶段对雾化喷淋的要求不同，雾化喷淋器需要实现变频控制，以最大可能降低能耗。雾化喷淋器的控制系统主要由控制柜、变频控制器柜、雾化喷淋器三部分构成。变频器采用(AB)公司的1336plus型，系统控制主回路部分主要由异步电动机、1336PLUS变频器等组成。系统一次图如图5所示，控制回路如图6所示。

在控制回路中,变频器是主要器件。异步电动机的转速:

n＝n_o(1-s)＝60f₁/p(1-s)

式中f_l为定子供电频率，p为电动机极对数,s为转差率

若能连续改变异步电动机供电频率f_l，就可以平滑地改变电动机的同步转速和相应的电动机的转速，从而实现异步电动机的无极调速。变频调速的最大特点是电动机从高速到低速，其转差率始终保持最小的速值，从而提高了异步电动机的功率因数。三相异步电动机定子每相电动势的有效值:

E₁＝4.44f₁N₁kN₁φm

E₁为气隙磁通在定子每相中感应电动势有效值，单位为v；N_I为定子绕组每相串联匝数；KN₁为基波绕组系数；φ_m为每极气隙磁通量，单位为Wb。

变频调速有两种调速情况:

l)基频以下调速,要保持步m不变,E_l/f_l＝常数,这类称为恒压比控制方式。按照电力拖动原理,基频以下属于恒转矩调速。

2)基频以上调速,由于频率从f_lN上增高，但电压U1不能增加得比额定电压U1N还要大，只能保持U1＝U1N。这将迫使磁通与频率成反比减少，相当与直流电动机弱磁升速的情况，称为恒转矩调速。变频器主要由主回路、控制回路和保护功能三大块组成,主回路由变流器、滤波回路、逆变器等组成。

碱性液体循环设计

碱性液体循环是以碱性循环水吸收SO₂，主要在二次烟道旋流雾化喷淋和液体净化箱中进行。碱性液体用石灰乳化再生，在反应池和沉灰池中完成,生成的CaSO₃和副产物CaSO₄与灰渣共沉在料渣分离斗中，当液体净化箱中水质恶化或是排放的液体液位低于设定值时，由清水池补加水。

再生水的pH值由加入的石灰乳控制,一般控制在9左右，适时补充一定量的Na₂CO₃溶液以维持再生脱硫液中的Na⁺浓度,确保脱硫率。脱硫后的废液从脱硫除尘塔底部的溢流口排出,流入反应池,与石灰乳进行再生反应,经沉淀后,流入清水池。清液由循环泵从雾化喷淋器的喷淋口送入,这样碱性液体就处在“脱硫除尘—再生、沉淀—脱硫除尘”的循环使用过程。运行过程中不会有CaSO₃进入管道系统和喷淋系统，造成系统结垢，运行不稳定。

碱性液体循环处理工艺流程如图7所示。

余热利用热交换器及温度调控系统的设计

烟气温度是生物质锅炉燃烧的重要影响因素，烟气温度过高，排烟中氮氧化物和硫氧化物以及其他毒害物质含量就会显著升高，另一方面锅炉烟气的余热利用也是提高锅炉燃烧效率的有效手段，本研究中为了最大程度的降低烟气排烟温度，采用二次换热模式进行余热利用，第一阶段是在烟气出口端一次烟道内设置螺旋盘管换热器进行换热，第二阶段是换热后的烟气进入到液体净化箱内与碱性液体反应脱硫，在液体净化箱内设置排管换热器进行二次换热，换热后的烟气进入二次烟道。换热器的热水主要作为燃料干燥以及锅炉进水加热，从而提高锅炉的整体效率。为了保证排烟温度稳定以及烟气净化器的稳定性，需要对换热器进行温度调节系统的设计。

(1)热交换器及温度调控系统的设计

为了提高一次烟道烟气换热效率，采用安装在循环管路上的蛇管式换热器，通过控制柜对换热器进行温度调节控制换热烟气温度，可使烟气在盘旋下降过程中进行混合循环，同时进行换热，既延长了烟气在一次烟道的路径，保证烟气温度换热充分进行，又降低了烟气净化装置的生产制作成本。

但是由于烟气温度不仅受换热器的控制，还受到液体净化箱碱性液体温度以及环境温度的影响，另外烟气SO₂与碱性液体发生中和反应会放出反应热，以及烟气中可溶物质溶剂水中的溶解热，整个过程中不断有热量释放出来，而且烟气温度随着燃烧不同阶段不相同，在各个阶段释放出的热量也有差异，难以用精确的数学模型进行表达；另外由于一次烟道中换热管路长，传热过程较长，温度测试设备所显示的烟气实际温度有较大的滞后，因此，整个烟气净化过程中烟气温度变化具有非线性、大滞后、无精确数学模型和影响参数具有时变性的特点。单纯依靠换热器保持衡定温度进行反应过程温度的控制，不仅容易造成烟气温度波动浮动大，调节滞后等问题，影响到锅炉的燃烧，还会造成能源的浪费。

模糊逻辑控制是近几十年发展起来的一种智能模糊逻辑控制方法，由于模糊逻辑控制的鲁棒性好，对大滞后和被控参数的变化不敏感，因此对于影响因素多、影响因素不稳定，且无精确数学模型的过程有很好的控制效果，本发明采用模糊逻辑规则调整热交换器的温度，进行烟气温度控制能够满足烟气净化过程中对烟气温度稳定的要求，可为生物质锅炉燃烧提供良好的排烟温度环境条件，显著提高烟气余热换热效率。

本发明设计了MISO模糊逻辑调节器，通过该调节器可根据液体净化箱液体温度、烟气温度、环境温度对换热器的水温进行调节，消除烟道内烟气温度响应滞后和受多种外界因素影响的问题，MISO模糊逻辑调节器输入量为烟气温度g、下水箱碱水温度与设定温度T_s(31℃)的偏差ei、环境温度与T_s的偏差eo。输出量为加热水箱中的水温u，模糊逻辑调节器结构如图8所示。

2)模糊逻辑调节器设计

①确定输入量、输出量基本论域及模糊子集论域

输入量：输入量为烟气温度g、水箱碱水液温度与设定温度T_s(31℃)的偏差ei、环境温度与T_s的偏差e_o。

输出量：输出量为加热水箱中的水温u。

根据实验过程要求得到的数据确定输入量、输出量的基本论域。

输入量基本论域为：烟气温度g的基本论域为[50℃，200℃]；水箱液温度与设定温度T_s(155℃)的偏差ei的基本论域为[-3℃，3℃]；环境温度与T_s的偏差eo的基本论域为[0℃,30℃]。

输出量u的基本论域为[20℃，80℃]。

当g、ei、eo、u大于基本论域最大值时，定义为最大值；小于基本论域最小值时，定义为最小值。

②模糊子集的分布和形状确定

输入量、输出量模糊子集G、EI、EO、U对应的隶属度函数采用三角形函数，如图9所示。

G取5个语言值分别表示：SS(零烟气温度)、MS(弱烟气温度)、M(中烟气温度)、MB(中强烟气温度)、BB(强烟气温度)；

EI、EO分别取7个语言值分别表示：NB(负的最大温度偏差)、NM(负的中温度偏差)、NS(小温度偏差)、ZE(零温度偏差)、PS(正的小温度偏差)、PM(正的中温度偏差)、PB(正的大温度偏差)；

U取5个语言值分别表示：SS(低水箱温度)、MS(较低水箱温度)、M(中水箱温度)、MB(较高水箱温度)、BB(高水箱温度)；

即为：

G＝{SS,MS,M,MB,BB}

EI＝{NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB}

EO＝{NB,NM,NS,ZE,PS,PM,PB}

U＝{SS,MS,M,MB,BB}

③模糊关系的确定及模糊逻辑规则的生成

根据如图10所示，三维模糊逻辑推理机的输入输出关系，输出量为：

式中，R₁、R₂、R₃为规则库，V为输入量的语言值，即光照强度g、反应器内菌液温度偏差ei、环境温度偏差eo的语言值G、EI、EO，O为输出量的语言值U。

相应的模糊关系为：

式中，k＝1,2,3；l为模糊逻辑推理规则数。

由烟气净化装置工艺要求及实验得到MISO模糊逻辑调控规则，见表2

表2

④模糊逻辑推理

用Mamdani推理方法利用Matlab仿真得到输出U与G、EI、EO之间的关系，如图11所示。

在连续烟气净化换热实验中，这种根据烟气温度控制要求和热量传递特点，用采用模糊理论设计的MISO模糊逻辑进行换热器温度的调整和控制，可充分发挥模糊控制对带有大滞后、非线性复杂对象可较好控制的特性，提高了温控系统的适应性，能够根据多项控制参数的变化，实时地调整换热器的控制温度，使烟气温度保持在适宜、稳定的温度范围，采用这种方法对换热器的温度进行调节时，兼顾了环境温度、反应温度和烟气温度对烟气温度的影响，不仅可实现烟道内反烟气温度的控制，还可充分利用可利用的能源，达到节能的效果。

生物质锅炉多效液相冷凝烟气净化装置的连续运行

生物质锅炉多效液相冷凝烟气净化装置经过超过200h的连续运行，设备整体运行稳定。运行过程中各单元内测定参数的变化情况如图12-14所示。

从图12中可以看出，设备连续运行过程中，室外最低温度为16.3℃，最高温度达到38.6℃，温度波动显著，而烟气净化装置进、出口烟气温度变化幅度均较小，进口温度浮动在161±3℃范围内，出口温度波动在62±3℃范围内，说明温度调节装置尤其是模糊控制设置可以很好的调节装置高压区和低压区的烟气排放温度，可以很好的保证锅炉烟气的出口温度低于62℃，降低烟气中有害物的排放。

从图13可以看出，烟气净化装置连续运行时，进出口烟尘浓度波动范围均较小，入口烟尘浓度波动在6030-6280mg/m³范围内，出口烟尘浓度波动在24.3-28.4mg/m³范围内。原料一次烟道旋风除尘、液体净化箱液体洗涤、二次烟道雾化喷淋三级除尘后，烟尘浓度显著下降，烟尘去除率在99.53％-99.61％的范围内小幅度波动，平均烟尘去除率为99.57％。出口烟尘的浓度波动较小，说明系统具有较好的烟尘去除能力和连续运行能力，整体稳定性较好。

从图14可以看出，烟气净化装置续运行时，排烟烟气SO₂浓度平稳，进口烟气SO₂浓度波动在453.5-457.3mg/m3范围内，出口烟气SO₂浓度波动在72.4-79.2mg/m3范围内，SO2去除率波动在82.1％-84.1％,波动范围非常小，平均SO₂去除率为83.42％，说明设备连续运行过程中SO₂去除稳定性较好。

综合来看，生物质锅炉多效液相冷凝烟气净化装置经过200h的连续性生产运行，整体运行稳定，烟气温度、烟气SO₂含量、烟尘含量、SO₂去除率、烟尘去除率等工艺参数和运行指标均较为平稳，出口烟气温度控制在62±3℃范围内，平均出口烟气SO₂浓度为76.6mg/m3，平均SO₂去除率达到83.42％。平均出口烟尘含量为26.18mg/m3，平均烟尘去除率达到99.57％，具有较好的运行稳定性和较高的除尘脱硫效率。多效液相冷凝烟气净化装置性能指标均达到或超过同等类型设备水平，远低于新建使用生物质燃料锅炉大气污染物排放控制指标执行《锅炉大气污染物排放标准》(GB13271-2001)中燃气锅炉的排放标准，多效液相冷凝烟气净化装置性能测试如表3所示。

表3

对于本领域的技术人员来说，可以根据以上的技术方案和构思，作出各种相应的改变和变形，而所有的这些改变和变形都应该包括在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种利用生物质锅炉多效液相冷凝烟气净化装置进行生物质锅炉多效液相冷凝烟气净化的方法，其特征在于：

所述生物质锅炉多效液相冷凝烟气净化装置包括一次烟道和二次烟道，所述一次烟道内设置有螺旋盘管换热器，所述螺旋状盘管换热器连通冷介质提供装置；所述一次烟道的一端为烟气进口，另一端为烟气出口，所述烟气出口没入一液体净化箱内，所述液体净化箱内盛载有碱性液体；所述二次烟道的一端为烟气入口，另一端为烟气排出口，所述烟气入口与所述液体净化箱相连通；所述二次烟道内设置有雾化喷淋器；

所述一次烟道和二次烟道均为立式设置，所述一次烟道的上端为烟气进口，下端为烟气出口；所述二次烟道的上端为烟气排出口，下端为烟气入口，所述雾化喷淋器设于所述二次烟道内部的上部，并且喷淋方向朝着所述烟气入口；

所述二次烟道内设置有多层旋流板，所述旋流板的旋流方向与所述雾化喷淋器的喷淋方向相反；所述二次烟道内靠近烟气排出口处，往烟气排出口的方向依次设有一层除雾脱水板和引风机；

所述方法包括如下步骤：

S1生物质锅炉烟气从一次烟道的烟气进口进入一次烟道，在螺旋状盘管换热器的导向下，烟气中的烟尘经过旋风分离后沿着气壁被烟气吹入液体净化箱中，实现烟气的初次除尘；烟气在经过一次烟道的过程中还与螺旋状盘管换热器内的冷介质发生热交换；冷介质提供装置为所述螺旋状盘管换热器提供冷介质；

S2烟气在液体净化箱内与碱性液体作用，形成鼓泡作用，进行初步脱硫、再次除尘后进入经过二次烟道的烟气入口进入二次烟道内；

S3二次烟道的雾化喷淋装置不断将碱性液体以水雾的方式喷淋，旋流板旋流方向和雾化喷淋器方向相反，从液体净化箱出来并通过烟气入口进入的烟气在旋流板的作用下，形成逆向旋流气流，与雾化喷淋下来的碱性水雾从相反方向接触，由于气液差速相对运动，强化了液膜更新，液滴和粘附聚并的尘粒在离心力的作用下抛向塔壁，向下流动，再次受边界层气液冲击，二次烟道内壁液膜被破坏而卷入气流中，形成沸腾床，流入液体净化箱内；烟气中的硫氧化物气体与雾化的碱性水滴接触反应生成亚硫酸和硫酸盐随水膜流入液体净化箱内，排入渣料分离斗；定期打开渣料分离斗底部的可开合盖对流入渣料分离斗内的固体废料进行清理；

S4烟气上升经除雾脱水板的阻挡分离水滴，然后经引风机引向二次烟道的烟气排出口排出。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2中，烟气在液体净化箱内与碱性液体作用所发生的热量经由排管换热器传递中流经排管换热器的冷介质中，该冷介质由另一冷介质提供装置提供；

当所述冷介质提供装置为水循环装置时，冷介质经过螺旋状盘管换热器与烟气进行热交换后流入热水型干燥设备中，热量用于对生物质成型燃料进行干燥；

当所述另一冷介质提供装置也为水循环装置时，冷介质经过排管换热器吸收热量后流入热水型干燥设备中，该热量用于对生物质成型燃料进行干燥。