CN107166416B - 一种燃气工业锅炉节能与烟气深度净化一体化处理系统及方法 - Google Patents

一种燃气工业锅炉节能与烟气深度净化一体化处理系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种燃气工业锅炉节能与烟气深度净化一体化处理系统及方法。该系统包括依次连接在燃气工业锅炉烟气出口的高温段换热器、低温段换热器、低温等离子体反应器、碱液吸收塔和烟囱。通过将低温等离子体烟气处理技术应用在燃气工业锅炉烟气净化中，并与烟气深度冷凝技术结合，形成一套燃气锅炉节能与烟气深度净化一体化工艺，达到了节能减排的目的。

Description

一种燃气工业锅炉节能与烟气深度净化一体化处理系统及 方法
技术领域
本发明涉及大气污染治理技术领域，具体为一种燃气工业锅炉节能与烟气深度净化一体化处理系统及方法。
背景技术
燃气锅炉基本不产生粉尘、SO2等污染物，但会产生大量NOx，我国大部分天然气锅炉氮氧化物排放浓度在300mg/m3左右。NOx不仅是主要的大气污染物质，而且是PM2.5的重要前体物。近几年国家及地方对燃气锅炉烟气NOx排放浓度限值提出了更高的要求，例如，北京市2015年发布的《锅炉大气污染物排放标准》中规定2017年4月1日起新建的燃气锅炉NOx排放浓度限值为30mg·m-3。除此之外，燃气工业锅炉含湿量大，水蒸气体积份额最高可达28％，根据天然气燃烧化学方程式，每燃烧1Nm3的天然气大约可得到2Nm3的水蒸气。水蒸气的汽化潜热大约为燃气热值的10-11％，则当燃气燃烧每提供100kW显热时，同时也提供了11kW的潜热。而且，燃气工业锅炉排烟温度较高，一般在150-250℃以上，损失了全部的潜热，还损失了部分显热，造成能源浪费和环境污染。
目前我国燃气锅炉热效率偏低，平均热效率为80％，相应的节能技术主要有先进的燃烧与控制系统节能技术与烟气深度冷凝技术，其中深度冷凝技术是目前投资最小，收益最大的节能技术。市场上主流的烟气脱硝技术有SNCR、SCR和低氮燃烧技术。SCR投资高，占地面积大，在烟道中需增设催化反应装置，增加了烟道阻力，难以体现经济效益。SNCR法要求反应温度严格控制在900-1100℃间，且反应时间应大于0.5s，而小型燃气锅炉难以满足这一条件。SNCR最高效率为60％，实际效率一般只有40％。低氮燃烧技术部分技术不够稳定，且NOx去除效果一般，已不能满足日益严格的排放标准。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种燃气工业锅炉节能与烟气深度净化一体化处理系统及方法，通过将低温等离子体烟气处理技术应用在燃气工业锅炉烟气净化中，并与烟气深度冷凝技术结合，形成一套燃气锅炉节能与烟气深度净化一体化工艺，达到了节能减排的目的。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种燃气工业锅炉节能与烟气深度净化一体化处理系统，包括依次连接在燃气工业锅炉烟气出口的高温段换热器、低温段换热器、低温等离子体反应器、碱液吸收塔和烟囱；
所述的高温段换热器用于对烟气进行一次降温，对热量和水蒸气进行一次回收；
所述的低温段换热器用于对一次降温后的烟气进行二次降温，对热量和水蒸气进行二次回收；
所述的低温等离子体反应器用于通过等离子体作用去除二次降温后烟气中剩余的NOx和水蒸气；
所述的碱液吸收塔用于吸收经等离子体反应后烟气中残留的高价态氮氧化物。
优选的，所述的高温段换热器冷源入口连接锅炉回水，冷源出口连接锅炉补水箱；所述的低温段换热器冷源入口连接锅炉补水，冷源出口连接锅炉补水箱。
优选的，所述的高温段换热器和低温段换热器的冷凝水出口分别连接到冷凝水处理器的输入端，冷凝水处理器的输出端连接锅炉补水箱。
优选的，包括熟石灰水碱液吸收池；熟石灰水碱液吸收池包括连接的内循环池和溢流池；所述低温等离子体反应器的出水口连接溢流池；所述的碱液吸收塔通过内循环泵与内循环池形成碱液循环回路；碱液吸收塔的液体排出口连接溢流池。
进一步的，所述溢流池的排出口依次连接蒸发器和干燥器。
优选的，高温段换热器和低温段换热器均采用管壳式换热器。
一种燃气工业锅炉节能与烟气深度净化一体化处理方法，包括如下步骤，
步骤1，燃气工业锅炉的烟气先经过高温段换热器与低温段换热器两级换热器进行热量交换，对热量和水蒸气进行回收；同时所产生的冷凝水吸收烟气中硫氧化物、粉尘、氮氧化物和二氧化碳；
步骤2，经热量交换后的烟气进入低温等离子体反应器进行深度净化，通过高能活性粒子反应去除烟气中污染物，烟气中剩余的水蒸气也在等离子体作用下通过荷电被去除；
步骤3，经深度净化后的烟气中残留的高价态氮氧化物进入碱液吸收塔与逆向喷淋的熟石灰水接触被进一步吸收净化，吸收液最终变为Ca(NO3)2溶液，流入溢流池并进行浓缩干燥再利用，净化后的烟气经风机排入烟囱，经烟囱排入大气。
优选的，在步骤1中，高温段换热器以锅炉回水为冷源，冷源的温度由40-50℃升高5-10℃，烟气的温度由150-250℃降低至80-120℃；低温段换热器以锅炉补水为冷源，冷源的温度由10-25℃升高到40-55℃，烟气的温度由80-120℃降低至35-50℃；作为冷源的冷却水经换热器加热升温后继续用作锅炉补水。
优选的，在步骤2中，烟气在低温等离子体反应器中的停留时间为3s，低温烟气中剩余的NOx通过与等离子体和高能活性粒子反应被去除，烟气中剩余的水蒸气也在等离子体作用下通过荷电被去除；部分烟气中残留的雾滴转化为酸经反应器出水流入熟石灰水碱液吸收池，在熟石灰水碱液吸收池中与过量的熟石灰水反应生成钙盐。
优选的，经处理的烟气为锅炉回水及补水加热，由烟囱排出的烟气含湿量与空气含湿量差值低于1％，无白色烟带，烟气中NOx浓度降到30mg/m3以下，SO2浓度降到10mg/m3以下。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明一种燃气工业锅炉节能与烟气深度净化一体化处理系统，针对燃气工业锅炉烟气温度高、湿度大以及NOx排放浓度大的特点，先将烟气通过两级热交换进行深度冷凝并实现初步净化，然后通过低温等离子体烟气净化对烟气进行深度净化，实现有机结合，可有效实现燃气工业锅炉节能与烟气深度净化的一体化处理。
本发明所述方法可使燃气工业锅炉烟气中水蒸气基本全部冷凝，回收烟气大部分潜热与显热用于加热锅炉补水与回水，大幅度提高燃气锅炉热效率与减少天然气用量；同时烟气含湿量与空气含湿量差值低于1％，无白色烟带，烟气中NOx浓度可降到30mg/m3以下，SO2浓度可降到10mg/m3以下，在节能的同时可实现燃气工业锅炉污染物的超低排放。本发明安全、简便、成本低、无选择性、无二次污染，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明实例中所述系统的工艺流程图。
图中：燃气工业锅炉1，高温段换热器2，低温段换热器3，低温等离子体反应器4，碱液吸收塔5，烟囱6，锅炉补水箱7，冷凝水处理器8，内循环池91，溢流池92，蒸发器10，干燥器11，风机12，内循环泵13。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明一种燃气工业锅炉节能与烟气深度净化一体化处理系统，如图1所示，包括依次连接在燃气工业锅炉1烟气出口的高温段换热器2、低温段换热器3、低温等离子体反应器4、碱液吸收塔5和烟囱6；高温段换热器2用于对烟气进行一次降温，对热量和水蒸气进行一次回收；低温段换热器3用于对一次降温后的烟气进行二次降温，对热量和水蒸气进行二次回收；低温等离子体反应器4用于通过等离子体作用去除二次降温后烟气中剩余的NOx和水蒸气；碱液吸收塔5用于吸收经等离子体反应后烟气中携带的残留的高价态氮氧化物。本优选实例中高温段换热器2和低温段换热器3均采用管壳式换热器。
其中，高温段换热器2冷源入口连接锅炉回水，冷源出口连接锅炉补水箱7；所述的低温段换热器3冷源入口连接锅炉补水，冷源出口连接锅炉补水箱7。高温段换热器2和低温段换热器3的冷凝水出口分别连接到冷凝水处理器8的输入端，冷凝水处理器8的输出端连接锅炉补水箱7。
还设置有熟石灰水碱液吸收池；熟石灰水碱液吸收池包括连接的内循环池91和溢流池92；所述低温等离子体反应器4的出水口连接溢流池92；所述的碱液吸收塔5通过内循环泵13与内循环池91形成碱液循环回路；碱液吸收塔5的液体排出口连接溢流池92。溢流池92的排出口依次连接蒸发器10和干燥器11对硝酸钙实现结晶回收。
本发明一种燃气工业锅炉节能与烟气深度净化一体化处理方法，其包括如下步骤，
步骤1)，燃气工业锅炉1的烟气先经过高温段换热器2与低温段换热器3两级管壳式换热器进行热量交换，对热量和水蒸气进行回收；从而提高天然气利用效率，达到节能的目的。同时，所产生的冷凝水吸收烟气中的污染物，减少了氮氧化物和二氧化碳的排放量。
步骤2)，经热量交换后的烟气进入低温等离子体反应器4进行深度净化，通过与高能活性粒子的反应去除烟气中污染物，烟气中剩余的水蒸气也在等离子体作用下通过荷电被去除。
步骤3)，经低温等离子体净化后的烟气中残留的高价态的氮氧化物进入碱液吸收塔5与逆向喷淋的熟石灰水接触被进一步吸收达到深度净化的目的，使残留的高价态的氮氧化物被进一步中和吸收达到深度净化的目的，吸收液最终变为Ca(NO3)2溶液，流入溢流池并进行浓缩干燥再利用，净化后的烟气经风机排入烟囱6，经烟囱6排入大气。
在步骤1)中，高温段换热器2以锅炉回水为冷源，回水温度由40-50℃升高5-10℃，烟气温度由150-250℃降低到80-120℃。低温段换热器3以锅炉补水为冷源，温度由10-25℃升至40-55℃，烟气温度由80-120℃降至35-50℃。冷却水经换热器加热升温后可继续用作锅炉补水，烟气冷凝水经处理达到燃气锅炉给水指标要求后也可作为锅炉补水进行再利用。
经过两段换热器后烟气温度为35-50℃，可回收烟气部分显热和基本全部潜热，同时所产生的冷凝水可吸收烟气中的污染物，减少了一部分氮氧化物和二氧化碳的排放量，烟气中的硫氧化物和粉尘几乎完全吸收于烟气冷凝水中。
在步骤2)中，烟气在低温等离子体反应器4中的停留时间为3s，低温烟气中剩余的NOx进入等离子体与高能活性粒子进行反应被去除，烟气中剩余的水蒸气也在等离子体作用下通过荷电被去除。部分烟气中残留的雾滴转化为高浓度的酸经反应器出水流入石灰水碱液吸收池，在吸收池中与过量的石灰水反应生成钙盐。烟气经低温等离子体处理后，污染物基本被全部去除，可达到深度净化的目的。
经实验研究表明，燃气工业锅炉烟气经该工艺处理后水蒸气基本可全部冷凝，烟气含湿量与空气含湿量差值低于1％，无白色烟带，烟气中NOx浓度可降到30mg/m3以下，SO2浓度可降到10mg/m3以下。具体的效果参见如下实施例。
实施例1
利用本发明所述方法和系统对额定热功率为1.4MW的燃气烧水锅炉烟气进行处理，在烟气流量为20m3/h，烟气温度为158℃，烟气含湿量与空气含湿量差值为11.30％，烟气NOx浓度为108.50mg/m3，环境温度为20℃的工况下，烟气经两级换热器后温度、含湿量与空气含湿量差值、NOx浓度分别可降至46℃、3.23％和65.96mg·m-3，去除率分别为70.89％、71.42％和39.21％。
实施例2
利用本发明所述方法和系统对额定热功率为1.4MW的燃气烧水锅炉烟气进行处理，在烟气流量为12m3/h，烟气在低温等离子体反应器进口处含湿量与空气含湿量差值为3.35％，NOx浓度为41.26mg/m3，等离子体放电功率为50W的工况下，烟气含湿量与空气含湿量差值和NOx浓度最终分别可降至0.29％和10.41mg/m3，去除率分别为91.34％和74.77％。
实施例3
利用本发明所述方法和系统对额定热功率为1.4MW的燃气烧水锅炉烟气进行处理，在烟气流量为10m3/h，烟气温度为198℃，烟气含湿量与空气含湿量差值为12.51％，烟气NOx浓度为167.07mg/m3，烟气SO2浓度为63.68mg/m3，环境温度为29℃，等离子体放电功率为30W的工况下，烟气温度、含湿量与空气含湿量差值、NOx和SO2浓度分别可降至33℃、0.3％、21.47mg·m-3和7.35mg·m-3，去除率分别为83.33％、97.6％、87.39％和88.46％。

Claims (8)

1.一种燃气工业锅炉节能与烟气深度净化一体化处理系统，其特征在于，包括依次连接在燃气工业锅炉(1)烟气出口的高温段换热器(2)、低温段换热器(3)、低温等离子体反应器(4)、碱液吸收塔(5)和烟囱(6)；
所述的高温段换热器(2)用于对烟气进行一次降温，对热量和水蒸气进行一次回收；
所述的低温段换热器(3)用于对一次降温后的烟气进行二次降温，对热量和水蒸气进行二次回收；
所述的低温等离子体反应器(4)用于通过等离子体作用去除二次降温后烟气中剩余的NOx和水蒸气；二次降温后的低温烟气中剩余的NOx通过与等离子体和高能活性粒子反应被去除，烟气中剩余的水蒸气也在等离子体作用下通过荷电被去除；
所述的碱液吸收塔(5)用于吸收经等离子体反应后烟气中残留的高价态氮氧化物；
还包括熟石灰水碱液吸收池；熟石灰水碱液吸收池包括连接的内循环池(91)和溢流池(92)；所述低温等离子体反应器(4)的出水口连接溢流池(92)；所述的碱液吸收塔(5)通过内循环泵(13)与内循环池(91)形成碱液循环回路；碱液吸收塔(5)的液体排出口连接溢流池(92)。
2.根据权利要求1所述的一种燃气工业锅炉节能与烟气深度净化一体化处理系统，其特征在于，所述的高温段换热器(2)冷源入口连接锅炉回水，冷源出口连接锅炉补水箱(7)；所述的低温段换热器(3)冷源入口连接锅炉补水，冷源出口连接锅炉补水箱(7)。
3.根据权利要求1所述的一种燃气工业锅炉节能与烟气深度净化一体化处理系统，其特征在于，所述的高温段换热器(2)和低温段换热器(3)的冷凝水出口分别连接到冷凝水处理器(8)的输入端，冷凝水处理器(8)的输出端连接锅炉补水箱(7)。
4.根据权利要求1所述的一种燃气工业锅炉节能与烟气深度净化一体化处理系统，其特征在于，所述溢流池(92)的排出口依次连接蒸发器(10)和干燥器(11)。
5.根据权利要求1所述的一种燃气工业锅炉节能与烟气深度净化一体化处理系统，其特征在于，高温段换热器(2)和低温段换热器(3)均采用管壳式换热器。
6.一种燃气工业锅炉节能与烟气深度净化一体化处理方法，其特征在于，包括如下步骤，
步骤1，燃气工业锅炉(1)的烟气先经过高温段换热器(2)与低温段换热器(3)两级换热器进行热量交换，对热量和水蒸气进行回收；同时所产生的冷凝水吸收烟气中硫氧化物、粉尘、氮氧化物和二氧化碳；
步骤2，经热量交换后的烟气进入低温等离子体反应器(4)进行深度净化，通过高能活性粒子反应去除烟气中污染物，烟气中剩余的水蒸气也在等离子体作用下通过荷电被去除；
烟气在低温等离子体反应器(4)中的停留时间为3s，低温烟气中剩余的NOx通过与等离子体和高能活性粒子反应被去除，烟气中剩余的水蒸气也在等离子体作用下通过荷电被去除；
步骤3，经深度净化后的烟气中残留的高价态氮氧化物进入碱液吸收塔(5)与逆向喷淋的熟石灰水接触被进一步吸收净化，吸收液最终变为Ca(NO3)2溶液，流入溢流池并进行浓缩干燥再利用，净化后的烟气经风机(12)排入烟囱(6)，经烟囱(6)排入大气；
经处理的烟气为锅炉回水及补水加热，由烟囱(6)排出的烟气含湿量与空气含湿量差值低于1％，无白色烟带，烟气中NOx浓度降到30mg/m3以下，SO2浓度降到10mg/m3以下。
7.根据权利要求6所述的一种燃气工业锅炉节能与烟气深度净化一体化处理方法，其特征在于，在步骤1中，高温段换热器(2)以锅炉回水为冷源，冷源的温度由40-50℃升高5-10℃，烟气的温度由150-250℃降低至80-120℃；低温段换热器(3)以锅炉补水为冷源，冷源的温度由10-25℃升高到40-55℃，烟气的温度由80-120℃降低至35-50℃；作为冷源的冷却水经换热器加热升温后继续用作锅炉补水。
8.根据权利要求6所述的一种燃气工业锅炉节能与烟气深度净化一体化处理方法，其特征在于，在步骤2中，部分烟气中残留的雾滴转化为酸经反应器出水流入熟石灰水碱液吸收池，在熟石灰水碱液吸收池中与过量的熟石灰水反应生成钙盐。
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