CN107398123B - 一种用于烟道气的超声速旋流捕捉处理系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于烟道气的超声速旋流捕捉处理系统，包括烟气管道、压缩机、旋流分离管及收集装置，所述的烟气管道一端与生产系统的烟气管道连接，另一端与压缩机入口连接，所述的压缩机出口与旋流分离管的入口连接，所述的旋流分离管包括喷射扩张段、旋流分离段及扩散减速段，所述的收集装置设置在排水口下方用于收集冷凝液。与现有技术相比，本发明的一种用于烟道气的超声速旋流捕捉处理系统，烟道气增压加速后喷射进入旋流分离管，经过旋流分离实现烟道气内水分的剥离，实现烟道气内二氧化碳的分离存储，系统具有占地少、操作简单、处理量大、能耗低、维护方便等优点。

Description

一种用于烟道气的超声速旋流捕捉处理系统

技术领域

本实用新型涉及环境设备领域，具体地说是一种对烟道气进行捕捉与处理的系统。

背景技术

随着社会的发展，环境保护已经日益成为大家关注的焦点，在工业生产中烟道气的排放处理一直是大家研究的重点。因为烟道气体成分一般是是氮气、二氧化碳、水蒸气、氧气、微量的二氧化硫和氮氧化物，如果大量的烟道气直接排放到大气中，将对环境造成严重影响。如果将烟道气捕集下来并合理利用，可以变废为宝，并为环境保护作出贡献。将烟道气分类收集后，可以用于进行采油，综合氮气、二氧化碳的增产优势，提高油田采收率效果更加明显，而且可以将大量CO₂永久埋存；捕集下来的烟道气还可以用于精细化工、盐碱地改造等，将温室气体合理利用。

电厂和化工厂的烟道气排量巨大，特别是烟道气中存在大量水蒸气，直接将其用于管道输送和注入时，水蒸气和其中的酸性气体(二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物)生成具有强腐蚀性的酸液，对输送管道、注入设备、井口和井下管柱造成严重的腐蚀破坏。常规的处理方式往往是采用吸附、冷凝的方式进行烟道气干燥处理，占地面积大，工艺相对复杂，投资成本高。另外烟道气内含有大量的CO₂，即便是经过脱硫脱硝和脱水处理，依然剩余大量的CO₂，如果直接排放到大气中，导致温室气体大量排放，目前常规方式采用膜法、低温分离法等处理CO₂，成本较高，工艺复杂。因此，需要一种处理能力大、处理成本低的烟道气捕集处理系统，将排量巨大的电厂和化工厂中的烟道气，进行低成本捕集和处理，实现资源的回收与二次利用。

实用新型内容

本实用新型的目的旨在解决上述现有技术所存在的不足，提供一种用于烟道气的超声速旋流捕捉处理系统，烟道气通过超声速旋流管加速段进行加速后进入旋流分离段，经过旋流分离将烟道气内液体分离出来，实现烟道气内水分的剥离，然后将处理后的烟道气再次增压加速进行旋流分离，实现烟道气内二氧化碳的分离存储后及再利用，超声速旋流捕捉处理装置具有占地少、操作简单、处理量大、能耗低、维护方便等优势，实现烟道气的捕捉处理，降低碳排放。

本实用新型解决其技术问题所采取的技术方案是：一种用于烟道气的超声速旋流捕捉处理系统，包括烟气管道、压缩机、旋流分离管及收集装置。所述的烟气管道一端与生产系统的烟气管道连接，另一端与压缩机入口连接，所述的压缩机出口与旋流分离管的入口连接，所述的旋流分离管包括喷射扩张段、旋流分离段及扩散减速段，所述的喷射扩张段包括第一锥形管及第一直管，所述第一锥形管的大端直径与其小端直径呈比例设置，所述第一锥形管的大端与压缩机出口法兰连接；所述的第一锥形管的小端与第一直管的一端法兰连接，所述的旋流分离段包括第二锥形管、第二直管及第三复合管，所述的第三复合管包括第三锥形管及第三直管，所述的第二锥形管的小端与第一直管另一端法兰连接，所述第二锥形管的大端与第二直管的一端连接，所述第二直管的另一端与第三锥形管的小端法兰连接，所述的第二直管内设置有旋流分离翼，用于加速气体的涡流，旋流分离翼采用螺旋分布方式布置在第二直管内，通过螺旋分布的超声速翼，在翼面的作用下，降低流动阻力，形成旋流，所述旋流分离翼与第二直管轴向方向的夹角为锐角，所述的第三锥形管的大端与第三直管的一端连接，所述第三直管的底部设置有排水口，所述的扩散减速段包括第四直管与第四锥形管，所述的第四直管的一端与第三直管的另一端连接；所述的第四直管的另一端与第四锥形管的小端法兰连接，所述第四锥形管的大端与气体输出管道法兰连接，所述的收集装置设置在排水口下方，用于收集冷凝液。

作为优化，所述的旋流分离翼为片状结构。

作为优化，所述的第四直管的直径大于第三直管的直径，用于气流减速。

作为优化，所述的第一锥形管的大端直径与其小端直径比例为10：1，用于烟气内水汽的分离。

作为优化，所述的旋流分离翼与第二直管轴向方向的夹角为15°，用于烟气内水汽的分离。

作为优化，所述的压缩机将烟气压力提高至0.2MPa-0.5MPa，烟道气进入喷射扩张段后，被瞬时加速到500m/s-600m/s，用于烟气内的水分脱离。

作为优化，所述的收集装置与排水口密封连接，所述的收集装置设置有透气帽，用于排出气体。

作为优化，所述的第一锥形管的大端直径与其小端直径比例为6:1，用于烟道气内的CO₂脱离。

作为优化，所述的旋流分离翼与第二直管轴向方向的夹角为45°，用于烟道气内的CO₂脱离。

作为优化，所述的压缩机将烟道气压力提高到10MP，用于烟道气内的CO₂脱离。

作为优化，所述的收集装置为液态CO₂收集器。

本实用新型的有益效果是：与现有技术相比，本实用新型的一种用于烟道气的超声速旋流捕捉处理系统，烟道气增压加速后喷射进入旋流分离管，经过旋流分离将烟道气内水分剥离出来，实现烟道气内水分的剥离，同时酸性气体溶解于水中被一起排出，延长了管道使用寿命；然后将处理后的烟道气再次增压加速，实现烟道气内二氧化碳的分离存储，超声速旋流捕捉处理系统具有占地少、操作简单、处理量大、能耗低、维护方便等优点，实现烟道气内不同成分资源的重复利用。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2本实用新型旋流分离管示意图；

其中，1烟气管道、2压缩机、3旋流分离管、31第一锥形管、32第一直管、33第二锥形管、34第二直管、341旋流分离翼、35第三锥形管、36第三直管、37第四直管、38第四锥形管、39排水口、4收集装置、41透气帽。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

实施例1：

一种用于烟道气的超声速旋流捕捉处理系统，包括烟气管道1、压缩机2、旋流分离管3及收集装置4。所述的烟气管道1一端与生产系统的烟气管道连接，另一端与压缩机2入口连接，所述的压缩机2出口与旋流分离管3的入口连接，所述的旋流分离管3包括喷射扩张段、旋流分离段及扩散减速段，所述的喷射扩张段包括第一锥形管31及第一直管32，所述第一锥形管31的大端与压缩机2出口法兰连接；所述的第一锥形管31的小端与第一直管32的一端法兰连接，所述的旋流分离段包括第二锥形管33、第二直管34及第三复合管，所述的第三复合管包括第三锥形管35及第三直管36，所述的第二锥形管33的小端与第一直管32另一端法兰连接，所述第二锥形管33的大端与第二直管34的一端连接，所述第二直管34的另一端与第三锥形管35的小端法兰连接，所述的第二直管34内设置有旋流分离翼341，用于加速气体的涡流，所述的旋流分离翼341采用螺旋分布方式布置在第二直管34内，通过螺旋分布的超声速翼，在翼面的作用下，降低流动阻力，形成旋流；所述旋流分离翼341与第二直管34轴向方向的夹角为锐角，所述的第三锥形管35的大端与第三直管36的一端连接，所述第三直管36的底部设置有排水口39，所述的扩散减速段包括第四直管段37与第四锥形管38，所述的第四直管38的一端与第三直管36的另一端连接；所述的第四直管37的另一端与第四锥形管38的小端法兰连接，所述第四锥形管38的大端与气体输出管道法兰连接，所述的收集装置4设置在排水口39下方，用于收集冷凝液。

在实施例中，所述的旋流分离翼341为片状结构；所述的第四直管37的直径大于第三直管36的直径；所述的收集装置4与排水口39密封连接，所述的收集装置4设置有透气帽41，用于排出气体。

用于烟道气的超声速旋流捕捉处理系统的设计，根据气体的压力流量变化原理，即喷管的截面积首先变小然后再变大，遵循"流体在管中运动时，截面小处流速大，截面大处流速小"的原理，从中间通过的气体可被加速到超音速，而并不会产生撞击。气体在截面积最小处达到或者超过声速。在大于音速之后，跨音速的流体在运动时却不再遵循"截面小处流速大，截面大处流速小"的原理，而是恰恰相反，截面越大，流速越快，因此烟气会被进一步加速而不是减速。这时气体急剧膨胀，压力和温度骤减的原理。

在本实施例中，从某电厂得到1×66MW超临界火力发电机组以60MW功率运转时的烟囱内气体组分数据，见下表：

利用超声速旋流捕捉处理系统处理的步骤为：

1、利用压缩机2将烟道气压力提高到0.2MPa，为下一步的烟道气进入旋流分离管提供动力。烟道气增压后在第一锥形管前后形成压差，让气体流动起来，压差越大，气体速度越大，在经过喷射扩张段后，温度降低越多(膨胀制冷)，脱水效率也越高。经过计算与现场测试，当烟道气在第一锥形管前的入口压力达到0.2MPa时，就可以实现进入旋流分离段烟道气达到声速以上。但是在实际运行中，由于压力越高，消耗压缩机压力越大，当压力超过0.5MPa后，针对50万标方/小时的流量，烟道气增压机的功率将超过4000千瓦，超出了常规设备，在经济性和成本上并不合适，因此正常工况下，烟道气加压的范围0.2MPa-0.5MPa。

2、被压缩机加压后的0.2MPa的烟道气进入旋流分离管的喷射扩张段，随着第一锥形管的截面积由大变小，烟道气的流速被逐步增加，第一锥形管的大端直径与其小端直径比例为10:1，而后进入第一直管流速被稳定，在第一直管的出口流速达到500m/s，因为气体的急速膨胀，温度急速降低(最大温降100℃)，低于水的露点，水蒸气迅速液化；高速烟道气继续前行进入第二锥形管进入第二直管，液滴随着高速旋流运动的气流进入第二直管，因为第二直管内设置有旋流分离翼，旋流分离翼采用螺旋分布方式布置通过螺旋分布的超声速翼，旋流分离翼与第二直管轴向方向的夹角为15°，通过旋流分离翼翼面，加速气体形成涡流，在离心力的作用下，被急速甩到分离器的管壁，聚集成液膜；与此同时，酸性气体溶解于水中，沿着管壁流动，从排液出口排出，进入收集装置，收集装置设置有透气帽，用于排出气体。干燥的气体则留在旋流分离器内，继续向前流动。

3、干燥气体通过扩散减速段进行减速增压升温，在气体进入扩散减速段后，气流速度迅速降低，压力也迅速升高，同时因为前一阶段损失了一定的能量(质量损失、摩擦、内能、动能损失)，出口压力要比入口压力低。

经过实际数据检测，经过处理的烟道气内的脱水率达到99％以上，效果最佳。

实施例2：

经过第一阶段处理的烟道气剥离了水分，但是气体中含有大量的CO₂，如果直接排放到大气中，会导致温室气体大量排放。将其中的CO₂捕集下来，进行埋存或者合理利用，可以大大降低碳排放，并实现CO₂变废为宝，因此可以利用烟道气的超声速旋流捕捉处理系统对CO₂进行捕捉处理。

1、利用压缩机2将实施例1中处理后的烟道气压力提高到10MPa，为下一步的烟道气进入旋流分离管提供动力。烟道气增压后在第一锥形管前后形成压差，让气体流动起来，压差越大，气体速度越大，在经过喷射扩张段后，温度降低越多(膨胀制冷)，常压下CO₂液化的温度为-37℃。

2、被压缩机压缩为10MPa的烟道气进入旋流分离管的喷射扩张段，随着第一锥形管的截面积由大变小，烟道气的流速被逐步增加，第一锥形管的大端直径与其小端直径比例为6:1，而后进入第一直管段流速被稳定，高速烟道气继续前行进入通过第二锥形管进入第二直管，因为气体的急速膨胀，温度急速降低至-50℃，水蒸气迅速液化；液滴随着高速旋流运动的气流进入第二直管，因为第二直管内设置有旋流分离翼，旋流分离翼采用螺旋分布方式布置通过螺旋分布的超声速翼，旋流分离翼与第二直管轴向方向的夹角为45°，在旋流分离翼翼面的作用下，加速气体的形成涡流，在离心力的作用下，烟道气中被压缩成液态的CO2被急速甩到分离器的管壁，聚集成液膜，从排液出口排出，进入液态的CO2收集装置，剩下的N₂和O₂等气体则留在旋流分离器内，继续向前流动。

3、处理后的气体通过扩散减速段速度骤减，温度压力上升，趋于平稳流动，从末端排放至空中，或者进入下一步的空气处理装置中。

经过实际数据检测，经过处理的烟道气内的CO2消除率达到96％以上，效果佳。

本实用新型的一种用于烟道气的超声速旋流捕捉处理系统，烟道气增压加速后喷射进入旋流分离管，经过旋流分离将烟道气内水分剥离出来，实现烟道气内水分的剥离，同时酸性气体溶解于水中被一起排出，延长了管道使用寿命；然后将处理后的烟道气再次增压加速，实现烟道气内二氧化碳的分离存储，超声速旋流捕捉处理系统具有占地少、操作简单、处理量大、能耗低、维护方便等有点，实现烟道气内不同成分资源的重复利用。

上述具体实施方式仅是本实用新型的具体个案，本实用新型的专利保护范围包括但不限于上述具体实施方式的产品形态和式样，任何符合本实用新型权利要求书且任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应落入本实用新型的专利保护范围。

Claims (8)

1.一种用于烟道气的超声速旋流捕捉处理系统，包括烟气管道、压缩机、旋流分离管及收集装置，其特征在于：所述的烟气管道一端与生产系统的烟气管道连接，另一端与压缩机入口连接，所述的压缩机出口与旋流分离管的入口连接，所述的旋流分离管包括喷射扩张段、旋流分离段及扩散减速段，所述的喷射扩张段包括第一锥形管及第一直管，所述第一锥形管的大端直径与其小端直径呈比例设置，所述第一锥形管的大端与压缩机出口法兰连接；所述的第一锥形管的小端与第一直管的一端法兰连接，所述的旋流分离段包括第二锥形管、第二直管及第三复合管，所述的第三复合管包括第三锥形管及第三直管，所述的第二锥形管的小端与第一直管另一端法兰连接，所述第二锥形管的大端与第二直管的一端连接，所述第二直管的另一端与第三锥形管的小端法兰连接，旋流分离翼采用螺旋分布方式布置在第二直管内，所述旋流分离翼与第二直管轴向方向的夹角为锐角，所述的第三锥形管的大端与第三直管的一端连接，所述第三直管的底部设置有排水口，所述的扩散减速段包括第四直管与第四锥形管，所述的第四直管的一端与第三直管的另一端连接；所述的第四直管的另一端与第四锥形管的小端法兰连接，所述第四锥形管的大端与气体输出管道法兰连接，所述的收集装置设置在排水口下方，用于收集冷凝液，所述的旋流分离翼为片状结构，所述的第四直管的直径大于第三直管的直径。

2.根据权利要求1所述的一种用于烟道气的超声速旋流捕捉处理系统，其特征在于：所述的第一锥形管的大端直径与其小端直径比例为10:1。

3.根据权利要求2所述的一种用于烟道气的超声速旋流捕捉处理系统，其特征在于：所述的旋流分离翼与第二直管轴向方向的夹角为15°。

4.根据权利要求3所述的一种用于烟道气的超声速旋流捕捉处理系统，其特征在于：所述的压缩机将烟气压力提高至0.2MPa-0.5MPa。

5.根据权利要求1所述的一种用于烟道气的超声速旋流捕捉处理系统，其特征在于：所述的收集装置与排水口密封连接，所述的收集装置设置有透气帽，用于排出气体。

6.根据权利要求1所述的一种用于烟道气的超声速旋流捕捉处理系统，其特征在于：所述的第一锥形管的大端直径与其小端直径比例为6:1。

7.根据权利要求6所述的一种用于烟道气的超声速旋流捕捉处理系统，其特征在于：所述的旋流分离翼与第二直管轴向方向的夹角为45°。

8.根据权利要求7所述的一种用于烟道气的超声速旋流捕捉处理系统，其特征在于：所述的压缩机将烟气压力提高至10MPa。

Images