CN109045953A - 一种烟气冷却冷凝除湿脱污再热消白系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种烟气冷却降温冷凝除湿脱污再热消白系统及方法，该系统由烟气深度冷却器、烟气冷凝换热器、烟气再热器和冷源等组成；烟气深度冷却过程为烟气再热提供热源，加热主凝结水，降低脱硫塔出口烟温；烟气冷凝过程可加热主凝结水，为热泵提供热源，回收水资源，降低烟气含湿量；烟气再热过程降低排烟的相对湿度，从视觉上消除白烟；本发明还公开了冷凝除湿脱污再热消白的方法；该系统及方法创新冷凝换热器结构，采用316L代替氟塑料、钛合金等，引入机械通风盐水塔和智能调控系统，降低装置及系统的造价和能耗，在视觉上消除白烟的同时，梯级回收烟气中的余热，脱除50％以上的PM2.5、SO3和15％以上的NOx，兼顾环保效益与经济利益。
Description
技术领域
本发明涉及烟气冷凝除湿脱污加热消白领域，具体涉及一种化石燃料、生物质燃料以及垃圾焚烧后烟气和湿法脱硫后湿烟气冷凝除湿深度脱除污染物并再热消除白烟系统及方法。
背景技术
我国经济持续高速发展，化石能源消费量逐年增加，空气质量也日益恶化，全国各地雾霾肆虐频发。为控制大气污染物的排放，火电行业提出了超低排放标准，要求SO2<20mg/m3。为实现超低排放标准，绝大部分火电厂采用石灰石/石膏湿法脱硫方式脱除SO2。采用湿法脱硫可将排放SO2浓度控制在20mg/m3以内，但排烟中仍含有大量的饱和水蒸气、粒径小于5μm的可溶盐气溶胶、SO3/H2SO4、HF、HCl等酸性气体。含有大量饱和水蒸气的烟气从烟囱中排出后不断扩散降温，冷凝析出大量小液滴，折射散射太阳光线，出现白色烟羽，形成“视觉污染”；SO3及粒径小于5μm的可溶盐气溶胶是大气中二次气溶胶的重要组成部分，而二次气溶胶对PM2.5的浓度贡献达SO3/H2SO4、HF、HCl等酸性气体在尾部烟道及烟囱中冷凝析出，具有极强的腐蚀性，给锅炉的安全运行带来了隐患。因此湿法脱硫后的湿烟气必须降温冷凝后排放，降低排烟中的水蒸气含量，同时脱除大部分的可溶盐气溶胶和SO3/H2SO4、HF、HCl等酸性气体，在大多数天气条件下消除白色烟羽。从2016年开始，上海、浙江、邯郸、天津等地相继出台了政策，要求燃煤锅炉应采取相应手段消除有色烟羽现象。
目前大部分进行了烟气消白改造的燃煤锅炉均选择了烟气冷凝再热路线。烟气冷凝方式分为三种，脱硫塔内循环浆液冷凝、烟气直接接触喷淋冷凝、冷凝换热器冷凝。喷淋冷凝方式只能通过相变凝并脱除可溶盐气溶胶和SO3/H2SO4、HF、HCl等酸性气体，而冷凝换热器还可以通过静电吸附和热涌效应将可溶盐气溶胶和SO3/H2SO4、HF、HCl等PM级的污染物捕集在换热器表面，具有更好的污染物脱除效果，因此冷凝换热器具有更好的发展前景。
冷凝换热器在冷却烟气过程中伴随着HF、HCl等酸性气体的冷凝析出，冷凝液中含有大量的H+、Cl-、SO4 2-、F-等，具有极强的腐蚀性，局部Cl-浓度可达20000ppm，pH在3以下，即使是镍基合金也被严重腐蚀从而导致腐蚀开裂。目前新服役的烟气冷凝换热器均采用氟塑料或钛合金。氟塑料/钛合金换热器的造价是普通不锈钢换热器造价的5倍以上，导热系数远低于不锈钢，导致换热器体积大，烟风阻力大，初投资和运行成本均较高，给烟气冷凝脱污再热消白技术的发展带来了巨大的阻力。市场上急需一种能够抵抗冷凝液腐蚀、导热系数高、造价低廉、运行成本低的冷凝换热器，以满足众多燃煤机组的烟气消白需求。
化石燃料燃烧或湿法脱硫后湿烟气初冷凝的冷凝液中含有大量的H+、Cl-、SO4 2-、F-等，随着冷凝水的大量凝结析出，冷凝液中的腐蚀性离子浓度会被稀释降低至200ppm以下。设计一种新型的冷凝换热器及烟气再热换热器，创新冷凝换热器结构，利用上部冷凝水稀释初析的冷凝液，并设置多处活性离子实时在线检测装置，检测换热器各个部位的活性离子浓度，并辅以喷淋等手段将活性离子浓度控制在1000ppm以下，从而满足大多数耐低温腐蚀材料的使用要求，使得不锈钢、铝合金、铜合金等高导热系数的材料可以长周期安全服役。不锈钢、铝合金、铜合金等高导热系数材料制成的换热器换热系数高，体积小，烟风阻力低，初投资和运行成本均远低于氟塑料和钛合金换热器，将极大的促进烟气冷凝再热消白技术的推广，在超低排放的基础上进一步降低PM级污染物的排放达50％以上，为保卫蓝天减少雾霾做出的巨大的贡献。
发明内容
为了降低烟气冷凝除湿脱污加热消白装置的价格和运行费用，促进烟气冷凝脱白技术的发展，本发明的目的在于提供一种烟气冷却冷凝除湿脱污再热消白系统及方法，本发明解决了消白系统建设和运行成本高的难题，引入多种冷源，梯级回收利用烟气余热，消除白烟的同时脱除污染物并回收水资源，促进烟气冷凝除湿脱白技术的发展，为减缓和消除雾霾做出贡献。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种烟气冷却冷凝除湿脱污再热消白系统，包括烟气深度冷却器1、静电除尘器2、引风机3、脱硫塔4、冷源5、烟气冷凝换热器6、沉淀水池7、脱硫塔工艺水箱8、烟气再热器9、烟囱10、凝结水加热器11、辅热加热器12、7号低加13、8号低加14和智能调控系统15；烟气深度冷却器1的烟气出口依次连通静电除尘器2、引风机3和脱硫塔4，脱硫塔4的湿饱和烟气出口连通烟气冷凝换热器6的湿饱和烟气入口，烟气冷凝换热器6的湿饱和烟气出口连通烟气再热器9的湿饱和烟气入口，烟气再热器9出口连通烟囱10，烟气冷凝换热器6内的换热器的进出水集箱连通冷源5，烟气冷凝换热器6底部的冷凝液出口连通沉淀水池7入口，沉淀水池7连通脱硫塔工艺水箱8；烟气深度冷却器1的热工质出口分两路，一路连通凝结水加热器11，另一路连通烟气再热器9，凝结水加热器11和烟气再热器9冷工质出口均连通烟气深度冷却器1的冷工质入口，与烟气深度冷却器1的水路形成循环回路；烟气深度冷却器1与烟气再热器9连通的管路上设置有辅热加热器12；所述冷源5为主凝结水5-1、热泵5-2和冷却塔5-3；锅炉本体排烟首先进入烟气深度冷却器1，回收烟气中150℃～90℃的烟气余热，用于加热主凝结水5-1和再热烟气，烟气之后依次进入静电除尘器2、引风机3、脱硫塔4；脱硫塔4出口的湿饱和烟气进入烟气冷凝换热器6，烟气冷凝换热器6利用主凝结水5-1、热泵5-2的蒸发器循环水和冷却塔5-3循环水作为冷源将烟气冷凝至48℃～30℃；烟气冷凝换热器6收集到的冷凝液排入沉淀水池7，处理后排入脱硫塔工艺水箱8；烟气冷凝换热器6出口的湿饱和烟气进入烟气再热器9，利用150℃～90℃的烟气余热、汽轮机低压抽汽将烟气加热至60℃～85℃，降低排烟的相对湿度，避免水蒸气在扩散降温过程中凝结生成小液滴，从视觉上消除白烟。
所述烟气深度冷却器1布置在静电除尘器2之前，利用烟气中的碱性飞灰协同吸附脱除换热器表面凝并析出的硫酸；采用H型翅片管，在高浓度飞灰中有着良好的减磨性能，并起到整流作用；沿烟气流动方向的占总排数的50％以上的前4～32排H型翅片管选用碳钢，其后的H型翅片管选用ND钢材料，以提高抗酸露点腐蚀能力；在烟气深度冷却器1的进出口间设置设置热水再循环回路1-1，当锅炉启动或锅炉负荷较低时，采用热水再循环的方式，将已加热后的热水与换热器入口的低温水混合，使入口水温维持在70℃以上，提高烟气深度冷却器1的壁温，以避免严重的硫酸露点腐蚀；烟气深度冷却器1加热后的工质一部分送入凝结水加热器11，加热主凝结水，减少7号低加13、8号低加14的汽轮机低压抽汽使用量，增加发电量，一部分送入烟气再热器9，加热烟气冷凝换热器6出口的低温湿饱和烟气；当烟气深度冷却器1出口水温较低或烟气再热温度较高时，启用辅热加热器12，利用汽轮机低压抽汽加热送入烟气再热器9的循环工质。
所述烟气冷凝换热器6布置在脱硫塔4之后，烟气冷凝换热器6外形呈方形塔状，壁面内衬氟塑料或玻璃鳞片胶泥；内部采用不锈钢光管换热器，不锈钢材质选430、439铁素体不锈钢、316L、317L奥氏体不锈钢以及2205、2507双相不锈钢；脱硫塔4出口的湿饱和烟气从下部的入口斜向下进入烟气冷凝换热器6，倾斜角度与水平方向呈12～20°，烟气之后在烟气冷凝换热器6内上升流动，冷凝液在重力作用下向下流动汇集在冷凝液存储池；烟气冷凝换热器6底部为冷凝液存储池，冷凝液存储池壁面上设置冷凝液搅拌器6-1，防止冷凝液中的不溶物在烟气冷凝换热器6的壁面结垢；冷凝液存储池底部设有冷凝液排出管6-2，将冷凝液排出至沉淀水池7，使冷凝液液位维持在设定区间；冷凝液存储池上层设置冷凝液循环泵6-3，冷凝液循环泵6-3连接在线喷淋冲洗系统6-5，将冷凝液泵入在线喷淋冲洗系统6-5，在线喷淋冲洗系统6-5有设置在烟气冷凝换热器6内壁的喷嘴；活性离子浓度在线监测装置6-4有深入到不锈钢光管换热器的取样枪，能够在线监测管壁不同位置的表面活性离子浓度；在线喷淋冲洗系统6-5根据活性离子浓度在线监测装置6-4采集到的管壁表面活性离子浓度，向活性离子浓度高于1000ppm的管壁区域喷淋冷凝液，稀释降低活性离子浓度，并定期冲洗除雾器6-6和不锈钢光管表面，避免结垢；除雾器6-6布置在烟气冷凝换热器6的出口，采用管束式或折流板式除雾器，确保出口烟气夹带液滴量控制在75mg/m3以下。
所述烟气冷凝换热器6沿烟气流向分为2～6级不锈钢光管换热器，烟气冷凝换热器6的工质进出温差小而烟气中水蒸气潜热量巨大，因此工质流量巨大，为减小烟气冷凝换热器6中的工质流速，降低工质流动阻力，沿烟气流向将烟气冷凝换热器6分为2～6级不锈钢光管换热器，每一级不锈钢光管换热器均设置独立的进出水集箱；第1级不锈钢光管换热器的进口烟温最高，工质选用主凝结水5-1，回收烟气中的高品位热能，主凝结水升温至42℃以上，对于没有主凝结水的机组，第1级不锈钢光管换热器工质选用热泵5-2蒸发器循环水或冷却塔5-3循环水，第2、3、4级不锈钢光管换热器根据需求选择热泵5-2蒸发器循环水或冷却塔5-3循环水；不锈钢光管换热器工质选用热泵5-2蒸发器循环水时，热泵5-2从饱和湿烟气中取热，将回水加热到60℃以上，用于区域供暖。
所述冷却塔5-3采用自然通风冷却塔、机械通风冷却塔、消雾节水机械通风塔或机械通风盐水冷却塔；冷却塔5-3在冷却循环水时，主要依靠水的蒸发吸热降温，造成大量的水蒸气重新返回大气；虽然烟气冷凝换热器6从烟气中冷凝脱除大量的水蒸气，降低了排烟湿度，减少了烟囱向大气中的水蒸气排放，但冷却塔5-3在冷却循环水的过程中又一次向大气中排放了等量的水蒸气，使得烟气冷凝除湿目的难以实现；当所述冷却塔5-3选用机械通风盐水冷却塔和消雾节水机械通风塔时能够减少30％以上的冷却塔蒸发水，实现除湿的目标；机械通风盐水冷却塔将循环工质由水改为质量浓度15％～30％的CaCl2溶液，溶液冰点降至-30℃以下，在冬季室外温度低于0℃时，机械通风盐水冷却塔的工质工作温度降低至10℃以下，无需担心结冰风险，远低于以水为工作介质的冷却塔约20℃，且冷却塔水耗量比以水为工作介质的冷却塔低30％，减少了30％的排湿量；冷却塔5-3的循环工质温度越低，烟气冷凝换热器6的冷凝换热系数越大，换热温差越大，烟气除湿效果越好；因此，所述冷却塔5-3选用机械通风盐水冷却时，烟气消白效果最佳。
所述沉淀水池7用于收集烟气冷凝换热器6底部排出的冷凝液，冷凝液静置或加入凝絮剂后不溶性杂质沉淀至池底，此时冷凝液呈弱酸性，污染物离子浓度均低于100ppm，加碱中和冷凝液pH至7后即满足工业用水要求，排入脱硫塔工艺水箱8，为脱硫塔提供工艺水，显著减少脱硫水耗，不断降低烟气冷凝换热器6的出口烟温，实现脱硫零水耗。
所述烟气再热器9布置在烟气冷凝换热器6之后，以烟气深度冷却器1为热源，与烟气深度冷却器1的水路形成循环回路；当烟气深度冷却器1出口水温低或烟气再热温度高时，启用辅热加热器12，利用汽轮机低压抽汽加热送入烟气再热器9的循环水；烟气再热器9沿烟气流动方向分为三级，每一级均设有独立的进出口集箱，前4～12排选用2205、2507或2707光管，提高抗烟气中含活性离子小液滴的腐蚀能力，之后的13～20排选用316L螺旋翅片管，最后选用ND钢螺旋翅片管；高温加热工质先以顺流方式流入前4～12排光管中，维持光管壁温在90℃以上，确保烟气中的小液滴在接触管壁前已蒸发，提高烟气再热器9的抗腐蚀能力；高温加热工质从前4～12排光管流出后以逆流方式进入之后的两级加热管中，提高平均换热温差。
所述智能调控系统15接收大气实时温度、相对湿度以及风速信号，计算出消除白烟总能耗最低的烟气冷凝温度和烟气再热温度；通过调整热泵5-2的出力和冷却塔5-3的循环水泵频率以及通风风机频率控制烟气冷凝换热器6的出口烟温；通过调整分配到凝结水加热器11的烟气深度冷却器1的高温出水水量和辅热加热器12的加热蒸汽量调控烟气再热器9的出口烟温；通过设在烟囱10出口的在线视频监控装置观察白烟是否消失，若白烟未消失，进一步微调降低烟气冷凝烟温和提高烟气再热温度，直到白烟彻底消失，或烟囱排烟的温度和湿度满足当地政府的地方法规；一天中，中午大气温度高，提高烟气冷凝温度、降低烟气再热温度，夜间大气温度低，降低烟气冷凝温度、提高烟气再热温度，使烟气深度冷却器1获得的热能尽可能多的用于加热主凝结水5-1，降低消白系统的能耗。
夏季大气气温高，水蒸气容纳能力强，锅炉本体排烟进入烟气深度冷却器1中冷却至90℃，随后进入低低温除尘器2、引风机3和脱硫塔4，从脱硫塔4排出的56℃～48℃的湿饱和烟气进入烟气冷凝换热器6中冷凝至44℃～30℃，之后进入烟气再热器9再热至60℃以上即从视觉上消除白烟，当地方法规规定无需再热时，则取消烟气再热器9；冬季大气气温低，水蒸气容纳能力差，极易形成白烟，从脱硫塔4排出的56℃～48℃的湿饱和烟气进入烟气冷凝换热器6中冷凝至44℃～30℃，之后进入烟气再热器9再热至72℃以上，从视觉上消除白烟。
所述的烟气冷却冷凝除湿脱污再热消白系统进行冷凝除湿脱污再热消白的方法，包括烟气深度冷却、烟气冷凝除湿脱污和烟气再热消白三个步骤；
步骤1：烟气深度冷却：
烟气深度冷却器1布置静电除尘器2之前，将烟气从150℃～120℃冷却到90℃，梯级回收烟气中150℃～90℃的余热，用于加热主凝结水5-1，为烟气再热提供热源；
步骤2：烟气冷凝除湿脱污：
烟气冷凝换热器6布置在脱硫塔4之后，利用主凝结水5-1、热泵5-2和冷却塔5-3作为冷源，使烟气中的水蒸气在烟气冷凝换热器6壁面上冷凝析出，降低至48℃～30℃，降低烟气含湿量；脱硫塔4出口的56℃～48℃湿饱和烟气加热主凝结水升温5℃～10℃，并为热泵5-2提供20℃～40℃的优质热源，热泵5-2取热提质后用于对外集中供暖；
步骤3：烟气再热消白：
烟气再热器9布置在烟气冷凝换热器6之后，将已经脱除部分水蒸气的湿饱和烟气从48℃～30℃加热至54℃～72℃，变为过热状态，降低烟囱排烟的相对湿度，使得排烟中的水蒸气在扩散降温过程中温度始终高于该分压下的饱和温度，避免排烟中的水蒸气在大气中扩散时冷凝析出形成白雾；
烟气深度冷却可梯级回收烟气中150℃～90℃的余热，送入回热系统或是用于烟气再热，提升锅炉效率，降低发电煤耗；烟气深度冷却能够显著降低烟气冷凝换热器6的造价，若将130℃以上的高温烟气直接送入脱硫塔4，则这部分高品位的热能将会转变为50℃左右的低品位水蒸气潜热，造成能源浪费，脱硫塔4出口烟温升高，烟气冷凝需要的降温幅度增大，烟气冷凝换热器6换热面积增大，消白系统造价提高；烟气深度冷却过程中飞灰还能够凝并吸附80％以上的SO3、Hg2+，具有潜在的环保效益；湿法脱硫过程中烟气中的显热转化成了湿饱和烟气中的水蒸气潜热，在静电除尘器2前布置烟气深度冷却器1显著减少烟气中的显热从而降低脱硫塔4出口饱和烟气的温度，从而减小烟气冷凝换热器6的体积；烟气冷凝换热器6需用316L以上级别的材料，而烟气深度冷却器1只需碳钢和ND钢即可，前者的单价是后者的4～6倍以上，因此在静电除尘器2前设置烟气深度冷却器1替换部分烟气冷凝换热器6以降低消白系统的造价；烟气深度冷却有着回收能源、降低消白成本和协同脱除污染物的三重作用；
烟气冷凝换热器6回收部分低温余热，具有节能效益；烟气冷凝过程中伴随着静电吸附、热涌效应和水蒸气凝并吸附作用，能够脱除烟气中50％以上的PM2.5级别的细微颗粒物和15％以上的NOx和SO3，具有环保效益；烟气冷凝过程中获得大量弱酸性冷凝液，处理后作为脱硫工艺用水，节约水资源；烟气冷凝具有降低排烟湿度，协同脱除污染物，回收水资源和回收能源的四重作用；
烟气再热能够提升烟气的扩散能力，避免湿饱和烟气直接排放带来的烟囱腐蚀和烟囱雨问题。
本发明创新点、优点和积极效果是：
1、本发明的一种烟气冷却冷凝除湿脱污再热消白系统以烟气深度冷却器、烟气冷凝换热器和烟气再热器为主体，在烟气消白的同时加热主凝结水，回收烟气余热；根据烟气降温放热总量守恒，利用静电除尘器前的低等级合金代替脱硫塔后的高等级合金，降低了烟气消白系统的造价。
2、本发明的烟气冷凝换热器创新换热器结构，湿饱和烟气在换热器内上升流动，冷凝液在重力作用下沿换热器壁面向下流动，利用换热器上部的活性离子浓度低于100ppm的冷凝液稀释换热器入口区域的活性离子浓度高于10000ppm的初析冷凝液，将换热器表面的活性离子浓度控制在1000ppm以下，并设置活性离子浓度在线监测装置，对活性离子浓度超标区域进行冲洗，使得冷凝换热器采用316L材料即可满足长周期安全运行，无需使用钛合金、氟塑料等昂贵材料，且导热系数提高了3倍以上，换热器造价降低60％以上；冷凝液沉淀中和处理后作为锅炉机组工艺用水，节约了水资源。
3、本发明的一种烟气冷却冷凝除湿脱污再热消白系统的烟气冷凝换热器沿烟气流动方向将换热器分为2～6级，每一级均有独立的进出口集箱，可分别通入主凝结水、热泵蒸发器循环水、冷却塔循环水，扩大了冷源范围，回收了烟气中部分水蒸气的潜热。
4、本发明的一种烟气冷却冷凝除湿脱污再热消白系统的烟气深度冷却器、烟气冷凝换热器在降温烟气的同时可分别协同脱除50％以上的SO3、Hg和50％以上的PM2.5级颗粒物和15％以上的NOx、SO3，在超低排放的基础上进一步降低污染物排放，具有环保效益。
5、本发明的一种烟气冷却冷凝除湿脱污再热消白系统首次将机械通风盐水塔引入烟气消白。采用机械通风盐水塔减缓了传统冷却塔水耗大、烟囱排烟的除湿量重新通过冷却塔转移至大气的问题；盐水的冰点可达零下30℃以上，无需担心结冰问题，增大填料面积后循环工质可在0℃～10℃的区间内工作，增大了冷凝换热器的换热温差和凝结传热系数，与传统冷凝换热器相比可减少50％的重量；可将烟气冷凝至30℃以下，冷却塔循环水与大气温度同步降低，当大气温度低于0℃时依然可以实现视觉上的彻底消白。
6、本发明的一种烟气冷却冷凝除湿脱污再热消白系统采用智能调控系统，根据大气温度和湿度，实时调整烟气冷凝温度和烟气再热温度，并根据烟囱出口的实时视频监控系统反馈调节冷凝温度和再热温度，将烟气深度冷却器获得的热量尽可能多的用于加热主凝结水，减少风机与泵机电耗，在系统总能耗最低的情况下实现烟气消白。采用系统节能的思想，通过控制系统的优化，降低消白费用，兼顾环保效益与经济效益。
附图说明
图1是本发明烟气冷却冷凝除湿脱污再热消白系统的系统图。
图2是本发明烟气冷却冷凝除湿脱污再热消白系统的烟气冷凝换热器示意图。
图3是本发明烟气冷却冷凝除湿脱污再热消白系统的烟气冷凝换热器的水侧连接示意图，其中：图3a是以主凝结水和冷却塔作为冷源时的连接示意图，图3b是以主凝结水和热泵为冷源时的连接示意图，图3c是以热泵和冷却塔作为冷源时的连接示意图。
图4是本发明烟气冷却冷凝除湿脱污再热消白系统的烟气再热器的水侧连接示意图。
图5是本发明烟气冷却冷凝除湿脱污再热消白系统的智能调控系统控制逻辑示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对发明进行详细说明。
如图1所示，本发明一种烟气冷却冷凝除湿脱污再热消白系统，包括烟气深度冷却器1、静电除尘器2、引风机3、脱硫塔4、冷源5、烟气冷凝换热器6、沉淀水池7、脱硫工艺水箱8、烟气再热器9、烟囱10、凝结水加热器11、辅热加热器12、7号低加13、8号低加14和智能调控系统15；锅炉本体排烟首先进入烟气深度冷却器1，回收烟气中150℃～90℃的烟气余热，用于加热主凝结水5-1、再热烟气；烟气之后依次进入静电除尘器2，引风机3，脱硫塔4；脱硫塔4出口的湿饱和烟气进入烟气冷凝换热器6，烟气冷凝换热器6利用主凝结水5-1、热泵5-2的蒸发器循环水、冷却塔5-3循环水作为冷源将烟气冷凝至48℃～30℃；烟气冷凝换热器6收集到的冷凝液排入沉淀水池7，处理后排入脱硫塔工艺水箱8；烟气冷凝换热器6出口的湿饱和烟气进入烟气再热器9，利用150℃～90℃的烟气余热或汽轮机低压抽汽将烟气加热至60℃～85℃，降低烟气的相对湿度，避免水蒸气在扩散降温过程中凝结生成小液滴，从视觉上消除白烟。
如图2所示，所述烟气冷凝换热器6，布置在脱硫塔4之后。烟气冷凝换热器6外形呈方形塔状，外壳可内衬氟塑料或玻璃鳞片胶泥；内部采用不锈钢光管换热器，不锈钢材质可选304、316L、317、2205、2507、2707等不锈钢；脱硫塔4出口的湿饱和烟气从下部的入口斜向下进入烟气冷凝换热器6，倾斜角度与水平方向呈12～20°，之后烟气在烟气冷凝换热器6内上升流动至上方出口，冷凝液在重力作用下向下流动汇集在冷凝液存储池；烟气冷凝换热器6底部为冷凝液存储池，冷凝液存储池壁面上设置冷凝液搅拌器6-1，防止冷凝液中的不溶物在烟气冷凝换热器6的壁面结垢；冷凝液存储池底部设有冷凝液排出管6-2，将冷凝液排出至沉淀水池7，将冷凝液水位维持在设定区间；冷凝液存储池上层设置冷凝液循环泵6-3，将冷凝液泵入在线喷淋冲洗系统6-5；活性离子浓度在线监测装置6-4有深入到不锈钢光管换热器的取样枪，可在线监测不同位置的管壁表面的活性离子浓度；在线喷淋冲洗系统6-5根据活性离子浓度在线监测装置6-4采集到的管壁表面活性离子浓度，向活性离子浓度高于1000ppm的管壁区域喷淋冷凝液，稀释降低活性离子浓度，并定期冲洗除雾器6-6和换热器表面，避免结垢；除雾器6-6布置在烟气冷凝换热器6的出口，可选用管束式或折流板式除雾器，确保出口烟气夹带液滴量控制在75mg/m3以下。
如图3所示，所述烟气冷凝换热器6沿烟气流向分为2～6级不锈钢光管换热器。烟气冷凝换热器6的工质进出温差小而烟气中水蒸气潜热量巨大，因此工质流量巨大，为减小烟气冷凝换热器6中的工质流速，降低工质流动阻力，沿烟气流向将烟气冷凝换热器6分为2～6级不锈钢光管换热器，每一级不锈钢光管换热器均设置独立的进出水集箱。如图3a所示，第1级不锈钢光管换热器工质选用主凝结水5-1，回收烟气中的高品位热能，主凝结水从35℃升温到45℃；第2级，第3级，第4级不锈钢光管换热器工质选用自然通风冷却塔循环水，将水蒸气潜热直接排入大气中。如图3b所示，第1级不锈钢光管换热器工质选用主凝结水5-1，回收烟气中的高品位热能；第2级，第3级，第4级不锈钢光管换热器选用热泵5-2蒸发器循环水，热泵5-2利用烟气中的水蒸气潜热对外集中供暖。如图3c所示，第1级，第2级不锈钢光管换热器工质选用热泵5-2的蒸发器循环水，热泵5-2对外集中供暖；第3级，第4级不锈钢光管换热器工质选用机械通风盐水冷却塔循环水，将水蒸气潜热直接排入大气中。
如图4所示，所述烟气再热器9布置在烟气冷凝换热器6之后，以烟气深度冷却器1为热源，与烟气深度冷却器1的水路形成循环回路。当烟气深度冷却器1出口水温较低或烟气再热温度较高时，启用辅热加热器12，利用汽轮机低压抽汽加热送入烟气再热器9的循环水；烟气再热器9沿烟气流动方向分为三级，每一级均设有独立的进出口集箱，前4～12排选用2205、2507或2707光管，提高抗烟气中含活性离子小液滴的腐蚀能力，之后的13～20排选用316L螺旋翅片管，最后选用ND钢螺旋翅片管；高温加热工质先以顺流方式流入前4～12排光管中，维持光管壁温在90℃以上，确保烟气中的小液滴在接触管壁前已蒸发，提高烟气再热器9的抗腐蚀能力；高温加热工质从前4～12排光管流出后以逆流方式进入之后的两级加热管中，提高平均换热温差。
如图5所示，所述智能调控系统15，接收大气实时温度、相对湿度以及风速信号，计算出消除白烟总能耗最低的烟气冷凝温度和烟气再热温度。通过调整热泵5-2的出力和冷却塔5-3的循环水泵频率以及通风风机频率控制烟气冷凝换热器6的出口烟温；通过调整分配到凝结水加热器11的烟气深度冷却器1的高温出水水量和辅热加热器12的加热蒸汽量调控烟气再热器9的出口烟温；通过设在烟囱10出口的在线视频监控装置观察白烟是否消失，若白烟未消失，进一步微调降低烟气冷凝烟温和提高烟气再热温度，直到白烟彻底消失，或烟囱排烟的温度和湿度满足当地政府的地方法规；一天中，中午大气温度高，提高烟气冷凝温度、降低烟气再热温度，夜间大气温度低，降低烟气冷凝温度、提高烟气再热温度，使烟气深度冷却器1获得的热能尽可能多的用于加热凝结水5-1，降低消白系统的能耗。
Claims (10)
1.一种烟气冷却冷凝除湿脱污再热消白系统，其特征在于：包括烟气深度冷却器(1)、静电除尘器(2)、引风机(3)、脱硫塔(4)、冷源(5)、烟气冷凝换热器(6)、沉淀水池(7)、脱硫塔工艺水箱(8)、烟气再热器(9)、烟囱(10)、凝结水加热器(11)、辅热加热器(12)、7号低加(13)、8号低加(14)和智能调控系统(15)；烟气深度冷却器(1)的烟气出口依次连通静电除尘器(2)、引风机(3)和脱硫塔(4)，脱硫塔(4)的湿饱和烟气出口连通烟气冷凝换热器(6)的湿饱和烟气入口，烟气冷凝换热器(6)的湿饱和烟气出口连通烟气再热器(9)的湿饱和烟气入口，烟气再热器(9)出口连通烟囱(10)，烟气冷凝换热器(6)内的换热器的进出水集箱连通冷源(5)，烟气冷凝换热器(6)底部的冷凝液出口连通沉淀水池(7)入口，沉淀水池(7)连通脱硫塔工艺水箱(8)；烟气深度冷却器(1)的热工质出口分两路，一路连通凝结水加热器(11)，另一路连通烟气再热器(9)，凝结水加热器(11)和烟气再热器(9)冷工质出口均连通烟气深度冷却器(1)的冷工质入口，与烟气深度冷却器(1)的水路形成循环回路；烟气深度冷却器(1)与烟气再热器(9)连通的管路上设置有辅热加热器(12)；所述冷源(5)为主凝结水(5-1)、热泵(5-2)和冷却塔(5-3)；锅炉本体排烟首先进入烟气深度冷却器(1)，回收烟气中150℃～90℃的烟气余热，用于加热主凝结水(5-1)和再热烟气，烟气之后依次进入静电除尘器(2)、引风机(3)、脱硫塔(4)；脱硫塔(4)出口的湿饱和烟气进入烟气冷凝换热器(6)，烟气冷凝换热器(6)利用主凝结水(5-1)、热泵(5-2)的蒸发器循环水和冷却塔(5-3)循环水作为冷源将烟气冷凝至48℃～30℃；烟气冷凝换热器(6)收集到的冷凝液排入沉淀水池(7)，处理后排入脱硫塔工艺水箱(8)；烟气冷凝换热器(6)出口的湿饱和烟气进入烟气再热器(9)，利用150℃～90℃的烟气余热、汽轮机低压抽汽将烟气加热至60℃～85℃，降低排烟的相对湿度，避免水蒸气在扩散降温过程中凝结生成小液滴，从视觉上消除白烟。
2.根据权利要求1所述的一种烟气冷却冷凝除湿脱污再热消白系统，其特征在于：所述烟气深度冷却器(1)布置在静电除尘器(2)之前，利用烟气中的碱性飞灰协同吸附脱除换热器表面凝并析出的硫酸；采用H型翅片管，在高浓度飞灰中有着良好的减磨性能，并起到整流作用；沿烟气流动方向的占总排数的50％以上的前4～32排H型翅片管选用碳钢，其后的H型翅片管选用ND钢材料，以提高抗酸露点腐蚀能力；在烟气深度冷却器(1)的进出口间设置设置热水再循环回路(1-1)，当锅炉启动或锅炉负荷较低时，采用热水再循环的方式，将已加热后的热水与换热器入口的低温水混合，使入口水温维持在70℃以上，提高烟气深度冷却器(1)的壁温，以避免严重的硫酸露点腐蚀；烟气深度冷却器(1)加热后的工质一部分送入凝结水加热器(11)，加热主凝结水，减少7号低加(13)、8号低加(14)的汽轮机低压抽汽使用量，增加发电量，一部分送入烟气再热器(9)，加热烟气冷凝换热器(6)出口的低温湿饱和烟气；当烟气深度冷却器(1)出口水温较低或烟气再热温度较高时，启用辅热加热器(12)，利用汽轮机低压抽汽加热送入烟气再热器(9)的循环工质。
3.根据权利要求1所述的一种烟气冷却冷凝除湿脱污再热消白系统，其特征在于：所述烟气冷凝换热器(6)布置在脱硫塔(4)之后，烟气冷凝换热器(6)外形呈方形塔状，壁面内衬氟塑料或玻璃鳞片胶泥；内部采用不锈钢光管换热器，不锈钢材质选430、439铁素体不锈钢、316L、317L奥氏体不锈钢以及2205、2507双相不锈钢；脱硫塔(4)出口的湿饱和烟气从下部的入口斜向下进入烟气冷凝换热器(6)，倾斜角度与水平方向呈12～20°，烟气之后在烟气冷凝换热器(6)内上升流动，冷凝液在重力作用下向下流动汇集在冷凝液存储池；烟气冷凝换热器(6)底部为冷凝液存储池，冷凝液存储池壁面上设置冷凝液搅拌器(6-1)，防止冷凝液中的不溶物在烟气冷凝换热器(6)的壁面结垢；冷凝液存储池底部设有冷凝液排出管(6-2)，将冷凝液排出至沉淀水池(7)，使冷凝液液位维持在设定区间；冷凝液存储池上层设置冷凝液循环泵(6-3)，冷凝液循环泵(6-3)连接在线喷淋冲洗系统(6-5)，将冷凝液泵入在线喷淋冲洗系统(6-5)，在线喷淋冲洗系统(6-5)有设置在烟气冷凝换热器(6)内部光管之间的喷嘴；活性离子浓度在线监测装置(6-4)有紧贴不锈钢光管换热器表面的取样枪，能够在线监测管壁不同位置的表面活性离子浓度；在线喷淋冲洗系统(6-5)根据活性离子浓度在线监测装置(6-4)采集到的管壁表面活性离子浓度，向活性离子浓度高于1000ppm的管壁区域喷淋冷凝液，稀释降低活性离子浓度，并定期冲洗除雾器(6-6)和不锈钢光管表面，避免结垢；除雾器(6-6)布置在烟气冷凝换热器(6)的出口，采用管束式或折流板式除雾器，确保出口烟气夹带液滴量控制在75mg/m3以下。
4.根据权利要求3所述的一种烟气冷却冷凝除湿脱污再热消白系统，其特征在于：所述烟气冷凝换热器(6)沿烟气流向分为2～6级不锈钢光管换热器，烟气冷凝换热器(6)的工质进出温差小而烟气中水蒸气潜热量巨大，因此工质流量巨大，为减小烟气冷凝换热器(6)中的工质流速，降低工质流动阻力，沿烟气流向将烟气冷凝换热器(6)分为2～6级不锈钢光管换热器，每一级不锈钢光管换热器均设置独立的进出水集箱；第1级不锈钢光管换热器的进口烟温最高，工质选用主凝结水(5-1)，回收烟气中的高品位热能，主凝结水升温至42℃以上，对于没有主凝结水的机组，第1级不锈钢光管换热器工质选用热泵(5-2)蒸发器循环水或冷却塔(5-3)循环水，第2、3、4级不锈钢光管换热器根据需求选择热泵(5-2)蒸发器循环水或冷却塔(5-3)循环水；不锈钢光管换热器工质选用热泵(5-2)蒸发器循环水时，热泵(5-2)从饱和湿烟气中取热，将回水加热到60℃以上，用于区域供暖。
5.根据权利要求4所述的一种烟气冷却冷凝除湿脱污再热消白系统，其特征在于：所述冷却塔(5-3)采用自然通风冷却塔、机械通风冷却塔、消雾节水机械通风塔或机械通风盐水冷却塔；冷却塔(5-3)在冷却循环水时，主要依靠水的蒸发吸热降温，造成大量的水蒸气重新返回大气；虽然烟气冷凝换热器(6)从烟气中冷凝脱除大量的水蒸气，降低了排烟湿度，减少了烟囱向大气中的水蒸气排放，但冷却塔(5-3)在冷却循环水的过程中又一次向大气中排放了等量的水蒸气，使得烟气冷凝除湿目的难以实现；当所述冷却塔(5-3)选用机械通风盐水冷却塔和消雾节水机械通风塔时能够减少30％以上的冷却塔蒸发水，实现除湿的目标；机械通风盐水冷却塔将循环工质由水改为质量浓度15％～30％的CaCl2溶液，溶液冰点降至-30℃以下，在冬季室外温度低于0℃时，机械通风盐水冷却塔的工质工作温度降低至10℃以下，无需担心结冰风险，远低于以水为工作介质的冷却塔，且冷却塔水耗量比以水为工作介质的冷却塔低30％，减少了30％的排湿量；冷却塔(5-3)的循环工质温度越低，烟气冷凝换热器(6)的冷凝换热系数越大，换热温差越大，烟气除湿效果越好；因此，所述冷却塔(5-3)选用机械通风盐水冷却时，烟气消白效果最佳。
6.根据权利要求1所述的一种烟气冷却冷凝除湿脱污再热消白系统，其特征在于：所述沉淀水池(7)用于收集烟气冷凝换热器(6)底部排出的冷凝液，冷凝液静置或加入凝絮剂后不溶性杂质沉淀至池底，此时冷凝液呈弱酸性，污染物离子浓度均低于100ppm，加碱中和冷凝液pH至7后即满足工业用水要求，排入脱硫塔工艺水箱(8)，为脱硫塔提供工艺水，显著减少脱硫水耗，不断降低烟气冷凝换热器(6)的出口烟温，实现脱硫零水耗。
7.根据权利要求1所述的一种烟气冷却冷凝除湿脱污再热消白系统，其特征在于：所述烟气再热器(9)布置在烟气冷凝换热器(6)之后，以烟气深度冷却器(1)为热源，与烟气深度冷却器(1)的水路形成循环回路；当烟气深度冷却器(1)出口水温低或烟气再热温度高时，启用辅热加热器(12)，利用汽轮机低压抽汽加热送入烟气再热器(9)的循环水；烟气再热器(9)沿烟气流动方向分为三级，每一级均设有独立的进出口集箱，前4～12排选用2205、2507或2707光管，提高抗烟气中含活性离子小液滴的腐蚀能力，之后的13～20排选用316L螺旋翅片管，最后选用ND钢螺旋翅片管；高温加热工质先以顺流方式流入前4～12排光管中，维持光管壁温在90℃以上，确保烟气中的小液滴在接触管壁前已蒸发，提高烟气再热器(9)的抗腐蚀能力；高温加热工质从前4～12排光管流出后以逆流方式进入之后的两级加热管中，提高平均换热温差。
8.根据权利要求1所述的一种烟气冷却冷凝除湿脱污再热消白系统，其特征在于：所述智能调控系统(15)接收大气实时温度、相对湿度以及风速信号，计算出消除白烟总能耗最低的烟气冷凝温度和烟气再热温度；通过调整热泵(5-2)的出力和冷却塔(5-3)的循环水泵频率以及通风风机频率控制烟气冷凝换热器(6)的出口烟温；通过调整分配到凝结水加热器(11)的烟气深度冷却器(1)的高温出水水量和辅热加热器(12)的加热蒸汽量调控烟气再热器(9)的出口烟温；通过设在烟囱(10)出口的在线视频监控装置观察白烟是否消失，若白烟未消失，进一步微调降低烟气冷凝烟温和提高烟气再热温度，直到白烟彻底消失，或烟囱排烟的温度和湿度满足当地政府的地方法规；一天中，中午大气温度高，提高烟气冷凝温度、降低烟气再热温度，夜间大气温度低，降低烟气冷凝温度、提高烟气再热温度，使烟气深度冷却器(1)获得的热能尽可能多的用于加热主凝结水(5-1)，降低消白系统的能耗。
9.一种烟气冷却冷凝除湿脱污再热消白装置及系统，其特征在于：夏季大气气温高，水蒸气容纳能力强，锅炉本体排烟进入烟气深度冷却器(1)中冷却至90℃，随后进入低低温除尘器(2)、引风机(3)和脱硫塔(4)，从脱硫塔(4)排出的56℃～48℃的湿饱和烟气进入烟气冷凝换热器(6)中冷凝至44℃～30℃，之后进入烟气再热器(9)再热至60℃以上即从视觉上消除白烟，当地方法规规定无需再热时，则取消烟气再热器(9)；冬季大气气温低，水蒸气容纳能力差，极易形成白烟，从脱硫塔(4)排出的56℃～48℃的湿饱和烟气进入烟气冷凝换热器(6)中冷凝至44℃～30℃，之后进入烟气再热器(9)再热至72℃以上，从视觉上消除白烟。
10.权利要求1至9任一项所述的烟气冷却冷凝除湿脱污再热消白系统进行冷凝除湿脱污再热消白的方法，其特征在于：包括烟气深度冷却、烟气冷凝除湿脱污和烟气再热消白三个步骤；
步骤1：烟气深度冷却：
烟气深度冷却器(1)布置静电除尘器(2)之前，将烟气从150℃～120℃冷却到90℃，梯级回收烟气中150℃～90℃的余热，用于加热主凝结水(5-1)，为烟气再热提供热源；
步骤2：烟气冷凝除湿脱污：
烟气冷凝换热器(6)布置在脱硫塔(4)之后，利用主凝结水(5-1)、热泵(5-2)和冷却塔(5-3)作为冷源，使烟气中的水蒸气在烟气冷凝换热器(6)壁面上冷凝析出，降低至48℃～30℃，降低烟气含湿量；脱硫塔(4)出口的56℃～48℃湿饱和烟气加热主凝结水升温5℃～10℃，并为热泵(5-2)提供20℃～40℃的优质热源，热泵(5-2)取热提质后用于对外集中供暖；
步骤3：烟气再热消白：
烟气再热器(9)布置在烟气冷凝换热器(6)之后，将已经脱除部分水蒸气的湿饱和烟气从48℃～30℃加热至54℃～72℃，变为过热状态，降低烟囱排烟的相对湿度，使得排烟中的水蒸气在扩散降温过程中温度始终高于该分压下的饱和温度，避免排烟中的水蒸气在大气中扩散时冷凝析出形成白雾；
烟气深度冷却可梯级回收烟气中150℃～90℃的余热，送入回热系统或是用于烟气再热，提升锅炉效率，降低发电煤耗；烟气深度冷却能够显著降低烟气冷凝换热器(6)的造价，若将130℃以上的高温烟气直接送入脱硫塔(4)，则这部分高品位的热能将会转变为50℃左右的低品位水蒸气潜热，造成能源浪费，脱硫塔(4)出口烟温升高，烟气冷凝需要的降温幅度增大，烟气冷凝换热器(6)换热面积增大，消白系统造价提高；烟气深度冷却过程中飞灰还能够凝并吸附80％以上的SO3、Hg2+，具有潜在的环保效益；湿法脱硫过程中烟气中的显热转化成了湿饱和烟气中的水蒸气潜热，在静电除尘器(2)前布置烟气深度冷却器(1)显著减少烟气中的显热从而降低脱硫塔(4)出口饱和烟气的温度，从而减小烟气冷凝换热器(6)的体积；烟气冷凝换热器(6)需用316L以上级别的材料，而烟气深度冷却器(1)只需碳钢和ND钢即可，前者的单价是后者的4～6倍以上，因此在静电除尘器(2)前设置烟气深度冷却器(1)替换部分烟气冷凝换热器(6)以降低消白系统的造价；烟气深度冷却有着回收能源、降低消白成本和协同脱除污染物的三重作用；
烟气冷凝换热器(6)回收部分低温余热，具有节能效益；烟气冷凝过程中伴随着静电吸附、热涌效应和水蒸气凝并吸附作用，能够脱除烟气中50％以上的PM2.5级别的细微颗粒物和15％以上的NOx和SO3，具有环保效益；烟气冷凝过程中获得大量弱酸性冷凝液，处理后作为脱硫工艺用水，节约水资源；烟气冷凝具有降低排烟湿度，协同脱除污染物，回收水资源和回收能源的四重作用；
烟气再热能够提升烟气的扩散能力，避免湿饱和烟气直接排放带来的烟囱腐蚀和烟囱雨问题。
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