CN109513270A - 超音速烟气脱水脱颗粒物分离装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了超音速烟气脱水脱颗粒物分离装置，包括前置式旋流器、超音速喷管、后置旋流器、分离器和扩压器；前置式旋流器、超音速喷管、后置旋流器依次连接；前置式旋流器另一端连接有入口管，入口管另一端设有烟气入口；后置旋流器另一端连接有直管，直管另一端与分离器和扩压器连接。本发明所述的超音速烟气脱水脱颗粒物分离装置，实现从烟气中一次性分离气态水，液态水及颗粒物，解决环保问题；并且占地小，投资少，具有自清洁功能，可实现多管并联运行，实现在不同烟气排放量下有良好的分离效果，可靠性高，使用寿命长。
Description
技术领域
本发明属于烟气净化技术领域，尤其是涉及超音速烟气脱水脱颗粒物分离装置。
背景技术
目前国内绝大多数燃煤电厂湿法脱硫后的烟气通常是过饱和湿烟气，烟气中含有大量水蒸汽外，水蒸汽中含有较多的溶解性盐、SO3、凝胶粉尘、微尘等，是雾霾形成的主要诱因之一。
我国燃煤锅炉烟气湿法脱硫每年向大气排放约40亿吨水汽，一次污染排放252万吨的颗粒物。高湿烟气排放不仅造成大量的水资源浪费，由于排烟温度过低，烟气中的水蒸气会凝结成湿烟羽，造成对大气的不仅是视觉的而且是实质上的污染。
脱硫后湿烟气温度处于50～55℃，饱和湿烟气含水量处于100g/m3～150g/m3，通常1台600mw的锅炉1小时大约向空气排出200多吨水，颗粒物经过多级除尘后排出的颗粒物量约40000g/h。
目前常用的烟气脱水技术方法归纳为：烟气加热技术、烟气冷凝技术、烟气先冷凝再热技术及各种方法的组合技术。
烟气升温型：在湿烟气饱和含湿量不变的条件下，通过间接换热方式将烟气温度升高到，则烟气的相对湿度就从100％降低到20％左右，成为干烟气排放。
缺点：
1.热端为脱硫前烟气，经换热后温度降低，造成酸雾凝结，腐蚀设备。
2.冷端为脱硫后气体，经换热后温度升高，石灰石膏中氢氧化钙的溶解度随温度升高而降低，析出的氢氧化钙固体造成管路堵塞。
3.造价高，体积大。
4.因换热面积恒定，难以应对锅炉负荷变化。
5.本质上并未脱出水分，也没有脱离颗粒物。
烟气冷凝型:将65℃左右的湿烟气深度冷凝冷却接近大气平均温度，使湿烟气的饱和含湿量降低到35g/Nm3以下，与大气含湿量接近。然后再通过适当的升温，基本上可以实现除湿脱白。
缺点：
1.喷淋用水温度较高，受环境温度影响较大。
2.处理后的烟气存在雾沫夹带，仍然处于过饱和状态。
3.冷却塔耗水量大，并伴有废水产生。
4.烟囱一定程度脱白，但冷却塔白烟滚滚。
脱颗粒物主流技术有：管束式除尘技术和湿式静电除尘器。
管束式除尘技术：烟气通过旋流子分离器，产生高速离心运动，在离心力的作用下，雾滴与尘向筒体壁面运动，在运动过程中相互碰撞、凝聚成较大的液滴，液滴被抛向筒体内壁表面，与壁面附着的液膜层接触后湮灭，实现雾滴与尘的脱除。
电除尘器的基本原理是利用电力捕集烟气中的粉尘，主要包括以下四个相互有关的物理过程：(1)气体的电离。(2)粉尘的荷电。(3)荷电粉尘向电极移动。(4)荷电粉尘的捕集。
荷电粉尘的捕集过程：在两个曲率半径相差较大的金属阳极和阴极上，通过高压直流电，维持一个足以使气体电离的电场，气体电离后所产生的电子：阴离子和阳离子，吸附在通过电场的粉尘上，使粉尘获得电荷。荷电极性不同的粉尘在电场力的作用下，分别向不同极性的电极运动，沉积在电极上，而达到粉尘和气体分离的目的。
缺点：
1.只能去除一部分大液滴和大颗粒灰尘，无法去除气态水和小颗粒灰尘。
2.耗电量大，造价高。
3.设备运行时耗水量大。
以上技术是传统技术的延伸或叠加，只解决部分问题。或治标不治本，或投资大效果不显著。其结果导致系统复杂、占地大、造价高、运行难度加大、故障率高、综合运行成本增加。此外，对于微米级细小颗粒，脱除效果不佳。
超音速脱水技术是航空技术、环保技术、化工技术等多学科交叉在分离领域的完美应用。
1.超音速脱水技术是能够实现从烟气中一次性分离气态水，液态水(液滴)及颗粒物的最新技术。
2.超音速脱水技术可实现多管并联运行，各管路均有独立的阀门控制，通过调整对应数量的阀门开闭来匹配上游锅炉及脱硝脱硫设备运行负荷，从而实现在不同烟气排放量下均能有良好的分离效果。
此外超音速烟气低温超音速旋流处理技术还具有以下优点：
1.具有自清洁功能。解决了设备易堵塞的问题，流体在设备内流速是烟道流速的100～200倍。停留时间极短。
2.该技术可以脱除气态水，液态水，液滴和颗粒物，解决环保问题。
3.多管布置，操作灵活，便于在线检修。
4.占地面积小，投资低
利用低超音速脱水脱颗粒物分离技术能够有效地分离湿烟气中的水及颗粒物，达到节约水资源和环境保护的目的，特别是在缺少地区，火力发电厂建造运行成为可能，实现了深度节水环保电厂。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出超音速烟气脱水脱颗粒物分离装置，以达到可以从烟气中一次性分离气态水，液态水(液滴)及颗粒物，解决环保问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
超音速烟气脱水脱颗粒物分离装置，包括前置式旋流器、超音速喷管、后置旋流器、分离器和扩压器；所述前置式旋流器、超音速喷管、后置旋流器依次连接；所述前置式旋流器另一端连接有入口管，所述入口管另一端设有烟气入口；所述后置旋流器另一端连接有直管，所述直管另一端与所述分离器和扩压器连接。
进一步的，所述超音速喷管包括依次设置的稳定段、收缩段、喉部和扩张段，所述稳定段的入口端与所述前置式旋流器连接，所述扩张段出口端与所述后置旋流器连接。
进一步的，所述分离器与所述直管的管壁连接，所述分离器与所述直管之间设有分离器入口，所述分离器另一端设有分离器出口；所述扩压器在所述直管的中心处设有扩压器入口，所述扩压器另一端设有扩压器出口；所述分离器和扩压器均为扩张结构。
进一步的，所述分离器为环形，所述分离器套接在所述扩压器外部。
进一步的，所述入口管、前置式旋流器、超音速喷管、后置旋流器、直管、分离器和扩压器均设在同一中心轴上。
进一步的，所述前置式旋流器和后置旋流器设有多组叶片，所述叶片轴向均匀分布，叶片为直叶片或弧形叶片，所述叶片厚度为2～5mm；所述弧形叶片的叶片张角α满足5°≤α≤45°。
进一步的，所述稳定段的长度L0满足500mm≤L0≤750mm；所述稳定段的长度L0为直径D0的0.5～1.0倍；
所述收缩段入口直径D1满足250mm≤D1≤750mm；所述收缩段入口面积与出口面积之比为收缩比，所述收缩比大于5；所述收缩段的收缩角β1满足20°≤β1≤50°；
所述扩张段的长度L2满足1100mm≤L2≤3000mm；所述扩张段的扩张角β2满足5°≤β2≤10°。
进一步的，所述分离器的截面宽度d3满足25mm≤d3≤75mm，长度L3满足600mm≤L3≤1600mm，所述分离器的扩张角β3满足15°≤β3≤40°；所述扩压器的直径D4满足100mm≤D4≤300mm，长度L4满足1100mm≤L4≤3000mm所述扩压器的扩张角β4满足5°≤β4≤25°。
进一步的，所述入口管、前置式旋流器、超音速喷管、后置旋流器、分离器和扩压器和直管的壁厚为5～20mm。
进一步的，所述入口管、前置式旋流器、超音速喷管、后置旋流器、分离器和扩压器和直管的内壁均涂有耐腐蚀涂层，所述耐腐蚀涂层优选为过氯乙烯漆。
相对于现有技术，本发明所述的超音速烟气脱水脱颗粒物分离装置具有以下优势：
(1)本发明所述的超音速烟气脱水脱颗粒物分离装置，通过超音速喷管将烟气增速到超音速状态，在超音速状态下，增速的同时降压、降温，在旋流产生的离心力作用下，能够实现从烟气中一次性分离气态水，液态水(液滴)及颗粒物，脱水、脱颗粒物效率高，解决环保问题。
(2)本发明所述的超音速烟气脱水脱颗粒物分离装置，集冷凝脱水，烟气升温，湿式除尘三种功能于一体。在一台设备上能够同时实现将气态水，液态水，颗粒物脱除，极大简化了工艺流程。
(3)本发明所述的超音速烟气脱水脱颗粒物分离装置，结构简单、无转动部件，操作简单、稳定可靠，使用寿命长；可布置在烟囱内外，也可布置在竖向净烟道，因此占地空间小。
(4)本发明所述的超音速烟气脱水脱颗粒物分离装置，烟气在超音速喷管内流速是烟道流速的100～200倍，加之采用竖向布置，极大地降低了堵塞的可能性，因此具备一定的自清洁功能。
(5)本发明所述的超音速烟气脱水脱颗粒物分离装置，为多管并联运行，通过对各管路上阀门的控制，来匹配上游锅炉的调峰运行，从而实现在不同工况下均能达到高效的分离效果。并且多管并联操作具备在线/离线状态下切换单根或多根设备的能力，以达到在线检修，无需停机的效果，节约了运维成本。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述的结构示意图；
图2为本发明实施例前置旋流器和后置旋流器的截面示意图；
(a)直叶片截面示意图；
(b)弧形叶片截面示意图；
图3为本发明实施例超音速喷管的局部示意图；
图4为本发明实施例分离器入口和扩压器入口的局部示意图；
附图标记说明：
1-入口管；1001-烟气入口；2-前置式旋流器；3-超音速喷管；3001-稳定段；3002-收缩段；3003-喉部；3004-扩张段；4-后置旋流器；5-分离器；5001-分离器入口；5002-分离器出口；6-扩压器；6001-扩压器入口；6002-扩压器出口；7-直管。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1所示超音速烟气脱水脱颗粒物分离装置，包括前置式旋流器2、超音速喷管3、后置旋流器4、分离器5和扩压器6；所述前置式旋流器2、超音速喷管3、后置旋流器4依次连接；所述前置式旋流器2另一端连接有入口管1，所述入口管1另一端设有烟气入口1001；所述后置旋流器4另一端连接有直管7，所述直管7另一端与所述分离器5和扩压器6连接。超音速烟气脱水脱颗粒物分离装置本身结构简单、无转动部件，操作简单，稳定可靠，使用寿命长。
其中，所述超音速喷管3包括依次设置的稳定段3001、收缩段3002、喉部3003和扩张段3004，所述稳定段3001的入口端与所述前置式旋流器2连接，所述扩张段3004出口端与所述后置旋流器4连接。
其中，所述分离器5与所述直管7的管壁连接，所述分离器5与所述直管7之间设有分离器入口5001，所述分离器5另一端设有分离器出口5002；所述扩压器6在所述直管7的中心处设有扩压器入口6001，所述扩压器6另一端设有扩压器出口6002；所述分离器5和扩压器6均为扩张结构。
其中，所述分离器5为环形，所述分离器5套接在所述扩压器6外部。
其中，所述入口管1、前置式旋流器2、超音速喷管3、后置旋流器4、直管7、分离器5和扩压器6均设在同一中心轴上。
其中，如图2所示所述前置式旋流器2和后置旋流器4设有多组叶片，所述叶片轴向均匀分布，叶片为直叶片或弧形叶片，所述叶片厚度为2～5mm；所述弧形叶片的叶片张角α满足5°≤α≤45°。一定的叶片圆弧张角可以保证气流在进入超音速喷管3时稳定流动，但是过大的张角会导致流道过长而引起不必要的摩擦损失，所以弧形叶片的叶片张角α满足5°≤α≤45°。
其中，如图3所示所述稳定段3001的长度L0满足500mm≤L0≤750mm；所述稳定段3001的长度L0为直径D0的0.5～1.0倍；
所述收缩段3002入口直径D1满足250mm≤D1≤750mm；所述收缩段3002入口面积与出口面积之比为收缩比，所述收缩比大于5；所述收缩段3002的收缩角β1满足20°≤β1≤50°；
所述扩张段3004的长度L2满足1100mm≤L2≤3000mm；所述扩张段3004的扩张角β2满足5°≤β2≤10°。
对于收缩比大于5的收缩段3002，稳定段3001的长度L0为直径D0的0.5～1.0倍，稳定段3001中长度引起的损失站总损失很小的一部分，所以可使稳定段3001长一些，以改善喷管入口气流；收缩段3002不宜过长，会造成成本增加，且能量损失增大；且收缩段3002的收缩比，对喷管出口气流的均匀性和降低紊流度有好处，增加收缩比有利于减少能量损失，因此在允许条件内，增加收缩比和收缩角β1，以减少收缩段3002长度，是有益的；扩张段3003需要保证在出口截面的马赫数均匀，并且达到设计的马赫数。
其中，如图4所示所述分离器5的截面宽度d3满足25mm≤d3≤75mm，长度L3满足600mm≤L3≤1600mm，所述分离器5的扩张角β3满足15°≤β3≤40°；所述扩压器6的直径D4满足100mm≤D4≤300mm，长度L4满足1100mm≤L4≤3000mm所述扩压器6的扩张角β4满足5°≤β4≤25°。当分离器5的截面宽度d3过小时由于边界影响，容易使气体温度突然升高，有可能使已形成的液滴挥发重新与干气混合，降低分离效率；分离器5的截面宽度d3过大时则会增大废气率，减小装置处理量，所以选用25mm≤d3≤75mm；扩张角β3和β4的选择减弱气流正激波的强度，减小能量损失，并加速压力恢复过程，缩短设备长度。
其中，所述入口管1、前置式旋流器2、超音速喷管3、后置旋流器4、分离器5和扩压器6和直管7的壁厚为5～20mm。
其中，所述入口管1、前置式旋流器2、超音速喷管3、后置旋流器4、分离器5和扩压器6和直管7的内壁均涂有耐腐蚀涂层，所述耐腐蚀涂层优选为过氯乙烯漆。
本发明的技术原理：烟气进入超音速烟气脱水脱颗粒物分离装置产生切向和轴向加速度，发生等熵膨胀，在超音速喷管3内增速到超音速状态，可达1.2～2.2马赫；在超音速状态下，烟气增速的同时降压、降温，随之密度发生巨大变化。
由于烟气中含有较多的颗粒物和液滴，为气态水凝结提供了凝结核心，随着温度的降低，气态水凝结并包覆在颗粒物和液滴的核上，小液滴不断成长为大液滴，包覆水的颗粒物增大成液滴，在切向速度和离心力的作用下被“甩”到管壁上，晶特殊设计的分离器5的出口排出；起到了脱水和脱颗粒物的作用。
脱水、脱颗粒物后净化的烟气经扩压器6减速、升压、升温后，使得超音速喷管3前段损失的压力和温度得到部分恢复，从扩压器出口6002排出，达到常规流速后进入烟道排放。
烟气成分：脱硫后的烟气通常是过饱和湿烟气，烟气中含有大量的水蒸汽外，水蒸汽中含有较多的溶解性盐、SO3、凝胶粉尘、微尘等。
布置位置：可布置在烟囱内外，也可布置在竖向净烟道，因此占地空间小。
运行方式：为多管并联运行，通过对各管路上阀门的控制，来匹配上游锅炉的调峰运行，从而实现在不同工况下均能达到高效的分离效果。
多管并联操作具备在线/离线状态下切换单根或多根设备的能力，以达到在线检修，无需停机的效果，节约了运维成本。
本发明的设计规格：
实施例计算说明：
600MW一台机组为例：
本发明的具体实施方式：在使用时，经过湿法脱硫的烟气进入烟气入口1001，经过入口管1后在前置式旋流器2的作用下，湿烟气将产生径向速度，将烟气中的颗粒物和液态水甩到壁面处，实现烟气和液滴与固体颗粒物初步分离(饱和烟气在管中心，液态水和颗粒物在壁面)。
此后处于旋流前进状态的饱和烟气进入超音速喷管3，随着收缩段3002超音速喷管3直径减小，在经过喉部3002后进入扩张段3004超音速喷管3的直径逐渐扩张，根据角动量守恒湿烟气在收缩段3002由亚音速达到音速，在扩张段3004则达到超音速状态。在此过程中的烟气内能减小，动能增加，烟气的温度和压力均降低，而速度增加，最终获得低温低压的超音速气流，形成了有利于气态水自发凝结的环境，在低温和低压条件下湿烟气中的水蒸气开始凝结，由于烟气中含有较多颗粒物和液滴，为气态水凝结提供了凝结核心，随着温度的降低，气态水凝结并包覆在颗粒物和液滴的核上，包覆水的颗粒物增大成液滴，液滴也能对颗粒物进行碰撞捕捉，经多次碰撞后液滴、颗粒物等集中汇流质量增大，待液核达到临界尺寸时便迅速生长成为大液滴，加速了气态水转化为液态水的过程。
经过后置式旋流器4，使得气固液的离心加速度得到加强。在喷管内强旋流条件下，由于气液两项间巨大的质量差，液态水和细小颗粒物的密度大，其所受的离心力也较大。在较大的离心力的作用下，质量大的液滴和细小颗粒物更容易被“甩”壁面上，形成一层水膜；水膜在壁面附近前进，沿壁面通过分离器入口5001，进入分离器5内。并通过分离器出口5002，完成脱水脱颗粒物的功能后，进入下一级设备。经过旋流脱水的干烟气，通过直管7中心处的扩压器入口6001，在扩压器6的作用下，扩压器6内的气体速度逐渐减小，温度逐渐升高，压力逐渐回升至入口压力的80％～85％。经过处理的干烟气通过扩压器出口6002，进入下一级设备，完成气液分离过程，每个超音速烟气脱水脱颗粒物分离装置的烟气处理量可达到200000m3/h。
超音速烟气脱水脱颗粒物分离装置，实现从烟气中一次性分离气态水，液态水(液滴)及颗粒物，解决环保问题，并且可实现多管并联运行，各管路均有独立的阀门控制，通过调整对应数量的阀门开闭来匹配上游锅炉及脱硝脱硫设备运行负荷，从而实现在不同烟气排放量下均能有良好的分离效果。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.超音速烟气脱水脱颗粒物分离装置，其特征在于：包括前置式旋流器(2)、超音速喷管(3)、后置旋流器(4)、分离器(5)和扩压器(6)；所述前置式旋流器(2)、超音速喷管(3)、后置旋流器(4)依次连接；所述前置式旋流器(2)另一端连接有入口管(1)，所述入口管(1)另一端设有烟气入口(1001)；所述后置旋流器(4)另一端连接有直管(7)，所述直管(7)另一端与所述分离器(5)和扩压器(6)连接。
2.根据权利要求1所述的超音速烟气脱水脱颗粒物分离装置，其特征在于：所述超音速喷管(3)包括依次设置的稳定段(3001)、收缩段(3002)、喉部(3003)和扩张段(3004)，所述稳定段(3001)的入口端与所述前置式旋流器(2)连接，所述扩张段(3004)出口端与所述后置旋流器(4)连接。
3.根据权利要求1所述的超音速烟气脱水脱颗粒物分离装置，其特征在于：所述分离器(5)与所述直管(7)的管壁连接，所述分离器(5)与所述直管(7)之间设有分离器入口(5001)，所述分离器(5)另一端设有分离器出口(5002)；所述扩压器(6)在所述直管(7)的中心处设有扩压器入口(6001)，所述扩压器(6)另一端设有扩压器出口(6002)；所述分离器(5)和扩压器(6)均为扩张结构。
4.根据权利要求3所述的超音速烟气脱水脱颗粒物分离装置，其特征在于：所述分离器(5)为环形，所述分离器(5)套接在所述扩压器(6)外部。
5.根据权利要求1所述的超音速烟气脱水脱颗粒物分离装置，其特征在于：所述入口管(1)、前置式旋流器(2)、超音速喷管(3)、后置旋流器(4)、直管(7)、分离器(5)和扩压器(6)均设在同一中心轴上。
6.根据权利要求1所述的超音速烟气脱水脱颗粒物分离装置，其特征在于：所述前置式旋流器(2)和后置旋流器(4)设有多组叶片，所述叶片轴向均匀分布，叶片为直叶片或弧形叶片，所述叶片厚度为2～5mm；所述弧形叶片的叶片张角α满足5°≤α≤45°。
7.根据权利要求2所述的超音速烟气脱水脱颗粒物分离装置，其特征在于：所述稳定段(3001)的长度L0满足500mm≤L0≤750mm；所述稳定段(3001)的长度L0为直径D0的0.5～1.0倍；
所述收缩段(3002)入口直径D1满足250mm≤D1≤750mm；所述收缩段(3002)入口面积与出口面积之比为收缩比，所述收缩比大于5；所述收缩段(3002)的收缩角β1满足20°≤β1≤50°；
所述扩张段(3004)的长度L2满足1100mm≤L2≤3000mm；所述扩张段(3004)的扩张角β2满足5°≤β2≤10°。
8.根据权利要求4所述的超音速烟气脱水脱颗粒物分离装置，其特征在于：所述分离器(5)的截面宽度d3满足25mm≤d3≤75mm，长度L3满足600mm≤L3≤1600mm，所述分离器(5)的扩张角β3满足15°≤β3≤40°；所述扩压器(6)的直径D4满足100mm≤D4≤300mm，长度L4满足1100mm≤L4≤3000mm所述扩压器(6)的扩张角β4满足5°≤β4≤25°。
9.根据权利要求1所述的超音速烟气脱水脱颗粒物分离装置，其特征在于：所述入口管(1)、前置式旋流器(2)、超音速喷管(3)、后置旋流器(4)、分离器(5)和扩压器(6)和直管(7)的壁厚为5～20mm。
10.根据权利要求1所述的超音速烟气脱水脱颗粒物分离装置，其特征在于：所述入口管(1)、前置式旋流器(2)、超音速喷管(3)、后置旋流器(4)、分离器(5)和扩压器(6)和直管(7)的内壁均涂有耐腐蚀涂层，所述耐腐蚀涂层优选为过氯乙烯漆。
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