CN109821339B - 一种脱除烟气中可冷凝污染物和回收水的风冷-脱白装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于环保技术领域，具体为一种脱除烟气中可冷凝污染物和回收水的风冷‑脱白装置。本发明装置包括风冷换热器、折线聚并器、旋风聚并器、风机、水泵、水位控制器，蓄水池，烟气混合腔等；本发明将风冷与聚并技术相结合，可以实现对所有可冷凝物质（HCl、NH₃、SO₃和部分SO₂、NOx）与水蒸汽的高效捕集和回收，实现湿法脱硫，零水消耗。本发明克服了现有技术中高成本、低效率和高腐蚀性等问题，只需要电力驱动装置而不需要循环水等物料消耗。另外，“脱白”后的烟气中可溶性离子排放浓度在当前平均排放水平上进一步削减至2 mg/m³，烟尘削减至1 mg/m³，可以满足国家在下两个五年计划可能提出的更高环保要求，实现真正意义上的“无烟”排放。

Description

一种脱除烟气中可冷凝污染物和回收水的风冷-脱白装置

技术领域

本发明属于环保技术领域，具体涉及一种脱除烟气中可冷凝污染物和回收水的风冷-脱白装置。

背景技术

为了治理雾霾，我国对工业排放源的烟气在逐渐提高环保标准。自2014年以来开始从燃煤电厂开始实施超低排放标准，目前已经完成约80%的超低排放；2018年开始，钢铁行业从河北省开始执行超低排放标准。为了满足超低排放标准的要求，湿法脱硫占现投产烟气脱硫装置的93%。湿法脱硫后的烟气处于水蒸气饱和状态，温度处于45-55 ℃，进入大气环境降温后，烟气中饱和水蒸气转变成过饱和状态，凝结形成液滴，即“白烟”现象。所形成的白烟吸附烟气中的SO₃、SO₂和NOx等，呈现较强酸性，降落地面后形成酸雨或者石膏雨。经过对多个冷凝液滴的采集和测量，“白烟”的含有超过1%的硫酸根离子，pH值基本处于1.7-3.5之间，比目前世界上已经报道过的酸雨酸性更强。因此，“白烟”的脱除将是我国未来一段时间内大气治霾的重点，也是环保行业的重点技术突破点。

当前“脱白”技术处于试点阶段，市场上主要存在的技术有：（1）烟气再加热技术（GGH），将脱硫后的低温烟气提升20 ℃以上，使其在烟囱口冷凝时不能快速冷凝而不出现“白烟”现象；（2）鼓风稀释烟气，在烟囱中下部分鼓入环境空气或者热烟气，使得原饱和烟气的相对湿度降低；（3）循环水冷却技术，在烟气进入烟囱前通过循环水冷却烟气3-5 ℃，提前实现冷凝而减少液滴排入大气；（4）高效除雾技术，在脱硫塔顶部加入撞击板使得脱硫后的小液滴因撞击而实现高效捕获。这些技术中，（1）和（2）并未实现“脱白”，只是使得“白烟”在视觉上“隐形”后排入大气，未实现任何脱除；（3）可以实现部分脱除，一般脱除效率为15%-30%左右，同时技术上存在投资和维护成本高，且管道易腐蚀；（4）只对脱硫后产生的逃逸液滴高效脱除，可以部分实现湿式电除尘功能，不能对烟气中的“白烟”实现脱除。市场上当前试点的技术大部分在原理上不能“脱白”，一部分脱除效率很低，在未来环保参数规范化之后，这些技术均将不能满足我国环保市场“脱白”的需求。因此，市场急需低成本的高效“脱白”技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够实现低成本、高效率的脱除烟气中可冷凝污染物和回收水的风冷-脱白装置。

本发明提供的脱除烟气中可冷凝污染物和回收水的风冷-脱白装置，其结构如图1所示，包括风冷换热器、风机、冷风通道、热风通道、烟气进入通道、烟气排出通道、旋风聚并器、水位控制阀、蓄水池、水泵、烟气混合腔；其中，所述风冷换热器1内部包括若干换热管、换热翅片7和折线聚并器8；风冷换热器1设有外部换热通道和内部换热通道，外部换热通道为冷风经过的通道，内部换热通道为烟气经过的换热通道；换热翅片7设置于外部换热通道内，折线聚并器8设置于内部换热通道内；外部通道两侧分别与冷风通道3和热风通道4连通；内部通道的两端口分别与烟气进入通道5和烟气排出通道6相连通；所述风机2设置于冷风通道3进口处，用于输送冷风；所述旋风聚并器9设有两个气体端口和一个液体端口，两个气体端口分别与烟气排出通道6、烟气混合腔13相连通，液体端口与蓄水池连通；所述烟气混合腔13有3个端口，两个同向相邻端口分别与热风通道4和旋风聚并器烟气出口相连通，第三个端口与烟囱连通；所述水泵11与蓄水池10连通，水泵11与水位控制器12、蓄水池10，三者构成蓄水池水位控制系统，用于控制蓄水池10的水位。

本发明中，所述风冷换热器1内部包括若干换热管、换热翅片7和折线聚并器8；其中：

所述折线聚并器为细丝折线并排型结构（如图2所示），细丝折线的每个弯折点与换热管内壁连结，因此换热面积大增；同时由于是折线并排结构，能够让烟气在其表面形成撞击、湍流，这样既增加换热时间，又增加聚并时间，可最大程度实现冷凝析水，以及冷凝小液滴、可溶性离子、颗粒物凝结在一起，冷凝聚并成大液滴。同时由于其细丝并排结构，表面积大，在保证气流通过性和气流阻挡性的同时，其本身也是很好的捕水器和集水器。

所述换热翅片为细丝折线并排型结构（如图2所示），整体结构与上述折线聚并器类似，但由于其不需要聚并效果，因此其并排组数低于折线聚并器。该折线型换热翅片的每个弯折点与邻近两根换热方管外壁相连结，使得换热器换热面积大增，同时形成气流撞击和湍流，热交换时间更久，换热更充分，换热效率提高。

本发明中，所述旋风聚并器为离心式旋风器，对前面折线聚并器处理后的剩余烟气，再进行离心式聚并，进一步让烟气中小液滴、可溶性离子、颗粒物进一步得到聚并凝结成大液滴，从液体端排出，进一步对水、水溶性离子、颗粒物的脱除。旋风聚并器为常规离心式旋风器，性能质量稳定，成本低廉。

本发明中，所述蓄水池、水位控制器、水泵三者构成一个蓄水池水位控制系统，实现蓄水池中水位保持在最高位与最低位之间；当水位在最高位时触发水泵工作，抽水；当水位到达最低位时，触发水泵停止工作，蓄水。保持最低水位是保证整个烟气气路系统的稳定，不造成烟气回流。水位控制器为成熟商业产品，性能质量稳定，成本低廉，可最低成本实现蓄水池的水位保持。

本发明中，所述烟气混合腔，采用常规Y形三通管设计，热空气与烟气从Y型混合腔的两个邻近端头进入，由于两者气流流向相近，因此两者的压差对烟气气路和空气气路的影响降到最低；随后两者汇合成一路，充分混合，烟气得到稀释，进而烟气整体温度得到提升，湿度迅速降低，有效提升烟气抬升高度，降低烟气露点温度，最终一起排入烟囱，白烟消失。

本发明中，所述风机2与冷气通道3之间设置有气流均布板31，在烟气进气道口处也设置有气流均布板51，让气流流场更加均匀，换热效率更高，所采用的气流均布板为常规喇叭气流均布孔板。

本发明为一种脱除烟气中可冷凝污染物和回收水的风冷-脱白装置，其使用方法包括以下步骤：

（1）烟气从脱硫塔出口引入烟气进入通道5，随后进入换热器1内部通道进行换热；在换热器内部通道设置有丝状折线并排聚并器8，增大换热面积，烟气与其发生撞击，产生湍流，使得换热更充分，烟气温度降低，凝结出大量冷凝水。同时由于撞击，湍流，和聚并器的细密结构，可以让可溶性离子，颗粒物与水相互充分聚并，形成污水，一起排入到旋风聚并器中；

（2）冷空气为环境空气，由风机2引入到冷风通道3，在风机喇叭口处设置有气流均布板31，可使冷空气气流在冷风通道中更均匀，提高换热效率；随后冷空气进入换热器外部通道进行换热；在换热器外部通道中设置有丝状折线换热翅片7，使得换热面积增大，同时丝状翅片使得气流收到阻挡，形成湍流，使得换热更充分，最终冷空气与烟气换热后形成热空气，经过热空气通道，进入烟气混合腔；

（3）冷凝下来的污水和换热后的烟气一起进入旋风聚并器9，该旋风器聚并器9为离心式旋风器，可进一步使颗粒物，可溶性离子与水进行离心聚并形成污水，最大程度实现颗粒物，可溶性离子的脱除。通过离心式旋风聚并后，气体和液体得到充分分离，分离后的烟气进入烟气混合腔，分离后的污水进入蓄水池；

（4）经旋风聚并器9分离后的污水进入到蓄水池10；蓄水池10、水位控制器11、水泵12，三者构成一个水位保持系统。当蓄水池中污水未达到最高设定水位，水泵不工作，继续蓄水；当水位到达最高设置水位，水泵开始工作，将污水抽走，并输送到脱硫塔浆液补水系统，实现0水耗；

（5）经旋风聚并器9分离后的烟气进入到烟气混合腔13，与热空气进行混合与稀释，一起排出到烟囱，进入大气。

本发明的风冷式烟气除污去水脱白装置与现有技术比较，具有以下优点：

（1）从水脱除效果来看，在前文所述4类技术中，技术（1）和（2）并未进行水脱除，技术（3）和（4）脱水效果非常有限；本发明采用的风冷冷凝+双聚并技术，水脱除率最大可达56.8%，回收水完全满足脱硫浆液补水。从脱白效果来看，通过冷凝聚并大量除水后，再加上热空气稀释，可轻松实现烟气脱白；

（2）从污染物脱除效果来看，在前文所述4类技术中，技术（1）和（2）并未进行颗粒物脱除，技术（3）和（4）去污效果非常有限；本发明采用的风冷冷凝+双聚并技术，水溶性离子，颗粒物，脱除率最大可达62.07%，含量最高的硫酸根去除率达60.3%；

（3）从能耗上来看，本发明采用环境冷空气作为冷源，比现有脱白方法能耗大为降低，尤其加热型脱白技术。由于本发明可冷凝回收大量水，实现脱硫0水耗；

（4）从性能上看，本发明多处采用成熟稳定产品和设计，比如离心旋风聚并器、水位控制系统等，整体结构紧凑简洁；另外换热器采用316L不锈钢材，具有良好的防酸腐性能；

（5）从成本上看，本发明多处采用常规成熟稳定产品和设计，制造成本低廉；同时由于本发明运行能耗低，大量水资源回收再利用，所以运行成本也大为降低。

本发明提供的燃煤电厂风冷式烟气除污去水装置，将风冷、聚并技术相结合，可以实现对所有可冷凝污染物与水蒸汽高效捕集和回收，能够实现湿法脱硫，0水消耗。本发明可以克服当前试点技术中（1）和（2）的原理上不可行、（3）的腐蚀性和高成本和（4）的低效率等问题，在运行过程中只需要电力驱动装置而不需要循环水等物料消耗。另外，“脱白”后的烟气中可以实现可溶性离子排放浓度在当前平均排放水平上进一步削减至2 mg/m³，烟尘削减至1 mg/m³，同时在视觉上消除“白烟”，可以满足国家在下两个五年计划可能提出的更高环保要求，实现真正意义上的“无烟”排放。

该系统的运行均无需给料，无需专人维护，同时对脱硫后的饱和水蒸气实现35%-70%的脱除，捕集下来液滴将完全满足脱硫塔中脱硫浆液的补水，从而实现整个典型燃煤电厂和钢铁厂等工业环保装置的完全0水耗运行。

附图说明

图1为本发明的脱除烟气中可冷凝污染物和回收水的风冷-脱白装置的结构图示。

图2为换热翅片和折线聚并器结构示意图。

图中标号：1为风冷换热器，2为风机，3为冷风通道，31为冷风通道气流均布板，4为热风通道，5为烟气进入通道，51为烟气进入通道气流均布板，6为烟气排出通道，7为换热翅片，8为折线聚并器，9为旋风聚并器，10蓄水池，11为水泵，12为水位控制器，13为烟气混合腔；14为单根折线换热翅片（在换热器的外部时），或者为单根折线聚并丝（在换热器的内部时），15为换热管壁，16为并排平行的换热翅片（在换热器的外部时），或者为并排平行的折线聚并丝（在换热器的内部时）。

具体实施方式

下面结合本发明在燃煤电厂的实际测试，对其做进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此。

如图1所示，一种脱除烟气中可冷凝污染物和回收水的风冷-脱白装置图，包括风冷换热器1、风机2、冷风通道3、冷风通道气流均布板31、热风通道4、烟气进入通道5、烟气进入通道气流均布板51、烟气排出通道6、换热翅片7、折线聚并器8、旋风聚并器9、蓄水池10、水泵11、水位控制器12、烟气混合腔13。

换热器1两侧分别与冷风通道3和热风通道4连通。冷风通道3入口与风机2相连通，并在其中设置有气流均布板，可使通过换热器1的冷空气气流更加均匀，换热更充分。

换热器1的外部换热通道即为冷风经过的通道，在通道内部均匀布置有折线型换热翅片7，并排组数不少于100组，一组细丝弯折次数不少于100次，细丝宽度约为细丝间距的2倍，由于换热翅片7不需要聚并效果，所以其细丝并排组数远少于折线聚并器。每组细丝换热翅片与邻近的两根换热方管外壁相连结，换热面积大增，同时由于是折线并排排布，能对气流形成撞击和湍流效应，使得热交换时间更长，换热更充分，换热效率更高。

换热器1的内部通道即为烟气经过的换热通道，烟气通道5将脱硫后烟气引入到换热器1的内部烟气换热通道，其中在烟气进入通道5中设置有气流均布板51，使得烟气气流在通道内更加均匀，换热更充分。换热器1的内部换热通道设有并排折线聚并器8，其细丝并排组数不少于300组，一组细丝弯折次数不少于100次，细丝宽度大约为细丝间距的2倍，由于需要更好的聚并效果，所以其并排组数远大于换热翅片7的并排组数，约3倍多。聚并器的细丝弯折点与换热方管内壁相连结、使得换热面积大增；同时由于其折线并排结构，可使烟气在其表面形成撞击、湍流，这样既增加换热时间，又增加聚并时间，可最大程度实现冷凝析水，以及冷凝小液滴、可溶性离子、颗粒物（HCl、NH₃、SO₃和部分SO₂、NOx等）凝结在一起，冷凝聚并成大液滴。同时由于其细丝并排结构，表面积大，在保证气流通过性和气流阻挡性的同时，其本身也是很好的捕水器和集水器。

凝结析出的水与降温后的烟气通过烟气排出通道6进入到旋风聚并器9，旋风聚并器9采用常规离心式旋风分离器，防腐塑料材质，结构简单，设计成熟，可对剩余未完全聚并的小液滴，再进行离心式聚并，进一步让烟气中小液滴、可溶性离子、颗粒物聚并凝结成大液滴，最大程度实现对其脱除。通过离心式旋风聚并后，气体和液体得到充分分离，分离后的烟气进入烟气混合腔，分离后的污水进入蓄水池。

经旋风聚并器分离后的污水进入到蓄水池10；蓄水池10、水泵11，水位控制器12，三者构成一个水位保持系统，实现蓄水池中水位保持在最高位与最低位之间；当水位到达最高设定水位时，触发水泵工作，抽水，将污水输送至脱硫塔浆液补水系统，实现0水耗；当水位到达最低设定水位时，触发水泵停止工作，蓄水，设置最低水位是为了保证整个烟气气路系统的稳定，不造成烟气回流进入脱硫塔。水位控制系统采用成熟商业产品，性能质量稳定，成本低廉，可最低成本实现蓄水池的水位保持。

经旋风聚并器分离后的烟气进入到烟气混合腔13，与热空气进行混合与稀释。烟气混合腔13采用常规Y形三通风管设计，其两个气体进入端夹角仅30度，是为了尽量让两路气流方向一致，从而将两者的压差对烟气气路和空气气路的影响降到最低；随后两者汇合成一路，烟气得到充分混合稀释，热空气余热得到利用，进而提升烟气整体温度，降低湿度，有效提升烟气抬升高度，降低烟气露点温度，白烟消失，实现脱白。

本发明在烟温49度，冷风进气流量为3m³/min，烟气流量在3m³/min时，水脱除率为39.25%，水溶性离子，颗粒物的脱除率为45.09%。

本发明在烟温49度，冷风进气流量为3m³/min，烟气流量2m³/min，水脱除率为54.62%，水溶性离子，颗粒物的脱除率为51.25%。

本发明在烟温49度，冷风进气流量为3m³/min，烟气流量1m³/min的情况下，水脱除率为56.80% ，水溶性离子、颗粒物的脱除率为62.07%。

Claims (5)

1.一种脱除烟气中可冷凝污染物和回收水的风冷-脱白装置，其特征在于，包括风冷换热器、风机、冷风通道、热风通道、烟气进入通道、烟气排出通道、旋风聚并器、水位控制器、蓄水池、水泵、烟气混合腔；其中，所述风冷换热器内部包括若干换热管、换热翅片和折线聚并器；风冷换热器设有外部换热通道和内部换热通道，外部换热通道为冷风经过的通道，内部换热通道为烟气经过的换热通道；换热翅片设置于外部换热通道内，折线聚并器设置于内部换热通道内；外部通道两侧分别与冷风通道和热风通道连通；内部通道的两端口分别与烟气进入通道和烟气排出通道相连通；所述风机设置于冷风通道进口处，用于输送冷风；所述旋风聚并器设有两个气体端口和一个液体端口，两个气体端口分别与烟气排出通道、烟气混合腔相连通，液体端口与蓄水池连通；所述烟气混合腔有3个端口，两个同向相邻端口分别与热风通道和旋风聚并器烟气出口相连通，第三个端口与烟囱连通；所述水泵与蓄水池连通，水泵与水位控制器、蓄水池，三者构成蓄水池水位控制系统，用于控制蓄水池的水位。

2.根据权利要求1所述的脱除烟气中可冷凝污染物和回收水的风冷-脱白装置，其特征在于，所述风冷换热器中的折线聚并器为细丝折线并排结构，细丝折线的每个弯折点与换热管内壁相连结。

3.根据权利要求2所述的脱除烟气中可冷凝污染物和回收水的风冷-脱白装置，其特征在于，所述换热翅片为细丝折线并排型结构，整体结构与上述折线聚并器类似，但其折线并排组数低于折线聚并器中的折线并排组数；该折线换热翅片的每个弯折点与邻近两根换热管外壁相连结。

4.根据权利要求1、2或3所述的脱除烟气中可冷凝污染物和回收水的风冷-脱白装置，其特征在于，所述旋风聚并器为离心式旋风器。

5.根据权利要求4所述的脱除烟气中可冷凝污染物和回收水的风冷-脱白装置，其特征在于，所述风机与冷气通道之间设置有气流均布板，在烟气进气道口处也设置有气流均布板。

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