CN110131741B - 基于余热驱动和全成分治理的烟气除霾与消白方法和系统 - Google Patents

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Abstract

基于余热驱动和全成分治理的烟气除霾与消白方法和系统，属于烟气治理和锅炉供热技术领域。针对现状锅炉湿法脱硫烟气尾羽或干法脱硫烟气携带较多颗粒污染物特别是大量纳米级可穿透颗粒物（PM0.3及以下）及酸性气体，属雾霾主要成因之列、且可长期悬浮于大气中并不断累积的问题，采用高温除尘器提高脱硝装置效率并消除催化剂中毒根源，采用梯级冷凝水膜除污模块大幅降低水蒸气、二氧化硫等酸性气体、可过滤颗粒物（FPM）、可凝聚颗粒物（CPM）和可溶解颗粒物（DPM），其中烟气自其下部向上流动，依次经过洗涤冷凝雨区、单向整流器、间壁冷凝器、下洗涤换热器、洗涤除雾器、上洗涤换热器、除雾器、消白换热器，洁净烟气高空扩散排放。

Description

基于余热驱动和全成分治理的烟气除霾与消白方法和系统
技术领域
本发明涉及基于余热驱动和全成分治理的烟气除霾与消白方法和系统，属于烟气治理和锅炉供热技术领域。
背景技术
采用燃煤、天然气等化石燃料燃烧制热的锅炉、各类工业窑炉等的排烟中含有大量的水蒸气和诸多气态、固态污染物，成为影响大气环境的重要污染物来源，而目前治理雾霾及视觉消白等均属社会大众和政策部门关注的焦点环保问题，政策部门、学界和许多行业企业也付出了诸多努力和尝试来试图从根本上解决这一课题，并取得了一些进展，甚至目前包括上海、天津、河北等在内的十多个省市也纷纷出台有关“消白”的地方标准，另有一些地方和行业也在寻求提出标准、政策，以便于把大气治理工作深入到位。但是目前对雾霾成因、排烟影响雾霾机理及程度等的认识和理解还有待深化，使得诸如燃煤锅炉排烟治理等的方向、方式、方法上还有待深度研究，而行业企业的配套解决方案及系统、技术效果、投资及运行经济性及企业承受力等均有待深化考察，目前锅炉或窑炉等烟气治理领域存在的若干重要问题和现象包括：其一是锅炉排烟对雾霾影响的机理及程度；其二是锅炉排烟进行了超低排放治理后的烟气成分、及对雾霾的影响机理；其三是深度治理烟气以达到从根本上消除或至少显著减缓其对雾霾贡献度的技术途径；其四是实现技术途径的关键技术、关键设备是否具有可行性、技术效果及对雾霾或消白的影响是否可确认、及是否具备产业化推广的技术、经济条件和政策环境等。
本发明的几个重要背景技术分述如下。
（一）关于雾霾成因的技术研究背景。
为方便探讨解决问题的技术途径，首先有必要将目前人们针对雾霾的一般性认识和分析综述如下。雾霾天气是一种大气污染状态，雾霾是对大气中各种悬浮颗粒物含量超标的笼统表述，尤其是PM2.5（空气动力学当量直径小于等于2.5微米的颗粒物）被认为是造成雾霾天气的“元凶”。其中雾是由大量悬浮在近地面空气中的微小水滴或冰晶组成的气溶胶系统。霾是空气中的灰尘、硫酸（盐）、硝酸（盐）等的颗粒物组成的气溶胶系统并造成视觉障碍，其中颗粒物才是加重雾霾天气污染的罪魁祸首，其本身既是一种污染物，又是重金属、多环芳烃等有毒物质的载体。霾粒子的分布比较均匀，而且灰霾粒子的尺度比较小，从0.001微米到10微米，平均直径大约在1～2微米左右，肉眼看不到空中飘浮的颗粒物。
气溶胶（aerosol）由固体或液体小质点分散并悬浮在气体介质中形成的胶体分散体系，又称气体分散体系。其分散相为固体或液体小质点，其大小为0.001～100微米，分散介质为气体。液体气溶胶微粒一般呈球形，固体微粒则形状不规则，其半径一般为0.001-0.1微米。小粒径气溶胶的浓度受凝聚作用所限制，而大粒子的浓度则受沉降作用所限制。气溶胶的化学组成十分复杂，它含有各种微量金属、无机氧化物、硫酸盐、硝酸盐和含氧有机化合物等。大气中二氧化硫转化形成的硫酸盐，是气溶胶的主要成分之一。硫是气溶胶内最重要的元素，其含量能反映污染物的全球性迁移、传输和分布的状况。气溶胶中硝酸盐和有机物的形成机制，尚待研究。气溶胶来源于土壤的各种元素其含量在地区之间差别不大；而来源于工业区的各种元素（如氯、钨、银、锰、镉、锌、锑、镍、砷、铬等），就有较大的地区差别。
气象专家表示，雾霾天气形成既受气象条件的影响，也与大气污染物排放增加有关，冬季造成雾霾天气偏多、偏重的原因主要有以下三方面：一是冷空气活动较常年偏弱，风速小，易造成污染物在近地面层积聚，从而导致雾霾天气多发；二是我国冬季气溶胶背景浓度高，有利于催生雾霾形成；三是雾霾天气会使近地层大气更加稳定，会加剧雾霾发展、加重大气污染。雾霾的源头多种多样，比如汽车尾气、工业排放、建筑扬尘、垃圾焚烧，甚至火山喷发等等，雾霾天气通常是多种污染源混合作用形成的。
霾在吸入人的呼吸道后对人体有害，如长期吸入，严重者会导致死亡。从对人体呼吸道的危害看来，10微米以上的粒子，常阻留在鼻腔和鼻咽喉部；2～10微米的粒子大部分留在上呼吸道，而2微米以下的粒子随着粒径的减小在肺内滞留的比率增加，0.1微米以下的粒子随着粒径的减小在支气管内附着的比率增加。由于霾中细小粉粒状的飘浮颗粒物直径一般在0.01微米以下，可直接通过呼吸系统进入支气管，甚至肺部。所以，霾影响最大的就是人的呼吸系统，造成的疾病主要集中在呼吸道疾病、脑血管疾病、鼻腔炎症等病种上。
综上所述，雾霾作为一种在一定气象条件下的大气处于较为稳定的气溶胶状态，其中的酸性气体如二氧化硫、氮氧化物、颗粒物等共同作用的结果，其中颗粒物中的粒径较小者即0.001-0.1微米范围内的颗粒物更容易形成较为稳定的气溶胶状态，也是雾霾形成的主要因素之一；同时，一般认为其对人体健康的威胁也更为严重，当然也是除霾的主要努力方向之一。
（二）锅炉排烟对雾霾影响的新发现及其研究进展。
最近几年对燃煤电厂等污染企业实施了多轮普遍性的环保减排和提效，取得了极大成效，特别是火电厂已经普遍实现了超低排放指标，即烟尘不高于5mg/Nm³、二氧化硫不超过35mg/Nm³、氮氧化物不超过50mg/Nm³，但是空气污染并没有从根本上得到解决，重雾霾污染天气仍然时有发生。目前我国现有颗粒物测量的国家标准（GB16157-1996），只测量到了大于0.45微米（PM0.45）的颗粒，现有检测手段无法补集纳米级颗粒物（粒径几纳米到几百纳米）。那么小于PM0.45的颗粒物是否会是雾霾的另一主要成因呢，经湿式脱硫装置产生的白色烟气中含有大量溶解颗粒（TDS—Total Dissolved Solids），是指溶于液体的固体颗粒物总和，其粒径通常在零点几纳米到几百纳米之间（大多数小于目前监测尺度PM0.45）。湿式脱硫装置出口烟气含大量的过饱和水蒸气，致使烟囱出现“白色羽状雾汽拖尾”现象，实测证明其即含有大量水蒸气，也含大量的溶解颗粒和有害重金属，其从烟囱排出后，在空气中漂浮，随着水分的蒸干，以极其细微的颗粒物长期悬浮于大气之中，该纳米级溶解颗粒可更长时间悬浮于大气当中，且不断累积。通常PM2.5颗粒可在大气中悬浮100小时，PM1颗粒可在大气中悬浮1000小时，而这种更小的颗粒（PM0.45以下）悬浮时间更长，更难沉降，随着气象条件和湿度条件适宜快速聚团，形成气溶胶（Aerosol），造成雾霾污染。
2017年8月15日至8月30日，对天津国电津能热电有限公司1#机组进行了精细测量。该机组脱硝、除尘、脱硫等环保设施与主体工程同时于2009年8月12日投入运行。该机组环保检测已达标（颗粒物排放小于10mg/Nm3）。通过用蒸馏水洗涤的方法，测试得出三组数据，据此合理推测溶解颗粒是雾霾久治不愈的重要原因，实测结果分析如下。
（1）本次测试中，石灰石-石膏湿法脱硫后，烟气中有87毫克/标准立方米的溶解颗粒排出；经过湿式电除尘器后，仍有76毫克/标准立方米。这两个数据，远高于超洁净排放中颗粒物排放要小于10毫克/标准立方米的现有国家标准。这说明：1）湿式脱硫后会产生并排出大量溶解颗粒；2）湿式电除尘器对这些溶解颗粒的清除效果甚微，不能作为清除溶解颗粒的设备选项；3）这些溶解颗粒极其细微而被漏检，逃离了人们的视线，畅行无阻，被“合法”地排入了大气。
（2）溶解颗粒排放量计算及污染的评估。以该机组（容量330MW）实测的排放溶解颗粒量，可计算出其向大气排放溶解颗粒量约为131 公斤/小时；则容量1000MW机组锅炉排烟的溶解颗粒排出量为 397公斤/小时。雾霾“爆表”浓度为500µg/m3，该电厂每小时排放的溶解颗粒量，在扩散不好的条件下，可使约2km(长) x2km(宽) x200m(高)的大气空间达到“爆表”浓度。
（3）我国用于发电的燃煤总装机容量约9.0625亿千瓦，99%都加装了湿式脱硫装置。按以上数据推算，仅燃煤电厂脱硫一项溶解颗粒排放就高达约260万吨/年。这里尚未包括焦化、炼钢、化工、水泥、工业锅炉等用户。此外，“飞溅蒸发”式冷却也是溶解颗粒的排放大户。如果将这些都包括在内，估计溶解颗粒（TDS）排放会接近或高于1000万吨/年。该污染物总量甚至超过我们已知粉尘排放总量，加之更长的悬浮时间。因此可以得出：溶解颗粒是导致雾霾的又一重要原因。
（4）烟气中水蒸气pH值分析。实测pH值通常在2-3，此水蒸气进入大气后，如遇雨天，便会形成酸雨（这种强酸性水蒸气年排放量高达9亿吨以上）。这是由于催化脱硝（SCR）使烟气中更多的SO2转化为SO3，目前的湿式脱硫，极难脱除SO3；再加上脱硝中的“氨逃逸”现象，使排烟中水蒸气带有“强酸性”。
综上所述，燃煤锅炉排烟经湿法脱硫后的烟气中大量含有粒径较小的溶解颗粒，其在实现了“超低”排放的情况下的实际含量达到70～100mg/Nm³级，相当于甚至大于目前实现了“超低”排放的三类检测污染物的含量之和，因此并非真正的超低排放，而是因其目前未纳入监测范围而未引起人们的足够重视，但其与逃逸的酸性气体均难以被脱硫塔后的湿电除尘器捕捉，从而被大量排放到大气中，成为目前排烟中影响大气环境及雾霾形成的主要因素之一。
（三）关于烟气消白的概念、实质及价值的技术分析。
目前包括上海、天津、河北等在内的十多个省市纷纷出台有关“消白”的地方标准，其中上海等南方地区往往要求通过提高烟气温度实现烟尘排烟的更大范围高空扩散，以减少对地面及邻近空气的粉尘类污染，并实现视觉“消白”。但与南方地区不同，北方消白标准不要求冬季完全消除白色视觉污染，例如天津、河北等地政策部门要求消白的目标和实质：通过冷凝换热实现有效减少水蒸气含量、有效减少可溶盐等雾霾污染物，减轻“白烟”视觉污染。
关于北方地区实现完全视觉消白的可能性及其技术途径探讨如下。
（1）关于北方地区难以实现视觉消白的机理如下：例如燃气锅炉排烟露点温度如取57℃，则1kg干烟气的水蒸气含量约128g；外温-5℃时空气饱和时最大含量只有2.5g。当烟气温度降低到30℃时约27g，因此水蒸气可减少79%，则其“白烟”尾迹长度可大幅缩短到原有的10%～20%；但由于其水蒸气含量仍比冬季外温最大允许值超出一个数量级，因此即使再把烟气温度提高30～50℃也很难完全消除“白烟”视觉污染。
（2）北方地区消白政策及其依据：例如河北省、天津市等地方政策文件的技术依据，并非完全视觉消白，而是着眼于降低烟气冷凝温度约4～5℃，通过一部分水蒸气的凝结，可显著降低排烟中的除NOx外的其它污染物（如可溶盐、脱硫石膏、重金属、二氧化硫、氯化氢、及烟尘含量指标等），尽可能降低尾羽污染及雾霾等影响因素，并部分降低“白烟”尾迹的视觉长度。
（3）完全消除视觉白雾污染的技术条件与途径分析如下。
a)将排烟温度降低到外温例如-5℃或更低，从而消除烟囱口白雾现象，但实际代价极大。
b)如将排烟温度降低到30～35℃，再行加热升温至150～200℃左右，则可在白天外温不低于-5℃时实现视觉消白，但加热代价过大、造成能耗过大及加大连带污染排放。
c)如采用热泵等将排烟深度降温到约15℃，再行升温至40～50℃左右，则可在白天外温不低于-5℃时基本实现视觉消白，但如外温继续降低到例如-10℃以下时仍可会出现白雾。
综上所述，消白的关键问题、实质及其环保价值首先在于大幅减少各类污染物如可溶盐、重金属、酸性气体等影响雾霾及危害人体健康的关键因素，其次才是减轻和消除“白雾”这一视觉污染，而如果主要解决了视觉污染、而不能有效治理烟气所含有的各类污染物，则这种“消白”反而大量增加了电能、再热蒸汽热能等，徒然增大能耗及相应的污染排放，并无实际意义，应予再行慎重论证、乃至取消此种本末倒置、缘木求鱼的所谓“消白”行为。
（四）先导性专利技术发展综述。
（1）烟气余热深度回收及消白技术的最新发展：
清华大学等科研院所与企业相结合开发和推广了多种烟气余热回收专利技术，其中 “基于水蒸气载热循环式烟气余热回收供热技术”的系列化专利技术成果，包括“基于水蒸气载热循环的锅炉排烟热湿直接回收方法及装置”（2017104371042）、“一种烟塔合一的锅炉排烟全热回收与烟气消白装置”（ 2017206805342）等，已经通过示范工程进行了成功验证，并被列入山东省2018年度第8批节能技术推广目录，其采用直接换热方式而非借助热泵即可实现将排烟温度降低到约30℃，在回收大量水蒸气潜热及其水资源的同时，降低了烟气中的水蒸气含量70%～80%以上，从而实现显著消白；同时可降低可过滤颗粒物（烟气在线监测参数）30%～50%，更为重要的是可将二氧化硫及氯化氢等可溶性酸性气体基本削减到0，可将石膏、可溶盐、重金属等降低60%～80%以上，也即显著消除了雾霾成因中的诸多关键性因素。
（2）烟气成分的精确测量及其对雾霾的影响。
北京市环科院石爱军、北京赫宸智慧能源科技股份有限公司赵健飞等专家团队通过采用新式高精度纳米级颗粒物检测仪器和测量方法，对湿法脱硫烟气中多形态颗粒物的测量方法及组分特征进行理论研究和工程实测，显示其排烟中11种主要离子的分布情况如下：含有硫酸根、亚硫酸根的离子占总质量的82%以上，是PM2.5的主要来源；亚硝酸盐含量也相对较多，因此很有必要将可溶性颗粒物等可逃逸颗粒物纳入监测和治理范围。
（3）高温除尘器的技术发展。
采用玄武岩等材质的滤料及其袋式除尘装置的研制成功，及静态清灰袋式除尘器技术的开发和成功推广，可在中高温烟气即300～350℃左右实现高效稳定可靠地除尘，则可显著提高其后的中高温脱硝催化剂的催化效果、从而提高脱硝性能指标、避免催化剂中毒、有效降低其投资与运行费用。高温除尘器可作为环保岛第一级装置，可有效解决现有工艺除尘器与脱硝装置温度区间差异问题，脱硝需要高温实现高效率而除尘无法耐受脱销温度区间问题。同时由于高温除尘技术的实现根本上消除了脱硝催化剂中毒根源；采用高温除尘器作为环保岛第一级装置，更可极大改善余热锅炉换热效率衰减问题及阻力大幅攀升，造成的系统不稳定问题。
（4）高效廉价的间壁式换热技术发展。
采用石墨烯进行表面防腐的挤压成型铝翅片式换热器的成功研制，可替代现状采用昂贵金属或氟塑料等特种材料的换热器，具有耐强酸强碱腐蚀、低材料耗量、寿命长、维护量小等，适合在锅炉烟气具有强腐蚀性、乃至深度结露工况条件下采用。
综上所述，现状有关烟气余热回收的前置性技术、烟气成分深度分析及其对雾霾的影响等技术研究和推广成果，为实现烟气防霾的全成分治理技术的发展提供了重要的技术条件。
发明内容
本发明的目的和任务是，针对上述锅炉排烟全成分分析表明的其存在大量可溶盐逃逸等显著影响雾霾形成及污染空气的问题，采用分级处理系统技术、及多种关键新技术成果，实现高温高效除尘、高效脱硝、余热驱动的梯级全成分治理等工艺流程，有效削减排烟中的水蒸气、可溶盐、酸性气体等现状可逃逸污染物，从而实现锅炉排烟具根本性防霾和消白治理。
本发明依据的除霾机理与技术途径简述如下。其一，采用高温除尘器首先对烟气除尘，再送入中高温脱硝装置可提高脱硝效率及进一步减少NOx含量、避免催化剂中毒、减少过量喷氨幅度及降低氨逃逸量。其二，有助于减少脱硫塔内的脱硫剂中毒、保证脱硫系统运行的稳定性及脱硫效果的稳定性。其三，深度降尘过程不再采用对深度去除溶解颗粒及酸性气体无实质性作用的湿电除尘器，而是改为采用全新的梯级冷凝水膜除污模块，采用的机理包括：湿法脱硫出口烟气处于过饱和的兼具雾、霾性质的气溶胶状态，其中的纳米级颗粒物（0.001～0.3微米级）及酸性气体中的一部分通过与雾滴、尺度较大的颗粒物碰撞、凝聚等形成可沉降尺度的混合物，通过脱除该部分液固混合物去除；通过冷凝换热，烟气中的各类颗粒物及酸性气体随着凝结水携载去除；水浴原理，即通过循环水喷淋作用洗涤烟气中的颗粒物特别是溶解颗粒及酸性气体；水膜除尘原理，即通过创造大量壁面液膜与烟气直接接触、折流冲刷等的惯性碰撞、布朗运动及直接吸收等作用机理，大量吸附吸收烟气中的颗粒物特别是溶解颗粒及酸性气体；烟囱热压及高空扩散原理，即大幅降低烟温及其水蒸气含量的烟气再行加热升温、提高浮升力及热压差、提高烟囱口的气流上浮、高空扩散的净化排放效果等。
本发明的具体描述是：基于余热驱动和全成分治理的烟气除霾与消白方法和系统，采用由一组烟气全成分治理工艺流程组成的除霾系统以大幅降低烟气中的水蒸气、包括纳米级尺度的可溶盐在内的可逃逸颗粒物及可过滤颗粒物、包括二氧化硫及氯化氢在内的酸性气体，全面消除或有效抑制排烟导致的大气雾霾影响因素并实现余热回收驱动的除霾工艺过程，其烟气除霾与消白方法及其系统工艺流程包括高温除尘过程、梯级冷凝水膜除污过程和（或）中温段烟气热回收过程，其特征在于：所述的烟气除霾与消白方法及其系统工艺流程中，在锅炉1的尾部受热面中的出口烟温在300～350℃之间的中温烟气受热面1a的烟气出口设置有高温除尘器2，经高温除尘的烟气送入脱硝装置3，消除了产生脱硝催化剂中毒的技术条件实现高效、低成本的稳定中高温脱硝，烟气再进入中低温烟气受热面1b并在避免粉尘结垢的技术条件下进行高效稳定换热，然后烟气进入脱硫塔7进行脱硫后送入梯级冷凝水膜除污模块9的烟气进口段9k，再自下而上依次通过如下流程进行深度除霾和消白：
i.首先，烟气进入洗涤冷凝雨区9j，通过直接接触式换热过程降低烟气中水蒸气含量、通过与水滴及水雾接触碰撞实现吸收烟气中包括二氧化硫和氯化氢在内的酸性气体、吸收包括纳米级尺度的可溶盐在内的可逃逸颗粒物及可过滤颗粒物；
ii.其二，烟气向上进入单向整流器9i，通过与其折流式壁面的液膜接触继续实现降低烟气中的雾滴、吸收酸性气体和可逃逸颗粒物及可过滤颗粒物；
iii.其三，烟气再向上进入间壁冷凝器9h，通过在其外壁面形成冷凝换热的液膜、并继续实现降低烟气中的水蒸气含量、吸收酸性气体和可逃逸颗粒物及可过滤颗粒物；
iv.其四，烟气再向上进入下洗涤换热器9g，通过直接接触式换热过程继续降低烟气中水蒸气含量、吸收酸性气体和可逃逸颗粒物及可过滤颗粒物；
v.其五，烟气再向上经循环喷淋装置9f后进入洗涤除雾器9e，通过在其折流式壁面的液膜接触及上部洗涤溶液的水滴碰撞及冲刷作用继续实现降低烟气中的雾滴、吸收酸性气体和可逃逸颗粒物及可过滤颗粒物；
vi.其六，烟气再向上进入上洗涤换热器9d，通过直接接触式换热过程继续降低烟气中水蒸气含量、吸收酸性气体和可逃逸颗粒物及可过滤颗粒物；
vii.其七，烟气再向上经洗涤喷淋装置9c后进入除雾器9b，通过在其折流式壁面的液膜接触继续实现降低烟气中的雾滴、吸收酸性气体和可逃逸颗粒物及可过滤颗粒物；
viii.其八，烟气再向上进入消白换热器9a，通过对烟气再热实现烟气出口温度升高和相对湿度降低后，自梯级冷凝水膜除污模块9的塔顶出烟口散放到大气中。
基于余热驱动和全成分治理的烟气除霾与消白方法和系统，采用由一组烟气全成分治理工艺流程组成的除霾系统以大幅降低烟气中的水蒸气、包括纳米级尺度的可溶盐在内的可逃逸颗粒物及可过滤颗粒物、包括二氧化硫及氯化氢在内的酸性气体，全面消除或有效抑制排烟导致的大气雾霾成因并实现余热回收驱动的除霾工艺过程，其系统工艺流程中的关键设备包括高温除尘器2、梯级冷凝水膜除污模块9和（或）中温段烟气热回收器6，其特征在于：所述的高温除尘器2的烟气进口与锅炉1的尾部受热面中的出口烟温在300～350℃之间的中温烟气受热面1a的烟气出口相连，高温除尘器2的烟气出口与脱硝装置3的烟气进口相连，脱硝装置3的烟气出口与中低温烟气受热面1b的烟气进口相连，梯级冷凝水膜除污模块9采用一体式梯级换热洗涤塔结构，塔体下部的烟气进口与脱硫塔7的烟气出口相通，塔体底部设置有塔底水池9l，塔底水池9l的上部设置有烟气进口段9k，烟气自烟气进口段9k向上依次经过洗涤冷凝雨区9j、单向整流器9i、间壁冷凝器9h、下洗涤换热器9g、循环喷淋装置9f、洗涤除雾器9e、上洗涤换热器9d、洗涤喷淋装置9c、除雾器9b、消白换热器9a，消白换热器9a的烟气出口通过梯级冷凝水膜除污模块9的塔顶出烟口与大气相通，其中塔底水池9l的热水R出口通过水泵分别与余热用户加热器10高温侧进水R1的进口相连、与外接冷却塔进水R3的进口相通、与脱硫塔7的脱硫循环水补水B的系统补水管相通，余热用户加热器10高温侧出水R2的出口与循环喷淋装置9f的进口相连、和（或）与外接冷却塔回水R4的进口相通，余热用户加热器10低温侧进水口与热用户回水H0的回水干管相通、和（或）与间壁冷凝器9h的进水口相通，余热用户加热器10低温侧进出水H1的出口与下游回水加热器的进水H3的进水口相通、和（或）与间壁冷凝器9h出水H2的出水口相通，洗涤喷淋装置9c设置有洗涤溶液Na的进口，消白换热器9a分别设置有加热进水J2的进口和加热出水J1的出口。
烟气除霾与消白方法和系统的工艺流程中包括中温段烟气热回收器6，中温段烟气热回收器6采用外覆石墨烯材料的挤压成型铝翅片换热管结构、耐腐蚀特种材料金属换热器结构或氟塑料换热器结构，中温段烟气热回收器6低温侧进水口与消白换热器9a加热出水J1的出口相连，中温段烟气热回收器6低温侧出水口与消白换热器9a加热进水J2的进口相连。
高温除尘器2采用玄武岩过滤材质的袋式除尘器结构。如果不设置所述的高温除尘器2，则设置常规中低温除尘器4，其中常规中低温除尘器4的烟气进口与锅炉2的烟气出口相通，常规中低温除尘器4的烟气出口与脱硫塔7或中温段烟气热回收器6的烟气进口相通。
中温烟气受热面1a、中低温烟气受热面1b、消白换热器9a、间壁冷凝器9h均采用外覆石墨烯材料的挤压成型铝翅片换热管结构。
单向整流器9i采用具有使烟气气流多次折流并冲刷壁面水膜的、拦截向上烟气气流中的雾滴及其杂质并向下汇流排除的、但上部向下流动的水滴可方便穿过或冲刷壁面以吸附和排除烟气中污染物的、上下两侧水滴单向流动且与烟气多次折流冲刷后均匀出风的整流结构。
下洗涤换热器9g、上洗涤换热器9d均采用耐强酸强碱腐蚀及耐结垢污堵型冷凝换热材料。
脱硫塔7采用湿法脱硫、干法脱硫或吸附式脱硫结构。
洗涤喷淋装置9c的进口洗涤溶液Na采用PH值为7～10的氢氧化钠稀溶液。
本发明针对现状锅炉烟气尾羽携带较多颗粒污染物特别是大量可穿透颗粒物（PM0.3及以下）及酸性气体，属雾霾主要成因之一、且污染邻近地面环境的问题，采用高温除尘器提高脱硝装置效率并消除其中毒根源，采用梯级冷凝水膜除污模块大幅降低水蒸气、二氧化硫、氯化氢等酸性气体、可过滤颗粒物（FPM）、可穿透颗粒物（EPM）中的可凝聚颗粒物（CPM）和可溶解颗粒物（DPM），洁净排烟高空扩散排放，从根本上大幅削减或基本消除了锅炉排烟对雾霾形成及周边空气环境的实质性不利影响。同时，通过余热回收作为梯级除霾工艺过程的重要驱动力，一方面烟气放热产生大量凝结水去除水蒸气的同时、吸收或吸附较多的酸性气体、可逃逸颗粒物及可过滤颗粒物等；另一方面采用一部分较高品位的余热对出口烟气进行再热以实现视觉消白和提高其在大气中的扩散效果、有效降低邻近空域的污染物浓度；同时，凝结水冲刷下部过流壁面清除黏附污染物的同时进一步通过水膜吸收或吸附更多的污染物；进而，落入塔底水池的循环水的温度提高、可通过换热器将其热量转移到下游热用户回水中实现余热利用，被冷却的水则由水泵输送到喷淋装置继续深度回收烟气凝结水及吸收或吸附污染物，多余的凝结水则排出并作为脱硫补水等进行再利用，因此实现了余热回收和去除污染物的双重效果，而余热利用可产生节能效益，从而实现了具有经济效益的环保投资与运营，在锅炉排烟的深度节能回收和减排治理领域具有显著的技术经济优势。
另一方面，本系统在冬季具有较大的供暖负荷需求时，可将水蒸气冷凝余热大量转用于热回收加热；但在非采暖期，需要寻找工艺水加热等下游热用户才能实现余热利用效益，否则当无法更多地利用余热时，只能依靠另行设置冷却塔等将该部分余热散失到大气中，但此时仍需耗费一部分补水、水泵及风机耗电等，从而实现上述梯级冷凝水膜除污过程以达到深度降低烟气污染排放、及夏季视觉消白的目的。
附图说明
图1是本发明的系统示意图。
图1中各部件编号与名称如下。
锅炉1、中温烟气受热面1a、中低温烟气受热面1b、高温除尘器2、脱硝装置3、常规中低温除尘器4、引风机5、中温段烟气热回收器6、脱硫塔7、脱硫原液池7a、梯级冷凝水膜除污模块9、消白换热器9a、除雾器9b、洗涤喷淋装置9c、上洗涤换热器9d、洗涤除雾器9e、循环喷淋装置9f、下洗涤换热器9g、间壁冷凝器9h、单向整流器9i、洗涤冷凝雨区9j、烟气进口段9k、塔底水池9l、余热用户加热器10、锅炉进风A、补水B、排尘D、热用户回水H0、低温侧进出水H1、间壁冷凝器9h出水H2、进水H3、加热出水J1、加热进水J2、洗涤溶液Na、氨水NH3、热水R、高温侧进水R1、高温侧出水R2、冷却塔进水R3、冷却塔回水R4、脱硫塔出水S、脱硫循环回水SH、脱硫循环供水SG、脱离水池排污SS、高温除尘器进口烟气Y1、高温除尘器出口烟气Y2、脱硝装置出口烟气Y3、锅炉出口烟气Y4、脱硫塔出口烟气Y5、梯级冷凝水膜除污模块出口烟气Y6。
具体实施方式
图1是本发明的系统示意图和实施例。
本发明的具体实施例1如下。
基于余热驱动和全成分治理的烟气除霾与消白方法和系统，采用由一组烟气全成分治理工艺流程组成的除霾系统以大幅降低烟气中的水蒸气、包括纳米级尺度的可溶盐在内的可逃逸颗粒物及可过滤颗粒物、包括二氧化硫及氯化氢在内的酸性气体，全面消除或有效抑制排烟导致的大气雾霾影响因素并实现余热回收驱动的除霾工艺过程，其烟气除霾与消白方法及其系统工艺流程包括高温除尘过程、梯级冷凝水膜除污过程和（或）中温段烟气热回收过程，其特征在于：所述的烟气除霾与消白方法及其系统工艺流程中，在锅炉1的尾部受热面中的出口烟温在300～350℃之间的中温烟气受热面1a的烟气出口设置有高温除尘器2，经高温除尘的烟气送入脱硝装置3，消除了产生脱硝催化剂中毒的技术条件实现高效、低成本的稳定中高温脱硝，烟气再进入中低温烟气受热面1b并在避免粉尘结垢的技术条件下进行高效稳定换热，然后烟气进入脱硫塔7进行脱硫后送入梯级冷凝水膜除污模块9的烟气进口段9k，再自下而上依次通过如下流程进行深度除霾和消白：
i.首先，烟气进入洗涤冷凝雨区9j，通过直接接触式换热过程降低烟气中水蒸气含量、通过与水滴及水雾接触碰撞实现吸收烟气中包括二氧化硫和氯化氢在内的酸性气体、吸收包括纳米级尺度的可溶盐在内的可逃逸颗粒物及可过滤颗粒物；
ii.其二，烟气向上进入单向整流器9i，通过与其折流式壁面的液膜接触继续实现降低烟气中的雾滴、吸收酸性气体和可逃逸颗粒物及可过滤颗粒物；
iii.其三，烟气再向上进入间壁冷凝器9h，通过在其外壁面形成冷凝换热的液膜、并继续实现降低烟气中的水蒸气含量、吸收酸性气体和可逃逸颗粒物及可过滤颗粒物；
iv.其四，烟气再向上进入下洗涤换热器9g，通过直接接触式换热过程继续降低烟气中水蒸气含量、吸收酸性气体和可逃逸颗粒物及可过滤颗粒物；
v.其五，烟气再向上经循环喷淋装置9f后进入洗涤除雾器9e，通过在其折流式壁面的液膜接触及上部洗涤溶液的水滴碰撞及冲刷作用继续实现降低烟气中的雾滴、吸收酸性气体和可逃逸颗粒物及可过滤颗粒物；
vi.其六，烟气再向上进入上洗涤换热器9d，通过直接接触式换热过程继续降低烟气中水蒸气含量、吸收酸性气体和可逃逸颗粒物及可过滤颗粒物；
vii.其七，烟气再向上经洗涤喷淋装置9c后进入除雾器9b，通过在其折流式壁面的液膜接触继续实现降低烟气中的雾滴、吸收酸性气体和可逃逸颗粒物及可过滤颗粒物；
viii.其八，烟气再向上进入消白换热器9a，通过对烟气再热实现烟气出口温度升高和相对湿度降低后，自梯级冷凝水膜除污模块9的塔顶出烟口散放到大气中。
基于余热驱动和全成分治理的烟气除霾与消白方法和系统，采用由一组烟气全成分治理工艺流程组成的除霾系统以大幅降低烟气中的水蒸气、包括纳米级尺度的可溶盐在内的可逃逸颗粒物及可过滤颗粒物、包括二氧化硫及氯化氢在内的酸性气体，全面消除或有效抑制排烟导致的大气雾霾成因并实现余热回收驱动的除霾工艺过程，其系统工艺流程中的关键设备包括高温除尘器2、梯级冷凝水膜除污模块9和（或）中温段烟气热回收器6，其特征在于：所述的高温除尘器2的烟气进口与锅炉1的尾部受热面中的出口烟温在300～350℃之间的中温烟气受热面1a的烟气出口相连，高温除尘器2的烟气出口与脱硝装置3的烟气进口相连，脱硝装置3的烟气出口与中低温烟气受热面1b的烟气进口相连，梯级冷凝水膜除污模块9采用一体式梯级换热洗涤塔结构，塔体下部的烟气进口与脱硫塔7的烟气出口相通，塔体底部设置有塔底水池9l，塔底水池9l的上部设置有烟气进口段9k，烟气自烟气进口段9k向上依次经过洗涤冷凝雨区9j、单向整流器9i、间壁冷凝器9h、下洗涤换热器9g、循环喷淋装置9f、洗涤除雾器9e、上洗涤换热器9d、洗涤喷淋装置9c、除雾器9b、消白换热器9a，消白换热器9a的烟气出口通过梯级冷凝水膜除污模块9的塔顶出烟口与大气相通，其中塔底水池9l的热水R出口通过水泵分别与余热用户加热器10高温侧进水R1的进口相连、与外接冷却塔进水R3的进口相通、与脱硫塔7的脱硫循环水补水B的系统补水管相通，余热用户加热器10高温侧出水R2的出口与循环喷淋装置9f的进口相连、和（或）与外接冷却塔回水R4的进口相通，余热用户加热器10低温侧进水口与热用户回水H0的回水干管相通、和（或）与间壁冷凝器9h的进水口相通，余热用户加热器10低温侧进出水H1的出口与下游回水加热器的进水H3的进水口相通、和（或）与间壁冷凝器9h出水H2的出水口相通，洗涤喷淋装置9c设置有洗涤溶液Na的进口，消白换热器9a分别设置有加热进水J2的进口和加热出水J1的出口。
烟气除霾与消白方法和系统的工艺流程中包括中温段烟气热回收器6，中温段烟气热回收器6采用外覆石墨烯材料的挤压成型铝翅片换热管结构、耐腐蚀特种材料金属换热器结构或氟塑料换热器结构，中温段烟气热回收器6低温侧进水口与消白换热器9a加热出水J1的出口相连，中温段烟气热回收器6低温侧出水口与消白换热器9a加热进水J2的进口相连。
高温除尘器2采用玄武岩过滤材质的袋式除尘器结构。
中温烟气受热面1a、中低温烟气受热面1b、消白换热器9a、间壁冷凝器9h均采用外覆石墨烯材料的挤压成型铝翅片换热管结构。
单向整流器9i采用具有使烟气气流多次折流并冲刷壁面水膜的、拦截向上烟气气流中的雾滴及其杂质并向下汇流排除的、但上部向下流动的水滴可方便穿过或冲刷壁面以吸附和排除烟气中污染物的、上下两侧水滴单向流动且与烟气多次折流冲刷后均匀出风的整流结构。
下洗涤换热器9g、上洗涤换热器9d均采用耐强酸强碱腐蚀及耐结垢污堵型冷凝换热材料。
脱硫塔7采用湿法脱硫结构。
洗涤喷淋装置9c的进口洗涤溶液Na采用PH值为7～10的氢氧化钠稀溶液。
上述实施例1适用于新建项目的锅炉排烟综合治理，和新建或改扩建项目的工业窑炉或工艺烟气的深度除霾治理等，但通常对于既有燃煤锅炉系统而言，引起烟气尾部受热面、甚至脱硝装置等都集成在锅炉本体内，无足够空间将高温除尘器安装在锅炉本体内，或将中高温烟气引出到高温除尘器后再返回原烟道内，因此难以直接应用，则可按如下的具体实施例2的方法进行改造。
本发明的具体实施例2如下。
如果因现场安装空间等原因不适合设置所述的高温除尘器2，则可改为设置常规中低温除尘器4，其中常规中低温除尘器4的烟气进口与锅炉2的烟气出口相通，常规中低温除尘器4的烟气出口与脱硫塔7或中温段烟气热回收器6的烟气进口相通。本具体实施例的其它系统流程及特征与上述具体实施例1相同。
本发明的具体实施例3如下。
如果既有锅炉采用干法或半干法脱硫方式，即不设置湿法方式的脱硫塔7，则中温段烟气热回收器6的烟气出口改为与梯级冷凝水膜除污模块9的烟气进口相通。本具体实施例的其它系统流程及特征与上述具体实施例1相同，此时干式脱硫和高温除尘、高温脱硝后的烟气洁净度很高，此后的烟气通道上的各类换热器，包括中低温烟气受热面1b、锅炉既有空气预热器、中温段烟气热回收器6等的换热元件烟气侧均解决了结垢堵塞、降低效率、定期清灰及维护、加快腐蚀等固有问题。
需要说明的是，本发明提出了对锅炉排烟进行全成分深度治理以消除对雾霾和周边环境污染的影响因素，并给出了如何采用梯级除霾方式实现上述目的的具体实施方法、流程和实施装置，而按照此一总体解决方案可有不同的具体实施措施和不同结构的具体实施装置，上述具体实施方式仅仅是其中的一种而已，任何其它类似的简单变形的实施方式，例如采用不同的换热结构；增加或减少若干层梯级治理措施；或者简单的调整余热水系统管路连接方法、进出水来源及分级数量；或进行普通专业人士均可想到的变形方式等，或者将该技术方式以相同或相似的结构应用于不同动力设备排烟或排风种类、等及其它类似应用场合，均落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.基于余热驱动和全成分治理的烟气除霾与消白方法，采用由一组烟气全成分治理工艺流程组成的除霾系统以大幅降低烟气中的水蒸气、包括纳米级尺度的可溶盐在内的可逃逸颗粒物及可过滤颗粒物、包括二氧化硫及氯化氢在内的酸性气体，全面消除或有效抑制排烟导致的大气雾霾影响因素并实现余热回收驱动的除霾工艺过程，其烟气除霾与消白方法及其系统工艺流程包括高温除尘过程、梯级冷凝水膜除污过程和（或）中温段烟气热回收过程，其特征在于：所述的烟气除霾与消白方法及其系统工艺流程中，在锅炉（1）的尾部受热面中的出口烟温在300～350℃之间的中温烟气受热面（1a）的烟气出口设置有高温除尘器（2），经高温除尘的烟气送入脱硝装置（3），消除了产生脱硝催化剂中毒的技术条件并实现高效、低成本的稳定中高温脱硝，烟气再进入中低温烟气受热面（1b）并在避免粉尘结垢的技术条件下进行高效稳定换热，然后烟气进入脱硫塔（7）进行脱硫后送入梯级冷凝水膜除污模块（9）的烟气进口段（9k），再自下而上依次通过如下工艺流程实现深度除霾和消白过程：
i.首先，烟气进入洗涤冷凝雨区（9j），通过直接接触式换热过程降低烟气中水蒸气含量、通过与水滴及水雾接触碰撞实现吸收烟气中包括二氧化硫和氯化氢在内的酸性气体、吸收包括纳米级尺度的可溶盐在内的可逃逸颗粒物及未除净可过滤颗粒物；
ii.其二，烟气向上进入单向整流器（9i），通过与其折流式壁面的液膜接触继续实现降低烟气中的雾滴、吸收酸性气体和可逃逸颗粒物及可过滤颗粒物；
iii.其三，烟气再向上进入间壁冷凝器（9h），通过在其外壁面形成冷凝换热的液膜、并继续实现降低烟气中的水蒸气含量、吸收酸性气体和可逃逸颗粒物及可过滤颗粒物；
iv.其四，烟气再向上进入下洗涤换热器（9g），通过直接接触式换热过程继续降低烟气中水蒸气含量、吸收酸性气体和可逃逸颗粒物及可过滤颗粒物；
v.其五，烟气再向上经循环喷淋装置（9f）后进入洗涤除雾器（9e），通过在其折流式壁面的液膜接触及上部洗涤溶液的水滴碰撞及冲刷作用继续实现降低烟气中的雾滴、吸收酸性气体和可逃逸颗粒物及可过滤颗粒物；
vi.其六，烟气再向上进入上洗涤换热器（9d），通过直接接触式换热过程继续降低烟气中水蒸气含量、吸收酸性气体和可逃逸颗粒物及可过滤颗粒物；
vii.其七，烟气再向上经洗涤喷淋装置（9c）后进入除雾器（9b），通过在其折流式壁面的液膜接触继续实现降低烟气中的雾滴、吸收酸性气体和可逃逸颗粒物及可过滤颗粒物；
viii. 其八，烟气再向上进入消白换热器（9a），通过对烟气再热实现烟气出口温度升高和相对湿度降低及扩散浮升力增大后，自梯级冷凝水膜除污模块（9）的塔顶出烟口散放到大气中。
2.一种应用如权利要求1所述的基于余热驱动和全成分治理的烟气除霾与消白方法的系统，其系统工艺流程中的关键设备包括高温除尘器（2）、梯级冷凝水膜除污模块（9）和（或）中温段烟气热回收器（6），其特征在于：所述的高温除尘器（2）的烟气进口与锅炉（1）的尾部受热面中的出口烟温在300～350℃之间的中温烟气受热面（1a）的烟气出口相连，高温除尘器（2）的烟气出口与脱硝装置（3）的烟气进口相连，脱硝装置（3）的烟气出口与中低温烟气受热面（1b）的烟气进口相连，梯级冷凝水膜除污模块（9）采用一体式梯级换热洗涤塔结构，塔体下部的烟气进口与脱硫塔（7）的烟气出口相通，塔体底部设置有塔底水池（9l），塔底水池（9l）的上部设置有烟气进口段（9k），烟气自烟气进口段（9k）向上依次经过洗涤冷凝雨区（9j）、单向整流器（9i）、间壁冷凝器（9h）、下洗涤换热器（9g）、循环喷淋装置（9f）、洗涤除雾器（9e）、上洗涤换热器（9d）、洗涤喷淋装置（9c）、除雾器（9b）、消白换热器（9a），消白换热器（9a）的烟气出口通过梯级冷凝水膜除污模块（9）的塔顶出烟口与大气相通，其中塔底水池（9l）的热水（R）出口通过水泵分别与余热用户加热器（10）高温侧进水（R1）的进口相连、与外接冷却塔进水（R3）的进口相通、与脱硫塔（7）的脱硫循环水补水（B）的系统补水管相通，余热用户加热器（10）高温侧出水（R2）的出口与循环喷淋装置（9f）的进口相连、和（或）与外接冷却塔回水（R4）的进口相通，余热用户加热器（10）低温侧进水口与热用户回水（H0）的回水干管相通、和（或）与间壁冷凝器（9h）的进水口相通，余热用户加热器（10）低温侧进出水（H1）的出口与下游回水加热器的进水（H3）的进水口相通、和（或）与间壁冷凝器（9h）出水（H2）的出水口相通，洗涤喷淋装置（9c）设置有洗涤溶液（Na）的进口，消白换热器（9a）分别设置有加热进水（J2）的进口和加热出水（J1）的出口；所述的烟气除霾与消白方法和系统的工艺流程中包括中温段烟气热回收器（6），中温段烟气热回收器（6）采用外覆石墨烯材料的挤压成型铝翅片换热管结构、耐腐蚀特种材料金属换热器结构或氟塑料换热器结构，中温段烟气热回收器（6）低温侧进水口与消白换热器（9a）加热出水（J1）的出口相连，中温段烟气热回收器（6）低温侧出水口与消白换热器（9a）加热进水（J2）的进口相连；所述的高温除尘器（2）采用玄武岩过滤材质的袋式除尘器结构。
3.如权利要求2所述的基于余热驱动和全成分治理的烟气除霾与消白方法的系统，其特征在于所述的中温烟气受热面（1a）、中低温烟气受热面（1b）、消白换热器（9a）、间壁冷凝器（9h）均采用外覆石墨烯材料的挤压成型铝翅片换热管结构。
4.如权利要求2所述的基于余热驱动和全成分治理的烟气除霾与消白方法的系统，其特征在于所述的单向整流器（9i）采用具有使烟气气流多次折流并冲刷壁面水膜的、拦截向上烟气气流中的雾滴及其杂质并向下汇流排除的、但上部向下流动的水滴可方便穿过或冲刷壁面以吸附和排除烟气中污染物的、上下两侧水滴单向流动且与烟气多次折流冲刷后均匀出风的整流结构。
5.如权利要求2所述的基于余热驱动和全成分治理的烟气除霾与消白方法的系统，其特征在于如果不设置所述的高温除尘器（2），则设置常规中低温除尘器（4），其中常规中低温除尘器（4）的烟气进口与高温除尘器（2）的烟气出口相通，常规中低温除尘器（4）的烟气出口与脱硫塔（7）或中温段烟气热回收器（6）的烟气进口相通。
6.如权利要求2所述的基于余热驱动和全成分治理的烟气除霾与消白方法的系统，其特征在于所述的下洗涤换热器（9g）、上洗涤换热器（9d）均采用耐强酸强碱腐蚀及耐结垢污堵型冷凝换热材料。
7.如权利要求2所述的基于余热驱动和全成分治理的烟气除霾与消白方法的系统，其特征在于所述的脱硫塔（7）采用湿法脱硫、干法脱硫或吸附式脱硫结构。
8.如权利要求2所述的基于余热驱动和全成分治理的烟气除霾与消白方法的系统，其特征在于所述的洗涤喷淋装置（9c）的进口洗涤溶液（Na）采用PH值为7～10的氢氧化钠稀溶液。
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