CN110237633B - 一种基于变压凝结的水蒸气及细颗粒污染物协同脱除装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于变压凝结的水蒸气及细颗粒污染物协同脱除装置，包括有分离器以及设置在分离器前端的蒸汽变压凝结部分，分离器包括有设置在顶端的溢流管以及设置在底端的底流管，所述蒸汽变压凝结部分包括有入口管、收口管、喉管、扩管及连接管，饱和蒸汽依次经过入口管、收口管、喉管、扩管及连接管，变压、凝结成小液滴后切向进入分离器，小液滴在分离器内聚并、长大及对细颗粒物的补集后，液滴由底流管向下排出，气体从溢流管向上排出。本发明可以实现变压凝结湿烟气中水蒸气及细颗粒协同脱除。

Description

一种基于变压凝结的水蒸气及细颗粒污染物协同脱除装置

技术领域

本发明涉及火电及非电行业的白色烟羽消除领域，尤其涉及一种基于变压凝结的水蒸气及细颗粒污染物协同脱除装置。

背景技术

我国燃煤电厂90％以上机组的脱硫设施采用石灰石-石膏湿法脱硫工艺。脱硫后夹带了大量三氧化硫、石膏颗粒、硫/硝酸盐等污染物的饱和湿烟气经烟囱进入大气后，与温度较低的环境空气发生接触，烟气降温。在此过程中烟气中所含水蒸汽过饱和凝结，凝结水滴对光线产生折射、散射，从而使烟羽呈现出白色或者灰色的“湿烟羽”(俗称“大白烟”、“白雾”等)。湿烟气排放时，不仅会造成大量水资源浪费，而且，污染物在烟囱附近的落地浓度会增加，PM2.5浓度急剧上升，加重当地灰霾现象，甚至会加剧局部酸雨，腐蚀工程设施及建筑物等。因此，如何减少脱硫后含有可溶盐、硫酸钙等细颗粒污染物的水蒸气排放(烟气脱白)，是当前我国燃煤电厂节水降耗的重点方向之一。

目前主要有以下几种途径可以达到消除湿烟羽的目的：烟气直接加热、烟气直接降温、烟气降温再加热等。

中国发明专利CN 105688616 A公开了一种湿法脱硫后烟气冷凝除霾脱白设备及工艺方法，包括烟气除湿器、水喷淋塔、脱硫塔和烟气深冷器，预处理的烟气先通过烟气除湿器与将要进入烟囱排出的烟气进行换热，将烟气通过引风机进入水喷淋塔内，经喷淋处理后的烟气进入脱硫塔，脱硫处理后的烟气根据环境温度不同进行不同处理。该方法需要额外增加风机，耗能大，且运行过程中对烟气换热器耐磨性要求较高。

中国发明专利CN 107366926 A公开了一种用于湿法脱硫的烟气脱白系统及方法，主要通过对进入脱硫塔内的烟气进行冷却换热，烟气脱硫后再进行加热，从而实现烟气脱白效果。该方法需要额外的水冷源对烟气降温，其冷源的品质受季节影响较为明显，以华东地区为例，冬季和夏季环境温度相差20-30度，因此同一套系统不同季节的冷凝效果会有较大差别。

中国发明专利CN 101619918 B、CN 105689161 B授权了一系列超音速凝结与旋流分离装置，在进口处由叶栅导流方式使气流产生强力旋转。与缩放喷管配合其后，使气流达到超音速，其温度大幅度降低，从而使露点较高的组份凝结，同时利用气流旋转产生的离心力实现气液两相的分离。该装置主要用于单井流量较小的陆地气田的天然气处理，处理流量下，压降比较大，不宜用与大流量的湿烟气处理。

上述技术均是在标准大气压下通过换热改变烟气温度实现湿烟气与环境空气混合过程中湿烟气始终不会变为饱和状态，这样就避免了烟羽现象的出现。但实现上述技术消除烟羽的过程中需要大量的能耗，且对换热器换热效率、防堵技术要求较高，运行成本较大，众多企业疲于达标超低排放，有色烟羽政策出台之前换热脱白技术在实际生产中应用较少，有必要采用新颖的、有效的、适用于长周期运行而又经济的水蒸气及细颗粒污染物协同脱除装置。

发明内容

为解决现有技术的缺点和不足，提供一种基于变压凝结的水蒸气及细颗粒污染物协同脱除装置，从而解决背景技术中提到的上述问题。

为实现本发明目的而提供的一种基于变压凝结的水蒸气及细颗粒污染物协同脱除装置，包括有分离器以及设置在分离器前端的蒸汽变压凝结部分，分离器包括有设置在顶端的溢流管以及设置在底端的底流管，所述溢流管的内壁设有凹槽环，以防止除雾小液滴随气相从溢流口排出，所述蒸汽变压凝结部分包括有入口管、收口管、喉管、扩管及连接管，饱和蒸汽依次经过入口管、收口管、喉管、扩管及连接管，变压、凝结成小液滴后切向进入分离器，小液滴在分离器内聚并、长大及对细颗粒物的补集后，液滴由底流管向下排出，气体从溢流管向上排出，所述分离器上端对应连接管的位置设置有冷源入口，所述分离器的内部上端设置有环形储水箱，所述环形储水箱的一端与所述冷源入口连通，所述分离器的内部设置有冷却管，所述冷却管的上端延伸至所述环形储水箱内，所述冷却管的下端与所述环形储水箱的另一端连通。

作为上述方案的进一步改进，所述冷却管设置有多个，多个冷却管呈环形排布。

作为上述方案的进一步改进，所述收口管、扩管为截面渐变的矩形、圆形或椭圆形。

作为上述方案的进一步改进，所述收口管、扩管的小端截面与大端截面的截面积之比为1.5～3。

作为上述方案的进一步改进，所述喉管的长度占收口管、喉管、扩管总长度的1/2～2/3。

作为上述方案的进一步改进，所述连接管的内部设置有一层用于强化蒸汽异核凝结成水滴的亲水性纤维丝网。

作为上述方案的进一步改进，所述分离器的溢流管底部装有亲水性除雾丝网，亲水性除雾丝网设置为纤维或者尼龙或者金属。

本发明的有益效果是：

与现有技术相比，本发明提供的一种基于变压凝结的水蒸气及细颗粒污染物协同脱除装置，包括有分离器以及设置在分离器前端的蒸汽变压凝结部分，分离器包括有设置在顶端的溢流管以及设置在底端的底流管，蒸汽变压凝结部分包括有入口管、收口管、喉管、扩管及连接管，含细颗粒物的饱和湿烟气从入口管通过收口管进入喉管加速，饱和蒸汽随后进入扩管，蒸汽压力瞬间增大并以细颗粒物为凝结核异核凝结成小液滴，变压、凝结成小液滴、细颗粒物的蒸汽通过连接管切向进入分离器，在分离器内由直线运动转变为曲线运动，完成液滴的聚并、长大及对细颗粒物的补集后，液滴由底流管向下排出，气体从溢流管向上排出。本发明与现有换热、冷凝工艺相比，基于蒸汽变压凝结特性，利用湿烟气中细颗粒物作为凝结核通过异核凝结强化蒸汽凝结，结合高效分离器在蒸汽凝结的同时实现凝结液滴的聚并、长大以及对小颗粒物的补集。该装置在喉管气速无须达到超音速即可完成蒸汽液化凝结过程，在较小的压力降条件下仍然可以有较高的收水效率。本发明可以实现变压凝结湿烟气中水蒸气及细颗粒协同脱除。

附图说明

以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明，其中：

图1为本发明的一种实施例的结构示意图；

图2为本发明增加了冷源入口的实施例的结构示意图；

图3为本发明的冷源入口与连接管的结构示意图；

图4为本发明的环形储水箱与冷却管的结构示意图。

具体实施方式

如图1-图4所示，本发明提供的一种基于变压凝结的水蒸气及细颗粒污染物协同脱除装置，包括有分离器以及设置在分离器前端的蒸汽变压凝结部分，分离器包括有设置在顶端的溢流管2-6以及设置在底端的底流管2-4，蒸汽变压凝结部分包括有入口管1-1、收口管1-2、喉管1-3、扩管1-4及连接管1-5，饱和蒸汽依次经过入口管1-1、收口管1-2、喉管1-3、扩管1-4及连接管1-5，变压、凝结成小液滴后切向进入分离器，小液滴在分离器内聚并、长大及对细颗粒物的补集后，液滴由底流管2-4向下排出，气体从溢流管2-6向上排出。

进一步改进，收口管1-2、扩管1-4为截面渐变的矩形、圆形或椭圆形。

进一步改进，收口管1-2、扩管1-4的小端截面与大端截面的截面积之比为1.5～3。喉管1-3的长度占收口管1-2、喉管1-3、扩管1-4总长度的1/2～2/3。饱和湿烟气在通过喉管1-3加速后，达到扩管1-4流速放缓而压力瞬间增大，烟气中的水蒸气凝结成液滴。

进一步改进，连接管1-5的内部设置有一层用于强化蒸汽异核凝结成水滴的亲水性纤维丝网。

进一步改进，分离器的溢流管2-6底部装有亲水性除雾丝网2-5，亲水性除雾丝网2-5设置为纤维或者尼龙或者金属。

进一步改进，溢流管2-6的内壁设有凹槽环，以防止除雾小液滴随气相从溢流口排出。

进一步改进，分离器上端对应连接管1-5的位置设置有冷源入口2-7，以防止蒸汽凝结释放出的潜热对凝结效果造成影响，达到强化蒸汽凝结的目的。

分离器包括有直管段2-1以及锥管段2-2，锥管段2-2的锥角为3°～5°，锥管段2-2底部装有防反混丝网2-3。小液滴、细颗粒物的蒸汽通过连接管1-5切向进入分离器，并在分离器的直管段2-1内由直线运动转变为曲线运动，气-液-固三相通过锥管段2-2完成液滴的聚并、长大及对细颗粒物的补集后，随后受到离心力的作用被甩向壁面，液滴到达分离器壁面并穿过防反混丝网2-3从底流管2-4流出。

经湿法脱硫后饱和湿烟气，其温度在45-55℃之间，通过入口管1-1再经过收口管1-2后，烟气进入喉管1-3由于截面变小，烟气流速增大，随后饱和湿烟气进入扩管1-4，由于烟气流速降低，压力瞬间增大，形成一个高压区，从而使得饱和湿烟气中的水蒸气由于压力的变化凝结成小液滴，烟气中细颗粒物的存在为液滴凝结提供了质核，使得蒸汽凝结更容易发生。包含有小液滴和细颗粒物的蒸汽通过连接管1-5切向进入分离器，在连接管1-5内置亲水性纤维丝网，用于强化水蒸气异核凝结，并在分离器的直管段2-1由直线运动转变为曲线运动。气-液-固三相由于受到的离心力不同，在锥管段2-2完成液滴的聚并、长大及对细颗粒物的补集后，液滴到达分离器壁面并穿过防反混丝网2-3从底流管2-4流出，同时气相穿过安装在溢流管2-6底部的亲水性除雾丝网2-5排出分离器。

整体装置材质为塑料或不锈钢。

进一步改进，分离器的内部上端设置有环形储水箱3-1，环形储水箱3-1的一端与冷源入口2-7连通，分离器的内部设置有冷却管3-2，冷却管3-2的上端延伸至环形储水箱3-1内，冷却管3-2的下端与环形储水箱3-1的另一端连通。当饱和湿烟气进入分离器的时候，冷却管3-2吸收高温气流的热量，将热量传递至环形储水箱3-1内的水，水受热后经环形储水箱3-1的出水口从冷却管3-2的底部进入，从而在环形储水箱3-1与冷却管3-2内形成一水循环，提高蒸汽凝结的效果。

进一步改进，冷却管3-2设置有多个，多个冷却管3-2呈环形排布。

本发明中，对于提高蒸汽凝结的效果，还可以在连接管1-5上套装冷却套，冷却套与环形储水箱3-1连通，从而提前对湿烟气进行处理。

下面结合具体的案例进一步阐述本发明。

烟气由某电厂600MW燃煤发电机组产生，采用石灰石-石膏湿法脱硫工艺，其脱硫后烟气温度在45-55℃，湿度接近饱和，按照本发明的方法，将脱硫后的烟气引入本发明装置中，进行回收水分和细颗粒物污染物协同脱除，从而达到消除白色烟羽的目的，其具体运作过程及效果描述如下：

1.实施过程

该电厂600MW机组脱硫后的湿烟气通过侧线引出，通入本发明装置中，脱硫塔前原烟气的温度为110℃，脱硫后温度降为50℃，相对湿度是98％，通过引风机抽取60m3/h的饱和的湿烟气由入口管1-1进入本发明装置，经过收口管1-2达到喉管1-3，烟气流速增大，当烟气至扩管1-4时，流速降低，压力瞬间增大，此时烟气中的水蒸气由于受到压力的变化以烟气中细颗粒物为核，大量水蒸气开始凝结成小液滴。含有小液滴的烟气经过连接管1-5有切向进入分离器中，液滴在此完成长大和聚并，由于受到离心力的作用，烟气中的液滴与细颗粒物被甩向旋流分离器的壁面，液滴从底流管2-4再回收，脱除液滴和颗粒物的烟气经过顶部亲水性除雾丝网2-5和溢流管2-6排出。

2.结果分析

将湿法脱硫后的饱和湿烟气以60m3/h的流量通入本发明装置，每小时可回收0.329kg的水，其收水率达到了50％。与通过烟气换热治理白色烟羽的方法相比，本发明实现水的回收的同时节约能耗。此外，回收烟气中水分的同时对于烟气中细颗粒物也有脱除作用。

与现有技术相比，本发明提供的一种基于变压凝结的水蒸气及细颗粒污染物协同脱除装置，包括有分离器以及设置在分离器前端的蒸汽变压凝结部分，分离器包括有设置在顶端的溢流管2-6以及设置在底端的底流管2-4，蒸汽变压凝结部分包括有入口管1-1、收口管1-2、喉管1-3、扩管1-4及连接管1-5，含细颗粒物的饱和湿烟气从入口管1-1通过收口管1-2进入喉管1-3加速，饱和蒸汽随后进入扩管1-4，蒸汽压力瞬间增大并以细颗粒物为凝结核异核凝结成小液滴，变压、凝结成小液滴、细颗粒物的蒸汽通过连接管1-5切向进入分离器，在分离器内由直线运动转变为曲线运动，完成液滴的聚并、长大及对细颗粒物的补集后，液滴由底流管2-4向下排出，气体从溢流管2-6向上排出。本发明可以实现变压凝结湿烟气中水蒸气及细颗粒协同脱除。1)本发明通过饱和湿烟气喉管1-3到扩管1-4流速和压强变化，实现水蒸气变压凝结，降低了烟气的含湿量，避免通过烟气换热消除白色烟羽时造成的能量损耗。2)本发明中包含有小液滴和颗粒物的烟气通过该装置时，湿烟气中所夹带的细颗粒物为水蒸气凝结提供了质核，使得水蒸气凝结更加容易发生；蒸汽凝结成液滴后，其表面又对其他细颗粒物具有捕集、吸附的作用，随后在分离器中液滴发生聚并、长大，最后在分离器中被甩向壁面，从而回收饱和湿烟气中水分的同时对细颗粒物等污染物也具有脱除作用。3)本发明通过变压凝结方式回收烟气中水分，实现消除白色烟羽，避免使用换热方式消除白色烟羽时出现的烟气泄漏、换热器积灰、腐蚀等问题，更加有利于实现火电厂或非火电行业的超低排放要求，并且经济适用性更好。本发明与现有换热、冷凝工艺相比，基于蒸汽变压凝结特性，利用湿烟气中细颗粒物作为凝结核通过异核凝结强化蒸汽凝结，结合高效分离器在蒸汽凝结的同时实现凝结液滴的聚并、长大以及对小颗粒物的补集。该装置在喉管1-3气速无须达到超音速即可完成蒸汽液化凝结过程，在较小的压力降条件下仍然可以有较高的收水效率。

以上实施例不局限于该实施例自身的技术方案，实施例之间可以相互结合成新的实施例。以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而并非对其进行限制，凡未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种基于变压凝结的水蒸气及细颗粒污染物协同脱除装置，其特征在于：包括有分离器以及设置在分离器前端的蒸汽变压凝结部分，分离器包括有设置在顶端的溢流管以及设置在底端的底流管，所述溢流管的内壁设有凹槽环，以防止除雾小液滴随气相从溢流口排出，所述蒸汽变压凝结部分包括有入口管、收口管、喉管、扩管及连接管，饱和蒸汽依次经过入口管、收口管、喉管、扩管及连接管，变压、凝结成小液滴后切向进入分离器，小液滴在分离器内聚并、长大及对细颗粒物的补集后，液滴由底流管向下排出，气体从溢流管向上排出，所述分离器上端对应连接管的位置设置有冷源入口，所述分离器的内部上端设置有环形储水箱，所述环形储水箱的一端与所述冷源入口连通，所述分离器的内部设置有冷却管，所述冷却管的上端延伸至所述环形储水箱内，所述冷却管的下端与所述环形储水箱的另一端连通。

2.根据权利要求1所述的一种基于变压凝结的水蒸气及细颗粒污染物协同脱除装置，其特征在于：所述冷却管设置有多个，多个冷却管呈环形排布。

3.根据权利要求1所述的一种基于变压凝结的水蒸气及细颗粒污染物协同脱除装置，其特征在于：所述收口管、扩管为截面渐变的矩形、圆形或椭圆形。

4.根据权利要求1或2所述的一种基于变压凝结的水蒸气及细颗粒污染物协同脱除装置，其特征在于：所述收口管、扩管的小端截面与大端截面的截面积之比为1.5～3。

5.根据权利要求1所述的一种基于变压凝结的水蒸气及细颗粒污染物协同脱除装置，其特征在于：所述喉管的长度占收口管、喉管、扩管总长度的1/2～2/3。

6.根据权利要求1所述的一种基于变压凝结的水蒸气及细颗粒污染物协同脱除装置，其特征在于：所述连接管的内部设置有一层用于强化蒸汽异核凝结成水滴的亲水性纤维丝网。

7.根据权利要求1所述的一种基于变压凝结的水蒸气及细颗粒污染物协同脱除装置，其特征在于：所述分离器的溢流管底部装有亲水性除雾丝网，亲水性除雾丝网设置为纤维或者尼龙或者金属。

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