CN112058013B - 一种基于低温气体分离的烟气处理装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于低温气体分离的烟气处理装置。工艺过程包括用于预冷烟气和洗涤烟气中固体颗粒物的喷淋式冷却塔，经冷却塔处理后的烟气再进入分凝器，根据气体冷凝温度的不同将烟气中不同气体成分进行相变分离，分凝器所需冷量来自以氮气为工质的布雷顿制冷循环。本装置通过低温冷凝方式分离烟气中不同气体成分，特点是：烟气分离过程无化学反应，对设备腐蚀小；分离出的气体可以作为资源回收利用，在达到环保要求的同时可以产生经济效益；克服了传统湿法脱硫和选择性催化还原(SCR)脱硝工艺的高能耗、副产物价值低、设备易腐蚀和白烟低空排放问题。

Description

一种基于低温气体分离的烟气处理装置
技术领域
本发明涉及烟气处理技术领域，具体涉及一种利用低温冷凝的烟气分离装置。
背景技术
烟气中所含的主要污染物为氮、硫的氧化物，因此烟气排放前需要进行脱硫脱硝处理。目前应用较广泛的烟气处理方法为湿法脱硫和选择性催化还原(SCR)脱硝工艺。
湿法脱硫工艺的核心是使用钙基化合物与SO2生成石膏，其主要缺点是能耗高、副产物价值低。能耗高主要体现在脱硫过程中需要消耗大量水，造成烟气本身的热能在脱硫过程中被大量浪费，脱硫后烟气温度较低，为满足烟囱热备要求，在排放前需要再加热。另外，脱硫后烟气含湿量高，排放有形成白烟污染的问题。副产物价值低是因为脱硫后产生的石膏利用价值较低，容易形成二次污染。
选择性催化还原脱硝工艺的工作原理是在催化剂的作用下，利用氨作还原剂，把烟气中的氮氧化物还原成N2和H2O。缺点是需要催化剂，设备占地面积大，由于烟气中的SO2会和氨反应，温度过低就会结晶，堵塞催化剂表面微孔，造成脱硝催化剂中毒，因此为保证脱硝效率，就需要较高的反应温度，脱硝前需要对烟气加热升温，能耗成本较高。
传统的湿法脱硫和选择性催化还原(SCR)脱硝工艺由于技术成熟，初投资较低，成为目前应用较多的烟气处理技术，但此类技术存在着能耗高、副产物价值低、设备易腐蚀和脱硫后烟气含湿量较高，排放有形成白烟污染的问题。因此，传统烟气处理方法虽然可以达到环保要求，但综合运行成本较高。目前如何更经济的处理烟气是本领域追求的目标。
发明内容
传统化学方法处理烟气的弊端主要体现在能耗高、副产物价值低、设备易腐蚀和脱硫后烟气含湿量较高，排放有形成白烟污染的问题。要解决现有烟气处理工艺中存在的上述问题，利用物理方法将烟气在低温下进行冷凝回收是烟气处理的一条新途径。
为了解决上述问题，本发明提出了一种基于低温气体分离的烟气处理装置。所述一种基于低温气体分离的烟气处理装置包括：烟气洗涤装置、气体冷凝分离装置和制冷循环装置；所述烟气洗涤装置包括：第一冷却塔、第二冷却塔、烟气入口、烟气出口、冷却水入口、冷却水出口；所述气体冷凝分离装置包括：分凝器、疏水阀；所述制冷循环装置包括：压缩机、冷却器、膨胀机；
所述第一、第二冷却塔的下方侧壁处通过烟道连通；所述烟气入口位于第一冷却塔顶部，所述烟气出口位于第二冷却塔顶部；所述第一、第二冷却塔顶部设置有冷却水喷淋装置，所述冷却水喷淋装置下方设有冷却水储水槽，所述冷却水储水槽位于所述第一、第二冷却塔连通烟道的下方；所述冷却水入口与所述第二冷却塔内的冷却水喷淋装置连接；所述第二冷却塔内的冷却水储水槽与所述第一冷却塔内的冷却水喷淋装置之间通过一冷却水水泵连接；所述第一冷却塔内的冷却水储水槽与所述冷却水出口之间通过一冷却水水泵连通；所述烟气出口与所述分凝器入口连通；所述分凝器由n个气体冷凝单元通过烟气管道依次串联组成整体，所述分凝器处理的烟气从第1个冷凝单元进入，顺序通过n个冷凝单元后，从第n个冷凝单元流出，所述气体冷凝单元的数量n等于需要分离的气体总数减一；所述分凝器的n个冷凝单元底部均设置有疏水阀，其中第m(m＝1，2，……，n)个冷凝单元所对应的疏水阀的出口管路依次逆序通过前m-1个冷凝单元；所述压缩机、冷却器和膨胀机之间通过管路依次串联，所述膨胀机之间通过管路并联，组成制冷循环回路；所述冷却器出口和所述膨胀机入口之间的连接管路依次经过所述分凝器的冷凝单元进行换热；所述膨胀机出口和所述压缩机入口之间的连接管路依次经过所述分凝器的冷凝单元进行换热。
如上所述的一种基于低温气体分离的烟气处理装置，其中，所述冷却塔烟气出口与所述分凝器的入口之间连接有一引风机。
如上所述的一种基于低温气体分离的烟气处理装置，其中，所述制冷循环装置采用以氮气为工质的布雷顿制冷循环。
本发明提出的一种基于低温气体分离的烟气处理装置的有益效果是：
1、与传统技术相比，采用物理分离的方法实现烟气成分的分离和回收，既减小了设备的化学腐蚀，又提高了烟气处理的经济性，从而降低烟气处理的综合运行成本。
2、烟气冷凝分离过程采用回热的方式，将后续冷凝单元所分离出的相变温度更低的气体依次通过前面温度较高的冷凝单元进行换热，用于冷凝相变温度更高的气体，实现冷量的回收利用，降低了工艺能耗。
附图说明
图1为本发明基于低温气体分离的烟气处理装置的结构示意图；
图1中各标号含义：1.第一冷却塔，2.第二冷却塔，3.烟气入口，4.烟气出口，5.冷却水入口，6.冷却水出口，7.冷却水喷淋装置，8.冷却水储水槽，9.冷却水水泵，10.分凝器，11.疏水阀，12.压缩机，13.冷却器，14.膨胀机，15.引风机。
具体实施方式
以燃煤产生的烟气为例，烟气原料气中含有H2O、NO2、SO2、CO2、NO和N2，共计6种气体成分。下面结合附图针对上述具体问题对本发明做进一步说明。
如图1所示，所述基于低温气体分离的烟气处理装置包括：烟气洗涤装置、气体冷凝分离装置和制冷循环装置；所述烟气洗涤装置包括：第一冷却塔1、第二冷却塔2、烟气入口3、烟气出口4、冷却水入口5、冷却水出口6；所述气体冷凝分离装置包括：分凝器10和疏水阀11；所述制冷循环装置包括：压缩机12、冷却器13和膨胀机14。
在处理烟气时，原料气经所述烟气入口3进入所述第一冷却塔1，所述第一冷却塔1内烟气流动方向与喷淋冷却水流向一致，该流动布置方式有利于洗涤烟气中的固体颗粒物，所述第一冷却塔1和所述第二冷却塔2通过下方侧壁处的烟道连通，烟气通过烟道进入所述第二冷却塔2，所述第二冷却塔2内烟气流动方向与喷淋冷却水流向相反，该流动布置方式有利于烟气的冷却，所述烟气洗涤装置中冷却水经所述冷却水入口5进入所述第二冷却塔2顶部的喷淋装置7，所述喷淋装置7下方设置有冷却水储水槽8，所述储水槽8通过一冷却水水泵9与所述第一冷却塔1的冷却水喷淋装置7连通，所述第一冷却塔1下方的储水槽8通过冷却水水泵9与所述冷却水出口6连接，该冷却水水流布置方式利用温度更低的冷却水来冷却温度低的烟气，然后用温度更高的冷却水冷却温度高的烟气，有利于烟气的充分冷却，所述烟气洗涤装置的烟气出口4通过引风机15与所述分凝器10连通，所述分凝器10为n个气体冷凝单元通过烟气管道依次串联组成的整体，串联冷凝单元的数量n等于需要分离的气体总数减一，本案例中烟气共含有6种需要分离的气体，因此n等于5，所述分凝器10中气体冷凝所需冷量来自以氮气为工质的布雷顿制冷循环装置，所述制冷循环装置由所述压缩机12、冷却器13、膨胀机14之间通过管路依次串联，所述膨胀机之间通过管路并联，组成制冷循环回路，所述冷却器13出口和所述膨胀机14入口之间的连接管路依次经过所述分凝器10的第1至第5冷凝单元，这一过程使进入所述膨胀机14的制冷剂温度进一步降低，其益处在于回收冷量的同时可以有效降低制冷循环压力比，有利于实际应用中使用压力比更小但制冷量更大的叶轮式压气机和膨胀机，所述膨胀机14出口和所述压缩机12入口之间的连接管路依次经过所述分凝器10的第5至第1冷凝单元，所述膨胀机14输出的制冷剂经管路依次通过第5至第1冷凝单元换热，提供烟气相变分离所需的低温条件，考虑到实际烟气中CO2的含量较高，对应的冷凝负荷相对其他烟气成分更大，因此在CO2冷凝单元后增设一膨胀机5，通过增加所述膨胀机5的方式可以提前分流一部分制冷剂进入CO2冷凝单元，实现冷量的梯级利用，降低制冷循环的平均温差，提高制冷循环效率，经所述烟气洗涤装置洗涤后的烟气从所述分凝器10的第1个冷凝单元进入，顺序通过所有5个冷凝单元后，从第5个冷凝单元流出，根据混合气体相变规律，相变温度高的气体成分先冷凝为液态，所述分凝器10的5个冷凝单元按照冷凝温度从高到低依次对烟气中的H2O、NO2、SO2、CO2和NO进行冷凝，最后流出所述分凝器10的为相变温度最低的N2，所述分凝器10的每个冷凝单元底部都连接有疏水阀11，相变后的气体经所述疏水阀11实现分离储存，同时为了回收冷量，降低工艺能耗，将所述分凝器10的第m(m＝1，2，……，n)个冷凝单元所分离的相变后的气体通过管路依次逆序通过前m-1个冷凝单元与相变温度较高的气体换热。

Claims (1)

1.一种基于低温气体分离的烟气处理装置，其特征在于，烟气原料气中含有水、二氧化氮、二氧化硫、二氧化碳、一氧化氮和氮气，共计6种气体成分，所述烟气处理装置包括：烟气洗涤装置、气体冷凝分离装置和制冷循环装置；所述烟气洗涤装置包括：第一冷却塔、第二冷却塔、烟气入口、烟气出口、冷却水入口、冷却水出口；所述气体冷凝分离装置包括：分凝器、疏水阀；所述制冷循环装置包括：压缩机、冷却器、膨胀机；原料气经所述烟气入口 进入所述第一冷却塔，所述第一冷却塔内烟气流动方向与喷淋冷却水流向一致；
所述第一、第二冷却塔的下方侧壁处通过烟道连通；烟气通过烟道进入所述第二冷却塔，所述第二冷却塔内烟气流动方向与喷淋冷却水流向相反；所述烟气洗涤装置中冷却水经所述冷却水入口 进入所述第二冷却塔顶部的喷淋装置，所述喷淋装置下方设置有冷却水储水槽，所述储水槽通过一冷却水水泵与所述第一冷却塔的冷却水喷淋装置连通；所述第一冷却塔下方的储水槽通过冷却水水泵与所述冷却水出口连接；所述烟气洗涤装置的烟气出口通过引风机与所述分凝器连通；所述分凝器为5个气体冷凝单元通过烟气管道依次串联组成的整体，所述分凝器中气体冷凝所需冷量来自以氮气为工质的布雷顿制冷循环装置，所述制冷循环装置由所述压缩机、冷却器、膨胀机之间通过管路依次串联，所述膨胀机之间通过管路并联，组成制冷循环回路；所述冷却器出口和所述膨胀机入口之间的连接管路依次经过所述分凝器的第一至第五冷凝单元，所述膨胀机出口和所述压缩机入口之间的连接管路依次经过所述分凝器的第五至第一冷凝单元，所述膨胀机输出的制冷剂经管路依次通过第五至第一冷凝单元换热，二氧化碳冷凝单元对应的冷凝负荷相对其他烟气成分更大，在二氧化碳冷凝单元后增设一膨胀机，以提前分流一部分制冷剂进入二氧化碳冷凝单元，经所述烟气洗涤装置洗涤后的烟气从所述分凝器的第一个冷凝单元进入顺序通过所有5个冷凝单元后，从第五个冷凝单元流出；所述分凝器的每个冷凝单元底部都连接有疏水阀，相变后的气体经所述疏水阀实现分离储存，将所述分凝器的第m个冷凝单元所分离的相变后的气体通过管路依次逆序通过前m-1个冷凝单元与相变温度较高的气体换热，其中m大于等于1，且小于等于5，m为整数。
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