CN112337234A - 一种脱除重金属污染物的旋流切割式托盘结构及脱硫塔 - Google Patents

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Abstract

本发明属于环境保护设备相关技术领域，其公开了一种脱除重金属污染物的旋流切割式托盘结构及脱硫塔，托盘结构包括旋流切割层及多孔托盘，旋流切割层与多孔托盘间隔设置；多孔托盘被隔板分割成多个矩形鼓泡区域；旋流切割层包括传动管束、转动轴及切割刀头，传动管束与多孔托盘平行设置；转动轴的一端连接于传动管束，另一端连接于切割刀头，切割刀头位于鼓泡区域上方；工作时，多孔托盘上形成有持液层，含有颗粒态和气态重金属的烟气流由下而上流经多孔托盘，以鼓泡方式经过持液层，转动轴带动切割刀头转动，以将持液层中的大气泡进行切割剪碎而形成多个小气泡，同时使得持液层处于湍流状态。本发明降低了成本，安全可靠。

Description

一种脱除重金属污染物的旋流切割式托盘结构及脱硫塔
技术领域
本发明属于环境保护设备相关技术领域，更具体地，涉及一种脱除重金属污染物的旋流切割式托盘结构及脱硫塔。
背景技术
随着科学技术发展和社会进步，人们对生活居住环境的要求标准日趋提高，特别的，人们对赖以生存的空气的质量要求也日趋严格。工业化革命极大地推动了社会生产力的发展，改善人们的生活水平，但是不可避免的也带来了一系列环境问题，例如向大气环境排入大量有毒有害物质，污染空气质量，其中包括NOx、SO2、粉尘、重金属等等。重金属污染物尽管含量较低，但是其毒性极强，且易附着于亚微米级粉尘上，在空气中停留时间长，可在大气层内长距离迁移，经过人体呼吸道进入肺、肝脏等器官，并在人体内富集，对神经系统、生殖系统等均造成不可逆的损坏，对人类健康带来极大威胁。
燃煤发电是环境中重金属的重要来源之一，特别是在以燃煤作为主要电力供应的国家，来自燃煤的重金属排放量占环境重金属总排放量的四成以上，因此必须对燃煤电厂的重金属排放进行严格控制。目前，常规的燃煤烟气污染物净化装备为选择性催化还原装置、除尘器、湿法烟气脱硫塔，依次脱除烟气中的NOx、粉尘和SO2，其中，湿法烟气脱硫塔对重金属污染物具有一定的协同脱除效果，被认为具有较大的脱除潜力。但是，燃煤烟气中的大部分重金属(As、Cr、Pb等)通过气化/冷凝/吸附等转化过程，较多富集于亚微米颗粒上，称为颗粒态重金属，剩余部分仍以气体形式存在于烟气中，称为气态重金属。颗粒态重金属由于惯性拦截和扩散运动机制均不显著，难以被湿法烟气脱硫塔内的喷射液滴有效捕集。现有研究提出在脱硫塔内部增设多孔托盘，优化颗粒与浆液的接触方式，可略微提升捕集效果；若要进一步提高颗粒态重金属的脱除率，则需减小多孔托盘的开孔孔径，但是烟气流动阻力会成倍提升，极大地增加设备运行成本。因此，强化湿法烟气脱硫塔对重金属污染物的控制问题亟待解决。
现有关于燃煤烟气中重金属污染物排放控制的技术中，主要包括：专利CN204601981U公开了一种配置多层托盘的脱硫塔，该脱硫塔包括塔体，所述塔体内从下至上依次设置有浆液池、多层喷淋层和多层除雾器，所述塔体内还设置有多层托盘，所述托盘位于原烟入口上方、且位于最上一层喷淋层的下方，所述托盘上开设有多个通孔，该方法可以有效改善烟气分布均匀度，提高了石灰石溶解速率，从而提高脱硫塔的脱硫及除雾能力，但是该方法对重金属污染物无显著强化效果；又如专利CN204582914U公布了一种非均匀开孔布置的气液分布器，包括一个或多个设置在塔烟气入口上方的多孔平板，所述多孔平板覆盖塔体的全截面，所述多孔平板的开孔是非均匀的，该分布器的开孔布置与烟气分布适配，不仅有效善了烟气分布均匀度，而且降低了吸收塔边壁效应的影响，但是该方法对亚微米级颗粒态重金属的脱除无显著提升效果，且缩小了多孔平板的开孔大小，增大了烟气流动的阻力，提高了设备运行成本；再如专利CN109045963A公布了一种氧化-吸收脱除燃煤烟气中气态二氧化硒的方法，将制备的氧化剂和吸收剂同时自喷淋塔上部喷入，与喷淋吸收塔下部引入的燃煤烟气形成对流，使烟气中的气态二氧化硒充分反应，实现二氧化硒向硒酸盐的转化并被吸收。该方法氧化效率最高可达到99％，吸收效率达到98％以上，但是该方法需消耗大量化学试剂，成本高昂，且会改变脱硫浆液成分，影响脱硫设备运行。
经研究发现，现有的燃煤烟气中重金属污染物排放控制技术中，主要存在以下问题：(1)对重金属污染物(特别是亚微米级颗粒态重金属)无显著强化脱除效果；(2)影响脱硫塔内烟气流动特性，增大了烟气流动阻力，提高了设备运行成本；(3)消耗大量化学试剂；(4)对其他设备正常运行具有负面效应，影响正常生产运行流程。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种脱除重金属污染物的旋流切割式托盘结构及脱硫塔，基于现有燃煤烟气中重金属污染物的脱除特点对托盘结构进行了改进，所述托盘结构通过高速旋转的切割刀头将持液层中的大气泡进行切割“剪碎”，优化气液固三相接触方式，降低颗粒态重金属迁移距离，强化气态重金属传质驱动力，从而实现重金属污染物的深度脱除，具有强化效果显著、运行成本低廉、安全可靠等优点。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种脱除重金属污染物的旋流切割式托盘结构，所述托盘结构包括旋流切割层及多孔托盘，所述旋流切割层与所述多孔托盘间隔设置；所述多孔托盘被隔板分割成多个矩形鼓泡区域；所述旋流切割层包括传动管束、转动轴及切割刀头，所述传动管束与所述多孔托盘平行设置；所述转动轴的一端连接于所述传动管束，另一端连接于所述切割刀头，所述切割刀头位于所述鼓泡区域上方；
工作时，所述多孔托盘上形成有持液层，含有颗粒态和气态重金属的烟气流由下而上流经所述多孔托盘，以鼓泡方式经过所述持液层，所述转动轴带动所述切割刀头转动，以将持液层中的大气泡进行切割剪碎而形成多个小气泡，同时使得所述持液层处于湍流状态。
进一步地，1～3层切割刀头沿所述转动轴的轴向间隔设置，每层中的多个切割刀头绕所述转动轴的中心轴均匀排布。
进一步地，所述转动轴的转速为60转/分钟～2000转/分钟。
进一步地，所述切割刀头与所述多孔托盘之间的间距为5cm～20cm。
进一步地，所述多孔托盘开设有多个气流通道，所述气流通道的内径为1cm～15cm。
进一步地，所述切割刀头、所述转动轴、所述传动管束的材质为不锈钢、碳钢及聚四氟乙烯中的一种或多种。
进一步地，所述切割刀头的数量为3～12个。
按照本发明的另一个方面，提供了一种脱除重金属污染物的脱硫塔，所述脱硫塔包括如上所述的脱除重金属污染物的旋流切割式托盘结构及塔体，所述托盘结构连接于所述塔体。
进一步地，所述托盘结构还包括控制单元及颗粒浓度在线测量仪，所述旋流切割层及所述多孔托盘设置在所述塔体内，所述颗粒浓度在线测量仪设置在所述塔体的烟气出口内，所述控制单元连接所述传动管束及所述颗粒浓度在线测量仪。
进一步地，所述脱硫塔还包括除雾器、喷淋层及喷淋液循环泵，所述除雾器、所述喷淋层、所述旋流切割层及所述多孔托盘自上而下间隔设置在所述塔体内；所述塔体的底部形成有浆液池，所述喷淋液循环泵连接所述浆液池及所述喷淋层。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的脱除重金属污染物的旋流切割式托盘结构及脱硫塔主要具有以下有益效果：
1.本发明设置有旋流切割层，可强化托盘上部液膜内的湍流扰动，对烟气气泡进行切割，形成多个细小气泡，强化气液固三相接触面积和传质动力，可极大地强化湿法烟气脱硫塔内颗粒态和气态重金属的脱除效率。
2.本发明通过切割刀头实现鼓泡区域气泡的细化，无需降低托盘气流通道内径，对塔内烟气流动阻力影响较小，可有效降低增压风机电耗，减少运行成本。
3.本发明可根据出口颗粒浓度对旋流切割层的工作状态进行实时反馈调节，智能控制运行电耗，降低运行成本。
4.本发明增强了托盘上部气液湍流扰动，可以有效减缓石灰石结垢过程，减低托盘孔道堵塞风险，提高装置长期运行的稳定性，安全可靠。
5.本发明通过对塔体内流场优化方式强化颗粒态和气态重金属脱除，无需使用大量化学试剂，成本低廉，对其他设备无负面影响。
附图说明
图1是本发明提供的脱除重金属污染物的脱硫塔的结构示意图；
图2是图1中的脱除重金属污染物的脱硫塔的旋流切割式托盘结构的旋流切割层及多孔托盘的结构示意图；
图3是图2中的旋流切割层的结构示意图；
图4是旋流切割刀头与鼓泡区域的结构示意图；
图5中的(1)、(2)、(3)及(4)分别是多种旋流切割刀头的示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-旋流切割层，1-1-转动轴，1-2-切割刀头，1-3-传动管束，2-多孔托盘，3-喷淋层，4-喷淋液循环泵，5-除雾器，6-浆液池，7-控制单元，8-颗粒浓度在线测量仪。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
请参阅图1，本发明提供的脱除重金属污染物的脱硫塔，所述脱硫塔为湿法烟气脱硫塔，其包括旋流切割式托盘结构、塔体、喷淋层3、喷淋液循环泵4及除雾器5。所述塔体的中下部形成有烟气入口，其顶部形成有烟气出口。所述塔体的底部形成有浆液池6，所述烟气入口位于所述浆液池6的上方。所述喷淋层3及所述除雾器5自上而下设置在所述塔体内，且所述喷淋层3及所述除雾器5位于所述烟气入口及所述烟气出口之间。所述喷淋液循环泵4的两端分别连接所述浆液池6及所述喷淋层3。
请查阅图2、图3、图4及图5，所述托盘结构连接于所述塔体，其包括旋流切割层1、多孔托盘2、控制单元7及颗粒浓度在线测量仪8，所述旋流切割层1及所述多孔托盘2设置在所述塔体内，且所述旋流切割层1位于所述多孔托盘2的上方，所述旋流切割层1与所述多孔托盘2位于所述烟气入口与所述喷淋层3之间。
所述多孔托盘2开设有多个气流通道，气流通道由隔板分割为多个相同的矩形鼓泡区域。所述旋流切割层1包括多个传动管束1-3、多个转动轴1-1及多个切割刀头1-2，所述传动管束1-3与所述多孔托盘2平行设置，多个所述转动轴1-1的一端间隔设置在所述传动管束1-3上，多个所述切割刀头1-2分别设置在所述转动轴1-1的另一端，且布置于鼓泡区域上方。所述传动管束1-3提供动力，所述转动轴1-1带动所述切割刀头1-2高速旋转。所述颗粒浓度在线测量仪8布置于所述烟气出口内。所述控制单元7连接所述传动管束1-3及所述颗粒浓度在线测量仪8。
所述切割刀头1-2的形状可以为针型、杆型、侧锥型和叶片型；所述切割刀头1-2的数量为3～12个；所述切割刀头1-2的层数为1～3层，即1～3层切割刀头1-2沿所述转动轴1-1的轴向间隔设置，每层的切割刀头1-2绕所述转动轴1-1的中心轴均匀排布。此外，优选地，单个所述鼓泡区域内所述切割刀头1-2的数量为1～4个；所述转动轴1-1的转速为60～2000转/分钟；所述切割刀头1-2与所述多孔托盘2之间的间距为5-20cm；所述多孔托盘2的气流通道内径为1～15cm；所述切割刀头1-2、所述转动轴1-1、所述传动管束1-3的材质为不锈钢、碳钢、聚四氟乙烯中的一种或多种。
工作时，碱性喷淋浆液由上向下喷淋，落入到所述多孔托盘2的表面上形成有一定厚度的持液层，含有颗粒态和气态重金属的烟气自下而上流经所述多孔托盘2，以鼓泡形式经过所述持液层。在鼓泡阶段，烟气与喷淋液的接触形式由常规的“气包液”形式(即烟气围绕着液滴运动，在液滴表面传质吸收)变成“液包气”形式(即液体包裹着烟气，以气泡形式运动，在气泡表面传质吸收)，传质面积极大增强，利用高速旋转的切割刀头1-2将所述持液层中的大气泡进行切割“剪碎”以形成大量细小气泡，每个气泡内颗粒态重金属的可运动空间极大减小，以惯性作用、热泳、扩散等运动机制迁移到气泡壁面的路程急剧减少，从而颗粒态重金属被捕集率显著提升。对于气态重金属，由于切割刀头1-2的高速旋转，使得所述持液层处于剧烈湍流状态，暴露于烟气中的液面面积极大增加，并且气液接触面不断持续更新，被吸收的重金属物质快速扩散进入浆液主体而均匀分布，保持气液接触面的高效传质驱动力，强化了气态重金属的吸收速率。
烟气自所述烟气入口进入所述塔体后向上流动，依次流经所述多孔托盘2、所述旋流切割层1、所述除雾器5后，从所述烟气出口排出。另外，所述脱硫塔可以优化托盘上部的持液层内气流固三相接触方式，促进烟气中的颗粒态重金属向气泡表面运动，提高了气态重金属传质吸收面积和驱动力，强化现有湿法烟气脱硫塔对烟气中颗粒态和气态重金属的脱除效果，具有强化效果显著、运行成本低廉、安全可靠、无其他负面影响等优点。
本领域的技术人员容易理解，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种脱除重金属污染物的旋流切割式托盘结构，其特征在于：
所述托盘结构包括旋流切割层(1)及多孔托盘(2)，所述旋流切割层(1)与所述多孔托盘(2)间隔设置；所述多孔托盘(2)被隔板分割成多个矩形鼓泡区域；所述旋流切割层(1)包括传动管束(1-3)、转动轴(1-1)及切割刀头(1-2)，所述传动管束(1-3)与所述多孔托盘(2)平行设置；所述转动轴(1-1)的一端连接于所述传动管束(1-3)，另一端连接于所述切割刀头(1-2)，所述切割刀头(1-2)位于所述鼓泡区域上方；
工作时，所述多孔托盘(2)上形成有持液层，含有颗粒态和气态重金属的烟气流由下而上流经所述多孔托盘(2)，以鼓泡方式经过所述持液层，所述转动轴(1-1)带动所述切割刀头(1-2)转动，以将持液层中的大气泡进行切割剪碎而形成多个小气泡，同时使得所述持液层处于湍流状态。
2.如权利要求1所述的脱除重金属污染物的旋流切割式托盘结构，其特征在于：1～3层切割刀头(1-2)沿所述转动轴(1-1)的轴向间隔设置，每层中的多个切割刀头(1-2)绕所述转动轴(1-1)的中心轴均匀排布。
3.如权利要求1所述的脱除重金属污染物的旋流切割式托盘结构，其特征在于：所述转动轴(1-1)的转速为60转/分钟～2000转/分钟。
4.如权利要求1所述的脱除重金属污染物的旋流切割式托盘结构，其特征在于：所述切割刀头(1-2)与所述多孔托盘(2)之间的间距为5cm～20cm。
5.如权利要求1-4任一项所述的脱除重金属污染物的旋流切割式托盘结构，其特征在于：所述多孔托盘(2)开设有多个气流通道，所述气流通道的内径为1cm～15cm。
6.如权利要求1-4任一项所述的脱除重金属污染物的旋流切割式托盘结构，其特征在于：所述切割刀头(1-2)、所述转动轴(1-1)、所述传动管束(1-3)的材质为不锈钢、碳钢及聚四氟乙烯中的一种或多种。
7.如权利要求1-4任一项所述的脱除重金属污染物的旋流切割式托盘结构，其特征在于：所述切割刀头(1-2)的数量为3～12个。
8.一种脱除重金属污染物的脱硫塔，其特征在于：所述脱硫塔包括权利要求1-7任一项所述的脱除重金属污染物的旋流切割式托盘结构及塔体，所述托盘结构连接于所述塔体。
9.如权利要求8所述的脱除重金属污染物的脱硫塔，其特征在于：所述托盘结构还包括控制单元(7)及颗粒浓度在线测量仪(8)，所述旋流切割层(1)及所述多孔托盘(2)设置在所述塔体内，所述颗粒浓度在线测量仪(8)设置在所述塔体的烟气出口内，所述控制单元(7)连接所述传动管束(1-3)及所述颗粒浓度在线测量仪(8)。
10.如权利要求9所述的脱除重金属污染物的脱硫塔，其特征在于：所述脱硫塔还包括除雾器(5)、喷淋层(3)及喷淋液循环泵(4)，所述除雾器(5)、所述喷淋层(3)、所述旋流切割层(1)及所述多孔托盘(2)自上而下间隔设置在所述塔体内；所述塔体的底部形成有浆液池(6)，所述喷淋液循环泵(4)连接所述浆液池(6)及所述喷淋层(3)。
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