CN112756110B - 一种工业气溶胶pm2.5超净排放终端工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种工业气溶胶PM2.5超净排放终端工艺，属于大气污染控制工程领域。其特征在于包括如下步骤：1)准备工业气溶胶PM2.5超净排放终端处理系统；2)经脱硫塔脱硫后的烟气通过管道进入喷淋调质装置中，经喷淋，小分子水浸润了脱硫塔送入的烟气中的气溶胶微粒；该气溶胶微粒被小分子水浸润后具有导电性；3)经喷淋调质装置喷淋调质后的气溶胶气体通过管道进入气溶胶捕获装置中，被小分子水浸润的气溶胶粒子全部荷电，荷电后的气溶胶粒子受到电场力的作用，聚集在气溶胶捕获装置的集尘板而捕获；4)经气溶胶捕获装置捕获气溶胶微粒后的气体由引风机将气体导入烟囱排放。该工艺具有成本低、节能、高效的特点，可达到PM2.5超净排放标准且不产生烟羽。

Description

一种工业气溶胶PM2.5超净排放终端工艺

技术领域

本发明涉及一种工业气溶胶PM2.5超净排放终端工艺，属于大气污染控制工程领域。

背景技术

烟羽的本质是雾，没有凝结核的水蒸气形成不了雾。

如果仅排放水蒸气而没有PM2.5充当凝结核，即便是寒冷的冬天也看不见烟羽。无色透明水蒸气排放后立即溶解到空气中了，所以脱白就是脱气溶胶。

为什么传统工艺对超细颗粒物PM2.5难以脱除呢？

PM2.5颗粒的空气动力学当量直径小而比电阻却很大，在电除尘设备中无法荷电捕获。

为了捕获烟气气溶胶，就必须降低烟气比电阻。

为此，华中科技大学煤燃烧国家重点实验室采取添加“团聚剂”的方法(专利申请号201710281732.6)使气溶胶PM2.5团聚而达到减排的目的。这种添加团聚剂的方法不仅增加了企业的减排成本,还无端添加了新的污染物，故难以推广。

破解工业气溶胶PM2.5的减排难题，功在当代、利在千秋。

发明内容

本发明的目的在于提供一种工业气溶胶PM2.5超净排放终端工艺，该工艺具有成本低、节能、高效的特点，可达到PM2.5超净排放标准且不产生烟羽。

为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：一种工业气溶胶PM2.5超净排放终端工艺，其特征在于包括如下步骤：

1)准备工业气溶胶PM2.5超净排放终端处理系统：工业气溶胶PM2.5超净排放终端处理系统包括喷淋调质装置A、小分子水发生装置C、气溶胶捕获装置D和引风机E，喷淋调质装置A的烟气输入口由管道与脱硫塔B的烟气输出端相连通，喷淋调质装置A内腔的上部设有喷淋头，喷淋头由管道与小分子水发生装置C的输出口相连通，喷淋调质装置A的内腔底部排水口由水管与小分子水发生装置C的输入口相连通，所述水管上设有水泵；喷淋调质装置A的烟气输出口由管道与气溶胶捕获装置D的输入口相连通，气溶胶捕获装置D的输出口由管道与引风机E的输入口相连通，引风机E的输出口由管道与烟囱F的输入口相连通；

2)经脱硫塔B脱硫后的烟气通过管道进入喷淋调质装置A中，小分子水发生装置C产生的小分子水由管道进入喷淋调质装置A内的喷淋头，经喷淋，小分子水浸润了脱硫塔B送入的烟气中的气溶胶微粒；该气溶胶微粒被小分子水浸润后具有导电性；

3)经喷淋调质装置A喷淋调质后的气溶胶气体通过管道进入气溶胶捕获装置D中，被小分子水浸润的气溶胶粒子因水电离产生羟基负离子，使得气溶胶粒子轻而易举地全部荷电，荷电后的气溶胶粒子受到电场力的作用，聚集在气溶胶捕获装置D的集尘板而捕获；

4)经气溶胶捕获装置D捕获气溶胶微粒后的气体由引风机E将气体导入烟囱F排放。

所述喷淋调质装置A底部的水被水泵重新注入小分子水发生装置C中。

所述气溶胶捕获装置D为电除尘装置，优选采用高压静电除尘器。

步骤2)中，所述脱硫塔B送出的工况烟气量为4.22-15.13Wm³h^-1；所述小分子水的喷淋量为40-120m³h^-1。

所述喷淋调质装置(或称：烟气喷淋调质装置、喷淋调质塔)A可采用公知技术。喷淋调质装置包括筒体，筒体内腔的上部设有喷淋头；如中国专利申请号:CN201822227855.4(一种可在线更换喷头式喷淋调质塔)。

所述小分子水发生装置C可采用公知技术，如：中国专利申请号:CN201811005232.0(一种小分子水的制造工艺)，申请号:CN201510630849.1(一种小分子水生产方法)，申请号:CN201320414777.3(制造小分子水的装置)，申请号:CN201310292894.1(制造小分子水的装置)，申请号:CN201210553145.5(一种高能小分子水的制备方法)。还可采用：中国专利申请号201811104568.2(一种纳米小分子水发生装置)，申请号:CN201811104483.4，申请号:CN201821546206.4，申请号:CN201120370199.9(小分子水发生器)。

本发明采用超声波震荡破坏水的氢键而产生小分子水。

超声波发生器的剧烈震荡使水分子产生空化作用,这种空化力能破坏水的氢键生成小分子水。当超声波频率在19.80KHz-20KHZ这个范围内，小分子水产率最高，最为合适。

国外学者把小分子水称为纳米水分子簇。

我们知道，一个碳原子与两个氧原子以极性共价键组成一个二氧化碳分子。在二氧化碳分子中，碳原子核最外层没有未成键的电子，二氧化碳分子的键角是180度，分子的几何中心与电荷中心重合，所以二氧化碳为非极性分子。一个氧原子和两个氢原子也是以极性共价键组成一个水分子。由于水分子中，氧原子核外还有未成键的孤对电子，它的排斥力将水分子的键角压缩成104.5度，如图2实线所示。水分子的几何中心与电荷中心不重合，所以水是极性分子。孤对电子的电负性大，一个水分子的氧原子能与另一个水分子的氢原子形成氢键，如下图虚线所示。氢键使得小分子水形成“大分子水”。大分子水的表面张力较大。

氢键的键能小于共价键的键能。对氢键施加较强的磁场力，就可将氢键构成的大分子水变为小分子水。

小分子水没了氢键力，其表面张力变小而浸润力却明显变大。

用下面两个实验可以说明小分子水的浸润能力。

实验一：在两个玻璃杯中分别投入4克茶叶，然后用300毫升常温的普通水和小分子水分同时泡茶。瞬间发现用小分子水泡的茶呈现浓浓的花黄素和花青素的茶色，而普通水无法泡出茶色来。

实验二：在两个玻璃杯中分别加4克电厂烟灰(热电厂烟气净化脱出的粉尘)，然后分别同时注入300毫升普通水和小分子水，并稍加搅拌。发现加入小分子水的电场烟灰瞬间形成悬浊液，而加入普通水的烟灰不管怎么搅拌，电场灰总是浮在水的表面。

以上实验基于小分子水具有表面张力低和浸润力强的性质，让我们直观看到小分子水不同于普通水。

工业气溶胶减排，是一门实验的科学。

把水烧开，水的热能也可以破坏氢键，所以水蒸气也是小分子水。然而由于PM2.5充当了凝结核，水蒸气立即形成了大分子水滴——雾。雾不仅不能润湿气溶胶粒子，它还稀释了工业尾气气溶胶的浓度，让PM2.5逃逸得更快！

经脱硫塔B脱硫后的烟气通过管道进入喷淋调质装置A中，小分子水发生装置C产生的小分子水由管道进入喷淋调质装置A内的喷淋头，经喷淋，小分子水浸润了脱硫塔B送入的烟气中的气溶胶微粒。该气溶胶微粒被小分子水浸润后能导电了，比电阻变小了，从而实现了烟气气溶胶调质的目的。

液体对固体表面的润湿程度取决于液体分子对固体表面作用力的大小，它与液体的力学性质即表面张力有关。液体表面张力越小，它对气溶胶粒子的浸润性越好。

本发明利用小分子水具有较低的表面张力，它能润湿气溶胶PM2.5。

本发明采用小分子水调质，水是最节能的调质添加剂。

所述气溶胶捕获装置D，即电除尘装置，它也是一种公知技术。气溶胶捕获装置包括单区气溶胶捕获装置、双区气溶胶捕获装置(如图3、图4所示)。该技术可追溯到1824年德国科学家霍非尔德研制的第一台静电除尘器。

近年来，电除尘器技术发展迅速，然而环保工程师们对气溶胶PM2.5的捕获仍显得无能为力。他们认为捕获气溶胶PM2.5的技术瓶颈在于难以让气溶胶荷电，或实施成本太昂贵。

我们知道，胶体不是一种特殊的物质，而是物质存在的一种特殊状态。液溶胶的电动现象说明了液溶胶的粒子本身是带电的，它与周围介质中的反离子构成“扩散双电层”而达到系统相对稳定。

气溶胶不同于液溶胶，气溶胶粒子是没有扩散双电层的。

为了解释在静电除尘器中粒子能够荷电，产生了“撞击理论”。该理论认为：“在静电场中，空气首先被电离。微粒与离子发生撞击而荷电。”应用该理论制定的工艺路线可以捕获粗颗粒，但不能完全捕获气溶胶PM2.5。

在传统电除尘装置中，气溶胶逃逸的原因有两点。其一，由于气溶胶粒子太小，依靠撞击离子而荷电的几率太小；其二，静电除尘器的电场强度是不均匀的，离电晕极越远，电场强度越小，太小的场强无法让气溶胶荷电。若继续提高场强，将发生高压电击穿空气而短路。这就是“撞击理论”无法在静电除尘器中完全捕获气溶胶PM2.5的根本原因。

气溶胶粒子被小分子水润湿后，粒子表面形成了双电层。具有双电层的气溶胶与液溶胶一样具有电动性。

在气溶胶捕获装置(如：高压静电除尘器)D中，被水浸润的气溶胶粒子因水电离产生羟基负离子，使得气溶胶粒子轻而易举地全部荷电。荷电后的气溶胶粒子受到电场力的作用，聚集在集尘板(或称收集电极3)而捕获。这就是“润湿双电层理论”能够在静电除尘器中较彻底地捕获气溶胶PM2.5的本质原因。

气溶胶粒子被浸润后，由原来的固-气界面被固-液界面替代而形成双电层，这就是“浸润双电层”。

本发明先于国内外首次提出“浸润双电层理论”，并在该理论下利用电除尘装置成功捕获工业气溶胶PM2.5。

在气溶胶捕获装置D中，具有浸润双电层的气溶胶颗粒物，在电场力的作用下向集尘极电泳而捕获。

气溶胶捕获装置有单区捕获和双区捕获之分。所述单区捕集装置，是指放电与集尘在同一装置中；所述双区捕集装置，是指放电与集尘分别在两个不同的装置中。前者更适用于工业气溶胶净化，后者更适用于微生物气溶胶净化，如图3、4所示。

脱出了气溶胶PM2.5后的清洁气体，经引风机送入烟囱排放大气，可达到PM2.5超净排放标准且不产生烟羽。

本发明采用喷淋调质装置A、小分子水发生装置C、气溶胶捕获装置D和引风机E，具有成本低、节能、高效的特点。

本发明的有益效果是：该工艺具有成本低、节能、高效的特点，可达到PM2.5超净排放标准且不产生烟羽。该工艺有效解决了湿法脱硫所产生的气溶胶对环境的污染。

附图说明

图1是本发明的工业气溶胶PM2.5超净排放终端处理系统的结构示意图。

图2是本发明采用超声波震荡破坏水的氢键而产生小分子水的示意图。

图3是单区气溶胶捕获装置的原理图。

图4是双区气溶胶捕获装置的原理图。

图中：A-喷淋调质装置，B-脱硫塔，C-小分子水发生装置，D-气溶胶捕获装置，E-引风机，F-烟囱；1-放电极，2-离电场或电晕，3-收集电极，4-离电或电晕区，5-收集区。

具体实施方式

如图1所述，一种工业气溶胶PM2.5超净排放终端工艺，包括如下步骤：

1)准备工业气溶胶PM2.5超净排放终端处理系统：工业气溶胶PM2.5超净排放终端处理系统包括喷淋调质装置(或称：烟气喷淋调质装置、喷淋调质塔)A、小分子水发生装置C、气溶胶捕获装置D和引风机E，喷淋调质装置A的烟气输入口由管道与脱硫塔B的烟气输出端相连通(脱硫后的烟气，即气溶胶气体或称工业气溶胶气体，由脱硫塔B的烟气输出端排出)，喷淋调质装置A内腔的上部设有喷淋头(喷淋头喷出的小分子水对进入喷淋调质装置A内腔内的烟气喷淋)，喷淋头由管道与小分子水发生装置C的输出口相连通，喷淋调质装置A的内腔底部排水口由水管与小分子水发生装置C的输入口相连通，所述水管上设有水泵(将喷淋调质装置A的内腔底部的水抽到小分子水发生装置C中)；喷淋调质装置A的烟气输出口由管道与气溶胶捕获装置D的输入口相连通，气溶胶捕获装置D的输出口由管道与引风机E的输入口相连通，引风机E的输出口由管道与烟囱F的输入口相连通(引风机E将气体导入烟囱排放)；

2)经脱硫塔B脱硫后的烟气通过管道进入喷淋调质装置A中，小分子水发生装置C产生的小分子水由管道进入喷淋调质装置A内的喷淋头，经喷淋，小分子水浸润了脱硫塔B送入的烟气中的气溶胶微粒(PM2.5颗粒)；该气溶胶微粒被小分子水浸润后具有导电性，比电阻变小了，从而实现了烟气气溶胶调质的目的；

3)经喷淋调质装置A喷淋调质后的气溶胶气体通过管道进入气溶胶捕获装置D中，被小分子水浸润的气溶胶粒子因水电离产生羟基负离子，使得气溶胶粒子轻而易举地全部荷电，荷电后的气溶胶粒子受到电场力的作用，聚集在气溶胶捕获装置D的集尘板而捕获；

4)经气溶胶捕获装置D捕获气溶胶微粒后的气体(清洁气体)由引风机E将气体导入烟囱F排放。

所述喷淋调质装置A中，小分子水(喷淋水)润湿烟气(气溶胶气体)时，粉尘中部分可溶性盐也溶入喷淋水，并沉积在喷淋调质装置A的底部，被水泵重新注入小分子水发生装置C中，但不影响再次使用。此时，还要根据喷淋调质装置A底部沉积水的液位高度适当补充新制作的小分子水。一般喷淋调质装置A的底部液位控制在2米左右。

实施例1(对比实施例，不用喷淋水)：

脱硫塔B送出的工况烟量为4.22Wm³h^-1，进入喷淋调质装置A后，关闭小分子水发生装置C的喷淋水。喷淋水的喷淋流量为0m³h^-1。这种无喷淋水作用的气溶胶在捕获塔D中无法捕获，实测烟气排放口气溶胶颗粒物总含量为3.8mg/m³，气温6摄氏度，目测烟羽长度约500米，为气溶胶非超低排放。(烟羽：烟囱冒出长长的白烟。)

实施例2(对比实施例，普通水喷淋)：

脱硫塔B送出的工况烟量为4.22Wm³h^-1，进入喷淋调质装置A后，小分子水发生装置C喷淋普通水。普通水的喷淋流量为48m³h^-1至50m³h^-1。多余的喷淋水积在喷淋调质装置(调质塔)A的底部，由泵重新注入小分子水发生装置C，并适当补充普通水。这种无法调质的气溶胶在气溶胶捕获装置(捕获塔)D中无法捕获，实测排放口气溶胶颗粒物总含量为3.7mg/m³，气温6摄氏度，目测烟羽长度约500米，为气溶胶非超低排放。

实施例3(本发明工艺的实施例，小分子水喷淋)：

脱硫塔B送出的工况烟量为4.22Wm³h^-1，进入喷淋调质装置A后，被小分子水发生装置C喷淋的小分子水润湿。小分子水的喷淋流量为48m³h^-1至50m³h^-1。多余的喷淋水积在喷淋调质装置(调质塔)A的底部，由泵重新注入小分子水发生装置C，并适当补充新制作的小分子水。这种调质后的气溶胶在气溶胶捕获装置(捕获塔)D中捕获，实测排放口气溶胶颗粒物总含量为0.43mg/m³，气温6摄氏度，烟羽立即消失，为气溶胶超净排放。

实施例4(对比实施例，不用喷淋水)：

脱硫塔B送出的工况烟量为15.13Wm³h^-1，进入喷淋调质装置A后，关闭小分子水发生装置C，无喷淋水。水的喷淋量为0m³h^-1。这种未调质的气溶胶在气溶胶捕获装置(捕获塔)中未被捕获。实测排放口气溶胶颗粒物总含量为4.4mg/m³，气温2摄氏度，目测烟羽长度约1000米，为气溶胶非超净排放。

实施例5(对比实施例，普通水喷淋)：

脱硫塔B送出的工况烟量为15.13Wm³h^-1，进入喷淋调质装置A后，小分子水发生装置C喷淋普通水。普通水的喷淋量为120m³h^-1。多余的喷淋水积在调质塔A的底部，由泵重新注入小分子水发生装置C，并适当补充普通水。这种调质效果差的气溶胶在气溶胶捕获装置(捕获塔)D中未被捕获。实测排放口气溶胶颗粒物总含量为4.2mg/m³，气温2摄氏度，目测烟羽长度约1000米，为气溶胶非超净排放。

实施例6(本发明工艺的实施例，小分子水喷淋)：

脱硫塔B送出的工况烟量为15.13Wm³h^-1，进入喷淋调质装置A后，被小分子水发生装置C喷淋的小分子水润湿。小分子水的喷淋量为120m³h^-1。多余的喷淋水积在调质塔A的底部，由泵重新注入小分子水发生装置C，并适当补充新制的小分子水。这种调质后的气溶胶在气溶胶捕获装置(捕获塔)D中被捕获。实测排放口气溶胶颗粒物总含量为0.31mg/m³，气温2摄氏度，烟羽消失，为气溶胶超净排放。

通过上述对比实验，说明本发明的工艺可达到PM2.5超净排放标准且不产生烟羽。该工艺有效解决了湿法脱硫所产生的气溶胶对环境的污染。

Claims (3)

1.一种工业气溶胶PM2.5超净排放终端工艺，其特征在于包括如下步骤：

1)准备工业气溶胶PM2.5超净排放终端处理系统；

所述工业气溶胶PM2.5超净排放终端处理系统，包括喷淋调质装置(A)、小分子水发生装置(C)、气溶胶捕获装置(D)和引风机(E)，喷淋调质装置(A)的烟气输入口由管道与脱硫塔(B)的烟气输出端相连通，喷淋调质装置(A)内腔的上部设有喷淋头，喷淋头由管道与小分子水发生装置(C)的输出口相连通，喷淋调质装置(A)的内腔底部排水口由水管与小分子水发生装置(C)的输入口相连通，所述水管上设有水泵；喷淋调质装置(A)的烟气输出口由管道与气溶胶捕获装置(D)的输入口相连通，气溶胶捕获装置(D)的输出口由管道与引风机(E)的输入口相连通，引风机(E)的输出口由管道与烟囱(F)的输入口相连通；

2)经脱硫塔(B)脱硫后的烟气通过管道进入喷淋调质装置(A)中，小分子水发生装置(C)产生的小分子水由管道进入喷淋调质装置(A)内的喷淋头，经喷淋，小分子水浸润了脱硫塔(B)送入的烟气中的气溶胶微粒；该气溶胶微粒被小分子水浸润后具有导电性；

采用超声波震荡破坏水的氢键而产生小分子水，超声波频率为19.80KHz-20KHZ；

所述脱硫塔送出的烟气量为4.22-15.13Wm³h^-1；所述小分子水的喷淋量为40-120m³h^-1；

3)经喷淋调质装置(A)喷淋调质后的气溶胶气体通过管道进入气溶胶捕获装置(D)中，被小分子水浸润的气溶胶粒子因水电离产生羟基负离子，使得气溶胶粒子轻而易举地全部荷电，荷电后的气溶胶粒子受到电场力的作用，聚集在气溶胶捕获装置(D)的集尘板而捕获；

4)经气溶胶捕获装置(D)捕获气溶胶微粒后的气体由引风机(E)将气体导入烟囱(F)排放。

2.根据权利要求1所述的一种工业气溶胶PM2.5超净排放终端工艺，其特征在于：所述喷淋调质装置(A)底部的水被水泵注入小分子水发生装置(C)中。

3.根据权利要求1或2所述的一种工业气溶胶PM2.5超净排放终端工艺，其特征在于：所述气溶胶捕获装置(D)为电除尘装置。

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