CN113864806A - 一种旋流式烟气除尘除雾与消白一体化烟囱及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种旋流式烟气除尘除雾与消白一体化烟囱及方法，自下往上分为烟囱下部(1)、烟囱中部(2)和烟囱上部(3)；烟囱下部(1)为圆筒与倒锥结合筒体(21)，底部为钢制固定底座(5)；烟囱中部(2)为具有加热夹层(6)的圆柱筒体结构；烟囱上部(3)为单层圆柱筒体结构，其顶部为烟气排出口(17)；将含尘湿饱和烟气从烟气进口(9)切向鼓入圆筒和倒锥结合体内腔(21)；通过冷却介质入口(11)向烟囱下部(1)内通入冷却介质；通过加热空气入口(15)向烟囱中部(2)的加热夹层内通入加热后的空气；从排放口(8)和(14)收集飞灰和浆液。本发明简化烟气净化设备，减少设备投资，降低结垢导致烟道堵塞的风险。
Description
技术领域
本发明涉及一种烟气净化装置，具体涉及一种旋流式烟气除尘除雾与消白一体化烟囱及方法，属于大气污染控制领域。
背景技术
近年来雾霾现象大大困扰着人们的生活，虽然近年来，无论是电力行业还是冶金、建材等行业，普遍实施了烟气脱硫、脱硝、除尘等超低排放标准，主要污染物如颗粒物、SO2、NOx排放量都大幅度降低，而雾霾却比十多年前更严重了，部分学者研究认为，雾霾出现的元凶是湿法脱硫后排放的高湿度烟气以及排烟水分中溶解性颗粒物造成的。而当前国内有85％以上的燃煤电厂和钢铁烧结均采取了湿法脱硫工艺。
所谓湿法脱硫是以石灰石或石灰的浆液作脱硫剂，在吸收塔内对含SO2烟气进行喷淋洗涤，使烟气中的SO2反应生成CaSO3和CaSO4，因工艺所决定，经脱硫后排放的湿烟气温度在45～55℃，含湿量介乎过饱和状态，烟气中携带大量水蒸气，还携带有部分溶解盐和溶解性颗粒物分子，当此种湿烟气不经处理直接经烟囱排放，进入温度较低的环境大气中，与温度较低的环境大气混合，烟气中的水蒸汽冷凝成核，经光线的折射或散射作用，湿烟气呈现白色或者灰色，形成“白烟”现象，产生视觉污染和大气污染，此外也造成了大量水资源的浪费，尤其是干旱缺水地区。
如能有效解决湿法脱硫后烟气除湿消白，不仅可以减轻“白烟”这种视觉污染，而且还是治理大气雾霾污染的有效途径之一。
随着对大气环境污染治理工作的深入开展，现行大气污染物排放标准的逐步提高，通常燃煤锅炉普遍会对排放烟气进行净化处理，包括湿法脱硫、脱硝、除尘等。烟气经上述净化操作后，粒径>20μm的飞灰、夹带浆液、雾沫基本被脱除，但由于烟气内水蒸气近似饱和状态，在后续烟道的流动过程中，烟气内的水蒸气会进一步凝结，导致残存的细微飞灰、液滴、浆液颗粒增大。因此，净烟气进入烟囱时通常还会携带大量粒径50～2000μm的液滴、浆液、飞灰等。经湿法脱硫处理的净烟气的温度在45～55℃，在烟囱内上升时，部分大颗粒会与烟囱内壁碰撞而沉降，也有部分水蒸气遇冷凝结，所以烟囱内壁会形成浆液。烟气排出的过程，大部分粒径较小的颗粒物会从烟囱口逃逸，高速烟气还会夹带一些内壁的冷凝浆液，大液滴冲出烟囱后来不及蒸发和扩散，便降落至附近地面，即所谓的“烟囱雨”，而烟气内的水蒸气遇冷空气析出成核，形成1μm左右的细小水滴，随着烟体的扩散，形成白色烟羽。此外，烟气中微米级(1～15μm)、亚微米级(<1μm)的颗粒物则随着烟气的抬升而向四周扩散。
为解决“烟囱雨”和“白色烟羽”的问题，工业上通常采用提高净烟气温度(或者先降温再升温)的方法，使水蒸气处于不饱和状态，并强化烟体的抬升和扩散能力。一般而言，排烟温度高于80℃，基本可消除“白色烟羽”。但是，给烟气加热的换热器(Gas-Gas Heater，GGH)极易产生结垢和堵塞问题，故障率极高，且维护和投资成本大。
若开发出同时具备除尘、除雾和消白功能的烟囱及方法，则可取消GGH，大幅降低烟气净化的设备投资和运行成本。
发明内容
本发明的目的是解决经湿法脱硫脱硝后烟气在排放过程中仍存在的“烟囱雨”和“白色烟羽”问题，提出了一种旋流式烟气除尘除雾与消白一体化烟囱，本发明的另一目的是提供利用上述一体化烟囱湿法脱硫脱硝烟气后续净化方法，集成冷却除湿、旋风分离和热风掺混加热的方法，以捕集烟气内的浆液、降低水蒸气含量、防止颗粒物逃逸、提升温度和扩散能力，进而消除“烟囱雨”和“白色烟羽”。
本发明的技术方案为：一种旋流式烟气除尘除雾与消白一体化烟囱，其特征在于烟囱整体为上下贯通的钢制多层筒状结构，自下往上分为烟囱下部1、烟囱中部2和烟囱上部3三个功能区域；烟囱下部1为具有冷却夹层4的圆筒体23与倒锥结合筒体21，底部则配有钢制固定底座5；烟囱中部2为具有加热夹层6的圆柱筒体结构；烟囱上部3则为单层圆柱筒体结构，其顶部为烟气排出口17；烟囱筒体外部还整体设有绝热夹层7；其中圆筒23侧面装有切向烟气进口9，顶部装有烟气出口10，冷却夹层4的下部外侧留有冷却介质的入口11，冷却夹层4的上部外侧设有冷却介质的出口12，倒锥结合筒体21底部装有飞灰和浆液的排放口8；烟囱中部2的圆柱筒体内部烟道下方安装有旋流板13，圆柱筒体底部外侧配有飞灰和浆液的排放口14，加热夹层6下部设有加热空气入口15，圆柱筒体上部内侧设有加热空气出口16。
所述烟囱下部1为具有冷却夹层4的圆柱筒体23与倒锥结合筒体21；圆筒与倒锥结合筒体21的结构如图2所示，优选圆柱筒体23的内径d为1～10m，圆柱筒体23的高径比为1.2～1.5；倒锥筒体24上端圆截面的内径与d一致，倒锥筒体24下端圆截面内径与d的比值为0.4～0.7，倒锥筒体24的高度与d之比为2～3；烟气进口9为矩形，其高度与d的比值为0.4～0.6，而宽度与d的比值则为0.1～0.3；所述烟气出口10的内径与d的比值为0.4～0.6，高度与d的比值为0.5～0.8，烟气出口10与烟囱中部2具有加热夹层6的圆柱筒体相连通；所述冷却夹层4内腔厚度与d的比值为0.1～0.3；排放口8内径与d的比值在0.1～0.2。
优选所述烟囱中部2的圆柱筒体的内径为d1与圆柱筒体23的内径d的比值为0.5～0.8，高度与d的比值在5～10；所述旋流板13结构如图3所示，所述的旋流板13由圆环形外框18、中心盲板19、多个(一般优选3～10个)螺旋叶片20和安装支架22组成；其中圆环形外框18的外径与d的比值为0.6～0.7，中心盲板19直径与d的比值为0.05～0.1，螺旋叶片20的升角在30°～60°。所述圆柱筒体顶部烟道采用缩颈结构。所述加热夹层6的内腔厚度与d的比值为0.1～0.3。加热夹层6下部设有加热空气入口15，加热空气出口16则在所述圆柱筒体上部内侧，与圆筒内腔连通。
所述烟囱中部2圆柱筒体，其烟道内径d1取值要与烟气处理量相匹配，保证烟气流速在雾沫夹带气速以下，防止烟气上升过程中夹带内壁的回流液滴，导致逃逸。雾沫夹带气速通过韦伯数(We)等于1来判断：
式中，ρv为气体密度，uv为气体流速，σ为表面张力，λ为回流液体表面波动的特征长度，与表面的粗糙度相关。
所述烟囱上部3为单层圆柱筒体结构，圆柱筒体内径设为d2，d2与d的比值为0.4～0.7，高度与d的比值在8～12。
本发明所述旋流式烟气除尘、除雾与消白一体化烟囱的具体工作原理如下：
经湿法脱硫、脱硝处理后的含尘湿饱和烟气(一般45～55℃)从烟气进口9切向鼓入烟囱下部1的圆筒与倒锥结合筒体21内腔，烟气进入该部分1内腔后随即高速旋转，并向下流动，烟气内的颗粒物(飞灰、浆液、水滴等)在较大的离心力作用下被甩向烟道内壁，一旦接触壁面，便失去惯性力，沿壁面下滑，大部分粒径较大的颗粒物因此被分离，从烟囱底部出口8排出。与此同时，在烟囱下部1的冷却夹层4内通入冷介质(优选中水、自然水或空气，温度低于30℃)，为烟气降温，促进水蒸气凝结析出，从而有效降低其含湿量和温度。旋转烟气在达到烟囱底部后，向轴心流动，再沿烟囱轴线上升。烟气沿烟道轴线上升，穿过烟囱下部1出口10后进入烟囱中部2，在旋流板13的作用下烟气产生上升的轴向螺旋运动，烟气中残留的颗粒再次与烟道内壁碰撞，并顺内壁向下沉降。烟囱中部2内壁捕集的浆液和飞灰从底部出口14排出。同时，烟囱中部2的加热夹层内则通入高温热空气(优选70～100℃)，用于加热烟气，高温空气在该部分2的顶部由出口16引入烟道，与经过除尘和除雾的烟气掺混，烟气的温度因此大幅提高，湿度显著降低，成为高温不饱和烟气。高温不饱和烟气继续向上流动，因烟囱上部3烟道内径小于烟囱中部2，流速大幅提升，烟气的抬升力和扩散效应得到强化。通过上述净化过程，经湿法脱硫、脱硝后的烟气得到深度除尘、除雾和消白，减少飞灰排放，并确保无“烟囱雨”和“白色烟羽”产生。
总体而言，烟囱下部1为旋风分离与冷却除湿区域，利用气流旋转运动过程的惯性离心力分离颗粒物(飞灰、浆液、水滴等)，结构简单、操作弹性大、效率较高，同时可对烟气进行冷却除湿；烟囱中部2为旋流分离与掺混加热区域，利用烟气的轴向螺旋运动，可进一步分离烟气内残留的颗粒物，同时，基于热空气的加热和掺混，提升烟气温度和流速，大幅降低湿度；烟囱上部3为强化抬升区域，采用内径较烟囱中部2更小的筒体，进一步提升烟气流速。
对于在具体结构上经过适当改动，但是基本原理和本发明一致的，也落在本发明的保护范围之内。
与现有技术相比，本发明应用后的有益效果为：简化烟气净化设备，如取消GGH、静电除尘装置等，减少设备投资，降低结垢导致烟道堵塞的风险，进而减少烟气净化处理过程的故障率及运行成本。
附图说明
图1为本发明所述一种旋流式烟气除尘除雾与消白一体化烟囱及方法示意图；
图2为烟囱下部1的主视图；
图3为图1所述旋流板结构俯视图；
图中：1-烟囱下部，2-烟囱中部，3-烟囱上部，4-冷却夹层，5-钢制固定底座，6-加热夹层，7-绝热夹层，8-飞灰和浆液排放口，9-切向烟气进口，10-烟气出口，11-冷却介质的入口，12-冷却介质的出口，13-旋流板，14-烟囱中部的飞灰和浆液排放口，15-加热空气入口，16-加热空气出口，17-烟气排出口，18-圆环形外框，19-中心盲板，20-螺旋叶片，21-圆筒与倒锥结合筒体，22-旋流板安装支架，23-圆柱筒体，24-倒锥筒体。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明，但并不因此限制此发明的适用范围。以下实施例所述旋流式烟气除尘、除雾与消白一体化烟囱所用的材料均为钢制烟囱常用材料，整体结构选用不锈钢和碳钢，保温材料则选硅酸铝纤维保温棉和玻璃纤维保温棉。
实施例1
本发明所述的一种旋流式烟气除尘、除雾与消白一体化烟囱，其整体结构如图1所示，用于湿法脱硫、脱硝烟气的后续净化操作。烟囱整体为上下贯通的钢制多层筒状结构，自下往上分为烟囱下部1、烟囱中部2和烟囱上部3三个功能区域，如图1所示；烟囱下部1为具有冷却夹层4的圆筒与倒锥结合筒体，底部则配有钢制固定底座5；烟囱中部为具有加热夹层6的圆柱筒体结构；烟囱上部3为单层圆柱筒体结构，顶部为烟气排出口17；烟囱筒体外部还整体设有绝热夹层7。
所述烟囱下部1为具有冷却夹层4的圆筒与倒锥结合筒体21，圆筒23侧面装有切向烟气进口9，顶部设有向上的烟气出口10，与所述烟囱中部2具有加热夹层6的圆柱筒体相连通，底部装有飞灰和浆液的排放口8，冷却夹层4的下部和上部外侧分别留有冷却介质的入口11和出口12。
所述烟囱中部2为具有加热夹层6的圆柱筒体，其内部烟道下方安装有旋流板13，旋流板13结构如图3所示，由圆环形外框18、中心盲板19、螺旋叶片20和安装支架22焊接组成，筒体底部外侧配有飞灰和浆液的排放口14，烟道顶部出口采用缩颈结构。所述加热夹层6下部设有加热空气入口15，加热空气出口16则在所述圆柱筒体上部内侧，与圆筒内腔连通。
所述烟囱上部3为单层圆柱筒体结构。
基于所述旋流式烟气除尘除雾与消白一体化烟囱，湿法脱硫、脱硝烟气后续净化方法的步骤包括：将烟气从烟气进口9切向鼓入烟囱下部1的圆筒和倒锥结合体内腔21；通过入口11向烟囱下部1的冷却夹层4内通入冷却介质；通过入口15向烟囱中部2的加热夹层内通入加热后的空气；从排放口8和14收集飞灰和浆液。
实施例2
如实施例1所述的一种旋流式烟气除尘除雾与消白一体化烟囱，用于燃煤锅炉烟气(10万Nm3/h)在湿法脱硫、脱硝后的净化操作。烟囱下部1的圆筒与倒锥结合筒体21结构如图2所示，圆筒23内径为3.9m，高5.9m，倒锥筒体24的高9.8m，上端和下端圆截面内径分别为3.9m和1.5m。切向烟气进口9宽0.8m，高2m。向上的烟气出口10内径为1.9m，长3m。冷却介质夹层4内腔厚度为0.55m。冷却介质入口11和出口12的内径均为1.5m。飞灰和浆液排放口8内径为0.5m。
烟囱中部2烟道内径为3m，总高30m，上部锥形缩颈过渡段长3m，加热夹层6的内腔厚度为0.75m，加热空气的入口15内径为1.5m，加热空气出口16由4个内径1m的圆孔组成。旋流板13安装于烟囱中部2烟道底部，通过安装支架22固定在烟道内壁，与烟气出口10的距离为2m，圆环形外框18直径为2.8m，中心盲板19直径为0.3m，螺旋叶片20数量为6，旋流板13的叶片仰角为45°。其烟囱上部3圆筒内径为2.5m，高40m。整体隔热夹层7的厚度为0.3m。
所述旋流式烟气除尘、除雾与消白一体化烟囱，具体操作流程为：将经湿法脱硫、脱硝处理后的含尘湿饱和烟气(飞灰、浆液、水蒸气的含量为120mg/Nm3，温度为48～50℃)从烟气进口9切向鼓入烟囱下部1的倒锥结合筒体21内腔，与此同时，在烟囱下部1的冷却夹层4内通过鼓风机鼓入自然空气进行冷却(15万Nm3/h，20～25℃)，烟囱中部2的加热夹层内则通入热回收获得的热空气(15万Nm3/h，90～95℃)。烟气在烟囱下部1经空气冷却和旋风分离后，含尘含湿量降为50～60mg/Nm3，温度降为38～40℃；烟气再经烟囱中部2旋流分离和加热后，含尘含湿量降为20～30mg/Nm3，温度升高至48～50℃；烟气最后在烟囱上部3烟道内与热空气掺混，达到烟囱出口时混合烟气温度升高至70℃，含尘含湿量因掺混热空气进一步降为8～12mg/Nm3，处于非饱和状态。经过烟囱补集到的浆液和飞灰由排放口8和14收集。
经所述一体化烟囱净化处理后，烟气的含尘含湿量显著降低，排放过程中不产生“烟囱雨”和“白色烟羽”现象。
Claims (6)
1.一种旋流式烟气除尘除雾与消白一体化烟囱，其特征在于烟囱整体为上下贯通的多层筒状结构，自下往上分为烟囱下部(1)、烟囱中部(2)和烟囱上部(3)三个功能区域；烟囱下部(1)为具有冷却夹层(4)的圆筒体(23)与倒锥结合筒体(21)，底部则配有钢制固定底座(5)；烟囱中部(2)为具有加热夹层(6)的圆柱筒体结构；烟囱上部(3)则为单层圆柱筒体结构，其顶部为烟气排出口(17)；烟囱筒体外部还整体设有绝热夹层(7)；其中圆筒(23)侧面装有切向烟气进口(9)，顶部装有烟气出口(10)，冷却夹层(4)的下部外侧留有冷却介质的入口(11)，冷却夹层(4)的上部外侧设有冷却介质的出口(12)，倒锥结合筒体(21)底部装有飞灰和浆液的排放口(8)；烟囱中部(2)的圆柱筒体内部烟道下方安装有旋流板(13)，圆柱筒体底部外侧配有飞灰和浆液的排放口(14)，加热夹层(6)下部设有加热空气入口(15)，圆柱筒体上部内侧设有加热空气出口(16)。
2.根据权利要求1所述的旋流式烟气除尘除雾与消白一体化烟囱，其特征在于圆柱筒体(23)的内径d为1～10m，圆柱筒体(23)的高径比为1.2～1.5；倒锥筒体(24)上端圆截面的内径与d一致，倒锥筒体(24)下端圆截面内径与d的比值为0.4～0.7，倒锥筒体(24)的高度与d之比为2～3；烟气进口(9)为矩形，其高度与d的比值为0.4～0.6，而宽度与d的比值则为0.1～0.3；所述烟气出口(10)的内径与d的比值为0.4～0.6，高度与d的比值为0.5～0.8，烟气出口(10)与烟囱中部(2)具有加热夹层(6)的圆柱筒体相连通；所述冷却夹层(4)内腔厚度与d的比值为0.1～0.3；排放口(8)内径与d的比值在0.1～0.2。
3.根据权利要求1所述的旋流式烟气除尘除雾与消白一体化烟囱，其特征在于所述烟囱中部(2)的圆柱筒体的内径为d1与圆柱筒体(23)的内径d的比值为0.5～0.8，高度与d的比值在5～10；所述的旋流板(13)由圆环形外框(18)、中心盲板(19)、3～10个螺旋叶片(20)和安装支架(22)组成；其中圆环形外框(18)外径与d的比值为0.6～0.7，中心盲板(19)直径与d的比值为0.05～0.1，螺旋叶片(20)的升角在30°～60°。所述圆柱筒体顶部烟道采用缩颈结构。所述加热夹层(6)的内腔厚度与d的比值为0.1～0.3。加热夹层(6)下部设有加热空气入口(15)，加热空气出口(16)则在所述圆柱筒体上部内侧，与圆筒内腔连通。
4.根据权利要求1所述的旋流式烟气除尘除雾与消白一体化烟囱，其特征在于烟囱上部(3)为单层圆柱筒体结构，设圆柱筒体内径为d2，d2与圆柱筒体(23)的内径d的比值为0.4～0.7，高度与d的比值为8～12。
5.一种基于权利要求1所述旋流式烟气除尘除雾与消白一体化烟囱的湿法脱硫脱硝烟气后续净化方法，其具体操作步骤为：将经湿法脱硫、脱硝处理后的含尘湿饱和烟气从烟气进口(9)切向鼓入烟囱下部(1)的圆筒和倒锥结合体内腔(21)内腔，高速旋转，并向下流动，烟气内的颗粒物在离心力作用下被甩向烟道内壁，沿壁面下滑，粒径较大的颗粒物因此被分离，从烟囱底部出口(8)排出；与此同时，在烟囱下部(1)的冷却夹层(4)内通入冷介质，为烟气降温，旋转烟气在达到烟囱底部后，向轴心流动，再沿烟道轴线上升，穿过烟囱下部(1)的烟气出口(10)后进入烟囱中部(2)，在旋流板(13)的作用下烟气产生上升的轴向螺旋运动，烟气中残留的颗粒再次与烟道内壁碰撞，并顺内壁向下沉降，烟囱中部(2)内壁捕集的浆液和飞灰从底部排放口(14)排出；同时，烟囱中部(2)的加热夹层(6)内则通入高温热空气，用于加热烟气，高温空气在烟囱中部(2)的顶部由加热空气出口(16)引入烟道，与经过除尘和除雾的烟气掺混，烟气的温度因此提高，湿度降低，成为高温不饱和烟气，高温不饱和烟气继续向上流动，因烟囱上部3烟道内径小于烟囱中部2，流速大幅提升，烟气从烟气排出口(17)排出。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于冷却夹层(4)内通入冷却介质为中水、自然水或空气；烟囱中部(2)的加热夹层(6)内通入高温热空气的温度为70～100℃。
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