CN210385247U

CN210385247U - 一种水浴法烟气全成分治理与消白装置

Info

Publication number: CN210385247U
Application number: CN201920906475.5U
Authority: CN
Inventors: 李先庭; 赵健飞; 张茂勇; 石文星; 王宝龙; 陈炜; 刘世刚; 韩志刚; 张海鹏; 岑俊平; 熊烽; 陈军; 张刚刚; 王福东; 刘利刚
Original assignee: Beijing Qingda Tiangong Energy Technology Research Institute Co ltd; Tsinghua University
Current assignee: Beijing Qingda Tiangong Energy Technology Research Institute Co ltd; Tsinghua University
Priority date: 2019-06-16
Filing date: 2019-06-16
Publication date: 2020-04-24
Anticipated expiration: 2029-06-16

Abstract

一种水浴法烟气全成分治理与消白装置，属于烟气治理和节能减排技术领域。针对现状锅炉及工业窑炉等烟气尾羽中携带较多颗粒污染物特别是难以被常规湿式除尘器等捕集的大量纳米级可穿透颗粒物（PM0.3及以下）及酸性气体，属雾霾主要成因之列、且可长期悬浮于大气中并不断累积的问题，采用水浴法的吸收‑吸附原理，设计了梯级冷凝水膜除污的水浴法除霾消白装置，大幅降低水蒸气、二氧化硫等酸性气体、可过滤颗粒物（FPM）、可凝聚颗粒物（CPM）和可溶解颗粒物（DPM），其中烟气自其下部向上流动，依次经过洗涤冷凝雨区、单向整流器、间壁冷凝器、下洗涤换热器、洗涤除雾器、上洗涤换热器、除雾器、消白换热器，洁净烟气高空扩散排放。

Description

一种水浴法烟气全成分治理与消白装置

技术领域

本实用新型涉及一种水浴法烟气全成分治理与消白装置，属于烟气治理和节能减排技术领域。

背景技术

采用燃煤、天然气等化石燃料燃烧制热的锅炉、各类工业窑炉等的排烟中含有大量的水蒸气和诸多气态、固态污染物，成为影响大气环境的重要污染物来源，而目前治理雾霾及视觉消白等均属社会大众和政策部门关注的焦点环保问题，政策部门、学界和许多行业企业也付出了诸多努力和尝试来试图从根本上解决这一课题，并取得了一些进展，甚至目前包括上海、天津、河北等在内的十多个省市也纷纷出台有关“消白”的地方标准，另有一些地方和行业也在寻求提出标准、政策，以便于把大气治理工作深入到位。但是目前对雾霾成因、排烟影响雾霾机理及程度等的认识和理解还有待深化，使得诸如燃煤锅炉排烟治理等的方向、方式、方法上还有待深度研究，而行业企业的配套解决方案及系统、技术效果、投资及运行经济性及企业承受力等均有待深化考察。

关于雾霾成因的技术研究背景。通常认为雾霾作为一种在一定气象条件下的大气处于较为稳定的气溶胶状态，其中的酸性气体如二氧化硫、氮氧化物、颗粒物等共同作用的结果，其中颗粒物中的粒径较小者即0.001-0.1微米范围内的颗粒物更容易形成较为稳定的气溶胶状态，也是雾霾形成的主要因素之一；同时，一般认为其对人体健康的威胁也更为严重，当然也是除霾的主要努力方向之一。

锅炉排烟对雾霾影响的新发现及其研究进展。最近几年对燃煤电厂等污染企业实施了多轮普遍性的环保减排和提效，取得了极大成效，特别是火电厂已经普遍实现了超低排放指标，即烟尘不高于5mg/Nm³、二氧化硫不超过35mg/Nm³、氮氧化物不超过50mg/Nm³，但是空气污染并没有从根本上得到解决，重雾霾污染天气仍然时有发生。目前我国现有颗粒物测量的国家标准(GB16157-1996)，只测量到了大于0.45微米(PM0.45)的颗粒，现有检测手段无法补集纳米级颗粒物(粒径几纳米到几百纳米)。那么小于PM0.45的颗粒物是否会是雾霾的另一主要成因呢，经湿式脱硫装置产生的白色烟气中含有大量溶解颗粒(TDS—Total Dissolved Solids)，是指溶于液体的固体颗粒物总和，其粒径通常在零点几纳米到几百纳米之间(大多数小于目前监测尺度PM0.45)。湿式脱硫装置出口烟气含大量的过饱和水蒸气，致使烟囱出现“白色羽状雾汽拖尾”现象，实测证明其即含有大量水蒸气，也含大量的溶解颗粒和有害重金属，其从烟囱排出后，在空气中漂浮，随着水分的蒸干，以极其细微的颗粒物长期悬浮于大气之中，该纳米级溶解颗粒可更长时间悬浮于大气当中，且不断累积。通常PM2.5颗粒可在大气中悬浮100小时，PM1颗粒可在大气中悬浮1000小时，而这种更小的颗粒(PM0.45 以下)悬浮时间更长，更难沉降，随着气象条件和湿度条件适宜快速聚团，形成气溶胶 (Aerosol)，造成雾霾污染。

实测研究表明：燃煤锅炉排烟经湿法脱硫后的烟气中大量含有粒径较小的溶解颗粒，其在实现了“超低”排放的情况下的实际含量达到70～100mg/Nm³级，相当于甚至大于目前实现了“超低”排放的三类检测污染物的含量之和。因此目前所谓超低排放并非完全意义上的超低排放，而是因其目前未纳入监测范围而未引起人们的足够重视，但其与逃逸的酸性气体均难以被脱硫塔后的湿电除尘器捕捉，从而被大量排放到大气中，成为目前排烟中影响大气环境及雾霾形成的主要因素之一。

关于烟气消白的概念、实质及价值的技术分析。消白的关键问题、实质及其环保价值首先在于大幅减少各类污染物如可溶盐、重金属、酸性气体等影响雾霾及危害人体健康的关键因素，其次才是减轻和消除“白雾”这一视觉污染，而如果主要解决了视觉污染、而不能有效治理烟气所含有的各类污染物，则这种“消白”反而大量增加了电能、再热蒸汽热能等，徒然增大能耗及相应的污染排放，并无实际意义，应予再行慎重论证、乃至取消此种本末倒置、缘木求鱼的所谓“消白”行为。

先导性专利技术发展现状综述如下。

(1)烟气余热深度回收及消白技术的最新发展：

清华大学等科研院所与企业相结合开发和推广了多种烟气余热回收专利技术，其中“基于水蒸气载热循环式烟气余热回收供热技术”的系列化专利技术成果，包括“基于水蒸气载热循环的锅炉排烟热湿直接回收方法及装置”(2017104371042)、“一种烟塔合一的锅炉排烟全热回收与烟气消白装置”(2017206805342)等，已经通过示范工程进行了成功验证，并被列入山东省2018年度第8批节能技术推广目录，其采用直接换热方式而非借助热泵即可实现将排烟温度降低到约30℃，在回收大量水蒸气潜热及其水资源的同时，降低了烟气中的水蒸气含量70％～80％以上，从而实现显著消白；同时可降低可过滤颗粒物(烟气在线监测参数) 30％～50％，更为重要的是可将二氧化硫及氯化氢等可溶性酸性气体基本削减到0，可将石膏、可溶盐、重金属等降低60％～80％以上，也即显著消除了雾霾成因中的诸多关键性因素。

(2)烟气成分的精确测量及其对雾霾的影响。

北京市环科院石爱军、北京赫宸智慧能源科技股份有限公司赵健飞等专家团队通过采用新式高精度纳米级颗粒物检测仪器和测量方法，对湿法脱硫烟气中多形态颗粒物的测量方法及组分特征进行理论研究和工程实测，显示其排烟中11种主要离子的分布情况如下：含有硫酸根、亚硫酸根的离子占总质量的82％以上，是PM2.5的主要来源；亚硝酸盐含量也相对较多，因此很有必要将可溶性颗粒物等可逃逸颗粒物纳入监测和治理范围。

(3)高效廉价的间壁式换热技术发展。

采用石墨烯进行表面防腐的挤压成型铝翅片式换热器的成功研制，可替代现状采用昂贵金属或氟塑料等特种材料的换热器，具有耐强酸强碱腐蚀、低材料耗量、寿命长、维护量小等，适合在锅炉烟气具有强腐蚀性、乃至深度结露工况条件下采用。

综上所述，现状有关烟气余热回收的前置性技术、烟气成分深度分析及其对雾霾的影响等技术研究和推广成果，为实现烟气防霾的全成分治理技术的发展提供了重要的技术条件。

实用新型内容

本实用新型的目的和任务是，针对现状锅炉及工业窑炉等烟气尾羽中携带较多颗粒污染物特别是难以被常规湿式除尘器等捕集的大量纳米级可穿透颗粒物(PM0.3及以下)及酸性气体，属雾霾主要成因之列、且可长期悬浮于大气中并不断累积的问题，采用水浴法的吸收- 吸附原理，设计了梯级冷凝水膜除污的水浴法除霾消白装置，大幅降低水蒸气、二氧化硫等酸性气体、可过滤颗粒物(FPM)、可凝聚颗粒物(CPM)和可溶解颗粒物(DPM)。

本实用新型依据的除霾机理与技术途径简述如下。深度降尘除霾及消白过程不再采用对深度去除溶解颗粒及酸性气体无实质性作用的湿电除尘器，而是改为采用全新的水浴法除霾消白装置，采用的机理包括：湿法脱硫出口烟气处于过饱和的兼具雾、霾性质的气溶胶状态，其中的纳米级颗粒物(0.001～0.3微米级)及酸性气体中的一部分通过与雾滴、尺度较大的颗粒物碰撞、凝聚等形成可沉降尺度的混合物，通过脱除该部分液固混合物去除；通过冷凝换热，烟气中的各类颗粒物及酸性气体随着凝结水携载去除；水浴原理，即通过循环水喷淋作用洗涤烟气中的颗粒物特别是溶解颗粒及酸性气体；水膜除尘原理，即通过创造大量壁面液膜与烟气直接接触、折流冲刷等的惯性碰撞、布朗运动及直接吸收等作用机理，大量吸附吸收烟气中的颗粒物特别是溶解颗粒及酸性气体；烟囱热压及高空扩散原理，即大幅降低烟温及其水蒸气含量的烟气再行加热升温、提高浮升力及热压差、提高烟囱口的气流上浮、高空扩散的净化排放效果等。

本实用新型的具体描述是：一种水浴法烟气全成分治理与消白装置，采用基于水浴法的吸收-吸附原理以大幅降低烟气中的水蒸气、包括纳米级尺度的可溶盐在内的可逃逸颗粒物及可过滤颗粒物、包括二氧化硫及氯化氢在内的酸性气体的烟气全成分治理与消白一体化洗涤塔结构，其特征在于：所述的水浴法除霾消白装置1采用一体式梯级换热洗涤塔结构，塔体底部设置有塔底水池14，塔底水池14的上部侧面设置有烟气进口段12，烟气进口段12的烟气进口与高浓度烟气Y1的进口管相通，烟气自塔底水池14的水面向上依次经过洗涤冷凝雨区11、单向整流器10、间壁冷凝器9、下洗涤换热器8、循环喷淋装置7、洗涤除雾器6、上洗涤换热器5、洗涤喷淋装置4、除雾器3、消白换热器2，消白换热器2的烟气出口通过水浴法除霾消白装置1的塔顶出烟口的洁净烟气Y2与大气相通，其中塔底水池14的热水出口通过水泵送出高温余热水H，塔底水池14还设置有排水P的出口，间壁冷凝器9设置有冷却水进水L1和冷却水出水L2的连接口，循环喷淋装置7设置有喷淋冷却水供水G的连接口，洗涤喷淋装置4设置有洗涤溶液Na的连接口，消白换热器2设置有再热加热进水R1和再热加热出水R2的连接口。

烟气进口段12上设置有前置烟气治理装置13，前置烟气治理装置13采用布袋式除尘器结构。

消白换热器2、间壁冷凝器9均采用外覆石墨烯材料的挤压成型铝翅片换热管结构。

单向整流器10采用具有使烟气气流多次折流并冲刷壁面水膜的、拦截向上烟气气流中的雾滴及其杂质并向下汇流排除的、但上部向下流动的水滴可方便穿过或冲刷壁面以吸附和排除烟气中污染物的、上下两侧水滴单向流动且与烟气多次折流冲刷后均匀出风的整流结构。

下洗涤换热器8、上洗涤换热器5均采用耐强酸强碱腐蚀及耐结垢污堵型冷凝换热材料。

洗涤喷淋装置4的进口洗涤溶液Na采用pH值为7～10的氢氧化钠稀溶液。

本实用新型针对现状锅炉烟气尾羽携带较多颗粒污染物特别是大量可穿透颗粒物 (PM0.3及以下)及酸性气体，属雾霾主要成因之一、且污染邻近地面环境的问题，采用水浴法除霾消白装置大幅降低水蒸气、二氧化硫、氯化氢等酸性气体、可过滤颗粒物(FPM)、可穿透颗粒物(EPM)中的可凝聚颗粒物(CPM)和可溶解颗粒物(DPM)，洁净排烟高空扩散排放，从根本上大幅削减或基本消除了锅炉排烟对雾霾形成及周边空气环境的实质性不利影响。同时，通过对烟气进行冷凝热回收的换热过程，一方面烟气放热产生大量凝结水去除水蒸气的同时、吸收或吸附较多的酸性气体、可逃逸颗粒物及可过滤颗粒物等；另一方面采用一部分较高品位的余热对出口烟气进行再热以实现视觉消白和提高其在大气中的扩散效果、有效降低邻近空域的污染物浓度；同时，凝结水冲刷下部过流壁面清除黏附污染物的同时进一步通过水膜吸收或吸附更多的污染物；进而，落入塔底水池的循环水的温度提高、可通过换热器将其热量转移到下游热用户回水中实现余热利用，被冷却的水则由水泵输送到喷淋装置继续深度回收烟气凝结水及吸收或吸附污染物，因此实现了余热回收和去除污染物的双重效果，而余热利用可产生节能效益，从而实现了具有经济效益的环保投资与运营，在锅炉排烟的深度节能回收和减排治理领域具有显著的技术经济优势。

附图说明

图1是本实用新型的系统示意图。

图1中各部件编号与名称如下。

水浴法除霾消白装置1、消白换热器2、除雾器3、洗涤喷淋装置4、上洗涤换热器5、洗涤除雾器6、循环喷淋装置7、下洗涤换热器8、间壁冷凝器9、单向整流器10、洗涤冷凝雨区11、烟气进口段12、前置烟气治理装置13、塔底水池14、排尘D、喷淋冷却水供水G、高温余热水H、冷却水进水L1、冷却水出水L2、洗涤溶液Na、排水P、再热加热进水R1、再热加热出水R2、高浓度烟气Y1、洁净烟气Y2。

具体实施方式

图1是本实用新型的系统示意图和实施例。

本实用新型的具体实施例如下。

一种水浴法烟气全成分治理与消白装置，该水浴法除霾消白装置1采用一体式梯级换热洗涤塔结构，塔体底部设置有塔底水池14，塔底水池14的上部侧面设置有烟气进口段12，烟气进口段12的烟气进口与高浓度烟气Y1的进口管相通，烟气自塔底水池14的水面向上依次经过洗涤冷凝雨区11、单向整流器10、间壁冷凝器9、下洗涤换热器8、循环喷淋装置7、洗涤除雾器6、上洗涤换热器5、洗涤喷淋装置4、除雾器3、消白换热器2，消白换热器2的烟气出口通过水浴法除霾消白装置1的塔顶出烟口的洁净烟气Y2与大气相通，其中塔底水池14的热水出口通过水泵送出高温余热水H，塔底水池14还设置有排水P的出口，间壁冷凝器9设置有冷却水进水L1和冷却水出水L2的连接口，循环喷淋装置7设置有喷淋冷却水供水G的连接口，洗涤喷淋装置4设置有洗涤溶液Na的连接口，消白换热器2设置有再热加热进水R1和再热加热出水R2的连接口。

上述实施例适用于新建项目的锅炉排烟综合治理，和新建或改扩建项目的工业窑炉或工艺烟气的深度除霾治理等，但通常对于既有燃煤锅炉系统而言，引起烟气尾部受热面、甚至脱硝装置等都集成在锅炉本体内，无足够空间将高温除尘器安装在锅炉本体内，或将中高温烟气引出到高温除尘器后再返回原烟道内，因此难以直接应用，则可按如下的具体实施例2 的方法进行改造。

需要说明的是，本实用新型提出了对锅炉排烟及工业窑炉等排烟进行全成分深度治理以消除对雾霾和周边环境污染的影响因素，并给出了如何采用水浴法原理进行梯级除霾方式实现上述目的的具体实施方法、流程和实施装置，而按照此一总体解决方案可有不同的具体实施措施和不同结构的具体实施装置，上述具体实施方式仅仅是其中的一种而已，任何其它类似的简单变形的实施方式，例如采用不同的换热结构；增加或减少若干层梯级治理措施；或者简单的调整水系统管路连接方法、进出水来源及分级数量；或进行普通专业人士均可想到的变形方式等，或者将该技术方式以相同或相似的结构应用于不同动力设备排烟或排风种类、等及其它类似应用场合，均落入本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种水浴法烟气全成分治理与消白装置，采用基于水浴法的吸收-吸附原理以大幅降低烟气中的水蒸气、包括纳米级尺度的可溶盐在内的可逃逸颗粒物及可过滤颗粒物、包括二氧化硫及氯化氢在内的酸性气体的烟气全成分治理与消白一体化洗涤塔结构，包括水浴法除霾消白装置及前置烟气治理装置，其特征在于：所述的水浴法除霾消白装置(1)采用一体式梯级换热洗涤塔结构，塔体底部设置有塔底水池(14)，塔底水池(14)的上部侧面设置有烟气进口段(12)，烟气进口段(12)的烟气进口与高浓度烟气(Y1)的进口管相通，烟气自塔底水池(14)的水面向上依次经过洗涤冷凝雨区(11)、单向整流器(10)、间壁冷凝器(9)、下洗涤换热器(8)、循环喷淋装置(7)、洗涤除雾器(6)、上洗涤换热器(5)、洗涤喷淋装置(4)、除雾器(3)、消白换热器(2)，消白换热器(2)的烟气出口通过水浴法除霾消白装置(1)的塔顶出烟口的洁净烟气(Y2)与大气相通，其中塔底水池(14)的热水出口通过水泵送出高温余热水(H)，塔底水池(14)还设置有排水(P)的出口，间壁冷凝器(9)设置有冷却水进水(L1)和冷却水出水(L2)的连接口，循环喷淋装置(7)设置有喷淋冷却水供水(G)的连接口，洗涤喷淋装置(4)设置有洗涤溶液(Na)的连接口，消白换热器(2)设置有再热加热进水(R1)和再热加热出水(R2)的连接口。

2.如权利要求1所述的水浴法烟气全成分治理与消白装置，其特征在于所述的烟气进口段(12)上设置有前置烟气治理装置(13)，前置烟气治理装置(13)采用布袋式除尘器结构。

3.如权利要求1所述的水浴法烟气全成分治理与消白装置，其特征在于所述的消白换热器(2)、间壁冷凝器(9)均采用外覆石墨烯材料的挤压成型铝翅片换热管结构。

4.如权利要求1所述的水浴法烟气全成分治理与消白装置，其特征在于所述的单向整流器(10)采用具有使烟气气流多次折流并冲刷壁面水膜的、拦截向上烟气气流中的雾滴及其杂质并向下汇流排除的、但上部向下流动的水滴可方便穿过或冲刷壁面以吸附和排除烟气中污染物的、上下两侧水滴单向流动且与烟气多次折流冲刷后均匀出风的整流结构。

5.如权利要求1所述的水浴法烟气全成分治理与消白装置，其特征在于所述的下洗涤换热器(8)、上洗涤换热器(5)均采用耐强酸强碱腐蚀及耐结垢污堵型冷凝换热材料。

6.如权利要求1所述的水浴法烟气全成分治理与消白装置，其特征在于所述的洗涤喷淋装置(4)的进口洗涤溶液(Na)采用pH值为7～10的氢氧化钠稀溶液。