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CN110124347A - 一种节水节能型烟气净化装置及方法 - Google Patents

一种节水节能型烟气净化装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种节水节能型烟气净化装置及方法，装置包括洗涤塔、洗涤泵、冷凝泵、冷凝液澄清池及空冷管栅；通过间接冷凝方式回收洗涤浆液和高温烟气的热量，降低洗涤过程的水分蒸发量；通过直接喷淋冷凝的方式回收饱和烟气中的热量和气态水分，并将回收的热量用于提升燃煤锅炉炉膛进气温度。采用本发明节水节能型烟气净化方法，可实现烟气余热的充分利用的同时大幅降低烟气净化装置耗水量，还能降低发电机组单位发电功率的耗煤量。

Description

一种节水节能型烟气净化装置及方法
技术领域
本发明涉及资源与环境保护领域，尤其涉及一种节水节能型烟气净化装置及方法。
背景技术
我国是一个富煤、缺水、贫气的国家，全球煤炭产量近半来自中国，2016年中国煤炭产量34.11亿吨原煤，居于全球第一位，占比高达45.7％。同时，我国还是煤炭消耗大国，煤炭在能源消费结构中占主导，煤炭消耗量占一次能源消耗总量70％以上，且以工业、电力燃煤为主，占煤炭总消费比超过90％，民用燃煤为辅。工业、电力燃煤过程中产生大量粉尘颗粒物、SOX、NOX、COX、HF、HCl等污染物随高温尾气进行排放，在浪费大量的热量同时对环境也造成严重的环境污染，必须对燃煤尾气的热量进行回收降低热量损失并对烟气中的污染物进行治理达标排放。
在烟气余热回收方面，火力发电机组中，锅炉效率是机组经济性运行的重要指标，而在各类锅炉热损失中，排烟热损失占锅炉总的热损失一半以上。较高的排烟温度会导致锅炉效率降低，机组年平均煤耗上升，并造成烟尘污染物排放量增加，影响机组的经济性运行和污染物排放指标。研究结果表明：排烟温度每上升30℃，锅炉效率降低1％，机组标煤耗上升3g/(kW·h)。
目前，实现烟气余热回收利用的方式主要有：烟气余热加热机组回热系统的凝结水，加热热网水，加热锅炉的一次风、二次风。相应的烟气余热回收技术有：低温省煤器技术，低温烟气处理技术，前置式液相介质空预器与低温省煤器组合技术，新型电站锅炉余热利用综合优化技术。通过多种烟气余热回收技术结合，现役机组的排烟温度设计值约为130℃左右，但由于燃煤条件及电厂运行水平等问题，排烟温度实际值普遍在150℃左右，烟气热量排放损失仍处于较高水平。
因此，如何有效地对排烟温度小于150℃的次高温烟气中余热进行回收利用，成为目前各火力发电机组亟待解决的问题。
在烟气污染物治理方面，目前，我国燃煤机组除尘、脱硫、脱硝装置的安装率均接近100％，其中超过90％采用了湿法洗涤烟气脱硫技术。燃煤锅炉湿法脱硫装置在运行过程中，高温烟气与喷淋液接触，洗涤液中水分蒸发成水蒸气进入烟气，形成高温饱和湿烟气排放至环境空气中，同时也向环境空气排放了大量水分，以300MW机组为例，脱硫系统消耗水120m3/h，包括原烟气带水分71.8m3/h、脱硫系统补水40m3/h，以年运行时间为8000小时计，则一台300MW机组年耗水量为100万吨。按照燃烧吨煤排放烟气10000Nm3/t、湿烟气所含水分112g/Nm3估算，每燃烧1吨煤，湿烟气带走水份约1吨，主要包括煤中原始含水、脱硫补充水。2014-2017年全国年消耗煤34-37亿吨，则燃煤锅炉烟气脱硫装置每年排入大气的水份高达三十多亿吨，湿法脱硫系统向环境中排放的水蒸气量远大于燃煤电厂湿法脱硫系统的耗水量。
因此，如何对湿法脱硫装置进行节水，是燃煤烟气污染物治理面临的难题。
发明内容
本发明提供一种节水节能型烟气净化装置及方法，用于燃煤电厂的烟气净化，在实现烟气余热充分利用的同时大幅降低烟气净化装置耗水量，还能降低发电机组单位发电功率的耗煤量。
具体技术方案如下：
一种节水节能型烟气净化装置，包括洗涤塔、洗涤泵、冷凝泵、冷凝液澄清池及空冷管栅；
所述洗涤塔内由下至上依次设置洗涤浆池、浆池取热层、喷淋取热层、洗涤喷淋层、脱浆层、收液层、冷凝喷淋层、除雾干燥层；
所述浆池取热层和喷淋取热层之间的塔壁上设有烟气入口，塔顶设有烟气出口；
所述洗涤喷淋层通过洗涤泵进出口管路与洗涤浆池连通；
浆池取热层入液口、喷淋取热层入液口、冷凝喷淋层入液口各自通过管路与冷凝泵出口连通；浆池取热层出液口、喷淋取热层出液口、收液层出液口各自通过管路与空冷管栅入液口连通；
空冷管栅出液口通过管路与冷凝液澄清池入液口连通；冷凝液澄清池出液口通过管路与冷凝泵进口连通。
优选的，所述空冷管栅安装于锅炉炉膛一次风机入风口。
优选的，浆池取热层入液口、喷淋取热层入液口、冷凝喷淋层入液口各自连接管路上均设有阀门，用于开、关及调节冷凝液流量大小。
本发明还公开了基于所述节水节能型烟气净化装置的节水节能型烟气净化方法，包括如下步骤：
(1)经过除尘、除NOX后的高温烟气由烟气入口进入洗涤塔，经喷淋取热层取热管整流并换热后进入洗涤喷淋层，与洗涤液进一步换热，烟气降温达到饱和状态，同时烟气中气态污染物得以去除；饱和烟气进入脱浆层脱浆；
完成洗涤换热的高温洗涤液落入洗涤浆池；
(2)完成取热、洗涤、脱浆的洁净饱和烟气穿过收液层进入冷凝喷淋层，与低温冷凝喷淋液继续换热降温，饱和烟气降温至过饱和状态，烟气中大量水蒸气冷凝液化成液态凝结水，凝结水随冷凝喷淋液落入收液层，经收液层排出洗涤塔；
完成冷凝降温的烟气经过除雾干燥层去除细小液滴后由烟气出口排放；
(3)落入洗涤浆池的高温洗涤液与浆池取热层取热管内低温液体快速换热，高温洗涤液温度下降，同时利用浆池取热层的取热管对浆池浆液进行分层氧化；
(4)完成取热的高温冷凝液经浆池取热层出液口、喷淋取热层出液口及收液层出液口经管路送至空冷管栅，在锅炉炉膛一次风机入风口气流作用下，低温环境空气通过空冷管栅与高温冷凝液快速换热，冷凝液温度快速下降形成低温冷凝液；
完成换热升温的一次风进入炉膛与煤炭完成燃烧，降低发电耗煤量；
(5)完成冷凝降温的低温冷凝液由空冷管栅出液口经管路进入冷凝液澄清池沉淀澄清，去除少量颗粒物后由冷凝泵送至浆池取热层、喷淋取热层及冷凝喷淋层与高温烟气继续换热，循环使用。
所述浆池取热层内设有若干浆池取热模块，浆池取热模块布满洗涤塔截面；所述喷淋取热层内设有若干喷淋取热模块，喷淋取热模块布满洗涤塔截面。
优选的，浆池取热模块的高度为0.3m～0.5m，浆池取热模块浸没在洗涤浆液下，其顶端距离洗涤浆池液面高度为0.5m～0.8m。
优选的，喷淋取热模块的高度为0.3m～0.7m，其底端距离烟气入口0.3m～1.5m，其顶端距离洗涤喷淋层高度为0.5m～2.0m。
浆池取热模块与喷淋取热模块结构相同，均水平安装在洗涤塔内。
每个取热模块由两个管箱以及连通在两个管箱之间的若干取热管组成。
每个取热模块中，一端管箱上下连通，另一端管箱由分液板分隔成上下两个不连通的腔体；上部腔体为进液腔，与取热模块的入液口连通；下部腔体为出液腔，与取热模块的出液口连通。
优选的，所述进液腔内竖直设有均液板，每个均液板上开设有水平贯通均液板的均液孔。
均液孔用于均匀进液腔内的液体流场。
进一步地，均液孔的孔径为5mm～20mm，均液板的开孔率为10％～25％。
优选的，所述取热管分层等间距地连通在两个管箱之间；进一步地，取热管分偶数层，每根取热管位于其下方相邻两根取热管中间点的正上方，且位于其上方相邻两根取热管中间点的正下方。
上半部分取热管连通进液腔与另一端的管箱，下半部分取热管连通出液腔与另一端的管箱。
低温冷凝液由取热层入液口进入进液腔内，经分液板均流后由上半部分取热管进入另一端管箱，再从另一端管箱的下部进入下半部分取热管流入出液腔，最后经取热层出液口排出。
浆池取热层取热管内的低温冷凝液与高温浆液换热，喷淋取热层取热管内的低温冷凝液与高温烟气换热，同时喷淋取热层取热管也可对高温烟气进行整流，增强烟气在洗涤塔内流场的均匀性，大幅提高洗涤喷淋液的利用率，实现烟气高效净化。
所述取热管为金属薄管；浆池取热模块中取热管直径为20mm～50mm，取热管间隙距离为30mm～60mm；喷淋取热模块中取热管直径为30mm～80mm，取热管间隙距离为50mm～100mm。
冷凝喷淋层内设有若干雾化喷嘴；优选的，冷凝喷淋层冷凝液喷淋液气比为0.5L/Nm3～3.0L/Nm3。
所述空冷管栅包括若干金属翅片管；金属翅片管内液体停留时间为10s～50s，金属翅片管内液体流速为0.5m/s～2.5m/s；翅片表面积与管外壁表面积比为10～50∶1。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明提供了一种高效回收烟气余热的解决方案：在洗涤浆池内设置浆液取热层，回收高温浆液中的热量；在洗涤塔烟气入口高温烟气区域设置喷淋取热层，大量回收烟气中余热；结合喷淋换热，浆池浆液取热和高温烟气取热，通过三级不同温度区域逐级深度取热，最大限度的回收高温烟气中的热量；
(2)本发明提供了一种利用烟气余热降低发电机组耗煤量的解决方案：将完成取热的高温冷凝液送至安装于锅炉炉膛一次风机入风口，利用翅片管将热量转移至风机入口空气，提高进入燃煤炉膛的空气温度，降低发电机组单位发电量下的煤炭消耗量；
(3)本发明提供了一种降低烟气净化装置耗水量的解决方案：通过浆池取热层降低洗涤液温度、通过喷淋取热层降低烟气温度，大幅降低了烟气洗涤过程的水分蒸发量；并利用冷凝喷淋洗涤对净化后的烟气进行冷凝降温，将饱和烟气中的水蒸气转化为液态水并进行回收利用，大幅降低了净化装置的耗水量；
(4)本发明提供了一种提高烟气净化装置净化效率的解决方案：利用取热模块中取热管对入口烟气进行整流，增强烟气在洗涤塔内流场的均匀性，大幅提高洗涤喷淋液的利用率，实现烟气高效净化。
附图说明
图1为节水节能型烟气净化装置的结构示意图；
图2为取热模块的结构示意图；
图3为图2的截面结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
如图1所示，节水节能型烟气净化装置包括洗涤塔1、洗涤泵2、冷凝泵3、冷凝液澄清池4及空冷管栅5。
洗涤塔底部为洗涤浆池，洗涤浆池内设有浆池取热层1-1，上方依次设有喷淋取热层1-2、洗涤喷淋层1-3、脱浆层1-4、收液层1-5、冷凝喷淋层1-6、除雾干燥层1-7。浆池取热层1-1和喷淋取热层1-2之间的塔壁上开有烟气入口，塔顶开有烟气出口。
洗涤喷淋层1-3通过洗涤泵2进出口管路与洗涤浆池连通，洗涤泵2用于将洗涤浆液输送至洗涤喷淋层1-3，由洗涤喷淋层1-3均匀喷出，对烟气进行洗涤。
浆池取热层1-1入液口、喷淋取热层1-2入液口、冷凝喷淋层1-6入液口各自通过管路与冷凝泵3出口连通；浆池取热层1-1出液口、喷淋取热层1-2出液口、收液层1-5出液口各自通过管路与空冷管栅5入液口连通；空冷管栅5出液口通过管路与冷凝液澄清池4入液口连通；冷凝液澄清池4出液口通过管路与冷凝泵3进口连通。
浆池取热层1-1入液口、喷淋取热层1-2入液口、冷凝喷淋层1-6入液口各自连接管路上均设有阀门，用于开、关及调节冷凝液流量大小。
浆池取热层1-1及喷淋取热层1-2内均设有若干布满洗涤塔截面的取热模块。浆池取热模块的高度为0.3m～0.5m，浸没在洗涤浆液内，其顶端距离浆池液面高度为0.5m～0.8m；喷淋取热模块的高度为0.3m～0.7m，其底端距离入口烟道顶端距离为0.3m～1.5m，其顶端距离洗涤喷淋层高度为0.5m～2.0m。
如图2和图3所示，浆池取热模块和喷淋取热模块的结构相同，在洗涤塔内水平安装，每个取热模块由管箱和取热管组成，取热模块两端各设一个管箱，两端两个管箱由若干层等间距分布的取热管连通连接。
每个取热模块其中一端的管箱中间部分由分液板1-2-3分隔成两个互不连通的腔体，上部腔体为进液腔1-2-1，与取热模块的入液口连通连接，下部腔体为出液腔1-2-4，与取热模块的出液口连通连接。
每个进液腔1-2-1内中间部分竖直设有均液板1-2-2，每个均液板1-2-2开有若干水平向贯穿均液板1-2-2的均液孔，用于均匀进液腔1-2-1内的液体流场。均液孔的孔径为5mm-20mm，均液板1-2-2的开孔率为10％-25％。
取热模块两端管箱内侧竖直侧板上，均开有若干层等间距分布且与取热管连通的过液孔。
取热管为内部两端贯穿的金属薄管，每根取热管两端分别与两端管箱对应的过液孔焊接并连通。取热管设置层数为偶数层并等间距分布，且每根取热管位于下方相邻两根取热管中间点的正上方和上方相邻两根取热管中间点的正下方。
分液板1-2-3以上的端取热管为上取热管1-2-5，分液板1-2-3以下的取热管为下取热管1-2-6，上下取热管液体逆向流动。
浆池取热模块中取热管直径为20mm～50mm，取热管间隙距离为30mm～60mm；喷淋取热模块中取热管直径为30mm～80mm，取热管间隙距离为50mm～100mm。
冷凝喷淋层1-6位于收液层1-5上方、除雾干燥层1-7下方，冷凝喷淋/1-6内设有若干雾化喷嘴。冷凝喷淋层冷凝液喷淋液气比为0.5L/Nm3～3.0L/Nm3。
空冷管栅5安装于电厂锅炉一次送风风机房进风口处；空冷管栅5由入液口、出液口和与之连通的若干金属翅片管组成。金属翅片管内液体停留时间为10s～50s，金属翅片管内液体流速为0.5m/s～2.5m/s，翅片表面积与管外壁表面积比为10～50∶1。
采用上述装置实现烟气净化过程节水节能的工艺流程如下：
完成除尘、除NOX后的高温烟气由烟气入口进入洗涤塔1，依次经过喷淋取热层1-2和洗涤喷淋层1-3，高温烟气与喷淋取热层1-3取热管1-2-5、1-2-6内低温液体快速换热，并经喷淋取热层1-2取热管1-2-5、1-2-6整流均匀后进入洗涤喷淋层1-3。洗涤喷淋液由洗涤泵2送至洗涤喷淋层1-3与上升烟气进一步换热，洗涤液中的部分水分在换热过程蒸发，烟气降温达到饱和状态，同时去除烟气中SOX、HF、HCl等气态污染物。完成洗涤换热的高温洗涤液在重力作用下落入浆池。洗涤净化的饱和烟气进入脱浆层1-4去除烟气中残留的洗涤液液滴。完成取热、洗涤、脱浆的洁净饱和烟气穿过收液层1-5进入冷凝喷淋层1-6与低温冷凝喷淋液继续换热降温，饱和烟气降温至过饱和，烟气中大量水蒸气冷凝液化成液态凝结水，凝结水随冷凝喷淋液在重力作用下落入收液层1-5，经收液层1-5排出洗涤塔。完成冷凝降温的烟气经过除雾干燥层1-7去除细小液滴后由洗涤塔出口排放。落入浆池的高温洗涤液与浆池取热层1-1内低温液体快速换热，浆池浆液温度下降，同时利用浆池取热层的取热管对浆池浆液进行分层氧化。通过喷淋取热层1-3对烟气进行降温、浆池取热层1-1对洗涤液进行降温，可大幅降低烟气在洗涤过程的反应温度并降低换热过程的水分蒸发量，降低了烟气净化过程的耗水量。
低温冷凝液由冷凝泵3经管路分别送至浆池取热层1-1、喷淋取热层1-2和冷凝喷淋层1-6的入液口，在浆池取热层1-1和喷淋取热层1-2内设有若干布满洗涤塔1水平截面的取热模块。在冷凝泵3的压力作用下，低温冷凝液由取热模块的入液口进入分液板1-2-3上方的进液腔1-2-1，经进液腔1-2-1内均液板1-2-2孔板均流后，冷凝液以相同的流速进入上取热管1-2-5的入液口沿水平向流动，并与高温烟气或高温洗涤液换热，经上取热管1-2-5出液口流出的冷凝液经管箱导流后由与上取热管1-2-5出液口对应的下取热管1-2-6入液口进入，沿与上取热管1-2-5逆向流通，继续与高温烟气或高温洗涤液换热。完成换热的高温冷凝液由下取热管1-2-6的出液口进入出液腔1-2-4，并经取热模块出液口排出塔外。在冷凝喷淋层1-7中设有若干雾化喷嘴，低温冷凝液经雾化喷嘴雾化成雾滴与饱和烟气换热后，与凝结水滴在重力作用下落入收液层1-6，并由收液层1-6排出洗涤塔1外。
由浆池取热层1-1、喷淋取热层1-2和收液层1-6出液口排出的高温冷却液携带吸收的热量经管路送至位于锅炉一次风机进风口处空冷管栅5的入液口，流经空冷管栅5内的翅片管时，低温环境空气在一次风机进口负压的作用下垂直穿过空冷管栅5内的翅片管，并与管内高温冷却液快速换热。完成换热升温的环境空气进入锅炉炉膛与煤炭完成燃烧反应，由于进入炉膛的空气温度升高，降低了空气预热所需要的热量，降低燃烧过程的煤炭消耗量。在空冷管栅5翅片管内完成换热降温的低温冷凝液经空冷管栅出液口进入冷凝液澄清池4的入液口，沉淀去除冷凝洗涤过程捕集的少了细颗粒物粉尘，完成沉淀澄清的低温冷凝液由冷凝泵3分别送至浆池取热层1-1、喷淋取热层1-2和冷凝喷淋层1-6的入液口，作为冷凝液循环使用。
以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种节水节能型烟气净化装置，其特征在于，包括洗涤塔、洗涤泵、冷凝泵、冷凝液澄清池及空冷管栅；
所述洗涤塔内由下至上依次设置洗涤浆池、浆池取热层、喷淋取热层、洗涤喷淋层、脱浆层、收液层、冷凝喷淋层、除雾干燥层；
所述浆池取热层和喷淋取热层之间的塔壁上设有烟气入口，塔顶设有烟气出口；
所述洗涤喷淋层通过洗涤泵进出口管路与洗涤浆池连通；
浆池取热层入液口、喷淋取热层入液口、冷凝喷淋层入液口各自通过管路与冷凝泵出口连通；浆池取热层出液口、喷淋取热层出液口、收液层出液口各自通过管路与空冷管栅入液口连通；
空冷管栅出液口通过管路与冷凝液澄清池入液口连通；冷凝液澄清池出液口通过管路与冷凝泵进口连通。
2.根据权利要求1所述的节水节能型烟气净化装置，其特征在于，浆池取热模块的高度为0.3m～0.5m，浆池取热模块浸没在洗涤浆液下，其顶端距离洗涤浆池液面高度为0.5m～0.8m。
3.根据权利要求1所述的节水节能型烟气净化装置，其特征在于，喷淋取热模块的高度为0.3m～0.7m，其底端距离烟气入口0.3m～1.5m，其顶端距离洗涤喷淋层高度为0.5m～2.0m。
4.根据权利要求1所述的节水节能型烟气净化装置，其特征在于，浆池取热模块与喷淋取热模块结构相同；每个取热模块由两个管箱以及连通在两个管箱之间的若干取热管组成。
5.根据权利要求4所述的节水节能型烟气净化装置，其特征在于，每个取热模块中，一端管箱上下连通，另一端管箱由分液板分隔成上下两个不连通的腔体；上部腔体为进液腔，与取热模块的入液口连通；下部腔体为出液腔，与取热模块的出液口连通。
6.根据权利要求5所述的节水节能型烟气净化装置，其特征在于，所述进液腔内竖直设有均液板，每个均液板上开设有水平贯通均液板的均液孔。
7.根据权利要求5所述的节水节能型烟气净化装置，其特征在于，均液孔的孔径为5mm～20mm，均液板的开孔率为10％～25％。
8.根据权利要求4所述的节水节能型烟气净化装置，其特征在于，所述取热管为金属薄管；浆池取热模块中取热管直径为20mm～50mm，取热管间隙距离为30mm～60mm；喷淋取热模块中取热管直径为30mm～80mm，取热管间隙距离为50mm～100mm。
9.根据权利要求1所述的节水节能型烟气净化装置，其特征在于，所述空冷管栅包括若干金属翅片管；金属翅片管内液体停留时间为10s～50s，金属翅片管内液体流速为0.5m/s～2.5m/s；翅片表面积与管外壁表面积比为10～50∶1。
10.一种节水节能型烟气净化方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)经过除尘、除NOX后的高温烟气由烟气入口进入洗涤塔，经喷淋取热层取热管整流并换热后进入洗涤喷淋层，与洗涤液进一步换热，烟气降温达到饱和状态，同时烟气中气态污染物得以去除；饱和烟气进入脱浆层脱浆；
完成洗涤换热的高温洗涤液落入洗涤浆池；
(2)完成取热、洗涤、脱浆的洁净饱和烟气穿过收液层进入冷凝喷淋层，与低温冷凝喷淋液继续换热降温，饱和烟气降温至过饱和状态，烟气中大量水蒸气冷凝液化成液态凝结水，凝结水随冷凝喷淋液落入收液层，经收液层排出洗涤塔；
完成冷凝降温的烟气经过除雾干燥层去除细小液滴后由烟气出口排放；
(3)落入洗涤浆池的高温洗涤液与浆池取热层取热管内低温液体快速换热，高温洗涤液温度下降，同时利用浆池取热层的取热管对浆池浆液进行分层氧化；
(4)完成取热的高温冷凝液经浆池取热层出液口、喷淋取热层出液口及收液层出液口经管路送至空冷管栅，在锅炉炉膛一次风机入风口气流作用下，低温环境空气通过空冷管栅与高温冷凝液快速换热，冷凝液温度快速下降形成低温冷凝液；
完成换热升温的一次风进入炉膛与煤炭完成燃烧，降低发电耗煤量；
(5)完成冷凝降温的低温冷凝液由空冷管栅出液口经管路进入冷凝液澄清池沉淀澄清，去除少量颗粒物后由冷凝泵送至浆池取热层、喷淋取热层及冷凝喷淋层与高温烟气继续换热，循环使用。
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