基于余热驱动和全成分治理的烟气除霾与消白方法和系统技术方案

基于余热驱动和全成分治理的烟气除霾与消白方法和系统，属于烟气治理和锅炉供热技术领域。针对现状锅炉湿法脱硫烟气尾羽或干法脱硫烟气携带较多颗粒污染物特别是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，采用高温除尘器提高脱硝装置效率并消除催化剂中毒根源，采用梯级冷凝水膜除污模块大幅降低水蒸气、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。

Method and System of Haze Removal and Bleaching in Flue Gas Based on Waste Heat Drive and Full Component Treatment

【技术实现步骤摘要】
基于余热驱动和全成分治理的烟气除霾与消白方法和系统
本专利技术涉及基于余热驱动和全成分治理的烟气除霾与消白方法和系统，属于烟气治理和锅炉供热

技术介绍
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，目前锅炉或窑炉等烟气治理领域存在的若干重要问题和现象包括：其一是锅炉排烟对雾霾影响的机理及程度；其二是锅炉排烟进行了超低排放治理后的烟气成分、及对雾霾的影响机理；其三是深度治理烟气以达到从根本上消除或至少显著减缓其对雾霾贡献度的技术途径；其四是实现技术途径的关键技术、关键设备是否具有可行性、技术效果及对雾霾或消白的影响是否可确认、及是否具备产业化推广的技术、经济条件和政策环境等。本专利技术的几个重要
技术介绍
分述如下。（一）关于雾霾成因的技术研究背景。为方便探讨解决问题的技术途径，首先有必要将目前人们针对雾霾的一般性认识和分析综述如下。雾霾天气是一种大气污染状态，雾霾是对大气中各种悬浮颗粒物含量超标的笼统表述，尤其是PM2.5（空气动力学当量直径小于等于2.5微米的颗粒物）被认为是造成雾霾天气的“元凶”。其中雾是由大量悬浮在近地面空气中的微小水滴或冰晶组成的气溶胶系统。霾是空气中的灰尘、硫酸（盐）、硝酸（盐）等的颗粒物组成的气溶胶系统并造成视觉障碍，其中颗粒物才是加重雾霾天气污染的罪魁祸首，其本身既是一种污染物，又是重金属、多环芳烃等有毒物质的载体。霾粒子的分布比较均匀，而且灰霾粒子的尺度比较小，从0.001微米到10微米，平均直径大约在1～2微米左右，肉眼看不到空中飘浮的颗粒物。气溶胶（aerosol）由固体或液体小质点分散并悬浮在气体介质中形成的胶体分散体系，又称气体分散体系。其分散相为固体或液体小质点，其大小为0.001～100微米，分散介质为气体。液体气溶胶微粒一般呈球形，固体微粒则形状不规则，其半径一般为0.001-0.1微米。小粒径气溶胶的浓度受凝聚作用所限制，而大粒子的浓度则受沉降作用所限制。气溶胶的化学组成十分复杂，它含有各种微量金属、无机氧化物、硫酸盐、硝酸盐和含氧有机化合物等。大气中二氧化硫转化形成的硫酸盐，是气溶胶的主要成分之一。硫是气溶胶内最重要的元素，其含量能反映污染物的全球性迁移、传输和分布的状况。气溶胶中硝酸盐和有机物的形成机制，尚待研究。气溶胶来源于土壤的各种元素其含量在地区之间差别不大；而来源于工业区的各种元素（如氯、钨、银、锰、镉、锌、锑、镍、砷、铬等），就有较大的地区差别。气象专家表示，雾霾天气形成既受气象条件的影响，也与大气污染物排放增加有关，冬季造成雾霾天气偏多、偏重的原因主要有以下三方面：一是冷空气活动较常年偏弱，风速小，易造成污染物在近地面层积聚，从而导致雾霾天气多发；二是我国冬季气溶胶背景浓度高，有利于催生雾霾形成；三是雾霾天气会使近地层大气更加稳定，会加剧雾霾发展、加重大气污染。雾霾的源头多种多样，比如汽车尾气、工业排放、建筑扬尘、垃圾焚烧，甚至火山喷发等等，雾霾天气通常是多种污染源混合作用形成的。霾在吸入人的呼吸道后对人体有害，如长期吸入，严重者会导致死亡。从对人体呼吸道的危害看来，10微米以上的粒子，常阻留在鼻腔和鼻咽喉部；2～10微米的粒子大部分留在上呼吸道，而2微米以下的粒子随着粒径的减小在肺内滞留的比率增加，0.1微米以下的粒子随着粒径的减小在支气管内附着的比率增加。由于霾中细小粉粒状的飘浮颗粒物直径一般在0.01微米以下，可直接通过呼吸系统进入支气管，甚至肺部。所以，霾影响最大的就是人的呼吸系统，造成的疾病主要集中在呼吸道疾病、脑血管疾病、鼻腔炎症等病种上。综上所述，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。（二）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—TotalDissolvedSolids），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。2017年8月15日至8月30日，对天津国电津能热电有限公司1#机组进行了精细测量。该机组脱硝、除尘、脱硫等环保设施与主体工程同时于2009年8月12日投入运行。该机组环保检测已达标（颗粒物排放小于10mg/Nm3）。通过用蒸馏水洗涤的方法，测试得出三组数据，据此合理推测溶解颗粒是雾霾久治不愈的重要原因，实测结果分析如下。（1）本次测试中，石灰石-石膏湿法脱硫后，烟气中有87毫克/标准立方米的溶解颗粒排出；经过湿式电除尘器后，仍有76毫克/标准立方米。这两个数据，远高于超洁净排放中颗粒物排放要小于10毫克/标准立方米的现有国家标准。这说明：1）湿式脱硫后会产生并排出大量溶解颗粒；2）湿式电除尘器对这些溶解颗粒的清除效果甚微，不能作为清除溶解颗粒的设备选项；3）这些溶解颗粒极其细微而被漏检，逃离了人们的视线，畅行无阻，被“合法”地排入了大气。（2）溶解颗粒排放量计算及污染的评估。以该机组（容量330MW）实测的排本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于余热驱动和全成分治理的烟气除霾与消白方法和系统，采用由一组烟气全成分治理工艺流程组成的除霾系统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，全面消除或有效抑制排烟导致的大气雾霾影响因素并实现余热回收驱动的除霾工艺过程，其烟气除霾与消白方法及其系统工艺流程包括高温除尘过程、梯级冷凝水膜除污过程和（或）中温段烟气热回收过程，其特征在于：所述的烟气除霾与消白方法及其系统工艺流程中，在锅炉（1）的尾部受热面中的出口烟温在300～350℃之间的中温烟气受热面（1a）的烟气出口设置有高温除尘器（2），经高温除尘的烟气送入脱硝装置（3），消除了产生脱硝催化剂中毒的技术条件并实现高效、低成本的稳定中高温脱硝，烟气再进入中低温烟气受热面（1b）并在避免粉尘结垢的技术条件下进行高效稳定换热，然后烟气进入脱硫塔（7）进行脱硫后送入梯级冷凝水膜除污模块（9）的烟气进口段（9k），再自下而上依次通过如下工艺流程实现深度除霾和消白过程：首先，烟气进入洗涤冷凝雨区（9j），通过直接接触式换热过程降低烟气中水蒸气含量、通过与水滴及水雾接触碰撞实现吸收烟气中包括二氧化硫和氯化氢在内的酸性气体、吸收包括纳米级尺度的可溶盐在内的可逃逸颗粒物及未除净可过滤颗粒物；其二，烟气向上进入单向整流器（9i），通过与其折流式壁面的液膜接触继续实现降低烟气中的雾滴、吸收酸性气体和可逃逸颗粒物及可过滤颗粒物；其三，烟气再向上进入间壁冷凝器（9h），通过在其外壁面形成冷凝换热的液膜、并继续实现降低烟气中的水蒸气含量、吸收酸性气体和可逃逸颗粒物及可过滤颗粒物；其四，烟气再向上进入下洗涤换热器（9g），通过直接接触式换热过程继续降低烟气中水蒸气含量、吸收酸性气体和可逃逸颗粒物及可过滤颗粒物；其五，烟气再向上经循环喷淋装置（9f）后进入洗涤除雾器（9e），通过在其折流式壁面的液膜接触及上部洗涤溶液的水滴碰撞及冲刷作用继续实现降低烟气中的雾滴、吸收酸性气体和可逃逸颗粒物及可过滤颗粒物；其六，烟气再向上进入上洗涤换热器（9d），通过直接接触式换热过程继续降低烟气中水蒸气含量、吸收酸性气体和可逃逸颗粒物及可过滤颗粒物；其七，烟气再向上经洗涤喷淋装置（9c）后进入除雾器（9b），通过在其折流式壁面的液膜接触继续实现降低烟气中的雾滴、吸收酸性气体和可逃逸颗粒物及可过滤颗粒物；其八，烟气再向上进入消白换热器（9a），通过对烟气再热实现烟气出口温度升高和相对湿度降低及扩散浮升力增大后，自梯级冷凝水膜除污模块（9）的塔顶出烟口散放到大气中。...

【技术特征摘要】
1.基于余热驱动和全成分治理的烟气除霾与消白方法和系统，采用由一组烟气全成分治理工艺流程组成的除霾系统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，全面消除或有效抑制排烟导致的大气雾霾影响因素并实现余热回收驱动的除霾工艺过程，其烟气除霾与消白方法及其系统工艺流程包括高温除尘过程、梯级冷凝水膜除污过程和（或）中温段烟气热回收过程，其特征在于：所述的烟气除霾与消白方法及其系统工艺流程中，在锅炉（1）的尾部受热面中的出口烟温在300～350℃之间的中温烟气受热面（1a）的烟气出口设置有高温除尘器（2），经高温除尘的烟气送入脱硝装置（3），消除了产生脱硝催化剂中毒的技术条件并实现高效、低成本的稳定中高温脱硝，烟气再进入中低温烟气受热面（1b）并在避免粉尘结垢的技术条件下进行高效稳定换热，然后烟气进入脱硫塔（7）进行脱硫后送入梯级冷凝水膜除污模块（9）的烟气进口段（9k），再自下而上依次通过如下工艺流程实现深度除霾和消白过程：首先，烟气进入洗涤冷凝雨区（9j），通过直接接触式换热过程降低烟气中水蒸气含量、通过与水滴及水雾接触碰撞实现吸收烟气中包括二氧化硫和氯化氢在内的酸性气体、吸收包括纳米级尺度的可溶盐在内的可逃逸颗粒物及未除净可过滤颗粒物；其二，烟气向上进入单向整流器（9i），通过与其折流式壁面的液膜接触继续实现降低烟气中的雾滴、吸收酸性气体和可逃逸颗粒物及可过滤颗粒物；其三，烟气再向上进入间壁冷凝器（9h），通过在其外壁面形成冷凝换热的液膜、并继续实现降低烟气中的水蒸气含量、吸收酸性气体和可逃逸颗粒物及可过滤颗粒物；其四，烟气再向上进入下洗涤换热器（9g），通过直接接触式换热过程继续降低烟气中水蒸气含量、吸收酸性气体和可逃逸颗粒物及可过滤颗粒物；其五，烟气再向上经循环喷淋装置（9f）后进入洗涤除雾器（9e），通过在其折流式壁面的液膜接触及上部洗涤溶液的水滴碰撞及冲刷作用继续实现降低烟气中的雾滴、吸收酸性气体和可逃逸颗粒物及可过滤颗粒物；其六，烟气再向上进入上洗涤换热器（9d），通过直接接触式换热过程继续降低烟气中水蒸气含量、吸收酸性气体和可逃逸颗粒物及可过滤颗粒物；其七，烟气再向上经洗涤喷淋装置（9c）后进入除雾器（9b），通过在其折流式壁面的液膜接触继续实现降低烟气中的雾滴、吸收酸性气体和可逃逸颗粒物及可过滤颗粒物；其八，烟气再向上进入消白换热器（9a），通过对烟气再热实现烟气出口温度升高和相对湿度降低及扩散浮升力增大后，自梯级冷凝水膜除污模块（9）的塔顶出烟口散放到大气中。2.如权利要求1所述的基于余热驱动和全成分治理的烟气除霾与消白方法和系统，其系统工艺流程中的关键设备包括高温除尘器（2）、梯级冷凝水膜除污模块（9）和（或）中温段烟气热回收器（6），其特征在于：所述的高温除尘器（2）的烟气进口与锅炉（1）的尾部受热面中的出口烟温在300～350℃之间的中温烟气受热面（1a）的烟气出口相连，高温除尘器（2）的烟气出口与脱硝装置（3）的烟气进口相连，脱硝装置（3）的烟气出口与中低温烟气受热面（1b）的烟气进口相连，梯级冷凝水膜除污模块（9）采用一体式梯级换热洗涤塔结构，塔体下部的烟气进口与脱硫塔（7）的烟气出口相通，塔体底部设置有塔底水池（9l），塔底水池（9l）的上部设置有烟气进口段（9k），烟气自烟气进口段（9k）向上依次经过洗涤冷凝雨区（9j）、单向整流器（9i...

【专利技术属性】
技术研发人员：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，
申请(专利权)人：清华大学，北京清大天工能源技术研究所有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11