CN107175169B - 增湿均流预荷电颗粒物强化脱除*** - Google Patents

增湿均流预荷电颗粒物强化脱除*** Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种增湿均流预荷电颗粒物强化脱除***，沿烟气方向顺次包括液滴喷射装置、阻流与导流结合的均流装置以及荷电强化放电装置，液滴喷射装置包括喷嘴和支架，支架垂直于烟气方向布置，支架上安装有相互平行的管道，喷嘴布置在管道上；阻流与导流结合的均流装置包括带有开孔的挡板，挡板孔隙率在40％～50％之间，开孔的直径在30～60mm之间；荷电强化放电装置包括极线，极线设置在挡板后方并安装于悬挂框架上，极线与电源相连。本发明将烟气增湿、气流均布与高压静电场结合，从多方面强化颗粒物荷电的同时，优化烟气流场分布，降低流场不均匀给后续污染减排***带来的效率损失，从流场、增湿和放电强化等多个方面保证了超细颗粒物高效脱除。

Description

增湿均流预荷电颗粒物强化脱除***
技术领域
本发明属于能源环境工程污染减排技术领域，具体涉及一种增湿均流预荷电颗粒物强化脱除***。
背景技术
雾霾天气的形成与一次细颗粒物PM2.5的排放及环境空气中二次细颗粒物的形成密切相关。煤燃烧过程是细微颗粒物(PM2.5)及二次颗粒物前体物等大气污染物最主要的来源之一，为了减少雾霾天气，需要对燃煤排放的一次PM2.5及其前体物形成的二次PM2.5进行严格控制。《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223-2011)，要求火电厂粉尘排放浓度低于30mg/m3，重点地区低于20mg/m3。部分地区/电力公司提出达到5mg/m3的天然气燃气轮机粉尘排放要求，甚至达到3mg/m3以内的近零排放要求。湿式电除尘器通常作为大气污染物控制***的终端处理装备，布置于脱硫塔后，不仅可有效去除烟气中的烟尘微粒、PM2.5，同时可协同脱除SO3、汞及除雾器后烟气中携带的脱硫石膏雾滴等污染物，已成为燃煤电厂大气污染物控制的重要技术。
湿式静电除尘器的主要工作原理是：将水雾喷向集尘板，水雾在放电极形成的强大的电晕场内荷电后***进一步雾化；电场力、荷电水雾的碰撞拦截、吸附凝并，共同对细颗粒物起捕集作用，最终颗粒物在电场力作用下到达集尘极而被捕集。细颗粒的均匀、高强度荷电是脱除效率的保证，脱硫塔后特殊的工作环境对此提出了严峻挑战。脱硫塔后，烟气湿度大，而且含有大量脱硫塔喷淋携带而来的微细水雾液滴。微细水雾液滴较粉尘颗粒更易吸附电子形成空间电荷，液滴荷电后电晕电流相对降低，粉尘荷电减少，捕集效率下降。为了提高粉尘的荷电效果，目前多采用在入口段安装预荷电器的方法，使粉尘在进入除尘器前通过高强度的荷电区，提高湿式静电除尘器的工作性能。中国专利CN205392746U公开了一种预荷电均流装置，包括均流板和电晕放电的部件，均流板在起到对烟气均流作用的同时，又与电场区中的放电部件形成电场，烟气中的颗粒被荷电并在电场力的反向作用下实现减速，为下游放电部件、板排电场高效捕集颗粒创造条件。中国专利CN105032611A公开了一种预荷电强化***，包括气流均布板，电晕极线和电晕极线上方布置的清灰喷嘴，预荷电器的高强度脉冲放电可产生大量自由电子、离子和活性组分。自由电子和离子使烟气中的颗粒在进入除尘器前进行部分预荷电，活性组分使NO、SO2发生氧化进一步吸收。
上述的荷电装置受到流场、颗粒特性、供电形式和运行环境等限制，对颗粒物的脱除过程存在以下问题：
1、超低排放运行环境下，***内的颗粒物浓度较低(20mg/m3甚至10mg/m3以下)，难以取得高脱除效率；
2、流场均匀性差导致颗粒物运动存在大量扰动，影响了颗粒物脱除效率；
3、部分颗粒物受到其理化性质影响，荷电量低、迁移能力弱，难以高效脱除；
4、绝大多数的除尘器与预荷电器应用直流供电方式，受到反应器电气性能限制，输出能量有限，且能耗较高；
以上问题使颗粒物脱除设施难以实现稳定的超低排放，需要从流场、颗粒物特性、供电方式等多个角度改善颗粒物特性与脱除环境，提高颗粒物荷电脱除水平。
发明内容
本发明针对现有烟气污染物减排过程气流分布不均匀、超细颗粒物荷电难、荷电量低、脱除效率低等问题，提出了一种增湿均流预荷电颗粒物强化脱除***。
为了实现上述功能，本发明采用的技术方案为：
一种增湿均流预荷电颗粒物强化脱除***，所述***沿烟气方向顺次包括液滴喷射装置、阻流与导流结合的均流装置以及荷电强化放电装置，所述液滴喷射装置包括喷嘴和支架，所述支架垂直于烟气方向布置，支架上安装有相互平行的管道，所述喷嘴布置在管道上；所述阻流与导流结合的均流装置包括带有开孔的挡板，所述挡板孔隙率在40％～50％之间，开孔的直径在30～60mm之间；所述荷电强化放电装置包括极线，所述极线设置在挡板后方并安装于悬挂框架上，所述极线与电源相连。
本发明将烟气增湿、气流均布与高压静电场结合，从多方面强化颗粒物荷电的同时，优化烟气流场分布，降低流场不均匀给后续污染减排***带来的效率损失，从流场、增湿和放电强化等多个方面保证了超细颗粒物高效脱除。
作为优选，所述管道垂直于烟气方向布置，管道的间距不大于喷嘴有效喷射距离，喷嘴的喷射方向垂直于烟气方向，单个管道上喷嘴均匀分布，距离不大于喷嘴的有效喷射范围，相邻管道的喷嘴交错布置。
作为优选，所述喷嘴为精细雾化实心锥喷嘴，流量为2～3L/min，喷嘴的喷射角度为60～80°，喷嘴的喷射范围为400～500mm。精细雾化实心锥喷嘴可产生粒径范围在60～80μm的超细液滴，通过喷嘴荷电，使液滴带电，提高荷电水平。
超细液滴喷射装置的喷淋量应连续可调，各个喷嘴的喷淋角度应经过精确校正与匹配；超细液滴喷射装置所采用的增湿剂可为工艺水，为同时促进***对酸性污染物的脱除，超细液滴喷射装置所采用的增湿剂可为碱液。
作为优选，所述挡板宽度为480mm，所述挡板包括阻流板和导流板，阻流板与导流板为相邻布置，并形成若干个菱形区域，所述阻流板、导流板与烟气方向的夹角绝对值为30°～40°；相邻阻流板与导流板的中心最近距离在220mm至280mm之间，阻流板与导流板之间的最近距离在15mm至25mm之间。
阻流与导流结合的均流***在显著提高流场均匀性的同时，由于其独创的布置方式，阻流板与导流板与流体速度的夹角小，降低了对气流产生的阻力和造成的压降，节省了烟风***的运行成本。
作为优选，每个菱形区域内设有两根极线，两根极线分别垂直于气流方向布置，极线间距离为140mm至150mm之间，极线与阻流板、导流板的垂直距离为130mm至160mm之间。
作为优选，所述挡板中间区域的孔隙率小于边缘区域的孔隙率。
高能量密度供电电源通过荷电强化放电装置，将高密度能量加载在放电装置与导流装置之间，产生高压静电场及高密度离子，从而促进颗粒物与液滴的荷电与碰撞；为保证高压静电场和高密度离子的稳定性，作为优选，高能量密度供电电源为谐振逆变的高频直流电源或高压脉冲电源，所述谐振逆变的高频直流电源额定频率在20kHz以上，输出电压在0kV至-60kV连续可调，有效功率达到30kW以上，能量效率在95％以上；所述高压脉冲电源重复频率在0～1000Hz连续可调，脉冲上升沿在20μs以内，脉冲宽度在50μs以内，输出电压在-20kV至-80kV连续可调，瞬时脉冲功率达到1MW以上，能量转化效率在80％以上。
作为优选，所述悬挂框架距离阻流板、导流板的垂直距离大于极线与阻流板、导流板距离的2.5倍，悬挂框架与电源连接处安装绝缘子，同时布置加热及热风吹扫装置。可以保证电气安全。
作为优选，所述液滴喷射装置与阻流与导流结合的均流装置之间的距离大于500mm。
作为优选，所述***设置在静电除尘器入口处。结构紧凑，不需要额外空间；布置于静电除尘器入口处，向***空间喷射大量超细液滴，利用液滴荷电速度快、荷电量大的特性，使其迅速带电，并与烟气中的颗粒物碰撞结合，使颗粒物荷电；颗粒物与液滴结合后，性质向有利于荷电的方向发生改变，其荷电速度与荷电强度得到显著提高，进一步提升颗粒物荷电量。
超细液滴喷射装置所产生的超细液滴与颗粒物结合，使颗粒物粒径增大，荷电性质改善，荷电速度与荷电量提高；超细液滴喷射装置所产生的超细液滴在荷电后与颗粒物碰撞，增加颗粒物荷电量；阻流与导流结合的均流装置在提高***流场均匀性的同时，与荷电强化放电***配合产生高压静电场与高密度离子，用于颗粒物及液滴的强化荷电。电源(高能量密度供电装置)与荷电强化放电装置及均流装置经过匹配，输出能量形式有利于高压静电场和高密度粒子的稳定产生，采用的极线形式、板形式和材质均有强化放电的作用。
本发明利用超细液滴喷射装置，将增湿剂雾化为超细液滴，并通过喷射装置的优化布置使超细液滴可以均匀分布于***空间，与烟气进行充分混合和有效增湿；利用阻流和导流结合的均流***，对烟道的高速来流进行均流，使进入***的烟气流速分布均匀，提升后续***的运行效果；利用荷电强化放电装置，在***空间中产生高压静电场与高密度离子，使烟气中的颗粒物及液滴有效荷电，使其进入后续污染减排***后被高效脱除；利用高能量密度供电装置(电源)，稳定提供产生高压静电场和高密度粒子所需的高密度能量，并通过新型供电技术及其优化极配形式，进一步提升放电强度与荷电量。
本发明的有益效果是：
(1)本发明通过烟气增湿、气流均布与高压静电场结合的方式，从多方面强化颗粒物荷电，不易受烟气成分和颗粒特性影响，荷电效果好，同时有优化烟气流场的作用；
(2)本发明布置通过精细雾化与均匀喷射技术，实现烟气的有效增湿，通过阻流与导流结合的均流装置、荷电强化放电装置和高能量密度供电装置，实现烟气流场均布和液滴与颗粒物荷电，并通过荷电液滴对与颗粒物的碰撞结合，进一步强化颗粒物荷电，突破颗粒物荷电量有限、细颗粒荷电困难的难题，进而提升颗粒物，尤其是细颗粒物的高效脱除效果；
(3)本发明能有效改善进入静电除尘器的烟气流场均匀性，强化颗粒物荷电效果，结构紧凑，具有良好的工况和颗粒特性适应性，具有较高的技术与应用价值。
附图说明
图1是本发明实施例1的结构示意图；
图2是本发明超细液滴喷射装置的结构示意图；
图3是本发明阻流与导流结合的均流装置的结构示意图；
图4是本发明荷电强化放电装置的结构示意图；
图5是本发明实施例2的结构示意图；
图6是本发明实施例2中导流板的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明所要保护的范围并不限于此。
实施例1
参照图1～4，一种增湿均流预荷电颗粒物强化脱除***，所述***沿烟气方向顺次包括液滴喷射装置1、阻流与导流结合的均流装置2以及荷电强化放电装置3，所述液滴喷射装置1与阻流与导流结合的均流装置2之间的距离为1000mm。
所述液滴喷射装置包括喷嘴5和支架6，所述支架垂直于烟气方向布置，支架上安装有相互平行的管道7，所述喷嘴5布置在管道7上；所述管道7垂直于烟气方向布置，管道的间距不大于喷嘴5有效喷射距离，喷嘴5的喷射方向垂直于烟气方向，单个管道上喷嘴均匀分布，距离不大于喷嘴的有效喷射范围，相邻管道的喷嘴交错布置。所述喷嘴为精细雾化实心锥喷嘴，喷嘴的喷射角度为70°，喷嘴的喷射范围为450mm。精细雾化实心锥喷嘴可产生粒径范围在60～80μm的超细液滴，通过喷嘴荷电，使液滴带电，提高荷电水平。
超细液滴喷射装置是本发明的核心装置之一，该装置将精细雾化喷嘴交错布置于垂直于烟气方向的支架上，通过将精细雾化喷嘴位置与喷嘴的喷射范围进行精确匹配，使装置通道内均匀分布超细雾滴的同时将水耗量达到最低。超细液滴喷射装置喷射的超细雾滴与超细颗粒碰撞结合，促进颗粒物的凝并长大，同时改善颗粒物的粒径分布和荷电能力，使超细颗粒物数目减少20％以上，饱和荷电量提升50％以上。本实施例中所采用的的超细液滴喷射装置共有九个管道，七十二个喷嘴，支架长度和宽度均为4000mm，覆盖16m2的区域，喷淋量为224L/min。
所述阻流与导流结合的均流装置包括带有开孔的挡板，所述挡板孔隙率为50％，开孔的直径为50mm；所述挡板中间区域的孔隙率小于边缘区域的孔隙率。所述挡板宽度为480mm，高度为4000mm。所述挡板包括阻流板8和导流板9，阻流板8与导流板9为相邻布置，并形成若干个菱形区域，本实施例中共布置三十二块挡板，形成八个菱形区域，所述阻流板、导流板与烟气方向的夹角绝对值为30°；相邻阻流板与导流板的中心最近距离未260mm，阻流板与导流板之间的最近距离为20mm。阻流与导流结合的均流***在显著提高流场均匀性的同时，由于其独创的布置方式，阻流板与导流板与流体速度的夹角小，降低了对气流产生的阻力和造成的压降，节省了烟风***的运行成本。
所述荷电强化放电装置包括极线10，所述极线10设置在挡板后方并安装于悬挂框架11上，所述极线10与电源4相连。每个菱形区域内设有两根极线10，两根极线分别垂直于气流方向布置，为保证电气安全，所述悬挂框架11距离阻流板8、导流板9的垂直距离大于极线10与阻流板8、导流板9距离的2.5倍，悬挂框架与电源连接处安装绝缘子12，同时布置加热及热风吹扫装置13。热风吹扫保证绝缘子温度在120℃以上，悬挂框架使用耐高应力耐腐蚀钢材，防止高速带电颗粒与液滴造成框架变形或腐蚀。悬挂框架高度为4000mm，共布置十六根极线，分布在阻流与导流结合的均流装置的菱形区域中，两根相邻极线的间距为140mm，距离极板的垂直距离为150mm。
高能量密度供电装置(电源)通过荷电强化放电装置，将高密度能量加载在放电装置与导流装置之间，产生高压静电场及高密度离子，从而促进颗粒物与液滴的荷电与碰撞；为保证高压静电场和高密度离子的稳定性，电源为高压脉冲电源，所述高压脉冲电源重复频率在0～1000Hz连续可调，脉冲上升沿在20μs以内，脉冲宽度在50μs以内，输出电压在-20kV至-80kV连续可调，瞬时脉冲功率达到1MW以上，能量转化效率在80％以上。通过高频谐振充电电路向脉冲发生电容Cps注入能量，高功率断路器通过断路的方式将脉冲发生电容的能量作用在放电***上，产生-20kV至-80kV的高压脉冲，宽度为40μs，峰值功率为1MW。
所述***设置在静电除尘器13入口处，使进入湿式静电除尘器的烟气流速偏差在5％以下，颗粒物介电常数提升50％以上，颗粒物实际荷电量达到饱和量的30％以上，颗粒物的排放浓度降低30％以上，PM2.5的排放浓度降低50％以上。结构紧凑，不需要额外空间；布置于静电除尘器入口处，向***空间喷射大量超细液滴，利用液滴荷电速度快、荷电量大的特性，使其迅速带电，并与烟气中的颗粒物碰撞结合，使颗粒物荷电；颗粒物与液滴结合后，性质向有利于荷电的方向发生改变，其荷电速度与荷电强度得到显著提高，进一步提升颗粒物荷电量。
实施例2
参照图2～6，一种增湿均流预荷电颗粒物强化脱除***，按照烟气流向的顺序，分别布置超细液滴喷射装置1，阻流与导流结合的均流装置2及荷电强化放电装置3。气流先通过超细液滴喷射装置1再通过阻流与导流结合的均流装置2，超细液滴喷射装置1和阻流与导流结合的均流装置2的距离为500mm。
所述液滴喷射装置包括喷嘴5和支架6，所述支架垂直于烟气方向布置，支架上安装有相互平行的管道7，所述喷嘴5布置在管道7上；所述管道7垂直于烟气方向布置，管道的间距不大于喷嘴5有效喷射距离，喷嘴5的喷射方向垂直于烟气方向，单个管道上喷嘴均匀分布，距离不大于喷嘴的有效喷射范围，相邻管道的喷嘴交错布置。所述喷嘴为精细雾化实心锥喷嘴，喷嘴的喷射角度为70°，喷嘴的喷射范围为450mm。精细雾化实心锥喷嘴可产生粒径范围在60～80μm的超细液滴，通过喷嘴荷电，使液滴带电，提高荷电水平。本实施例中超细液滴喷射***共有六个管道，三十个喷嘴，支架长度和宽度均为2500mm，覆盖6.25m2的区域，喷淋量为100L/min，可使颗粒物介电常数提升30％以上。
所述阻流与导流结合的均流装置包括带有开孔的挡板，所述挡板采用一层垂直于烟气方的开孔导流板9，孔隙率为50％，开孔14的直径为100mm；导流板中间区域的孔隙率小于边缘区域的孔隙率。导流板宽度为2500mm，高度为2500mm。经过导流板后，烟气的流速偏差下降到10％以下。
所述荷电强化放电装置包括极线10，所述极线10设置在挡板后方并安装于悬挂框架11上，所述极线10与电源4相连。悬挂框架与电源连接处安装绝缘子12，同时布置加热及热风吹扫装置13。热风吹扫保证绝缘子温度在120℃以上，悬挂框架使用耐高应力耐腐蚀钢材，防止高速带电颗粒与液滴造成框架变形或腐蚀。本实施例中的框架高度为2500mm，共布置十根极线，两根相邻极线的间距为140mm，距离极板的垂直距离为150mm。
高能量密度供电装置连接采用与实施例一相同的形式，产生-20kV至-80kV的高压脉冲，宽度为40μs，但由于本实施例属于紧凑型布置，脉冲峰值功率为0.7MW，可使颗粒物的荷电量达到饱和荷电量的15％以上。
本实施例在湿式静电除尘器前烟道的有限空间中进行布置，使进入湿式静电除尘器的烟气流速偏差在10％以下，颗粒物介电常数提升30％以上，颗粒物实际荷电量达到饱和量的15％以上，颗粒物的排放浓度降低15％以上，PM2.5的排放浓度降低25％以上。

Claims (4)

1.一种增湿均流预荷电颗粒物强化脱除***，其特征在于：所述***设置在静电除尘器入口处，沿烟气方向顺次包括液滴喷射装置、阻流与导流结合的均流装置以及荷电强化放电装置，所述液滴喷射装置包括喷嘴和支架，所述支架垂直于烟气方向布置，支架上安装有相互平行的管道，所述喷嘴布置在管道上；所述阻流与导流结合的均流装置包括带有开孔的挡板，所述挡板孔隙率在40%～50%之间，开孔的直径在30～60mm之间；所述挡板包括阻流板和导流板，阻流板与导流板为相邻布置，并形成若干个菱形区域；所述荷电强化放电装置包括极线，所述极线设置在挡板后方并安装于悬挂框架上，每个菱形区域内设有两根极线，两根极线间距离为140mm至150mm之间，两根极线分别垂直于气流方向布置，极线与阻流板、导流板的垂直距离为130mm至160mm之间，所述极线与电源相连；
所述电源为谐振逆变的高频直流电源或高压脉冲电源，所述谐振逆变的高频直流电源额定频率在20kHz以上，输出电压在0kV至-60kV连续可调，有效功率达到30kW以上，能量效率在95%以上；所述高压脉冲电源重复频率在0～1000Hz连续可调，脉冲上升沿在20μs以内，脉冲宽度在50μs以内，输出电压在-20kV至-80kV连续可调，瞬时脉冲功率达到1MW以上，能量转化效率在80%以上；
所述管道垂直于烟气方向布置，管道的间距不大于喷嘴有效喷射距离，喷嘴的喷射方向垂直于烟气方向，单个管道上喷嘴均匀分布，距离不大于喷嘴的有效喷射范围，相邻管道的喷嘴交错布置；
所述喷嘴为精细雾化实心锥喷嘴，流量为2～3L/min，喷嘴的喷射角度为60～80°，喷嘴的喷射范围为400～500mm；
所述液滴喷射装置与阻流与导流结合的均流装置之间的距离大于500mm。
2.根据权利要求1所述的增湿均流预荷电颗粒物强化脱除***，其特征在于：所述挡板宽度为480mm，所述阻流板、导流板与烟气方向的夹角绝对值为30°～40°；相邻阻流板与导流板的中心最近距离在220mm至280mm之间，阻流板与导流板之间的最近距离在15mm至25mm之间。
3.根据权利要求1所述的增湿均流预荷电颗粒物强化脱除***，其特征在于：所述挡板中间区域的孔隙率小于边缘区域的孔隙率。
4.根据权利要求1所述的增湿均流预荷电颗粒物强化脱除***，其特征在于：所述悬挂框架与阻流板、导流板的距离大于极线与阻流板、导流板距离的2.5倍，悬挂框架与电源连接处安装绝缘子，同时布置加热及热风吹扫装置。
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