循环的锅炉尾部烟气脱水除尘系统及方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于超临界CO2循环的锅炉尾部烟气脱水除尘系统及方法，该系统包括依次相连的第一热交换器、汽轮机、第二热交换器和压气机，并采用超临界CO2作为工作介质；第一热交换器对烟气进行降温；汽轮机实现烟气余热的回收利用；第二热交换器对超临界CO2进行降温；压气机对超临界CO2进行等温压缩。所述方法包括：尾部烟气与超临界CO2进行热量交换；超临界CO2通过汽轮机对外做功，并在第二热交换器中降温，然后利用压气机对其进行等温压缩升压处理，最后将升压的超临界CO2通入第一热交换器进行循环。本发明可实现对锅炉尾部烟气的脱水除尘处理，同时实现烟气余热的利用，具备环保、高效、简单、成本低等优点。
【专利说明】
一种基于超临界CO2循环的锅炉尾部烟气脱水除尘系统及方法
技术领域
[0001]本发明属于烟气脱水除尘领域，更具体地，涉及一种基于超临界CO2循环的锅炉尾部烟气脱水除尘系统及方法。
【背景技术】
[0002]目前锅炉尾部烟气常用的脱硫方法是湿法脱硫，采用此方法对尾部烟气进行喷淋，使CaC03、Ca0等与S02/S03反应生成CaSO3,从而达到烟气脱硫的目的。通过此方法进行脱硫后，CaSO3等颗粒物会附着在烟气中的水滴上，未经脱水处理的烟气会携带有石膏通过烟囱排入大气，形成石膏雨或酸雨，同时烟气中颗粒物排放量也会增加。
[0003]近些年来日渐严重的雾霾天气严重影响人们的生产生活，控制大气中的颗粒物含量日益重要，锅炉中空气预热器后的烟气通过除尘器除尘后能够有效地降低烟气中的颗粒物含量，但是湿法脱硫系统后烟气中附着在水滴上的颗粒物并没有有效的方法进行控制，从而造成大气中颗粒物含量增加。烟气从烟囱排出后会形成石膏雨或酸雨，腐蚀电厂设备，严重影响电厂周围的大气环境。目前需要找到一种能对此进行有效控制的方法，从而达到维持电厂设备正常运行、控制大气颗粒物含量排放保护环境的目的。
【发明内容】
[0004]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于超临界CO2循环的锅炉尾部烟气脱水除尘系统及方法，其中通过超临界CO2与烟气进行热交换使烟气温度降低，此时生成凝结水，同时将烟气中颗粒物随凝结水一同脱除，从而达到烟气脱水除尘的目的。通过热交换脱除烟气中的水分，减少了烟气中附着在水中石膏的量，具备环保、高效、简单、成本低等优点，可有效脱除烟气中的水分与颗粒物含量，同时对于热交换后介质获得的能量能得到有效的利用。
[0005]为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种基于超临界CO2循环的锅炉尾部烟气脱水除尘系统，该系统采用超临界⑶2作为循环工作介质，其包括第一热交换器、汽轮机、第二热交换器和压气机，所述第一热交换器、汽轮机、第二热交换器和压气机依次相连，以形成超临界CO2的循环闭合通道，其中:
[0006]所述第一热交换器设于湿法脱硫装置之后，其用于对烟气进行降温脱水处理，所述超临界C02与烟气在第一热交换器中进行热交换；
[0007]所述汽轮机用于将超临界CO2获得的热能转化为机械能或电能，以实现烟气余热的回收利用；
[0008]所述第二热交换器用于对经过汽轮机后的超临界⑶2进行降温处理;所述压气机用于将降温处理后的超临界CO2进行等温压缩处理，然后送入第一热交换器中以进行循环，由此完成对尾部烟气的脱水除尘处理。
[0009]作为进一步优选，所述第一热交换器上设置有自动放水装置，其用于将第一热交换器中的凝结水自动排出。
[0010]作为进一步优选，所述系统设置在湿法脱硫装置之后，气气热交换器之前，所述气气热交换器利用湿法脱硫前的原烟气对经脱水除尘系统后获得的净烟气进行加热，保证降温后的烟气顺利排出。
[0011]作为进一步优选，所述第一热交换器的入口温度为45 °c-55°c，出口温度为33°c-35。。。
[0012]作为进一步优选，所述第一热交换器与汽轮机之间以及与压气机之间设置有阀门，该阀门用于控制超临界CO2的流量。
[0013]作为进一步优选，所述降温脱水处理具体为:经过湿法脱硫装置后的烟气为湿饱和蒸汽，烟气在第一换热器中与超临界CO2进行热交换后降温，降温后的烟气含湿量降低生成凝结水，同时将烟气中颗粒物随凝结水一同脱除，达到脱水除尘目的。
[0014]作为进一步优选，所述压气机的动力源由汽轮机提供。
[0015]作为本发明的另一个方面，提出了一种基于超临界CO2循环的锅炉尾部烟气脱水除尘方法，包括如下步骤:
[0016]经过湿法脱硫后的锅炉尾部烟气与超临界CO2在第一热交换器中进行热交换；
[0017]升温后的超临界CO2通过汽轮机对外做功，然后通入第二热交换器中；
[0018]超临界⑶2在第二热交换器中与水换热后降温，降温后的超临界⑶2在压气机中进行等温压缩处理后通入第一热交换器中进行循环，以此完成对锅炉尾部烟气的脱水除尘处理，同时实现烟气余热的利用。
[0019]作为进一步优选，所述超临界CO2在第二热交换器中降温至31-34°C。
[0020]总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点:
[0021]1.本发明通过超临界CO2与烟气进行热交换使烟气温度降低，从而达到烟气脱水除尘的目的，通过热交换脱除烟气中的水分，减少了烟气中附着在水中石膏的量，达到了降低颗粒物排放以及减少石膏雨或酸雨的作用，减少了环境污染，有利于环境保护以及电厂设备的防护。
[0022]2.本发明系统中流体的流动不需要另外提供动力，通过尾部烟气与工质交换热量，能够有效的达到脱水除尘效果，采用节能的动力源，利用烟气余热作为动力来源，运行成本低，达到了环境保护与能源综合利用的效果。
[0023]3.本发明通过加热后的超临界CO2冲转汽轮机运行并带动压气机的运行，使热交换后烟气的热量能够得到有效的应用，实现了环境保护与能源的综合利用。
[0024]4.本发明中的热交换器、汽轮机、压气机、自动放水装置等都是常用的机械部件，维修方便，易于实现，投资小，且通过阀门可根据不同系统容量进行相应的调整，整套系统简单灵活、适用范围广。
[0025]5.本发明采用的超临界CO2具有粘度低、密度高、不易燃易爆、无毒无腐蚀等特点，在系统中能够安全使用，不会对设备存在潜在危害。
[0026]6.本发明通过烟气在第一热交换器中与超临界⑶2进行热量交换后温度降低，此时会生成凝结水，同时将烟气中的颗粒物随凝结水一同脱除，烟气中水分降低后会减少后续设备的酸腐。
【附图说明】
[0027]图1是本发明实施例的基于超临界CO2循环的锅炉尾部烟气脱水除尘系统结构示意图；
[0028]图2是本发明实施例的基于超临界CO2循环的锅炉尾部烟气脱水除尘方法的流程图。
【具体实施方式】
[0029]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0030]本发明的基本原理是根据脱硫后尾部烟气中的颗粒物附着在烟气中的水滴上的特点，通过特别设计的脱水除尘系统及方法将烟气中的水分脱除，由此使得烟气中的石膏自然的随着水分的脱除而脱除，从而达到控制颗粒物排放和减少石膏雨的目的。
[0031]如图1所示，本发明实施例提供的一种基于超临界CO2循环的锅炉尾部烟气脱水除尘系统，该系统主要包括第一热交换器3、汽轮机8、第二热交换器7和压气机6，第一热交换器3、汽轮机8、第二热交换器7和压气机6依次相连，以形成工作介质流动的循环闭合通道，该系统采用超临界CO2作为循环工作介质，由于脱硫后的锅炉尾部烟气温度不高，采用普通介质很难利用此部分烟气的热量，本发明采用的超临界CO2具有临界压力为7.377MPa，临界温度为30.98°C的物理特性，由于其临界温度低，因此在第一热交换器3中能与烟气顺利的进行热量交换，获得烟气的部分低温余热，同时其临界压力高，升温后的超临界CO2可以冲转汽轮机从而将从烟气处得到的热能转化为可利用的机械能。此时，烟气温度降低，烟气中水蒸气凝结成水，烟气中颗粒物也进入水中，烟气含湿率降低，烟尘浓度下降，从而达到了烟气脱水除尘的效果，这一物理特性有利于提高系统的烟气脱水除尘性能，在环保的同时达到了经济性的目的。
[0032]下面对系统中的各个部件进行详细说明。
[0033]第一热交换器3用于烟气与超临界CO2进行热量交换从而使烟气温度降低，其设于湿法脱硫装置2之后，通过湿法脱硫装置2后的烟气中含有大量水分，脱硫过程中形成的石膏以及燃煤颗粒物会附着在水滴上从而使烟尘含量升高，选用压力为90atm(标准大气压)，温度为31°C的超临界CO2与烟气在第一热交换器3中进行热量交换使烟气温度降低，使得烟气的含湿率降低，此时，烟气温度降低，烟气中水蒸气凝结成水，烟气中颗粒物也进入水中，烟气含湿率降低，烟尘浓度下降，从而达到脱水除尘效果，而介质则通过与烟气的热量交换获得烟气的部分热能。湿法脱硫装置2上设置有控制原烟气通入流量的阀门I。
[0034]汽轮机8分别与第一热交换器3和第二热交换器7相连，其用于将超临界CO2在第一热交换器3中获得的烟气的热能转化为机械能或电能而对外做功，以实现烟气余热的回收利用，通过汽轮机8后的超临界CO2的压力和温度均会有所降低。
[0035]第二热交换器7用于对经过汽轮机8后的降温降压的超临界⑶2进行降温处理，具体的，超临界CO2在第二换热器7中与水进行热量交换降温到31-34°C。
[0036]为保证介质在热交换器中顺利流动并始终超临界状态，通过压气机6对其进行等温压气处理，然后将等温压气处理后的超临界⑶2送入第一热交换器3中以进行循环，压气机的动力源由汽轮机提供。
[0037]烟气通过第一热交换器降温后，烟气中部分水分会形成凝结水，为防止凝结水对热交换器造成腐蚀作用，需将这部分的凝结水及时排出，为了将第一热交换器中的凝结水自动排出，本发明在第一热交换器3上设置有自动放水装置10，其可将热交换器内的冷凝水进行自动排放
[0038]烟气通过第一热交换器3脱水后温度降低，为了保证低温的烟气能够顺利从烟囱排出，在第一热交换器3之后设置气气热交换器(GGH)，以对烟气进行升温处理，即本发明的脱水除尘系统设于湿法脱硫装置2和气气热交换器4之间，降温脱水后的烟气通过GGH加热后经烟囱排出。当然为达到此目的也可将GGH换成引风机等其他动力系统来保证排烟的顺畅。气气热交换器4的工作原理是利用湿法脱硫前的原烟气对经脱水除尘系统后获得的净烟气进行加热，保证降温后的烟气顺利排出。
[0039]为了便于超临界⑶2流量的控制，在第一热交换器3与汽轮机8之间设置有阀门9，第一热交换器3与压气机6之间设置有阀门5，阀门5与阀门9可用来控制超临界CO2的流量，当锅炉工况发生变化时能通过阀门调整系统中超临界CO2的流量，从而保证整套系统的顺利运行。
[0040]进一步的，通过脱硫塔后烟气温度在45°C_55°C，设计第一热交换器3的入口烟气温度为45°C_55°C，此时已达湿饱和状态，为降低烟气中含水量，利用阀门控制进入第一热交换器3中超临界CO2的流量使第一热交换器3出口烟气温度降为33°C_35°C。
[0041]本发明的上述脱水除尘系统采用节能的动力源，利用烟气余热作为动力来源，运行成本低，将该系统放在湿法脱硫系统后、气气热交换器(GGH)前，在气气热交换器中利用湿法脱硫前的原烟气对脱水除尘系统后的净烟气进行加热，保证降温后的烟气能顺利排出烟囱，系统在脱水除尘的同时可实现烟气余热的回收利用。
[0042]如图2所示，本发明还提供了一种锅炉尾部烟气脱水除尘方法，其主要包括如下步骤:
[0043]经过湿法脱硫后的锅炉尾部烟气与超临界CO2在第一热交换器3中进行热交换，热交换后的超临界CO2的温度升高，具体的，高温高湿度烟气通过第一热交换器3与高压低温超临界CO2发生热交换后形成低温低湿度的烟气，超临界CO2通过与烟气热交换升温，此时，烟气在第一换热器中与超临界CO2进行热交换后降温，降温后的烟气含湿量降低生成凝结水，同时烟气中的颗粒物随凝结水一同脱除，达到脱水除尘目的；
[0044]升温后的超临界CO2冲转汽轮机8对外做功，然后通入第二热交换器7中；
[0045]做功后的超临界⑶2在第二热交换器7中与水换热后降温，具体降温至第一热交换器3中超临界CO2的入口温度31°C，降温后的超临界CO2在压气机6中进行等温压气处理后通入第一热交换器3中进行循环，具体的，利用汽轮机的机械能带动压气机运行使超临界CO2等温压气，从而形成了系统中超临界CO2的循环，以此完成对锅炉尾部烟气的脱水除尘处理，同时实现烟气余热的利用。
[0046]具体的，等温压气处理的工艺如下:通过第二热交换器7后的超临界⑶2经由管道进入到压气机8中，在压气机8中保持超临界CO2温度基本不变对其进行压缩升压，使其状态参数达到第一热交换3入口处参数。
[0047]以下为本发明的具体实施例，通过本实施例进一步对本发明的工作过程进行描述和说明。
[0048]一般通过脱硫塔后烟气温度在45°C_55°C，此时已达湿饱和状态，为了降低烟气中水含量，设计第一热交换器3出口烟气温度为33°C-35°C，此时烟气中水的含量会大大降低。
[0049]本例中取第一热交换器3入口烟气温度为50°C，出口温度为35°C，通过查询湿空气焓熵表可知50°C时烟气含湿量为12.5g/kg(干烟气)，烟气比焓为82.78KJ/kg (烟气)，35°C时烟气含湿量为9g/kg(干烟气)，烟气比焓为58.26KJ/kg(烟气)，即通过第一热交换器3后烟气中的水分脱除了28%左右，通过计算可知烟气通过第一热交换器3后烟气比焓降为24.52J/kg(烟气)。
[0050]本例中热交换的工质为超临界C02，其进入第一热交换器3时的参数(即入口参数)为90atm(标准大气压)，31°C。超临界⑶2在第一换热器3与烟气换热后升温至45°C，经过第一热交换器3后的烟气由烟道进入GGH系统进行升温，升温至80°C，从而保证烟气能够顺利的排出烟囱并减少酸腐;通过第一热交换器3换热后的超临界0)2则通过管路进入汽轮机，超临界CO2在汽轮机8中将内能转化为机械能，通过汽轮机8后超临界CO2压力温度均会有所降低，在换热器7中超临界CO2与水进行换热后降温至31°C，降温后的超临界CO2在压气机6中被等温压缩到90atm(标准大气压)，压缩后的CO2通入热交换器3中进行循环流动。通过此工作过程烟气与超临界CO2进行热交换后降温，烟气中含有的水蒸气浓度降低从而达到了脱水除尘的效果。此外，从烟气中冷凝下来的凝结水通过自动放水装置10控制能自动排出第一热交换器3。
[0051]本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种基于超临界CO2循环的锅炉尾部烟气脱水除尘系统，其特征在于，该系统采用超临界CO2作为循环工作介质，其包括第一热交换器(3)、汽轮机(8)、第二热交换器(7)和压气机(6)，所述第一热交换器(3)、汽轮机(8)、第二热交换器(7)和压气机(6)依次相连，以形成超临界CO2的循环闭合通道，其中: 所述第一热交换器(3)设于湿法脱硫装置(2)之后，其用于对烟气进行降温脱水处理，所述超临界CO2与烟气在第一热交换器(3)中进行热交换； 所述汽轮机(8)用于将超临界CO2获得的热能转化为机械能或电能，以实现烟气余热的回收利用； 所述第二热交换器(7)用于对经过汽轮机(8)后的超临界CO2进行降温处理;所述压气机(6)用于将降温处理后的超临界CO2进行等温压缩处理，然后送入第一热交换器(3)中以进行循环，由此完成对尾部烟气的脱水除尘处理。2.如权利要求1所述的锅炉尾部烟气脱水除尘系统，其特征在于，所述第一热交换器(3)上设置有自动放水装置(10)，其用于将第一热交换器中的凝结水自动排出。3.如权利要求1或2所述的锅炉尾部烟气脱水除尘系统，其特征在于，所述系统设置在湿法脱硫装置(2)之后，气气热交换器(4)之前，所述气气热交换器(4)利用湿法脱硫前的原烟气对经脱水除尘系统后获得的净烟气进行加热，保证降温后的烟气顺利排出。4.如权利要求1或2所述的锅炉尾部烟气脱水除尘系统，其特征在于，所述第一热交换器(3)的入口温度为45°C-55°C，出口温度为33°C_35°C。5.如权利要求4所述的锅炉尾部烟气脱水除尘系统，其特征在于，所述第一热交换器(3)与汽轮机(8)之间以及与压气机(6)之间设置有阀门，该阀门用于控制超临界CO2的流量。6.如权利要求5所述的锅炉尾部烟气脱水除尘系统，其特征在于，所述降温脱水处理具体为:经过湿法脱硫装置后的烟气为湿饱和蒸汽，烟气在第一换热器(3)中与超临界0)2进行热交换后降温，降温后的烟气含湿量降低生成凝结水，同时将烟气中颗粒物随凝结水一同脱除，达到脱水除尘目的。7.如权利要求6所述的锅炉尾部烟气脱水除尘系统，其特征在于，所述压气机(6)的动力源由汽轮机(8)提供。8.一种基于超临界CO2循环的锅炉尾部烟气脱水除尘方法，其特征在于，包括如下步骤: 经过湿法脱硫后的锅炉尾部烟气与超临界CO2在第一热交换器(3)中进行热交换，所述烟气温度降低生成凝结水，烟气中的烟尘随凝结水排出； 升温后的超临界CO2通过汽轮机(8)对外做功，然后通入第二热交换器(7)中； 超临界CO2在第二热交换器(7)中与水换热后降温，降温后的超临界CO2在压气机(6)中进行等温压缩处理后通入第一热交换器(3)中进行循环，以此完成对锅炉尾部烟气的脱水除尘处理，同时实现烟气余热的利用。9.如权利要求8所述的锅炉尾部烟气脱水除尘方法，其特征在于，所述超临界CO2在第二热交换器(7)中降温至3rC-34°C。
【文档编号】F23J15/08GK105823070SQ201610172257
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年3月24日
【发明人】向军, 卿梦霞, 胡松, 苏胜, 汪, 汪一, 徐俊, 陆骑, 刘威
【申请人】华中科技大学