本发明涉及火力发电烟气、锅炉烟气或窑炉烟气脱硫脱硝技术领域，具体涉及基于深冷液化分离的烟气脱硫脱硝方法及装置。
背景技术：
烟气脱硫脱硝是解决大气污染的主要途径，石膏法脱硫工艺是世界上应用最广泛的一种脱硫技术，日本、德国、美国的火力发电厂采用的烟气脱硫装置约90％采用此工艺。我国目前火电及工业锅炉烟气主要采用石灰石的湿法脱硫技术。该技术耗水量大，使得火电厂烟囱排放大量含有水和石膏粉尘的白烟，同时带走120℃以上的烟气余热，造成能源浪费。而脱硫设备普遍存在腐蚀严重、运行维护费用高及易造成二次污染等问题，占地面积大，同时不能兼顾烟气脱硝。
目前烟气脱硝主要工艺有SCR和SNCR。目前的脱硝技术存在成本高昂，利用尿素、铵等吸收剂造成的成本和能耗很高，另外，催化剂中毒和钝化影响脱硝效率和设备正常运行。
因此目前的烟气脱硫脱硝技术普遍存在投资成本巨大，运行成本高昂，同时浪费能源，无法高效利用化石燃料资源。这也给企业和治理烟气污染带来很大的经济成本压力，使治理烟气污染花费巨大，影响治理积极性。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种与常规的低温(100-200℃)烟气脱硫脱硝不同的基于深冷液化分离的烟气脱硫脱硝方法及装置，用以解决现有脱硫脱硝技术存在投资大、能耗高、容易造成二次污染等问题。
为实现上述目的，本发明公开了基于深冷液化分离的烟气脱硫脱硝方法，包括：烟气在烟气余热锅炉中与冷却介质换热后形成低温烟气并从烟气余热锅炉出气口流出；其中，烟气与冷却介质换热过程包括：烟气经烟气余热锅炉进气口进入烟气余热锅炉内多根冷凝管的下端；烟气在多根冷凝管内由下至上流动；同时冷却介质在多根冷凝管的周围设置的介质螺旋管道中由上至下流动；冷却介质与烟气交换热量，冷却介质温度升高由液态变为气态流向空冷器，烟气温度降低形成低温烟气流向烟气增压机，同时烟气中的水分形成冷凝水沿多根冷凝管向下流动并由烟气冷凝水收集器收集；低温烟气经烟气增压机形成高温高压烟气并经第一进气口进入冷却器的通气管道；高温高压烟气经冷却器的冷却形成低温高压烟气并经烟气膨胀机的进气口进入烟气膨胀机；通过烟气膨胀机对低温高压烟气进行深冷液化分离及脱硫脱硝得到洁净的氮气并通过烟气膨胀机出气口上的洁净气排放管道排出；深冷液化分离过程及脱硫脱硝过程中形成的液态和/或固态的混合物由液化脱除收集器收集；其中，所述深冷液化分离过程包括：使低温高压烟气膨胀，低温高压烟气的温度降低至-80℃，低温高压烟气中的氮氧化物、二氧化硫、三氧化硫、水和二氧化碳液化和/或固化；所述脱硫脱硝过程产生于深冷液化分离的过程中，包括：低温高压烟气中的气态水冷凝后对氮氧化物、二氧化硫和三氧化硫的吸收。
本发明公开的上述基于深冷液化分离的烟气脱硫脱硝方法，所述低温高压烟气在烟气膨胀机中膨胀做功产生动能，烟气膨胀机通过第一传动轴带动烟气增压机运行使低温烟气变为高温高压烟气。
本发明公开的上述基于深冷液化分离的烟气脱硫脱硝方法，所述冷却介质通过烟气余热锅炉外部的介质循环管道流经空冷器；冷却介质与空冷器交换热量后由气态变为液态；流经空冷器后的液态冷却介质通过工质泵泵入烟气余热锅炉内部的介质螺旋管道；其中，所述冷却介质流经空冷器前流经余热膨胀机对余热膨胀机做功，气态冷却介质作功后压强变小并温度降低；烟气膨胀机通过第二传动轴带动烟气压缩机压缩低温烟气形成高温高压烟气，由烟气压缩机压缩低温烟气形成的高温高压烟气通过第二进气口进入冷却器的通气管道。
本发明公开的上述基于深冷液化分离的烟气脱硫脱硝方法，所述低温烟气进入烟气压缩机和烟气增压机之前流经烟气除湿器，所述低温烟气通过烟气除湿器形成低温干燥烟气。
本发明还公开了基于深冷液化分离的烟气脱硫脱硝装置，包括：烟气余热锅炉、烟气余热回收系统和烟气分离系统，所述烟气余热锅炉内部竖直设置有多根冷凝管，所述烟气余热锅炉的上部和侧面上部分别设置有进气口和出气口，所述烟气余热锅炉的进气口和出气口分别与所述多根冷凝管的下端和上端连通，所述烟气余热回收系统的介质循环管道穿过所述烟气余热锅炉并在烟气余热锅炉内部围绕烟气余热锅炉内竖直设置的多根冷凝管的周围形成介质螺旋管道，所述烟气分离系统包括增压透平膨胀机、冷却器和液化脱除收集器，所述增压透平膨胀机包括烟气增压机和烟气膨胀机，所述烟气增压机的进气口和出气口通过烟气管道分别连接至所述烟气余热锅炉上部的出气口和所述冷却器的通气管道上的第一进气口，所述烟气膨胀机的进气口通过烟气管道连接至所述冷却器的通气管道上的出气口，所述烟气膨胀机的出气口上连接有洁净气排放管道，所述液化脱除收集器连接至所述烟气膨胀机。
本发明公开的上述基于深冷液化分离的烟气脱硫脱硝装置，所述烟气增压机和所述烟气膨胀机之间设置有第一传动轴，所述烟气增压机通过第一传动轴连接至所述烟气膨胀机。
本发明公开的上述基于深冷液化分离的烟气脱硫脱硝装置，所述烟气余热回收系统包括空冷器、工质泵和烟气冷凝水收集器，所述空冷器和所述工质泵安装在位于烟气余热锅炉外部的介质循环管道上，所述烟气冷凝水收集器位于烟气余热锅炉下部的冷凝水出水端的下面或连接至烟气余热锅炉下部的冷凝水出水端。
本发明公开的上述基于深冷液化分离的烟气脱硫脱硝装置，所述烟气余热回收系统还包括余热膨胀机，所述余热膨胀机安装至空冷器与烟气余热锅炉之间的介质循环管道上。
本发明公开的上述基于深冷液化分离的烟气脱硫脱硝装置，所述余热膨胀机通过第二传动轴连接设置有烟气压缩机，所述烟气压缩机的进气口通过烟气管道连接至烟气余热锅炉和烟气增压机之间的烟气管道上，所述烟气压缩机的出气口通过烟气管道连接至冷却器的通气管道上的第二进气口。
本发明公开的上述基于深冷液化分离的烟气脱硫脱硝装置，进入所述烟气压缩机和所述烟气增压机之前的烟气管道设置有烟气除湿器。
本发明具有如下优点：
本发明主要依靠深冷空气液化技术对烟气超低温脱硫脱硝，同时回收烟气余热，捕集烟气中的CO2，达到输入少量高品质能量实现高效烟气脱硫脱硝的目的，还能得到化工副产品，并进行余热回收利用，实现“变废为宝，以污治污”，实现减少设备投资、降低运行费用，在治理烟气污染的同时，还能有一定的经济效益，改变目前“只投入不产出”的高代价烟气处理方式。
另外，本发明不使用催化剂，同时对烟气中余热、水、硫化物、氮化物、CO2进行废物回收利用，实现了零排放、能耗低，设备体积小，一套设备同时实现脱硫脱硝，自动化程度高，对于雾霾和空气污染治理具有巨大的帮助。
附图说明
图1为本发明公开的基于深冷液化分离的烟气脱硫脱硝装置的结构示意图。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
参考图1，本实施例中公开的基于深冷液化分离的烟气脱硫脱硝装置包括:烟气余热锅炉01、烟气余热回收系统和烟气分离系统。
烟气余热锅炉01内部竖直设置有多根冷凝管02，烟气余热锅炉的上部和侧面上部分别设置有进气口03和出气口04，烟气余热锅炉01的进气口03和出气口04分别与多根冷凝管02的下端和上端连通。
烟气余热回收系统包括空冷器05、工质泵06、烟气冷凝水收集器07和余热膨胀机08。空冷器05和工质泵06安装在位于烟气余热锅炉01外部的介质循环管道09上，烟气冷凝水收集器07位于烟气余热锅炉01下部的冷凝水出水端10的下面或连接至烟气余热锅炉01下部的冷凝水出水端10，余热膨胀机08安装至空冷器05与烟气余热锅炉01之间的介质循环管道上。
余热膨胀机08通过第二传动轴11连接设置有烟气压缩机12，烟气压缩机12的进气口通过烟气管道13连接至烟气余热锅炉01和烟气增压机17之间的烟气管道上，烟气压缩机12的出气口通过烟气管道连接至冷却器15的通气管道20上的第二进气口25。
烟气余热回收系统的介质循环管道09穿过烟气余热锅炉01并在烟气余热锅炉01内部围绕烟气余热锅炉01内竖直设置的多根冷凝管02的周围形成介质螺旋管道14。
烟气分离系统包括增压透平膨胀机、冷却器15和液化脱除收集器16，增压透平膨胀机包括烟气增压机17和烟气膨胀机18，烟气增压机17和烟气膨胀机18之间设置有第一传动轴19，烟气增压机17通过第一传动轴19连接至烟气膨胀机18，烟气增压机17的进气口和出气口通过烟气管道分别连接至烟气余热锅炉01上部的出气口04和冷却器15的通气管道20上的第一进气口21，烟气膨胀机18的进气口通过烟气管道连接至冷却器15的通气管道上的出气口22，烟气膨胀机18的出气口上连接有洁净气排放管道23，液化脱除收集器16连接至烟气膨胀机18。
进一步地，进入烟气压缩机12和烟气增压机17之前的烟气管道设置有烟气除湿器24。
本实施例中公开的基于深冷液化分离的烟气脱硫脱硝方法，包括：
烟气(70-200℃)在烟气余热锅炉01中与冷却介质换热后形成低温烟气(40℃左右)并从烟气余热锅炉01的出气口流出；
其中，烟气(70-200℃)与冷却介质换热过程包括：烟气(70-200℃)经烟气余热锅炉进气口03进入烟气余热锅炉01内多根冷凝管02的下端；烟气(70-200℃)在多根冷凝管02内由下至上流动；同时冷却介质在多根冷凝管02的周围设置的介质螺旋管道14中由上至下流动；冷却介质与烟气(70-200℃)交换热量，冷却介质温度升高由液态变为气态(70-200℃，12Mpa)流向空冷器05，烟气(70-200℃)温度降低形成低温烟气(40℃左右)流向烟气增压机17和烟气压缩机12，另外，低温烟气(40℃左右)进入烟气压缩机12和烟气增压机17之前还可以先流经烟气除湿器24，低温烟气(40℃左右)通过烟气除湿器24形成低温干燥烟气(40℃左右)，这样可以防止水分对于烟气压缩机12和烟气增压机17的损害，延长烟气压缩机12和烟气增压机17的使用寿命。同时烟气(70-200℃)中的水分形成冷凝水沿多根冷凝管02向下流动并由烟气冷凝水收集器07收集。
气态冷却介质(70-200℃，12Mpa)通过烟气余热锅炉01外部的介质循环管道09流经空冷器05；另外，气态冷却介质(70-200℃，12Mpa)流经空冷器05前可以先流经余热膨胀机08，气态冷却介质(70-200℃，12Mpa)对余热膨胀机08做功，气态冷却介质(70-200℃，12Mpa)做功后温度降低(降低至30-40℃)并压强变小(减小至3-6Mpa)，然后，气态冷却介质(30-40℃，3-6Mpa)与空冷器05交换热量后由气态变为液态(20-30℃)；流经空冷器05后的液态冷却介质(20-30℃)通过工质泵06泵入烟气余热锅炉01内部的介质螺旋管道14；
冷却介质流经空冷器05前流经余热膨胀机08对余热膨胀机08做功，余热膨胀机08通过第二传动轴11带动烟气增压机12压缩低温烟气或低温干燥烟气(40℃左右)形成高温高压烟气(140℃左右，9-12Mpa)，由烟气增压机12形成的高温高压烟气(140℃左右，9-12Mpa)通过第二进气口25进入冷却器15的通气管道20；低温烟气或低温干燥烟气(40℃左右)经烟气增压机17形成高温高压烟气(140℃左右，9-12Mpa)并经第一进气口21进入冷却器15的通气管道20；
高温高压烟气(140℃左右，9-12Mpa)经冷却器15的冷却形成低温高压烟气(40-70℃左右，9-12Mpa)并经烟气膨胀机18的进气口进入烟气膨胀机18；
低温高压烟气(40-70℃左右，9-12Mpa)在烟气膨胀机18中膨胀做功产生动能，烟气膨胀机18通过第一传动轴19带动烟气增压机17运行使低温烟气或低温干燥烟气(40℃左右)变为高温高压烟气(140℃左右，9-12Mpa)；
通过烟气膨胀机18对低温高压烟气(40-70℃左右，9-12Mpa)进行深冷液化分离及脱硫脱硝得到洁净的氮气并通过烟气膨胀机18出气口上的洁净气排放管道23排出；
深冷液化分离过程及脱硫脱硝过程中形成的液态和/或固态的混合物由液化脱除收集器16收集；
其中，所述深冷液化分离过程包括：使低温高压烟气(40-70℃左右，9-12Mpa)膨胀，低温高压烟气的温度降低至-80℃左右，低温高压烟气中的氮氧化物、二氧化硫、三氧化硫、水和二氧化碳液化和/或固化；所述脱硫脱硝过程产生于深冷液化分离的过程中，包括：低温高压烟气(40-70℃左右，9-12Mpa)中的气态水冷凝后对氮氧化物、二氧化硫和三氧化硫的吸收。
本发明利用烟气中不同组分在深冷(-80-20℃)环境下的冷凝液化来实现脱硫脱硝的，而这与常规的低温(100-200℃)烟气脱硫脱硝是不同的。烟气中SO2和SO3的标压沸点分别为-10℃和45℃，而水的熔点为0℃，CO2的沸点为-56.55℃。那么假如烟气温度从100℃降低到-80℃，在这个过程中SO3-H2O-SO2-CO2将依次液化或固化，其中，水冷凝后将对二氧化硫和三氧化硫的产生吸收。
对于烟气中主要的氮氧化物NO、NO2，首先可以补充O2使NO氧化为NO2，NO2易溶于水，烟气中的水蒸气冷凝后对NO2进行吸收，因此烟气冷凝液化的过程中同时进行了脱硫脱硝。
对于深冷液化分离过程及脱硫脱硝过程中形成的液态和/或固态的混合物进行化学处理或者纯化，可以提取硫酸、硫酸氢铵等化工产品。利用超低温将烟气中的CO2液化，进行烟气中的CO2捕捉回收，同时对烟气余热进行回收再利用，从而使烟气得到净化降温，达到清洁无害排放的目标。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。