基于烟气余热与太阳能互补的全天候烟气消白羽系统的制作方法

本实用新型涉及能源环保技术领域，尤其涉及一种基于烟气余热与太阳能互补的全天候烟气消白羽系统及方法。

背景技术：

常见的烟囱白羽（白烟）来源于多个行业，包括燃煤发电、垃圾发电、生物质发电、供热锅炉等烟气；钢铁行业烧结机、球团、竖炉、转炉、热轧生产线产生的烟气；焦化行业焦炉烟道气、水熄焦烟气；玻璃、水泥、砖瓦、陶瓷窑炉产生的烟气；能源、有色、化工、石化、建材等行业生产过程中产生的烟气。此外，有些特殊行业比如PVC（聚氯乙烯）糊树脂装置干燥尾气，尾气成分为水蒸气、微量粉尘、醇类，还有少量氯乙烯（VCM）。不同的气源，污染物组成、成分不同，治理的思路、技术路线也不同。有的需进行深入治理，将烟气中存在可溶性硫酸盐、硫酸雾、微细颗粒进行深度治理，减轻有色烟羽危害；有的需进行消白、减轻视觉污染。

燃煤发电是我国主要发电形式，截至2017 年，火电装机容量约占我国发电装机总容量的62.2%，煤炭消费量能源消费总量的60.4%。作为耗水耗能大户，巨大的水资源、能源消耗使得燃煤电站成为节能减排的重点。我国2005—2020 年电力发展规划中明确提出了发电节水的问题，必须着力发展适用于水资源短缺地区的节水型烟气污染控制技术；此外，工业用水成本逐步升高，2012 年，国家修订了取水定额标准，将火力发电取水定额在2002 年的基础上下调了30% 以上；2015 年4 月，我国出台了《水污染防治行动计划》（简称“水十条”），提出了严格的水污染防治目标，燃煤电厂面临着巨大的节水减排压力，而我国大部分新建燃煤机组选址在西部产煤缺水地区，节水降耗需求迫切，经济有效的节水降耗措施将对我国建设环境友好型、资源节约型社会意义重大。如何减少脱硫后水蒸汽及余热的排放，是燃煤电厂节水降耗的重点方向之一。由于烟气中水分及潜热的耦合效应，有效的烟气除湿技术可同时回收水分及潜热，降低电厂水耗及排烟损失，并从根本上解决烟囱腐蚀及“白烟”现象。

当前，上海、浙江、天津、邯郸等已先后出台或制定地方政策，积极推进烟羽治理工作。上海市于2016年1月29日颁布了《燃煤电厂大气污染物排放标准》（DB31/963-2016），要求“燃煤发电锅炉应采取烟温控制及其他有效措施消除石膏雨、有色烟羽等现象”；《上海市燃煤电厂石膏雨和有色烟羽测试》提出了具体技术要求；浙江省于2017年8月28日发布了《燃煤电厂大气污染物排放标准》（征求意见稿），要求“位于城市主城区及环境空气敏感区的燃煤发电锅炉应采取眼温控制及其他有效措施消除石膏雨、有色烟羽等现象”；天津市于2017年10月21日发布了《关于进一步加强我市火电、钢铁等重点行业大气污染深度治理有关工作的通知》，要求“发电燃煤锅炉（已安装湿电除外）等应采用烟温控制及其他有效措施消除石膏雨、有色烟羽等现象”；邯郸市于2017年10月16日发布了《邯郸市大气污染防治工作领导小组办公室关于全市各类电厂和重点行业无组织排放治理实施意见》，2017年12月底前，各类电力企业要消除烟囱冒白烟问题。此外，衡水、荆门等地环保局也要求当地电厂安装烟气再热装置提高排烟温度，消除大白烟，提高污染物扩散效果。

白烟不仅产生视觉污染，对会加重环境污染。在较高的相对湿度条件下，气溶胶粒子会吸收大气中的水汽，同时，这层水膜也是可溶性污染物气体NOx、SO2进入气溶胶颗粒的通道，在这里NOx、SO2、SO3发生液相传质和非均相氧化反应，二次转化为硝酸、亚硝酸、硫酸和盐，阻碍污染物干态扩散的同时使气溶胶酸化并形成危害更大的二次气溶胶颗粒。

可见，烟气消白羽尤其是湿法脱硫领域烟气消白羽有很大的市场需求，有望成为一个新的环保热点。目前，烟气消白羽总体尚处于起步阶段，所采取的烟气消白羽技术路线主要有以下几种：

路线一：将湿烟气直接加热以消除白烟，该技术路线为纯升温的方式，通过改变湿烟气的相对饱和湿度来改善白烟现象，通常采用电加热、蒸汽加热等加热方式，需消耗占用机组正常发电份额或蒸汽等，能耗大、尤其是冬季消白羽成本高。也有采用GGH等间接换热的加热方式，但由于存在设备结垢、故障率高、污染物泄漏等问题，目前主流火电机组已基本取消GGH换热而采用湿烟气直排的方式。该技术路线无法回收烟气中的水分、不节水，也不能降低烟气中所含污染物的排放量，仅仅实现视觉污染消除。

路线二：将湿烟气直接冷凝降温至常温消除白烟，该技术路线为纯冷凝的方式，通过降低湿烟气的含湿量来消除白烟，一般在海水脱硫或有充足冷源的情况下考虑，但通常只能在一定程度上减轻白烟现象，无法较彻底地消除白烟。

路线三：采用湿式电除尘（雾）等方式高效脱除湿烟气所携带的液滴，但该技术路线只能在一定程度上减轻白烟现象，无法较彻底地消除白烟。

路线四：采用冷凝等方式将湿烟气先除湿、再加热消除白烟，该技术路线为除湿+再热方式，可实现较理想的消白效果，但目前通常采用的电加热、蒸汽加热等加热方式，需消耗占用机组正常发电份额或蒸汽等，其节能效果有待改善。

我国的太阳能资源十分丰富，每年有2/3的陆地面积可接收到2200h及以上的太阳光照射，年太阳能辐照强度可达到3340~8400MJ/m²，日照条件更好的地区可达到5852 MJ/m²。我国境内太阳能辐照强度强的地区主要有西藏、青海、新疆、甘肃、内蒙古、山西、陕西、河北、山东、辽宁、吉林、云南、广东、福建以及海南等地，在上述地区，均建有大型的太阳能光伏电站项目以及太阳能光热应用系统，同时，民用太阳能热水器、太阳能路灯等设施也得到大面积推广。对太阳能资源的利用方便，可实现对资源的合理应用，保护环境。

太阳能虽然是一种清洁可再生能源，使用潜力巨大，但易受天气、气候以及昼夜影响，能量供应具有不稳定性，为了保证能量持续可靠供应，需要其他能源形式与太阳能进行互补集成。余热利用是一种可行的互补方式。

对于工业余热，特别是烟气余热可通过不同的热力循环方式对热量进行回收再利用，对工业生产以及动力机械排出的低温烟气余热进行回收，将热能转化为电量、冷量向用户提供，同时减少温室气体的排放，通过对烟气进行余热回收利用，可进一步提高原机组总体发电效率。有机朗肯循环（Organic Rankine Cycle, 简称ORC）技术是一种新型环保型的发电技术，其基本原理与常规的朗肯循环类似，两者最大的区别是有机朗肯循环的工质是低沸点、高蒸汽压的有机工质，而不是水。有机朗肯循环发电技术克服了常规水蒸汽朗肯循环发电技术存在的系统构成复杂、管道内容易结垢生锈、维修成本较高、单机容量不能太小、一般只适用于350℃以上的余热等缺点，适用于温度高于70℃以上的低温余热源。在缺水地区，有机朗肯循环发电可优先使用空气冷却的冷凝器。常规锅炉出口烟气温度通常在150℃左右，可与有机朗肯循环系统实现良好匹配。

鉴于烟气消白羽的特性，常规技术虽然能够取得一定效果，但是或存在消白效果欠佳，或存在消白能耗过大，或存在无法节水和无法协同治理污染物等不足，与当前节能的大趋势和环保的新需求存在一定的差距。亟需能够全天候消除白色烟羽视觉污染，同时节水、节能，并可协同脱除细微颗粒物等污染物，节能环保综合效果突出的新技术。

因此，现在有必要开发一种基于有机朗肯循环烟气余热利用与太阳能利用互补的全天候烟气消白羽系统，能够实现更加节能环保；系统适应性广，高效可靠、使用方便，应用前景广阔，具有很好的经济效益和环境效益。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是，提供一种基于有机朗肯循环烟气余热利用与太阳能利用互补的全天候烟气消白羽系统，能够实现更加节能环保；系统适应性广，高效可靠、使用方便，应用前景广阔，具有很好的经济效益和环境效益。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：该基于烟气余热与太阳能互补的全天候烟气消白羽系统，包括锅炉、脱硫塔、有机朗肯循环系统、烟气冷却系统和烟气再热系统；所述锅炉通过脱硫塔入口烟道与所述脱硫塔的入口相连接，所述脱硫塔入口烟道上连接有机朗肯循环系统，所述锅炉燃烧产生的烟气通过有机朗肯循环系统后经脱硫塔入口烟道送入脱硫塔中；所述脱硫塔的出口通过脱硫塔出口烟道与烟囱相连接通；所述脱硫塔出口烟道上依次连接有烟气冷却系统和烟气再热系统；将所述锅炉燃烧产生的烟气依次经过所述烟气冷却系统和所述烟气再热系统后再进入所述烟囱。

采用上述技术方案，利用烟气余热发电的有机朗肯循环系统、烟气冷却系统和烟气再热系统三个子系统有机互补协调运行，当日照条件良好时以利用太阳能发电的烟气再热系统发电为主、有机朗肯循环系统发电为辅，供应烟气再热系统和烟气冷却系统工作所需电能；当日照条件欠佳时以利用有机朗肯循环系统发电为主、太阳能发电的烟气再热系统发电为辅，供应烟气再热系统和烟气冷却系统工作所需电能；这样则可以实现24小时自给自足的供电，使烟气冷却系统可以全天候工作；通过烟气冷却系统降低湿烟气温度，可降低湿烟气的绝对饱和湿度，回收一部分冷凝水，冷凝水可直接引回脱硫塔，或者用作其他用途，从而实现节水的目的；同时，烟气中的一部分细微颗粒等污染物可随冷凝水、液滴带出，即在烟气消白的同时可实现节水、协同脱除部分污染物的作用。

本实用新型进一步改进在于，所述有机朗肯循环系统包括蒸发器a、膨胀机、发电机、冷凝器a和工质泵，所述蒸发器a安装于所述脱硫塔入口烟道上，所述蒸发器a与所述膨胀机的一端相连接，所述膨胀机的另一端与所述冷凝器a的一端相连接，所述冷凝器a另一端通过所述工质泵与所述蒸发器a相连接；所述膨胀机还连接有发电机；所述蒸发器a依次与膨胀机、冷凝器a和工质泵形成一个回路。采用有机朗肯循环系统可实现自身循环发电，从而为烟气冷却系统进行烟气消白提供电能。

本实用新型进一步改进在于，所述烟气冷却系统包括冷凝器b、节流阀、蒸发器b和压缩机，所述冷凝器b安装于所述脱硫塔出口烟道上，所述冷凝器b与所述压缩机的一端相连接，所述压缩机的另一端与所述蒸发器b的一端相连接，所述蒸发器b的另一端与所述节流阀的一端相连接，所述节流阀另一端与所述冷凝器b相连接，所述冷凝器b依次与所述压缩机、蒸发器b和节流阀形成一个回路。通过烟气冷却系统降低湿烟气温度，可降低湿烟气的绝对饱和湿度，回收一部分冷凝水，冷凝水可直接引回脱硫塔，或者用作其他用途，从而实现节水的目的；同时，烟气中的一部分细微颗粒等污染物可随冷凝水、液滴带出，即在烟气消白的同时可实现节水、协同脱除部分污染物的作用。

本实用新型进一步改进在于，所述烟气再热系统包括电加热器、太阳能电池组件、控制器、蓄电池和逆变器，所述电加热器安装在所述脱硫塔出口烟道上，所述太阳能电池组件与所述控制器相连接，所述控制器与所述逆变器相连接，所述逆变器连接在所述电加热器上，所述控制器与所述逆变器之间连接有蓄电池。采用烟气再热系统，通过太阳能电池组件发电，在当日照条件良好时以利用太阳能发电的烟气再热系统发电为主；当发电量多的时候可以蓄电池将电能存储起来。

本实用新型进一步改进在于，所述锅炉与所述脱硫塔入口烟道之间连接有风机，用于给烟气增压，克服烟气沿程阻力。

本实用新型进一步改进在于，所述烟气冷却系统还包括疏水器，所述疏水器安装在所述冷凝器b的底部，用于将烟气降温过程中产生的冷凝水导出。导出的烟气冷凝水可直接引回脱硫塔，或者用作其他用途，从而实现节水的目的；同时，烟气中的一部分细微颗粒等污染物可随冷凝水、液滴带出，即在烟气消白的同时可实现节水、协同脱除部分污染物的作用。

本实用新型进一步改进在于，所述烟气再热系统还包括直流负载，所述直流负载与所述控制器相连接。这样的设置可以使太阳能电池组件发电的电量直接供直流负载使用。

本实用新型还要解决的技术问题是，提供一种基于有机朗肯循环烟气余热利用与太阳能利用互补的全天候烟气消白羽的方法，能够实现更加节能环保；系统适应性广，高效可靠、使用方便，应用前景广阔，具有很好的经济效益和环境效益。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：基于烟气余热与太阳能互补的全天候烟气消白羽的方法，包括以下步骤：

（1）锅炉燃烧产生的烟气经风机增压后在脱硫塔入口烟道通过有机朗肯循环系统后送入脱硫塔进行脱硫；其中烟气进入脱硫塔入口烟道后，工质在蒸发器a中从烟气中吸收热量产生有机蒸气，进而推动膨胀机旋转，带动发电机发电，在膨胀机做完功的乏气进入冷凝器a中重新冷却为液体，由工质泵打入蒸发器a，循环工作；

（2）经脱硫塔脱硫后出来的湿烟气进入脱硫塔出口烟道依次经过烟气冷却系统和烟气再热系统后送入烟囱；其中湿烟气进入脱硫塔出口烟道后，工质在冷凝器b中从烟气中吸热后，经节流阀进入蒸发器b，再经压缩机进入冷凝器b，形成循环工作；太阳能经由太阳能电池组件发电产生电能，通过控制器控制再通过逆变器转化为交流电供电加热器工作加热烟气，烟气经电加热器加热升温后经由烟囱排放。

利用烟气余热发电的有机朗肯循环系统、烟气冷却系统和烟气再热系统三个子系统有机互补协调运行，当日照条件良好时以利用太阳能发电的烟气再热系统发电为主、有机朗肯循环系统发电为辅，供应烟气再热系统和烟气冷却系统工作所需电能；当日照条件欠佳时以利用有机朗肯循环系统发电为主、太阳能发电的烟气再热系统发电为辅，供应烟气再热系统和烟气冷却系统工作所需电能；可全天候消除白色烟羽视觉污染，同时节水节能，并可协同脱除细微颗粒物等污染物。

与现有技术相比，本实用新型具有的有益效果是：通过烟气余热发电的有机朗肯循环系统、烟气冷却系统和烟气再热系统三个子系统有机配合，可实现湿烟气白色烟羽的高效消除：

（1）通过利用烟气余热发电的有机朗肯循环系统、烟气冷却系统和烟气再热系统三个子系统有机互补协调运行，一方面可保证全天候消白羽，一方面可有效提升整体系统运行的经济性和可靠性，保证长期稳定运行；

（2）烟气冷凝水可直接引回脱硫塔，或者用作其他用途，从而实现节水的目的；

（3）烟气中有一部分细微颗粒等污染物在烟气中的水分冷凝析出时会随冷凝水带出，从而有利于进一步提升烟气净化效果；

（4）可实现全天候烟气消白羽，更加节能环保，系统适应性广，高效可靠、操作方便，应用前景广阔，具有很好的经济效益和环境效益。

附图说明

下面结合附图进一步描述本实用新型的技术方案：

图1是本实用新型基于烟气余热与太阳能互补的全天候烟气消白羽系统结构图；

其中：1-锅炉；2-风机；3-蒸发器a；4-膨胀机；5-发电机；6-冷凝器a；7-工质泵；8-脱硫塔入口烟道；9-脱硫塔；10-冷凝器b；11-压缩机；12-蒸发器b；13-节流阀；14-疏水器；15-电加热器；16-太阳能电池组件；17-控制器；18-直流负载；19-蓄电池；20-逆变器；21-脱硫塔出口烟道；22-烟囱。

具体实施方式

为了加深对本实用新型的理解，下面将结合附图和实施例对本实用新型做进一步详细描述，该实施例仅用于解释本实用新型，并不对本实用新型的保护范围构成限定。

实施例1：该基于烟气余热与太阳能互补的全天候烟气消白羽系统，包括锅炉1、脱硫塔9、有机朗肯循环系统、烟气冷却系统和烟气再热系统；所述锅炉1通过脱硫塔入口烟道8与所述脱硫塔9的入口相连接，所述脱硫塔入口烟道8上连接有机朗肯循环系统，所述锅炉1燃烧产生的烟气通过有机朗肯循环系统后经脱硫塔入口烟道8送入脱硫塔9中；所述脱硫塔9的出口通过脱硫塔出口烟道21与烟囱22相连接通；所述脱硫塔9出口烟道上依次连接有烟气冷却系统和烟气再热系统；将所述锅炉1燃烧产生的烟气依次经过所述烟气冷却系统和所述烟气再热系统后再进入所述烟囱22；所述有机朗肯循环系统包括蒸发器a 3、膨胀机4、发电机5、冷凝器a 6和工质泵7，所述蒸发器a 3安装于所述脱硫塔入口烟道8上，所述蒸发器a 3与所述膨胀机4的一端相连接，所述膨胀机4的另一端与所述冷凝器a 6的一端相连接，所述冷凝器a 6另一端通过所述工质泵7与所述蒸发器a 3相连接；所述膨胀机4还连接有发电机5；所述蒸发器a 3依次与膨胀机4、冷凝器a 6和工质泵7形成一个回路；所述烟气冷却系统包括冷凝器b 10、节流阀13、蒸发器b 12和压缩机11，所述冷凝器b 10安装于所述脱硫塔出口烟道21上，所述冷凝器b 10与所述压缩机11的一端相连接，所述压缩机11的另一端与所述蒸发器b 12的一端相连接，所述蒸发器b 12的另一端与所述节流阀13的一端相连接，所述节流阀13另一端与所述冷凝器b 10相连接，所述冷凝器b 10依次与所述压缩机11、蒸发器b 12和节流阀13形成一个回路；所述烟气再热系统包括电加热器15、太阳能电池组件16、控制器17、蓄电池19和逆变器20，所述电加热器15安装在所述脱硫塔出口烟道21上，所述太阳能电池组件16与所述控制器17相连接，所述控制器17与所述逆变器20电连接，所述逆变器20连接在所述电加热器15上，所述控制器17与所述逆变器20之间连接有蓄电池19；所述锅炉1与所述脱硫塔入口烟道8之间连接有风机2，用于给烟气增压；所述烟气冷却系统还包括疏水器14，所述疏水器14安装在所述冷凝器b 10的底部，用于将烟气降温过程中产生的冷凝水导出；所述烟气再热系统还包括直流负载18，所述直流负载18与所述控制器17相连接。

采用上述技术方案，利用烟气余热发电的有机朗肯循环系统、烟气冷却系统和烟气再热系统三个子系统有机互补协调运行，当日照条件良好时以利用太阳能发电的烟气再热系统发电为主、有机朗肯循环系统发电为辅，供应烟气再热系统和烟气冷却系统工作所需电能；当日照条件欠佳时以利用有机朗肯循环系统发电为主、太阳能发电的烟气再热系统发电为辅，供应烟气再热系统和烟气冷却系统工作所需电能；通过烟气冷却系统降低湿烟气温度，可降低湿烟气的绝对饱和湿度，回收一部分冷凝水，冷凝水可直接引回脱硫塔9，或者用作其他用途，从而实现节水的目的；同时，烟气中的一部分细微颗粒等污染物可随冷凝水、液滴带出，即在烟气消白的同时可实现节水、协同脱除部分污染物的作用。利用烟气冷却系统，将烟气温度降低5℃以上，可大幅降低湿烟气的绝对含湿量，显著减轻白烟现象。以烟气量约10万Nm³/h，烟气温度从50℃降低至45℃，即降温5℃为例，可析出冷凝水约2t/h。以通常石灰石-石膏湿法脱硫浆液成分考虑，携带的液滴含石膏等固体物质约10～20%，部分细微颗粒、气溶胶等作为凝结核随冷凝水析出除去，烟气中的部分气体组分被冷凝水吸收或反应，使得排烟中SO2、NOx、盐分等有害物质的含量减少。之后，再利用烟气再热系统，将烟气温度再升高5℃以上，可有效降低湿烟气的相对含湿量。以烟气温度从45℃升高至50℃，即升温5℃为例，将湿烟气的相对含湿量（RH）由100%降至75%以下，可消除白烟现象。

基于烟气余热与太阳能互补的全天候烟气消白羽的方法，包括以下步骤：

（1）锅炉1燃烧产生的烟气经风机2增压后在脱硫塔入口烟道8通过有机朗肯循环系统后送入脱硫塔9进行脱硫；其中烟气进入脱硫塔入口烟道8后，工质在蒸发器a 3中从烟气中吸收热量产生有机蒸气，进而推动膨胀机4旋转，带动发电机5发电，在膨胀机4做完功的乏气进入冷凝器a 6中重新冷却为液体，由工质泵7打入蒸发器a，循环工作；

（2）经脱硫塔9脱硫后出来的湿烟气进入脱硫塔出口烟道21依次经过烟气冷却系统和烟气再热系统后送入烟囱22；其中湿烟气进入脱硫塔出口烟道21后，工质在冷凝器b 10中从烟气中吸热后，经节流阀进入蒸发器b 12，再经压缩机11进入冷凝器b，形成循环工作；太阳能经由太阳能电池组件16发电产生电能，通过控制器17控制再通过逆变器20转化为交流电供电加热器工作加热烟气，烟气经电加热器加热升温后经由烟囱排放。

通过烟气余热发电的有机朗肯循环系统、烟气冷却系统和烟气再热系统三个子系统有机互补协调运行，当日照条件良好时以利用太阳能发电的烟气再热系统发电为主、有机朗肯循环系统发电为辅，供应烟气再热系统和烟气冷却系统工作所需电能；当日照条件欠佳时以利用有机朗肯循环系统发电为主、太阳能发电的烟气再热系统发电为辅，供应烟气再热系统和烟气冷却系统工作所需电能。

对于本领域的普通技术人员而言，具体实施例只是对本实用新型进行了示例性描述，显然本实用新型具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本实用新型的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本实用新型的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本实用新型的保护范围之内。