一种深度回收湿烟气中水资源的装置及方法与流程

本发明涉及资源与环境保护领域，尤其涉及一种深度回收湿烟气中水资源的装置及方法。

背景技术：

我国是一个富煤、缺水、贫气的国家，全球煤炭产量近半来自中国，2016年中国煤炭产量34.11亿吨原煤，居于全球第一位，占比高达45.7％。同时，我国还是煤炭消耗大国，煤炭在能源消费结构中占主导，煤炭消耗量占一次能源消耗总量70％以上，且以工业、电力燃煤为主，占煤炭总消费比超过90％，民用燃煤为辅。在今后很长一段时期内，煤炭仍将作为我国及新疆自治区最主要的一次能源这一现状无法改变。

我国淡水资源总量为28000亿立方米，人均占有量不及世界平均水平的1/3，是全球人均水资源最匮乏的国家之一。我国水资源分布极不均衡，长江流域及其以南地区国土面积只占全国的36.5％，其水资源量占全国的81％；淮河流域及其以北地区的国土面积占全国的63.5％，其水资源量仅占全国水资源总量的19％。

我国煤电产能发达地区与高水资源压力地区高度契合。2015年，煤电基地整个产业链的需水量总计约99.75亿立方米，其中采煤产业需水总量占总产业需水量的66.6％，火电行业占总产业需水量的22.2％，煤化工产业占11.1％，这个数字相当于黄河正常年份可供分配水量370亿立方米的四分之一以上。2016年全国已运行燃煤电厂中，4.37亿千瓦的煤电装机量位于高水压力地区，占全国煤电装机量的47.8％，其总耗水量为25.73亿m3。高密度煤电产业进一步加剧了区域性水资源危机，尤其是新疆、内蒙等缺水地区。

湿法脱硫装置是煤电机组主要耗水单元之一，以300mw机组为例，脱硫系统每小时消耗水约60m³，年耗水量约50万吨。同时，火电机组湿法脱硫装置在运行过程中，高湿脱硫尾气以水蒸气形式向环境排放大量水分，一台300mw燃煤机组满负荷运行时，脱硫装置每小时向环境排放水蒸气约120吨，年耗排放水量约100万吨，煤电机组湿法脱硫装置向环境排放水量远大于湿法脱硫装置耗水量。按照燃烧吨煤排放烟气10000nm³、湿烟气所含水分112g/nm³估算，每燃烧1吨煤，湿烟气带走水份约1吨，主要包括煤中原始含水、湿法脱硫蒸发水。我国年消耗煤34-37亿吨，则燃煤锅炉烟气脱硫装置每年排入大气的水份高达三十多亿吨。湿法脱硫装置在运行过程中，向环境空气中排放的湿烟气造成了大量的水资源流失。

将湿法脱硫高湿尾气中水资源回收不仅可使火电机组脱硫实现零水耗，还能提供部分新的水源。目前，我国的高湿烟气水资源回收技术还处于起步阶段。

技术实现要素：

本发明提供了一种深度回收湿烟气中水资源的装置及方法，首先采用一段管式冷凝除雾器除去湿法洗涤后近饱和的湿烟气中携带的脱硫浆液滴，初步完成湿烟气冷凝降温饱和，饱和湿烟气经二段冷凝降温完成一级水资源回收和烟气污染物深度净化，洁净饱和湿烟气通过三段冷凝降温使烟气达到过饱和，经四段冷凝降温除雾完成二级收水，其中一级回收水经沉淀净化处理后作为湿法脱硫系统制浆用水和系统补充水，二级回收的洁净水作为其他工业生产用水，实现湿法脱硫系统零水耗运行，降低工业厂区生产水耗，同时协同治理烟气中多种污染物。

具体技术方案如下：

一种深度回收湿烟气中水资源的装置，包括脱硫塔、脱硫循环泵、冷凝降温循环泵、空冷塔；

所述脱硫塔底部侧壁上设有烟气入口、顶部设有烟气出口，底部为塔釜；所述脱硫塔内且位于烟气入口上方由下至上依次设置脱硫喷淋层、烟气预冷凝层、脱浆除雾层、积液层、深度冷凝降温层和冷凝收水层；

所述脱硫喷淋层通过脱硫循环泵的进出口管道与塔釜连通；

所述空冷塔包括塔体和设置在塔体内的降温喷淋层；所述塔体底部设有空气入口，顶部设有空气出口；

所述烟气预冷凝层、脱浆除雾层、深度冷凝层和冷凝收水层内部均设有冷凝液管道，冷凝液管道的入液口通过管路与冷凝降温循环泵出口连通，冷凝液管道的出液口通过管路与空冷塔降温喷淋层的入液口连通；所述的脱浆除雾层和积液层底部设有排液口，并通过管道与脱硫塔外部连通。

优选的，烟气预冷凝层、脱浆除雾层、深度冷凝层和冷凝收水层内部冷凝液管道的入液口设置有调节阀控制冷凝液流量，从而控制每层的烟温降幅。

烟气从烟气入口进入脱硫塔内，脱硫循环泵将塔釜内的脱硫浆液输送至脱硫喷淋层，经脱硫喷淋层的喷雾嘴喷出，对烟气进行脱硫洗涤，脱硫浆液重新落回塔釜。

烟气预冷凝层对携带脱硫浆液液滴的烟气进行初步冷凝降温，使其达到过饱和状态。

优选的，所述烟气预冷凝层内设置若干管栅式冷凝器模块，每个管栅式冷凝器模块由若干层等间距分布的空心换热管和支撑固定部件组成，冷凝液在空心换热管内流通。空心换热管入口通过管路与冷凝降温循环泵出口连接，空心换热管出口通过管路与空冷塔中的降温喷淋层连接。

进一步优选的，所述烟气预冷凝层高度为0.1m-0.5m，空心换热管设置层数为2-4层，烟气预冷凝层的烟温降幅为0.2℃-2℃。

所述的脱浆除雾层位于烟气预冷凝层上方，完成对过饱和湿烟气冷凝降温并去除烟气中残留的浆液雾滴和颗粒物。

优选的，所述脱浆除雾层由脱浆除雾模块、支撑梁和导液槽组成，所述脱浆除雾模块内穿设有上下两层冷凝管，若干脱浆除雾模块倾斜对称放置于支撑梁上，上部带有导液板的导液槽安装于相邻两个脱浆除雾模块底部并固定于支撑梁外侧，导液槽的一端设有与脱硫塔外部连通的排液口。

脱浆除雾模块倾斜对称设置，可以增加烟气过流面积，降低烟气流速，延长烟气在脱浆除雾层停留时间，有利于脱浆除雾收水。

饱和湿烟气与脱浆除雾层中的脱浆除雾模块接触，部分水蒸气凝结成细小雾滴，与脱浆除雾模块壁面接触形成液膜，同时烟气中的颗粒粉尘与小雾滴聚并长大，被液膜捕获，液膜沿着倾斜的脱浆除雾模块壁面降至底端，落入下方的导液槽中，完成一级收水并由导液槽排出口排出脱硫塔外。

进一步优选的，脱浆除雾层中脱浆除雾模块的高度为0.5m-1.5m，脱浆除雾层的烟温降幅为0.5℃-3℃。

所述积液层位于深度冷凝降温层和冷凝收水层下方，用于收集深度冷凝降温层和冷凝收水层产生的冷凝水，通过出口排出脱硫塔外。

所述深度冷凝降温层位于积液层上方，对洁净饱和湿烟气进行降温，使烟气中水蒸气达到过饱和冷凝析出液滴。

优选的，所述深度冷凝降温层内设置若干层管片式冷凝换热器；所述管片式冷凝换热器由若干等间距布置的金属折叠叶片和上下两排等间距垂直穿过金属折叠叶片的冷凝管组成，每根上层冷凝管的一端与相邻一根下层冷凝管连通，且上层冷凝管为冷凝液入液管，下层冷凝管为冷凝液出液管。

进一步的，所述的冷凝管为波纹管，波纹管增加冷凝液在管内的湍流程度，减少管内边界层热阻，金属折叠叶片一方面增加换热面积从而增加烟气降温幅度，另一方面可接触烟气中冷凝析出的雾滴，同时对整个换热器模块起固定支撑作用。

进一步优选的，每层管片式冷凝换热器的入液口设置阀门控制冷凝液流量，出液口通过管路与空冷塔中的降温喷淋层连通。可根据入口烟气温度和湿度调节运行冷凝换热器的层数。

进一步优选的，所述深度冷凝降温层中，单层冷凝换热器的高度为0.1m-0.5m，层间距为0.1m-1.5m，单层冷凝换热器的烟温降幅为5℃-10℃。

优选的，所述冷凝收水层设有若干倾斜对称放置的冷凝收水模块，每个冷凝收水模块内穿设有上下两层冷凝管，每层冷凝管沿冷凝收水模块倾斜方向等间距分布，且每根上层冷凝管的一端与相邻下层冷凝管的一端连通，且上层冷凝管为冷凝液入液管，下层冷凝管为冷凝液出液管。

将冷凝收水层中的冷凝收水模块倾斜对称放置可降低烟气流速，完成对烟气冷凝降温，增加单位体积内烟气中水雾滴的密度，增大水雾滴碰撞聚并长大概率，同时对三段冷凝和四段冷凝水雾滴收水。

进一步优选的，冷凝收水层的高度为0.3m-1.0m，冷凝收水层的烟温降幅为1℃-10℃。

冷空气从空冷塔底部进入，与降温喷淋层喷出的冷凝液逆流接触、换热，对冷凝液进行降温，换热后的空气从塔顶排出。

优选的，冷凝液在空冷塔内的降温幅度为5℃-20℃。

本发明还提供了一种深度回收湿烟气中水资源的方法，包括：

(1)低温冷凝液由冷凝降温循环泵送入烟气预冷凝层、脱浆除雾层、深度冷凝层和冷凝收水层中的冷凝液管道入液口，进入冷凝液管道；

(2)完成湿法脱硫后的烟气进入烟气预冷凝层，与烟气预冷凝层进行换热降温，脱硫后烟气冷凝至饱和或微过饱和状态；

(3)完成预冷凝的饱和湿烟气进入脱浆除雾层，去除浆液中携带的浆液液滴和粉尘颗粒物，并在脱浆除雾层中继续降温冷凝，水蒸气生成的部分冷凝水对脱浆除雾层进行自清洗，防止脱浆除雾层堵塞；

(4)完成脱浆除雾后的过饱和烟气进入深度冷凝降温层进行多级深度冷凝，烟气中大部分水蒸气冷凝降温生成液态冷凝水；

(5)完成深度冷凝的烟气经冷凝收水层除雾收水后由脱硫塔顶部烟气出口排放；

(6)完成对脱硫尾气冷凝换热的高温冷凝液由冷凝液出液口通过管路送至空冷塔降温喷淋层冷凝降温后，作为冷凝液循环使用。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

(1)本发明提供了一种能实现脱硫尾气水资源回收装置稳定运行解决方案，采用冷凝管删将脱硫后烟气预冷凝至饱和后再进行收水，并利用冷凝过程产生的冷凝水对收水装置进行自清洗，防止冷凝收水过程由于烟气不饱和导致冷凝单元表面粘附浆液及粉尘造成装置结垢堵塞，大幅提高冷凝收水装置的运行稳定性；

(2)本发明提供了一种深度回收湿烟气中清洁水资源的解决方案，通过对烟气进行预冷凝和脱浆除雾，去除烟气中的大部分石膏浆液和粉尘颗粒物，大幅降低了深度冷凝过程产生的冷凝水中杂质含量，实现湿法脱硫尾气直接回收清洁水资源；

(3)本发明提供了一种工业厂区低水耗或近零水耗生产解决方案，通过湿烟气进行深度冷凝，回收湿烟气中的大量水资源并进行资源化利用，降低厂区整体水耗，在低水耗厂区可实现近零水耗生产。

附图说明

图1为深度回收湿烟气中水资源的装置结构示意图；

图2为管栅式冷凝器模块的结构示意图；

图3为脱浆除雾层局部结构示意图；

附图中的附图标记如下：

1、脱硫塔；2、脱硫循环泵；3、冷凝降温循环泵；4、空冷塔；1-1、脱硫喷淋层；1-2、烟气预冷凝层；1-2-1、空心换热管；1-2-2、支撑固定部件；1-3、脱浆除雾层；1-3-1、积液槽；1-3-2、冷凝换热模块；1-4、积液层；1-5、深度冷凝层；1-6、冷凝收水层。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

如图1所示，一种深度回收湿烟气中水资源的装置包括脱硫塔1、脱硫循环泵2、冷凝降温循环泵3、空冷塔4、冷凝循环水管路。

其中脱硫塔1底部侧壁设置烟气入口、顶部设置烟气出口、塔内底部为塔釜。脱硫塔1内进烟口上方由下至上设置脱硫喷淋层1-1、烟气预冷凝层1-2、脱浆除雾层1-3、积液层1-4、深度冷凝降温层1-5、冷凝收水层1-6。

脱硫喷淋层1-1内至少设置两层喷淋器，喷淋器入液口与塔釜通过管路连通，脱硫循环泵2设置在管路上，将塔釜内的洗涤液输送至喷淋器，对由烟气入口进入的烟气进行脱硫洗涤。

空冷塔4包括塔体和塔体内的冷凝液降温喷淋层，塔体底部设置空气入口，塔体顶部设置空气出口。

烟气预冷凝层1-2、脱浆除雾层1-3、深度冷凝降温层1-5、冷凝收水层1-6中均设有冷凝液管道，冷凝液管道的入液口通过管路与冷凝降温循环泵出口连通，冷凝液出液口通过管路与空冷塔降温喷淋层入液口连通。冷凝液由冷凝降温循环泵3从空冷塔4的底部抽取输送，冷凝换热器的冷凝液出口均通过管路溢流至空冷塔4的喷淋层，经喷雾雾化喷出细小液滴与上升的冷空气对流换热冷凝降温，将冷凝液降温5℃-20℃，每层冷换热器的冷凝液入口均设置冷凝液调节阀控制冷凝液流量。

烟气预冷凝层1-2由若干管式冷凝除雾器模块组成，如图2所示，管式冷凝除雾器模块由空心换热管1-2-1和支撑固定部件1-2-2组成，空心换热管1-2-1入口通过管路与冷凝降温循环泵3出口连接，空心换热管1-2-1出口通过管路与空冷塔4中喷淋层连接。烟气预冷凝层1-2的高度为0.1m-0.5m，通过调节冷凝液控制阀控制冷凝液流量，使烟气预冷凝层1-2的烟气烟温降幅为0.2℃-2℃。烟气预冷凝层1-2完成对烟气携带脱硫喷淋液滴的去除，同时对湿烟气初步降温饱和。

如图3所示，脱浆除雾层1-3由一级收水模块和二段冷凝模块两部分组成。二段冷凝模块由若干冷凝换热模块1-3-2组合而成，冷凝换热模块1-3-2由片状折流板和换热管组成，相邻片状折流板组合成屋脊形状，片状折流板上下两侧均设置有换热管。其中一级收水模块的积液槽1-3-1位于一级冷凝除雾模块的支撑梁上，积液槽1-3-1上端口紧靠二段冷凝模块屋脊形状的下端。

片状折流板一方面增加换热面积，另一方面作为除雾核心部件收集冷凝水。相邻片状折流板组合成屋脊形状，可增加烟气过流面积，降低烟气流速，延长烟气在脱浆除雾层1-3内的停留时间，有利于二段冷凝除雾收水。为了增加烟气冷凝降温幅度，每个冷凝换热模块中的换热管进出口分别与换热主管进出口相连，换热主管进出口通过管路与空冷塔4的底部连通。脱浆除雾层1-3的冷凝模块高度为0.5m-1.5m，通过调节冷凝液控制阀控制冷凝液流量，使脱浆除雾层1-3的烟气烟温降幅为0.5℃-3℃。脱浆除雾层1-3完成对饱和湿烟气冷凝降温并除雾收水。

积液层位于脱浆除雾层1-3上方，完成对三段和冷凝收水层冷凝水收集，通过出口外排至工业用水储箱供工业生产使用。

深度冷凝降温层1-5设置若干层管片式冷凝换热器，其中管片式冷凝换热器换热单元由波纹管和翅片组成，波纹管增加冷液在管内湍流程度，减少管内边界层热阻，翅片一方面增加换热面积从而增加烟气降温幅度，另一方面去除烟气中冷凝析出的雾滴，同时对整个换热器模块固定支撑，每层换热器入口设置阀门控制冷流体流量，出口通过管路与空冷塔4中喷淋层相连接，根据入口烟气温度和湿度调节运行冷凝换热器层数。深度冷凝降温层1-5内的换热器优选设置两层，单层冷凝模块高度为0.1m-0.5m，层间距为0.1m-1.5m，单层换热器烟温降幅为5℃-10℃。

冷凝收水层1-6内的冷凝换热器与脱浆除雾层1-3的冷凝换热器类似，由若干冷凝换热模块组合成屋脊形状，降低烟气流速，完成对烟气冷凝降温，增加单位体积内烟气中水雾滴的密度，增大水雾滴碰撞聚并长大概率，同时对三段冷凝和四段冷凝水雾滴收水。冷凝换热模块由片状折流板和换热管组成，冷凝换热模块上侧设置冷液进口，下侧设置冷液出口，每个换热模块中的换热管进出口分别与换热主管进出口相连，主管进出口通过管路与空冷塔4喷淋层连通，冷凝收水层1-6的高度为0.3m-1.0m，四段冷凝换热器烟温降幅为1℃-10℃。

烟气由烟气入口进入脱硫塔1内，由脱硫喷淋层1-1进行洗涤，之后采用烟气预冷凝层1-2除去烟气携带的脱硫浆液液滴，并对湿烟气完成初步冷凝降温0.2℃-2℃，使烟气中水蒸气达到饱和状态；饱和湿烟气经过脱浆除雾层1-3，由于屋脊型冷凝换热模块增加了烟气流通截面积，从而降低烟气流速，延长烟气与冷凝换热器管或折流板壁面接触时间，烟气二次深度冷凝降温0.5℃-3℃，烟气中水蒸气达到过饱和状态，凝结成细小雾滴，细小雾滴相互聚并长大，在管或板壁处形成一层液膜沿着倾斜折流板降至底端积液槽内完成一级回收水，同时烟气中细颗粒粉尘与细小雾滴聚并成大粒径液滴撞击壁面液膜，粉尘被液膜“湮没”捕获，含有粉尘的一级回收水由积液槽排出口排出塔外，经沉淀净化处理后作为湿法脱硫系统制浆用水和系统补充水；由于湿烟气经过两段冷凝除尘除雾，得到的净化烟气为洁净饱和湿烟气，洁净饱和湿烟气上升穿过积液层1-4的积液槽，与积液层1-4上方的深度冷凝降温层1-5冷凝换热器管片壁面接触降温，深度冷凝降温层1-5内设置至少两层管片式冷凝换热器，冷凝换热器采用波纹管穿插翅片结构，波纹管加强冷流体在管内湍流程度，减少管内壁面附近热阻，翅片增加冷凝换热器换热面积，提高换热效果，单层冷凝换热器烟温降幅达5℃-10℃，烟气中饱和水蒸气再次凝结成细小水雾滴，烟气携带的水雾滴一部分与换热器翅片碰撞被捕获，在壁面处形成液膜或大液滴降落至下方的积液槽，另一部分细小雾滴随烟气进入冷凝收水层1-6，饱和水蒸气在细小雾滴表面凝结，雾滴相互碰撞聚并长大，由于冷凝收水层1-6内的冷凝换热器模块采用屋脊形排列，增加了烟气流通面积，低流速烟气携带雾滴被冷凝换热器折流板壁面捕获，下落至积液层1-4的积液槽内完成二级回收水，净烟气由烟囱排出。

以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。