一种基于异种荷电的烟气水分回收装置及其工作方法

1.本发明属于烟气节水技术领域，具体涉及一种基于异种荷电的烟气水分回收装置及其工作方法。


背景技术：

2.北方地区煤多水少，工业烟气大多呈饱和状态，回收这部分饱和烟气中的水分能够减缓北方地区干旱，并消除白雾的产生避免污染周围环境，如白雾形成的结霜对周围电力设施的影响，气候严寒出现白雾在电气设备上形成覆冰现象，构成重大安全隐患，对电气设备安全运行构成威胁，烟气中水蒸气凝结形成雾气对民航飞机的影响。
3.烟气中水雾、液滴和颗粒物在空气动力学影响下难以捕捉，仅利用除雾器不能高效去除烟气中携带的水分；但是通过凝并作用，能够使得水分长大，从而可以被更高效的收集。凝并长大的方式有电凝并、声波凝并、化学凝并、湍流团聚、磁凝并、热凝并、相变凝并等。但是现有的利用凝并作用的装置，普遍存在结构复杂、耗能较大、且回收效果欠佳等问题。


技术实现要素：

4.为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于异种荷电的烟气水分回收装置及其工作方法，结构紧凑、能耗低，能够高效回收烟气中的水分。
5.本发明是通过以下技术方案来实现：
6.本发明公开了一种基于异种荷电的烟气水分回收装置，包括壳体和壳体内沿进口至出口依次设置的冷凝装置、湍流装置和除雾装置；冷凝装置与湍流装置之间的流道均分为两部分，一部分流道内设有正电荷荷电装置，另一部分流道内设有负电荷荷电装置；壳体进口设有烟气检测单元，壳体出口设有电荷监测装置；壳体下部设有梯形收水结构，梯形收水结构的两斜边末端分别设有冷凝水回收装置和荷电凝并水回收装置。
7.优选地，壳体内设有过流面积先渐缩后渐扩的汇聚烟道，湍流装置设在汇聚烟道的渐缩部分，除雾装置设在汇聚烟道的渐扩部分。
8.优选地，烟气检测单元包括流量检测装置、温度检测装置和湿度检测装置。
9.优选地，冷凝装置包括若干顺流、逆流或者顺排错流排布的冷凝管，冷凝管外表面设有疏水层。
10.优选地，正电荷荷电装置包括第一控制器、正电荷电源和正电极，第一控制器分别与烟气检测单元和正电荷电源连接，正电荷电源与正电极连接；负电荷荷电装置包括第二控制器、负电荷电源和负电极，第二控制器分别与烟气检测单元和负电荷电源连接，负电荷电源与负电极连接。
11.进一步优选地，正电荷电源和负电荷电源为高频叠加脉冲电源；正电极和负电极为针式或感应圆环式。
12.优选地，除雾装置所在区域设置有电场，电场方向与烟气的流动方向垂直。
13.优选地，除雾装置为折流板式除雾器、屋脊式除雾器或管式除雾器中的一种或多种；湍流装置为管栅式湍流结构、球式湍流结构、圆弧板面与凸起钝体结合的湍流结构。
14.优选地，湍流装置和除雾装置的上端与壳体通过螺栓连接，下端与梯形收水结构通过榫卯结构连接。
15.本发明公开的上述基于异种荷电的烟气水分回收装置的工作方法，包括：
16.工业饱和或过饱和烟气与冷凝装置内的冷却介质进行热交换，烟气中水蒸气达到露点温度凝结，冷凝水通过重力被冷凝水回收装置收集，部分冷凝水以小液滴的形式被烟气携带离开；携带水雾、液滴和颗粒物的烟气被分为两路，正电荷荷电装置和负电荷荷电装置将水雾、液滴和颗粒物分别荷上正电荷和负电荷；在湍流装置中，带有正电荷的雾、液滴和颗粒物与带有负电荷的水雾、液滴和颗粒物相互碰撞、吸引长大，以颗粒物为凝结核长大成更大的液滴，同时，在梯形收水结构处烟道变窄，烟气速度升高，共同作用下湍流团聚液滴，最终被荷电凝并水回收装置收集；烟气检测单元监测烟气的参数，对正电荷荷电装置进行控制，电荷监测装置监测出口烟气电荷量，对负电荷荷电装置进行控制。
17.与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
18.本发明公开的一种基于异种荷电的烟气水分回收装置，耦合了冷凝机理以及异种荷电作用，对烟气水分进行高效回收，烟气首先经过冷凝装置，烟气中水分被冷凝和回收。烟气经过两个流道内的荷电装置，使得烟气中未被收集的水分和颗粒物分别荷上正、负电荷，带正、负电荷的烟气在湍流装置中凝并，且正、负电荷的水雾、液滴和颗粒物间互相吸引，使得烟气中的水雾、液滴和颗粒物等相互吸引长大。长大的水雾、液滴和颗粒物受到空气动力学影响更小，降低其气流随动性，受惯性碰撞影响更大，更容易被除雾装置收集。烟气刚进入装置时，小水雾、液滴和颗粒物受热泳力的影响较大，可以较好的被冷凝段聚集。湍流装置使得带有正、负的液滴充分混合，减少水雾、液滴被烟气携带离开。另外，与现有采用电极电网的收水装置相比，本发明的装置通过异种电荷混合长大，不需要使用带电金属网进行收集，减少了易腐蚀的装置，提高了装置寿命，减少了更换、维护的成本。
19.进一步地，除雾装置所在区域设置的电场，能够使未凝并的带电小液滴在电场力作用下与除雾器上附着的液膜碰撞，在惯性力、烟气曳力以及电场力的共同作用下将气流中夹带的液滴分离,除雾器上液膜通过重力被收集到下方的收水装置中。
20.本发明公开的上述基于异种荷电的烟气水分回收装置的工作方法，自动化程度高、能耗低，能够高效的去除烟气中的水分。
附图说明
21.图1为本发明的整体结构俯视示意图；
22.图2为本发明的整体结构正视示意图；
23.图3为湍流装置或除雾装置与梯形收水结构之间卯榫连接的结构示意图；
24.图4为除雾装置所在区域设置电场的示意图。
25.图中：1为烟气检测单元，2为第一控制器，3为冷凝装置，4为正电荷电源，5为负电荷电源，6为正电极，7为负电极，8为湍流装置，9为汇聚烟道，10为除雾装置，11为第二控制器，12为电荷监测装置，13为壳体，14为冷凝水回收装置，15为荷电凝并水回收装置，16为梯形收水结构，17为第一电极板，18为第二电极板。
具体实施方式
26.下面结合附图对本发明做进一步详细描述，其内容是对本发明的解释而不是限定：
27.如图1和图2，本发明的基于异种荷电的烟气水分回收装置，包括壳体13和壳体13内沿进口至出口依次设置的冷凝装置3、湍流装置8和除雾装置10；冷凝装置3与湍流装置8之间的流道均分为两部分，一部分流道内设有正电荷荷电装置，另一部分流道内设有负电荷荷电装置；壳体13进口设有烟气检测单元1，壳体13出口设有电荷监测装置12；壳体13下部设有梯形收水结构16，梯形收水结构16的两斜边末端分别设有冷凝水回收装置14和荷电凝并水回收装置15。
28.壳体13采用耐腐蚀高分子材料制作，更加耐用、寿命更高，同时可以将管径做的更小，有更大的表面积，耐腐蚀高分子材料有挠性，不易积累灰尘，长期使用比传统材料换热效率高。
29.在本发明的一个较优的实施例中，壳体13内设有过流面积先渐缩后渐扩的汇聚烟道9烟气更快速度进入湍流扰动装置8充分混合异种荷电，湍流扰动装置8设在汇聚烟道9中间部分，烟气快速进入湍流扰动装置8后汇聚烟道9渐扩和湍流扰动装置8阻力共同作用下烟气速度下降异种电荷间库仑力占主导静电凝并液滴，除雾装置10设在汇聚烟道9的渐扩部分。
30.在本发明的一个较优的实施例中，烟气检测单元1包括流量检测装置、温度检测装置和湿度检测装置。
31.在本发明的一个较优的实施例中，冷凝装置3包括若干顺流、逆流或者顺排错流排布的冷凝管，冷凝管外表面设有疏水层。
32.在本发明的一个较优的实施例中，正电荷荷电装置包括第一控制器2、正电荷电源4和正电极6，第一控制器2分别与烟气检测单元1和正电荷电源4连接，正电荷电源4与正电极6连接；负电荷荷电装置包括第二控制器11、负电荷电源5和负电极7，第二控制器11分别与烟气检测单元1和负电荷电源5连接，负电荷电源5与负电极7连接。优选地，正电荷电源4和负电荷电源5为高频叠加脉冲电源，能够明显提升电晕放电效果，具有电源效率较高、电源自身能耗较低、放电强度高等优点。正电极6和负电极7为针式或感应圆环式，产生空间电晕给烟气中的水雾、液滴和颗粒物分别荷上正电和负电，给冷凝装置3凝结的小液滴荷上正电和负电。正电极6和负电极7为单独模块，在耐腐蚀高分子材料的壳体13上开一个窗口，将模块化的电极放入，用壳体13和针状电极支撑梁之间形成榫卯结构，上方用螺栓与壳体固定。可选用不锈钢材质(如316l、2205等)用于形成放电通路。电极分布在电极支撑梁上，电极支撑梁采用矩形管，材质可选用碳钢，表面采用玻璃鳞片进行防腐蚀处理，电极支撑梁两端开有释放应力和腐蚀泄露观察的气孔
33.在本发明的一个较优的实施例中，湍流装置8选用管栅式湍流结构、球式湍流结构或圆弧板面与背面凸起体结合的湍流结构。管栅式湍流结构由若干交错排布的棱柱或圆柱构成，球式湍流结构由交错的球形结构组成类有似多孔介质的均布效果，圆弧板面和背面凸起体结合的湍流结构通过流体在弧形面板使烟气产生大尺度涡流、背面凸起体使烟气背面产生一系列小尺度涡流，以增加烟气扰动程度延长停留时间。湍流装置可提高塔内烟气流场的均布水平异种荷电烟气混合更充分，增强气液间的传质效果。湍流扰动装置8沿烟气
混合部分随混合后烟气方向按一定方式布置，增加烟气的湍动程度，混合更加充分。湍流装置8可以插入梯形收水结构16的上底，湍流装置8上方与壳体13为螺栓螺母结构。湍流装置8与汇聚烟道9没有接触，充分利用汇聚烟道中空间，同时湍流装置8采用模块化榫卯结构更换方便，延长整个装置的寿命。湍流装置8优选用耐腐蚀高分子材料避免烟气酸性物质和电荷对湍流装置的腐蚀。
34.在本发明的一个较优的实施例中，除雾装置10为折流板式除雾器、屋脊式除雾器或管式除雾器中的一种或多种。促进烟气均布带正负电荷的水雾、液滴和颗粒物混合更加均匀，可以拦截长大的水雾、液滴等。优选地，除雾装置10设在汇聚烟道9的渐扩部分；各除雾装置10之间通过加强筋进行连接形成一个整体，强度更高同时便于更换。除雾装置10采用不锈钢(如316l、2205等)、耐腐蚀高分子材料材质。模块化处理将除雾装置10作为一个单独可以更换的模块，延长整个装置的寿命。
35.如图4，在本发明的一个较优的实施例中，壳体13内预埋有第一电极板17和第二电极板18，烟气携带液滴经过除雾器叶片，通过惯性作用和电场力收集烟气中的液滴，在湍流装置8液滴凝聚长大，但是仍存在部分未凝并的荷电小液滴，这部分荷电小液滴惯性小不易被除雾器收集，结合除雾装置上方壳体包裹的第一电极板17和除雾装置下方壳体包裹的第二电极板18生成一个垂直方向的电场，上下极板通过电源供电。荷电小液滴受电场力作用弥补了惯性小被烟气曳力携带的问题，小液滴与除雾器壁面碰撞被壁面液膜捕集。除雾器上液膜受重力作用流下被除雾装置10下方的荷电凝并水回收装置15收集。
36.在本发明的一个较优的实施例中，湍流装置8和除雾装置10的上端与壳体13通过螺栓连接，下端与梯形收水结构16通过榫卯结构连接。榫卯结构与螺栓螺帽结构相结合，便于拆装更换。
37.上述基于异种荷电的烟气水分回收装置在工作时：
38.工业饱和或过饱和烟气经过冷凝装置3与耐腐蚀高分子材料内冷却介质进行热交换，烟气中水蒸气达到露点温度凝结，冷凝水由耐腐蚀高分子材料的疏水表面通过重力被收集，部分冷凝水以小液滴的形式被烟气携带离开。携带水雾、液滴和颗粒物的烟气被分为两路，电极空间荷电将水雾、液滴和颗粒物荷上正电荷和负电荷。在湍流装置8，正电荷液滴与负电荷水雾、液滴和颗粒物相互碰撞、吸引长大，以颗粒物为凝结核长大成更大的液滴，监测入口烟气状态通过第一控制器2控制正电荷电源4给烟气荷正电。烟道变窄烟气速度升高和湍流装置8共同作用湍流团聚液滴，电荷监测装置12监测出口烟气电荷量，第二控制器11控制负电荷电源5给烟气荷负电。湍流团聚是利用流场的扰流作用，由碰撞效率公式计算在不同粒径下的小液滴的收集情况，分别带入液滴直径可以得到，对于凝结雾滴与颗粒碰撞效率，颗粒粒径越小，布朗扩散作用的影响越占主导；颗粒粒径越大，惯性碰撞所起作用越大。所以在小颗粒和小液滴荷电后可以更好的优化碰撞从而更利于团聚收集。未被团聚的小液滴由于荷电在除雾装置10处受电场力作用，收集这部分因为惯性小被烟气曳力作用携带的水分。
39.本发明涉及的主要原理如下：
40.冷凝装置3内部为流动冷却水，水雾、液滴和颗粒物通过热泳力、相变凝聚、惯性碰撞、布朗扩散和换热管拦截的协同作用下收集烟气中水分。管壁和烟气温差产生的热泳力作用对于水雾、液滴和颗粒物的影响要大于其布朗扩散，水雾、液滴和颗粒物会向管壁边界
diffusion为布朗扩散；下标interception为拦截效应；下标inertial impaction为惯性撞击。
54.水雾、液滴和颗粒物尺度在0.01～1μm范围，布朗扩散与惯性碰撞机制对凝结雾滴与颗粒的碰撞效率贡献量均较小，且拦截效应对微小雾滴无显著作用。拦截效应和惯性撞击不明显，通过正负电荷烟气混合将颗粒物和液滴以及湍流团聚的作用下凝聚长大后更容易收集。
55.正电荷荷电装置和负电荷荷电装置的放电功率随着电压的升高而增大，由汤森关系式：
56.i＝ku(u-uc)
57.式中，i为放电电流；u为放电电压；k为比例系数；
58.公式：p＝ui
59.式中，p为放电功率；u为放电电压；i为放电电流。
60.水雾、液滴和颗粒物的荷电极限可以用瑞利极限公式计算：
[0061][0062]
式中，q
ray
为液滴所携带的最大电荷；r为水雾、液滴和颗粒物的的半径；ε0为真空介电常数；σ为表面张力；半径越小的水雾、液滴和颗粒物的可以携带的电荷越小。
[0063]
冷凝装置3当液滴为中性(电荷q为零)时，经典的kevin方程揭示了液滴半径对于表面蒸汽分压的影响，由公式：
[0064][0065]
式中，p
∞
是温度t下平面上的饱和水蒸气的分压力；v
l
是液体中单分子的体积；k是玻尔兹曼常数；ε0是真空介电常数；ε
l
是液态水的介电常数；p是水的偶极矩；不同半径的水雾、液滴和颗粒物表面蒸汽凝结时的饱和水蒸气分压力不同。湿法脱硫工艺水蒸发量，由公式：
[0066][0067]
式中：h
ar
、m
ar
是煤中氢、全水分的收到基质量百分数；qy是烟气量，nm3；m是燃料量，kg；α是过量空气系数；dk是含湿量；v0是理论干空气量。
[0068]
脱硫塔出口水蒸气份额由公式：
[0069][0070]
式中：t
sld
是饱和湿烟气温度，℃；py是脱硫塔出口烟气压力，pa；r
h2o
是脱硫塔出口水蒸气份额。
[0071]
冷凝水回收装置14和荷电凝并水回收装置15中实际收集到的水为实际收水量。
[0072]
理论收水量由计算得到：式中，v1为进口烟气体积流量，kg/m-3
；v2为出口烟气体积流量，kg/m-3
；ρ
v1
为进口水蒸气密度，kg/m-3
；为进口烟气水蒸气体积分数，％；ρ
v2
为出口水蒸气密度，kg/m-3
；为出口烟气水蒸气体积分数，％。
[0073]
实际收水和理论收水比值：nj为理论收水量，ns为实际收水量。
[0074]
收水效率：
[0075][0076][0077]
式中，n
in
入口烟气含水量，ns实际收水量。
[0078]
除雾装置10区域内电场力和烟气曳力共同作用：
[0079][0080]
fd＝3πμd
p
u0[0081]
fe＝e0q
[0082]
式中：fe为电场力；fd为烟气曳力；μ为空气动力粘度；dp为雾滴的粒径；u0为入射流速；e0为电场强度。
[0083]
下面以具体实施例来对本发明进行进一步的解释说明：
[0084]
在本发明的一个具体实施例中，烟气检测单元1用皮托管测烟气体积流量，热电偶测量烟气温度，湿度计测量相对湿度，烟气分析仪测烟气成分。
[0085]
壳体13、冷凝装置3、湍流扰动装置8和除雾装置10材料均使用高分子耐腐蚀材料氟塑料聚四氟乙烯(ptfe)其化学性能稳定，抗蚀性能好，几乎不与酸碱性物质反应同时由于其挠性表面光滑性不易结垢落灰。
[0086]
除雾装置10选用屋脊式除雾器材质采用聚四氟乙烯(ptfe)，除雾装置10下方通过榫卯结构与壳体13相连，各除雾单元下端设有防止烟气从各除雾单元间及除雾单元与壳体13的缝隙中流过的密封装置。各除雾单元上端与壳体上开的小窗口结合，通过填充物密封。
[0087]
湍流扰动装置8采用圆弧板面和凸起钝体结合的湍流结构，120
°
大圆弧半径为8cm半圆外侧有直径为4cm的突起，烟气通过大圆弧扰流柱流场形成大尺度涡流，通过圆弧外侧的圆柱突起形成小尺度涡流，两者互相作用加强湍动程度。
[0088]
冷凝装置3内部的冷却水采用工业冷却除盐水，选择顺排管束便于管道的清洁。氟塑料换热管管束尺寸直径8mm壁厚0.7mm，换热管间间距与直径之比为2.5，换热管间距为20mm。
[0089]
电晕生成装置选择感应圆环上施加高压静电产生强电场，在感应电场的作用下给水雾、液滴和颗粒物带上与电极相反的电荷。
[0090]
以上所述，仅为本发明实施方式中的部分，本发明中虽然使用了部分术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了方便的描述和解释本发明的本质，把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。以上所述仅以实施例来进一步说明本发明的内容，以便于更容易理解，但不代表本发明的实施方式仅限于此，任何依本发明所做的技术延伸或再创造，均受本发明的保护。