一种垃圾焚烧烟气微细粉尘分离系统及方法与流程

本发明涉及垃圾焚烧烟气处理领域，具体涉及一种垃圾焚烧烟气微细粉尘分离系统及方法。

背景技术：

1、垃圾焚烧发电是实现生活垃圾减量化、无害化和资源化的重要途径。然而，垃圾焚烧过程中会产生大量含有微细粉尘（pm2.5及以下）、重金属（如铅、镉、汞）以及酸性气体的复杂烟气。其中，微细粉尘不仅自身具有极大的比表面积，容易富集高浓度的重金属和二噁英等剧毒物质，而且由于其粒径小、质量轻、空气动力学当量直径小，极难通过传统的除尘设备被有效捕集。

2、目前，垃圾焚烧烟气净化系统通常采用半干法/干法脱酸和布袋除尘器或湿法洗涤和静电除尘的组合工艺。然而，传统的布袋除尘器对粒径大于2μm的粉尘捕集效率较高，但对0.1~1μm的亚微米颗粒捕集效率下降；常规静电除尘器对高比电阻粉尘易产生反电晕，且对微细粉尘的荷电效率低。

3、微细粉尘是重金属和气态污染物的主要载体，现有工艺通常将脱酸、除尘、脱重金属分步进行，设备庞大、流程长、投资及运行成本高，且无法实现微细粉尘与重金属的深度协同脱除。

4、传统湿法洗涤塔在喷淋过程中，高速气流极易将洗涤液雾化成微小液滴，形成含尘、含重金属的气溶胶随净气逃逸，造成二次污染；同时，洗涤废液成分复杂，直接排放或简单处理难以实现重金属的彻底固化与洗涤液的闭路循环。

5、因此，亟需开发一种能够将微细粉尘高效凝并长大、实现粉尘与重金属协同深度脱除，且洗涤液能够闭路循环再生的垃圾焚烧烟气微细粉尘分离系统及方法。

技术实现思路

1、本发明一种垃圾焚烧烟气微细粉尘分离系统，包括依次连接的烟气调质降温单元、立式凝并反应器、立式圆筒形结构和循环再生单元；

2、烟气调质降温单元包括急冷喷淋塔和循环冷却水系统，用于将垃圾焚烧烟气急冷至80~95℃，使烟气达到近饱和湿度状态；

3、立式凝并反应器内从下至上依次设有蒸汽注入管、放电电极和收集电极以及折流板组件；所述蒸汽注入管为螺旋向上盘绕的管道，所述蒸汽注入管的管壁上开设有若干喷孔；所述折流板组件包括第一折流板和第二折流板，两个相邻的第一折流板之间设置一个第二折流板，所述第一折流板的板长度大于所述第二折流板的板长度，且两者的折流角度相同。

4、蒸汽注入管采用螺旋向上盘绕且中心线回转直径自下而上逐渐减小的倒锥形收缩结构，所述蒸汽注入管底层的螺旋回转直径为d1，最顶层的螺旋回转直径为d2，且d2=0.4d1~0.6d1。过热蒸汽从下端通入后，沿螺旋管道向上流动过程中，由于流通截面积逐级缩小，蒸汽流速与喷射动量自下而上递增；同时，所述喷孔的孔径为2~3mm，且朝向所述立式凝并反应器中心轴线方向倾斜15~30°喷射，使蒸汽射流在径向穿透的同时产生切向分速度，形成弱旋流场。调质后的近饱和湿烟气自下而上流经主体通道时，与不同高度处具有差异化动量的蒸汽射流逐层混合，蒸汽遇冷烟气迅速过饱和，在亚微米颗粒表面异质凝结形成冷凝水微液滴，通过液桥力实现相变凝并。

5、该倒锥形收缩结构使蒸汽流通截面积逐级缩小，蒸汽流速与喷射动量自下而上递增，使蒸汽喷射强度与烟气流量沿高度方向的分布相匹配，确保整个反应段内过饱和度均匀；倾斜喷孔使蒸汽射流在径向穿透的同时产生切向分速度，形成弱旋流场，延长了蒸汽与烟气的接触时间，强化了径向传质，消除了传统等径直管在反应器上部穿透力衰减导致的凝并死角。

6、放电电极和收集电极连接外部脉冲高压电源，施加频率为50~500hz、电压幅值为15~40kv的脉冲交变电场。脉冲电场峰值电压高、平均电流低，对高比电阻粉尘具有天然适应性，有效抑制了电荷积聚与反电晕现象，同时填补了单一相变凝并在0.5~2μm粒径段的效率低谷。

7、折流板组件通过第一折流板和第二折流板交替排列构成，两个相邻的第一折流板之间设置一个第二折流板，所述第一折流板的板长度l1与所述第二折流板的板长度l2之比为l1/ l2=1.5~2.5；所述第一折流板和第二折流板的折流角度均为30~45°，烟气在流经长短交替的折流板时，长短交替的折流板使长板后方形成大尺度回流涡旋，促进粗颗粒与细颗粒的惯性碰撞；短板后方形成小尺度剪切涡旋，增强亚微米颗粒的湍流扩散碰撞；两种尺度涡旋交替生成并耦合，构建出覆盖全粒径范围的多尺度湍流碰撞场，最终将颗粒团聚至5~20μm的最佳捕集窗口。

8、立式圆筒形结构的顶部设有净气排气口，底部设有集液槽；所述立式圆筒形结构内设有中心导流蜗壳和圆盘状雾化盘，所述圆盘状雾化盘同轴设置有进液管；中心导流蜗壳的进气口位于立式圆筒形结构的底部，中心导流蜗壳的出气口竖直朝上且正对圆盘状雾化盘的圆心下方，用于引导烟气自下而上垂直冲击圆盘状雾化盘的中心区域；进液管将循环洗涤液输入至圆盘状雾化盘的圆心处，以使循环洗涤液与烟气接触；

9、所述立式圆筒形结构内壁上设有多孔金属丝网，多孔金属丝网的中心与圆盘状雾化盘的圆心位于同一高度；

10、中心导流蜗壳为渐缩型涡旋通道，进气口位于立式圆筒形结构底部，出气口竖直朝上且正对圆盘状雾化盘圆心下方，出气口直径小于圆盘状雾化盘直径的三分之一。渐缩涡旋通道将烟气压力能转化为轴向动能，垂直导向设计确保了烟气射流与雾化盘的同轴度，使烟气集中冲击雾化盘核心区域。

11、圆盘状雾化盘同轴设置有进液管，转速为3000~8000rpm，边缘线速度为30~50m/s。复合洗涤液通过进液管从圆盘中心处流出，在离心力作用下沿盘面径向铺展并从边缘甩出，被雾化成粒径30~80μm的液滴，使气液相对碰撞速度最大化，且液滴径向初速度大于烟气径向速度，在圆盘外围形成液包气的动力学屏障，有效阻止微小液滴随气流逃逸。

12、多孔金属丝网采用孔径0.5~1mm、丝径0.1~0.2mm的金属丝编织而成，其中心与圆盘状雾化盘的圆心位于同一高度，确保处于径向交叉捕集区域的外围延伸段。经圆盘状雾化盘离心雾化后向外径向抛射的部分液滴，在与烟气完成交叉碰撞后继续沿径向扩散至多孔金属丝网表面，在毛细力、重力及液体黏滞力作用下，于丝网孔隙间自发铺展形成厚度0.5~2mm的连续动态黏弹性液膜。逃逸细颗粒与液膜碰撞被截留，气态重金属离子与液膜中的螯合剂发生络合沉淀；液膜在重力作用下持续向下流动更新，将污染物带入集液槽。

13、循环再生单元，包括依次连接的水力旋流器、压滤机和循环水箱；所述集液槽的出口与所述水力旋流器的入口连接，所述循环水箱分别与所述急冷喷淋塔和进液管连接。

14、其中，循环洗涤液包括以下重量份数的组分：基础碱剂20~50份、润湿渗透剂0.5~2份、成膜保水剂0.1~0.5份、耐碱抑泡剂0.1~0.5份、重金属螯合剂0.5~1份、水946.9~978.8份；其中，基础碱剂为氢氧化钠、氢氧化钙和碳酸钠中的至少一种，所述润湿渗透剂为烷基糖苷或氟碳表面活性剂；所述成膜保水剂为羟丙基甲基纤维素或聚丙烯酰胺；所述耐碱抑泡剂为聚醚改性有机硅消泡剂；所述重金属螯合剂为二硫代氨基甲酸盐类化合物。

15、基础碱剂溶于水后电离出氢氧根离子或碳酸根离子，在气液传质过程中与垃圾焚烧烟气中的酸性气体（如hcl、so2、hf等）发生酸碱中和反应，生成可溶性盐类；同时将洗涤液的ph值维持在碱性区间，为后续重金属螯合反应提供必需的碱性热力学环境。

16、垃圾焚烧微细粉尘表面常富集未燃尽的碳黑或疏水性有机物，具有极强的疏水性。润湿渗透剂分子具有亲水基和亲油基，能定向吸附在气-液和固-液界面上，将洗涤液的表面张力大幅降低。低表面张力的液滴在接触疏水性粉尘时，接触角显著减小，迅速铺展并渗透入颗粒团聚体的微孔隙中。

17、成膜保水剂为高分子水溶性聚合物，其长链分子在水中相互缠绕并与水分子形成强烈的氢键网络，显著提高洗涤液的体相黏度和黏弹性。当洗涤液喷淋在多孔金属丝网表面时，高分子链在丝网骨架间形成具有三维网络结构的凝胶状液膜，增强了液膜的内聚力和抗气流剪切能力。

18、在强碱性环境及表面活性剂存在的条件下，气液剧烈搅拌极易产生大量稳定泡沫。聚醚改性有机硅消泡剂分子兼具硅氧烷的低表面张力和聚醚的亲水性，能迅速在泡沫液膜表面铺展，破坏液膜的局部表面张力平衡，促使泡沫液膜排液变薄并最终破裂。

19、二硫代氨基甲酸盐类化合物分子中含有强配位能力的硫原子，能与洗涤液中溶解的微量重金属离子（如pb2+、cd2+、hg2+等）发生强烈的螯合反应，生成具有多环结构的高分子量、不溶于水的重金属螯合物沉淀。

20、本发明的配方体系在强碱、高盐工况下化学性质稳定，润湿渗透剂降低表面张力以润湿疏水性粉尘，成膜保水剂提高液相黏度以维持丝网液膜的抗剪切能力与连续性，螯合剂将溶解态重金属转化为不溶性大分子沉淀。

21、基于上述系统进行的垃圾焚烧烟气微细粉尘分离方法，包括以下步骤：

22、s1，将垃圾焚烧烟气引入急冷喷淋塔，喷淋循环冷却水将烟气温度急冷至80~95℃，使烟气达到近饱和湿度状态，得到调质后的烟气；

23、水分大量蒸发使烟气湿度达到近饱和状态，一方面，迅速降低烟气温度，有效抑制了二噁英类物质在250~400℃区间的反应，从源头削减了剧毒污染物的生成；另一方面，将烟气调质至近饱和湿度状态，此步骤在降温抑制二噁英合成的同时，为后续蒸汽诱发过饱和水汽的异质凝结提供热力学前置条件。

24、s2，将调质后的烟气自下而上通入立式凝并反应器的主体通道，将过热蒸汽通入蒸汽注入管的下端，过热蒸汽经蒸汽注入管的喷孔喷射至主体通道内的烟气中；过热蒸汽与烟气混合后向上流经放电电极和收集电极，在脉冲交变电场作用下使颗粒荷电并发生电场凝并；蒸汽注入管喷射的过热蒸汽使烟气达到过饱和，水汽在亚微米颗粒表面凝结（相变凝并）；脉冲交变电场使含湿颗粒荷电并往复振荡聚并（电场凝并）；长短交替的折流板产生多尺度涡旋促使颗粒惯性碰撞（湍流凝并）。烟气流经折流板组件，使不同粒径的颗粒发生异质碰撞团聚，形成团聚后的烟气；相变凝并主攻极细颗粒的初步长大，电场凝并填补中等粒径段的效率低谷，湍流凝并完成最终的粗粒化定型。相变、电场与湍流三级协同，将颗粒均匀团聚至5~20μm。

25、s3， 团聚后的烟气经中心导流蜗壳加速，垂直向上冲击高速旋转的圆盘状雾化盘中心区域；循环洗涤液通过进液管输入至圆盘状雾化盘圆心处，被离心雾化成30~80μm的微细液滴并向外径向高速抛射；垂直扩散的烟气与径向抛射的液滴在圆盘上方形成正交径向交叉流场，发生高频惯性碰撞与拦截捕集粉尘颗粒，同时液滴的径向初速度大于烟气径向速度，形成液包气动力学屏障阻止液滴逃逸。

26、s4， 未被液滴捕集的极少量逃逸细颗粒随气流径向扩散至多孔金属丝网处，被丝网表面由雾化液滴自发铺展形成的连续流动黏弹性液膜拦截、润湿并吸收，残留气态重金属离子与液膜中的螯合剂发生络合沉淀；净化后的气体从净气排气口排出；液膜在重力作用下持续向下流动更新，实现自清洁。

27、s5， 携带粉尘和重金属沉淀物的复合洗涤液落入集液槽，泵入水力旋流器进行固液分离；底流浓浆进入压滤机脱水形成泥饼；溢流清液返回循环水箱，补充消耗的水和药剂后，重新用于步骤s1的急冷喷淋和步骤s3的雾化洗涤，实现洗涤液闭路循环与零废水外排。

28、本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

29、本发明通过倒锥形蒸汽注入、脉冲交变电场与长短交替折流板的结构创新，实现了相变、电场、湍流三级协同凝并，将0.1~2μm亚微米颗粒高效、均匀地团聚至5~20μm最佳捕集窗口，使pm2.5分级脱除效率保持较高水平。

30、本发明采用正交径向交叉流场最大化气液相对碰撞速度，并形成液包气动力学屏障阻止逃逸；配合多孔金属丝网表面依靠雾化液滴自发铺展形成的连续流动黏弹性液膜，实现对逃逸细颗粒的深度拦截和气态重金属的化学吸附，确保净气超低排放且无气溶胶二次污染。

31、洗涤液经固液分离后清液回用，未消耗药剂循环利用，大幅降低吨垃圾处理的药剂消耗成本；系统无废水外排。

32、本发明将调质、凝并、捕集与脱酸功能高度集成于立式结构中，大幅降低占地与投资；急冷调质抑制二噁英合成并收缩烟气体积，脉冲电场与低阻液膜协同降低运行能耗，实现超低排放与低成本运行的统一。