基于水冷与空冷结合的烟气脱白与水分回收工艺及系统的制作方法

1.本技术涉及烟气脱白与水分回收技术领域，尤其涉及一种基于水冷与空冷结合的烟气脱白与水分回收工艺及系统。


背景技术：

2.水是地球上最重要的自然资源之一，是人们生活生产中不可或缺的一项重要资源。水资源是促进全社会经济可持续发展、推动工业文明进步的重要要素。然而，可供人类直接利用的地下水和淡水尚不到其总量的0.36％；中国水资源总量为2.8万亿立方米，位列世界第6位，但人均水资源量仅为世界平均水平的25％，被联合国列为世界上最贫水的13个国家之一。按照国际公认的标准，人均水资源低于3000立方米为轻度缺水；人均水资源低于2000立方米为中度缺水；人均水资源低于1000立方米为重度缺水；人均水资源低于500立方米为极度缺水。中国目前有16个省(区、市)人均水资源量(不包括过境水)低于严重缺水线，有6个省、区(宁夏、河北、山东、河南、山西、江苏)人均水资源量低于500立方米，为极度缺水地区。我国城市水资源存在极其匮乏且涉及面广的问题，全国城市每年缺水60亿m3，每年因缺水造成的经济损失约2000
‑
4000亿元，涉及和影响的领域包括：工业、农业、建筑业、居民生活等，严重的缺水问题导致我国城镇现代化建设进程、gdp的增长和居民生活水平的提高都受到了限制。
3.另一方面，我国每年在燃煤热电、钢铁、焦化、水泥、建材、有色金属、石油化工等行业排放到大气中的水分超过160亿吨。以煤电和热电行业为例，每燃烧1吨标煤，湿烟气带走水分1吨、循环水冷却塔排水5吨。钢铁行业每生产1吨钢，放散1.5吨水分，全行业每年排放水分约15亿吨。煤焦化行业每湿熄1吨焦炭，排放0.5吨水分，焦炉烟道气湿法脱硫、干法脱硫都排放水分，合计煤焦化行业每年向大气排放水分超过2亿吨。在燃气行业每燃烧1立方米天然气，会产生2立方米、1.55千克水蒸气，全国每年排放超过3亿吨水分。这些排放到大气中的白烟不仅带来视觉污染，而且，宝贵的水资源白白浪费。更无助于除雾霾、节水和节能。
4.我们知道，烟气中的水蒸气密度为0.804kg/m3，比空气轻，离开烟囱后很容易上升，与环境低温空气混合降温后，水蒸气饱和冷凝为水滴，水滴的密度是1000kg/m3，颗粒极细、密度远比空气大的水滴在大气层中悬浮累积形成雾，雾滴对光线产生折射、散射，使烟羽呈现出白色或者灰色，俗称“大白烟”，影响飞行和高速公路交通。通过风、雨、雪可以刮走或凝结降落，遇静稳天气，浓雾就像一个大盖子，本身就有溶解性颗粒物析出，还吸收其他污染源颗粒物、阻隔其扩散，在雾层中累积，就形成了雾霾，这就是我国频繁出现雾霾的成因和过程。
5.因此，烟气脱白，并回收这部分非常规水资源，对我国具有重要的意义。采用以除湿为基础的烟气脱白，假设回收70％烟气中的水分，全国每年可以回收相当于100多亿吨水蒸气和所含的热量，具有相当显著的节能效益。然而，目前烟气脱白技术主要是“喷淋降温 溴化锂吸收式热泵”组合与“喷淋降温 电磁感应升温脱白”技术，使烟气温度从50℃降低到
25℃，湿度从14％降低到3％，这些技术要么工艺上有“冷热病”，反复降温和升温，导致能耗高，要么就是采用溴化锂等吸收式热泵技术投资高。
6.加湿冷却
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除湿回收水分技术被认为是具有发展前景的技术之一。热烟气与冷却水在填料塔内接触降温，冷却水升温后再通过增湿
‑
除湿填料塔工艺回收水分。根据牛顿冷却定理，q＝ka(t
‑
t0),(q为传热量；k为传热系数；a为传热面积；t
‑
t0为传热温差)，为了提高传质和传热的效率，填料塔内的填料面积越大越好，越具有亲水性越好；填料塔的设计也极为重要，尽可能提高re数和k。同时，为了提高整体系统的性能，多级多效喷淋水回收热能和饱和水蒸气也是主要的手段。鉴于此，本发明基于前期研制的微界面高比表面积规整填料、错流床填料喷淋塔与逆流增湿
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除湿填料塔空气水分回收的方法，设计一种利用微界面高比表面积亲水规整填料烟气脱白与水分回收新工艺。


技术实现要素：

7.本技术的目的在于提供一种基于水冷与空冷结合的烟气脱白与水分回收工艺及系统，旨在解决传统的烟气脱白与水分回收方法存在的因回收工艺复杂和回收能耗较高，从而导致回收效率较低的技术问题。
8.本技术实施例的第一方面提供了基于水冷与空冷结合的烟气脱白与水分回收工艺，用于对热烟气进行回收处理，包括以下步骤：
9.s1、在填料降温塔、填料初冷塔、增湿塔以及除湿塔的内部装入微界面高比表面积亲水填料，将所述热烟气从所述填料降温塔的侧面注入；
10.s2、分别从所述填料降温塔的顶部和所述填料初冷塔的顶部向所述填料降温塔的内部和所述填料初冷塔的内部喷淋冷却水，所述热烟气与所述冷却水及所述微界面高比表面积亲水填料在所述填料降温塔的内部和所述填料初冷塔的内部十字错流接触，得到净化后的烟气和升温后的冷却水；
11.s3、分别从增湿塔的顶部和除湿塔的顶部向所述增湿塔的内部和所述除湿塔的内部喷淋循环水，升温后的所述冷却水从增湿塔的底部进入所述增湿塔的内部，与环境空气和所述循环水接触降温，得到含湿空气；
12.s4、所述含湿空气从所述除湿塔的顶部进入所述除湿塔的内部，与环境空气和所述循环水接触，进行降温和解析水分。
13.在其中一实施例中，从所述增湿塔顶部出来的冷却水在所述除湿塔内部与所述循环水通过冷却盘管与环境空气接触降温，得到混合空气，所述混合空气排入烟气进口。
14.在其中一实施例中，所述微界面高比表面积亲水填料的比表面积为3000m2/m3，堆积密度为320－650kg/m3，空隙率为70－90％，f因子为1.5－3.5，波距为10－55mm，齿形角为30－80。
15.在其中一实施例中，所述微界面高比表面积亲水填料的表面涂覆有al2o3‑
mno2复合物。
16.在其中一实施例中，所述填料降温塔和所述填料初冷塔的烟气进出口处分别设置斜板，所述热烟气中的水蒸气在进入所述填料降温塔和所述填料初冷塔的内部降温后形成水滴降落。
17.在其中一实施例中，所述增湿塔的底部和所述除湿塔的底部设有空气进口格栅，
所述环境空气从所述空气进口格栅进入到所述增湿塔和所述除湿塔的内部。
18.本技术实施例的第二方面提供了一种基于水冷与空冷结合的烟气脱白与水分回收系统，包括填料降温塔、填料初冷塔、增湿塔以及除湿塔，所述填料降温塔、所述填料初冷塔、所述增湿塔以及所述除湿塔的内部均设有微界面高比表面积亲水填料，热烟气与冷却水及所述微界面高比表面积亲水填料在所述填料降温塔的内部和所述填料初冷塔的内部十字错流接触，得到净化后的烟气和升温后的冷却水，升温后的所述冷却水从增湿塔的底部进入所述增湿塔的内部，与环境空气和所述循环水接触降温，得到含湿空气，所述含湿空气从所述除湿塔的顶部进入所述除湿塔的内部，与环境空气和所述循环水接触，进行降温和解析水分。
19.在其中一实施例中，还包括冷却储水池，所述冷却储水池中设置所述循环水，所述循环水通过循环水泵泵入所述增湿塔和所述除湿塔的内部。
20.在其中一实施例中，所述增湿塔和所述除湿塔的内部均设有冷却盘管，两个所述冷却盘管相连通。
21.在其中一实施例中，所述增湿塔和所述除湿塔采用亚克力、聚丙烯(ppr)或塑料材料制造。
22.本发明提供的基于水冷与空冷结合的烟气脱白与水分回收工艺及系统，与传统烟气脱白与水分回收方法相比，其所有塔内装填微界面亲水规整填料，其比表面积高达2500m2/m3，提高了填料降温塔和填料初冷塔的传质和传热效率。热烟气与冷却水采用十字错流接触，吸热后的循环冷却水利用水冷与空冷结合的两个闭式串联冷却塔降温，两个闭式冷却塔顶部安装有金属导体做的冷却盘管，两塔的冷却盘管相通，热水在管程，冷空气和喷淋水在壳程。两塔底部侧面设计有空气进口格栅，进水与出水管道设计在空气格栅进口处，从水冷与空冷除湿塔出来的空气可以通过引风机进入热烟气填料降温塔或填料初冷塔进口实施降温节约冷却水量，也可直接引入烟囱。本工艺既达到了烟气脱白，高效回收了烟气中的水分，同时，利用空冷的增湿
‑
除湿填料塔又进行了巧妙的降温和进一步的回收水分。克服了烟气“喷淋降温与电磁脱白”和“喷淋降温与吸收式烟气脱白”技术复杂和运行成本高的缺点，且该技术同样可用于船舶烟气的脱白中或其它废热空气的脱白中。
附图说明
23.图1为本技术一实施例提供的一种基于水冷与空冷结合的烟气脱白与水分回收工艺的流程示意图；
24.图2为本技术一实施例提供的一种基于水冷与空冷结合的烟气脱白与水分回收系统的结构示意图。
25.图中符号说明：
26.1.填料降温塔；2.填料初冷塔；3.增湿塔；4.除湿塔；5.微界面高比表面积亲水填料；6.热烟气；7.烟囱；8.第一循环水泵；9.第二循环水泵；10.冷却储水池；11.空气进口格栅；12.引风机；13.冷却盘管。
具体实施方式
27.为了使本技术所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结
合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
28.传统增湿
‑
除湿型含盐废水回收工艺通常采用的是散堆填料、金属或陶瓷规整填料；一般来讲，这些规整填料具有的最大比表面积不超过700m2/m3，也不刻意做表面亲水性修饰；根据传质理论，q＝k
d
a(c0‑
c
t
)，即，在浓度差(c0‑
c
t
)一定的情况下，传质速率与传质系数k
d
和填料的单位体积比表面积a成正比，也就是说，填料比表面积越高，传质速率越快；另一方面，传质系数k
d
与流体的re数和plant边界层厚度有关，而re数又与填料表面的亲水性(持液量)密切相关，当填料有很强的亲水性时，其表面持液量大，传质快，很高的re数也不会导致液泛的发生，使操作恶化；同时，传统填料没有亲水功能，导致热烟气与喷淋废水在填料表面的气液传质速率只取决于传质速率和气液平衡定理。
29.请参阅图1，为本技术一实施例提供的一种基于水冷与空冷结合的烟气脱白与水分回收工艺的流程示意图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：
30.在其中一实施例中，本技术的第一方面提供了一种基于水冷与空冷结合的烟气脱白与水分回收工艺，用于对热烟气进行回收处理，包括以下步骤：
31.s1、在填料降温塔、填料初冷塔、增湿塔以及除湿塔的内部装入微界面高比表面积亲水填料，将热烟气从填料降温塔的侧面注入。
32.具体地，填料降温塔、填料初冷塔均采用透明亚克力板制造，且均采用长方形结构，尺寸为：长x宽x高＝1000x1200x1000，在填料降温塔、填料初冷塔、增湿塔以及除湿塔的内部装入微界面高比表面积亲水填料，微界面高比表面积亲水填料的表面涂覆有al2o3‑
mno2复合物，微界面高比表面积亲水填料的比表面积为3000m2/m3，堆积密度为320－650kg/m3，空隙率为70－90％，f因子为1.5－3.5，波距为10－55mm，齿形角为30－80，可以高效传质与传热，将60
‑
90℃的热烟气从填料降温塔的侧面注入，填料降温塔和填料初冷塔的内部相通，热烟气经填料降温塔流通至填料初冷塔。
33.s2、分别从填料降温塔的顶部和填料初冷塔的顶部向填料降温塔的内部和填料初冷塔的内部喷淋冷却水，热烟气与冷却水及微界面高比表面积亲水填料在填料降温塔的内部和填料初冷塔的内部十字错流接触，得到净化后的烟气和升温后的冷却水。
34.具体地，从顶部喷淋的冷却水温度通常为20
‑
23℃，其与热烟气及微界面高比表面积亲水填料在填料降温塔的内部和填料初冷塔的内部十字错流接触后升温，升温后冷却水的温度可达35
‑
50℃，在此过程中热烟气与冷却水换热后温度降为40℃左右，随后净化后的烟气与空冷用的回收水分后的降温空气一同排入烟囱，在填料降温塔内和填料初冷塔内由于脱出了烟气含有的大量水分并降温，烟气从烟囱排出后不在发白，并且烟气获得了进一步的除尘等净化；为防止微界面填料的高效传质与传热导致的剧烈降温可能引起材料的热冲击，本发明采用了2塔或3塔错流床喷淋降温，填料初冷塔内部的冷却水排出后向填料降温塔的内部喷淋。
35.在其中一实施例中，填料降温塔和填料初冷塔的烟气进出口处分别设置倾斜面30度的斜板，这一设计只允许热烟气中的水蒸气在进入填料喷淋塔内降温后形成的水滴只能进入填料降温塔和填料初冷塔内部降落，而无法扩散进入烟气中，在降温回收部分相变水和冷凝水后，烟气进入烟囱排放，白烟消除。
36.s3、分别从增湿塔的顶部和除湿塔的顶部向增湿塔的内部和除湿塔的内部喷淋循
环水，升温后的冷却水从增湿塔的底部进入增湿塔的内部，与环境空气和循环水接触降温，得到含湿空气。
37.具体地，增湿塔和除湿塔均设计为∮900x2000的圆柱型逆流接触喷淋塔，冷却水升温并回收烟气中的水分后进入增湿塔的底部，增湿塔的底部和除湿塔的底部设有空气进口格栅，环境空气从空气进口格栅进入到增湿塔和除湿塔的内部，冷却水利用从底部格栅进入的环境空气降温和经喷淋的循环水继续降温，冷却储水池中设置循环水，循环水通过循环水泵泵入增湿塔和所述除湿塔的内部，增湿塔底部的循环水可定期从冷却储水池中补充。
38.s4、含湿空气从除湿塔的顶部进入除湿塔的内部，与环境空气和循环水接触，进行降温和解析水分。
39.具体地，从增湿塔顶部出来的含湿空气(约35
‑
40℃)进入到闭式除湿塔的底部，与从除湿塔底部格栅进入的环境空气混合，降温和解析水分；同时，增湿塔和除湿塔的顶部均安装有金属导体做的冷却盘管，从增湿塔顶部出来的冷却水在除湿塔内与循环水通过冷却盘管和环境空气接触降温(降低到约20
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23℃)，两塔的冷却盘管相通，热水在管程，冷空气和喷淋水在壳程；在除湿塔内被冷却除湿后的混合空气(约30℃)通过引风机排入到烟囱的烟气进口；增湿塔和除湿塔经环境空气和冷却盘管与填料降温后的循环水排入冷却储水池中继续循环使用。
40.本技术利用环境空气进行增湿
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除湿填料塔后继续回收了水分和降温，降温后的空气再回到热烟气入口，使热烟气降温体积变小，所含的水蒸气快速凝结成水滴析出，由于水的比热约是烟气的3倍，因此，空气与热烟气的流量比例必须可调，才能达到最佳烟气脱白和水分回收效果，一般冷却水量取烟气流量的1/4
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1/6，冷却空气的流量取冷却水量的1.0
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3.0倍。
41.本实施例中烟气流量为3500nm3/h，入塔线速度约1.0m/s。冷却水温度为20
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22℃，冷却水流量为550m3/h。增湿
‑
除湿塔的循环水流量为系统开车时可先给冷却储水池注入常温水，冷却空气引风机流量为2000m3/h，随后运行中始终维持冷却回收水进入冷却储水池的温度不超过22℃，以达到设计要求，运行1周后，测试其运行成本(电耗)和废水回收率，结果如表1所示。
42.表1热烟气与高比表面积亲水规整填料增湿
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除湿塔废水回收工艺参数
43.[0044][0045]
可以看出，本工艺既达到了烟气脱白，高效回收了烟气中的水分，同时，利用空冷的增湿
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除湿填料塔又进行了巧妙的降温和进一步的回收水分，使这一发明具有极高的推广性。同时，由于所有各填料塔均装填微界面高比表面积亲水填料，传质和传热效率很高，且常压运行，塑料制造，投资成本很低，克服了烟气“喷淋降温与电磁脱白”和“喷淋降温与吸收式烟气脱白”技术的缺点。
[0046]
请参阅图2，为本技术一实施例提供的一种基于水冷与空冷结合的烟气脱白与水分回收系统的结构示意图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：
[0047]
本技术实施例的第二方面提供了一种基于水冷与空冷结合的烟气脱白与水分回收系统，包括填料降温塔1、填料初冷塔2、增湿塔3以及除湿塔4，填料降温塔1、填料初冷塔2、增湿塔3以及除湿塔4的内部均设有微界面高比表面积亲水填料5，热烟气6与冷却水及微界面高比表面积亲水填料5在填料降温塔1的内部和填料初冷塔2的内部十字错流接触，得到净化后的烟气和升温后的冷却水，升温后的冷却水从增湿塔3的底部进入增湿塔3的内部，与环境空气和循环水接触降温，得到含湿空气，含湿空气从除湿塔4的顶部进入除湿塔4的内部，与环境空气和循环水接触，进行降温和解析水分。
[0048]
具体地，增湿塔3和除湿塔4采用亚克力、聚丙烯(ppr)或塑料材料制造，其设计为∮900x2000的圆柱型逆流接触喷淋塔，60
‑
90℃的热烟气6在填料降温塔1和填料初冷塔2内部换热后温度降为40℃左右，随后烟气与空冷用的回收水分后的降温空气一同排入烟囱7，与此同时，20
‑
23℃的冷却水与从侧面十字错流的热烟气6经填料降温塔1和填料初冷塔2喷淋升温后水温可达35
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50℃。冷却水升温并回收烟气中的水分后进入增湿塔3的底部，增湿塔3的底部和除湿塔4的底部设有空气进口格栅11，冷却储水池10中设置循环水，循环水通过第一循环水泵8和第二循环水泵9泵入增湿塔3和除湿塔4的内部，冷却水利用从空气进口格栅11进入的环境空气降温和经循环泵喷淋后继续降温，从增湿塔3顶部出来的含湿空气(约35
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40℃)进入除湿塔4的底部，与从空气进口格栅11进入的环境空气混合，降温和解析水分。增湿塔3和除湿塔4的内部均设有冷却盘管13，两个冷却盘管相连通；从增湿塔3顶部出来的冷却水在除湿塔4内与第二循环水泵9泵入的喷淋水通过冷却盘管13和空气接触降温，降低到约20
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23℃，在除湿塔4内被冷却除湿后的混合空气(约30℃)通过引风机12排入烟囱7的烟气进口，增湿塔3和除湿塔4经环境空气和冷却盘管13与微界面高比表面积亲水填料5降温后的循环水排入冷却储水池10继续循环使用。
[0049]
综上所述，本发明提供的基于水冷与空冷结合的烟气脱白与水分回收工艺及系
统，与传统烟气脱白与水分回收方法相比，其所有塔内装填微界面亲水规整填料，其比表面积高达2500m2/m3，提高了填料降温塔和填料初冷塔的传质和传热效率。热烟气与冷却水采用十字错流接触，吸热后的循环冷却水利用水冷与空冷结合的两个闭式串联冷却塔降温，两个闭式冷却塔顶部安装有金属导体做的冷却盘管，两塔的冷却盘管相通，热水在管程，冷空气和喷淋水在壳程。两塔底部侧面设计有空气进口格栅，进水与出水管道设计在空气格栅进口处，从水冷与空冷除湿塔出来的空气可以通过引风机进入热烟气填料降温塔或填料初冷塔进口实施降温节约冷却水量，也可直接引入烟囱。本工艺既达到了烟气脱白，高效回收了烟气中的水分，同时，利用空冷的增湿
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除湿填料塔又进行了巧妙的降温和进一步的回收水分。克服了烟气“喷淋降温与电磁脱白”和“喷淋降温与吸收式烟气脱白”技术复杂和运行成本高的缺点，且该技术同样可用于船舶烟气的脱白中或其它废热空气的脱白中。
[0050]
在本文对各种器件、电路、装置、系统和/或方法描述了各种实施方式。阐述了很多特定的细节以提供对如在说明书中描述的和在附图中示出的实施方式的总结构、功能、制造和使用的彻底理解。然而本领域中的技术人员将理解，实施方式可在没有这样的特定细节的情况下被实施。在其它实例中，详细描述了公知的操作、部件和元件，以免使在说明书中的实施方式难以理解。本领域中的技术人员将理解，在本文和所示的实施方式是非限制性例子，且因此可认识到，在本文公开的特定的结构和功能细节可以是代表性的且并不一定限制实施方式的范围。
[0051]
以上所述实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本技术的保护范围之内。