一种气体中雾滴和颗粒的净化分离装置

完成单位：华电电力科学研究院有限公司

主要完成人：石战胜、李宗慧、马治安、敬旭业、王彤、刘袖、董方、彭丽、张伟阔、程思博

 一、研发背景

十八大以来，我国经济稳定快速发展，降碳、减污、扩绿、增长协同高质量推进，但能源紧缺、能耗偏高、环境污染等问题仍然突出，国家也对污染排放控制提出了更为严格的要求，因此必须进一步降低污染大户如燃煤发电、石化、钢铁、水泥等行业的排放强度并提高其排放标准。

中国华电集团有限公司作为中央重要骨干能源企业，始终牢记肩负的重要政治、经济和社会责任，积极履行央企社会责任，严格执行国家环保政策。火力发电技术正朝着清洁、高效、节能、节水的方向发展，降低现役火电厂能耗水平、实现灵活性改造，使火电排放的污染物得到资源化利用，提高火电厂清洁生产水平。本项目获中国华电集团公司和国家重大专项子课题的支持。

通过本项目研究，掌握多相流烟气净化的关键技术。在煤质多变、负荷多变等新工况的适应性具有局限性的基础上，充分分析现有燃煤电厂系统，并针对燃煤电厂分离装备中存在的除雾器堵塞和低浓度微细尘雾分离差等问题，积极布局技术创新，采用模块化设计，提出了具有自主知识产权的燃煤电厂节能减排新技术，研制了燃煤电站多相流分离装备，提高了低能耗下微细尘雾分离水平，有效提高燃煤电厂能源的转换效率，实现节能减排。

二、发明团队介绍

石战胜：正高级工程师，总体负责微细尘雾高效分离脱除技术的研究及应用，在核心分离机理研究、稳涡构件开发方面具有突出贡献，本专利的第一发明人。

李宗慧：正高级工程师，微细尘雾高效分离脱除技术研究及设计制造技术负责人，负责结构设计、样机开发及工程应用，多个工程项目的项目负责人，本专利的主要发明人。

马治安：负责技术转化和工程实施指导，并参与核心部件的研发设计，本专利的主要发明人。

三、成果（专利）简介

本专利面向我国电力行业节能环保方面的迫切需求，重点解决微细尘雾脱除领域技术难题，为推动火电行业低碳发展并实现高端设备产业化提供重要支撑。本项目应用于燃煤电厂节能减排领域，主要针对燃煤电厂微细尘雾脱除净化技术和装置。

1.技术原创性

本专利属于燃煤发电烟气深度净化技术领域的原创型基础专利。本专利解决了烟气净化系统多相分离过程中，微细尘雾高效分离脱除技术与多场景应用存在的技术难题。具体内容如下：

（1）揭示了涡的不稳定性特征，提出了稳涡技术和方法。

通过物理实验研究和CFD数值模拟，研究了涡的不稳定性原因，提出了主流涡保持稳定的方法，开发了中心布置稳涡部件保持流场稳定。

（2）发明了涡核稳定控制模块/构件，创新性地开发了多级分离模式关键技术，攻克了中心负压区和涡不稳定性难控制等关键技术难题，形成了微细尘雾高效分离脱除设备单体。

开发了多级分离模式，研制了前部布置旋流装置产生离心力使部分液滴和颗粒分离、尾部利用网状结构使液滴聚并的形式分离液滴和颗粒以及扩展至中间细微液滴聚并和边沿粗液滴分离形式，研制了较大雾滴和颗粒边壁缝隙分离、细微雾滴和颗粒经中心网状构件聚并后分离的分离体系。

研制了单体边壁规律性孔状结构和内壁防液滴二次夹带构体，以便分离液滴顺利排出；开发了内外壳体平衡气孔结构和单体后端多个排气孔结构，以便控制压阻和保障气体流通性；开发了单体后部的空腔和排液管结构，以便收集液滴并排出。

（3）开发了新型排液和自动喷雾式冲洗模块，研制了脱除单体连接结构和入口均流装置，开发了单体间固定密封装置，形成微细尘雾高效分离脱除装备并示范。实现了微细尘雾脱除技术在烟气净化系统中的稳定高效运行，在提高运行的安全稳定性和环保设施对负荷的适应性的同时，水耗电耗显著降低。如图4所示

开发了分离单体凹槽和凸起管连接结构，以便塔内或烟道内大量单体无缝连接和分离液排出；开发了装备前端多层波形叶片、锯齿状倾斜挡板均流装置，以实现入口流场均匀。

开发的新型排液和自动喷雾式冲洗模块布置壳体外端和底端，解决了冲洗中存在死角的问题；开发了单体间布置格栅板、J型螺栓和固定板组合的固定密封装置，确保气流不漏气而影响效率。

本单位布局的燃煤发电烟气深度净化系列产品有低浓度微细尘雾净化装置、高效旋风细粉分离器、可调式多级旋风耦合式粗粉分离器等，本专利涉及产品属于核心产品，故本专利属于系列专利中核心专利。

2.专利布局

为了维护本专利权限，以本专利为核心专利，在烟气净化及多相流分离领域共布局了授权专利9项，其中发明专利4项。对稳涡团聚、多级分离、防颗粒液滴夹带、排液密封冲洗、测试验证等方面进行了全方位保护，形成了有力专利壁垒，形成了全方位的专利保护网。

随着技术的应用，目前正在对“一种除雾器堵塞预控系统、方法、设备、介质”（发明专利已授权）申请PCT国际专利，并已附带申请了相关附加专利形成技术应用保护点。下一步将围绕国家“一带一路”倡议，在印度尼西亚等国家着力推广应用微细尘雾脱除净化技术和装置，使相关技术在转化过程中得以应用。已授权相关专利如下：以上措施能够对本专利技术的核心技术点提供有效保护，确保了我司在这一领域的权利范围，围绕核心技术进行了全面的保护。

表1  专利布局

3.主要评价意见

1.正式作出的验收意见、评审（鉴定）结论或技术检测报告意见等

（1）授权专利检索报告（中国专利信息中心 22-C-0017）

2022年9月，中国专利信息中心授权专利检索报告结论：“1）本专利具备新颖性，符合专利法第二十二条第二款的规定。2）本专利具备创造性，符合专利法第二十二条第三款的规定。”

（2）科技成果评价（鉴定）

2022年5月中国节能协会科技成果评价结论：“项目研发的微细尘雾高效分离脱除技术达到国际领先水平。一致同意通过科技成果评价。”（见附件节能评字 [2022] KJ0010号）

（3）华电集团重点科技项目验收意见

2020年8月通过华电集团重点科技项目“600MW燃煤电厂立式烟气深度净化器示范应用”验收，“各项测试数据满足立项指标要求，减排效果显著，社会效益可观……达到了预期目标，同意通过验收”。

（4）华电电科院重点科技项目验收意见

2020年12月，通过院重点科技项目“烟气深度净化技术研发实验”项目验收，“本项目完成理论推导、流体力学数值模拟，并搭建了烟气深度净化技术研发实验平台，开发了先进的烟气深度净化器结构及设备部件。.......达到了预期目标，同意通过验收”。

（5）科技查新

2022年5月，由中国科学院文献情报中心进行了国内外查新后出具。查新报告显示：“除委托方外，在国内外公开文献中未见相同报道”。

（6）第三方检测

2020年1月，湖南华电长沙发电有限公司2 号炉（600MW）的立式烟气净化装备经权威第三方机构检测（报告编号：XDGS/HH.B011-2020），结果如下：1）全负荷工况下烟尘浓度小于5mg/Nm3，雾滴浓度小于15mg/Nm3；满负荷压降（包含净化器前部烟道弯头）为355Pa，折合水耗不超过400吨/年。

2022年3月，河北华电石家庄裕华热电有限公司300MW机组高效稳涡烟气深度净化技术研究及应用项目，经第三方机构检测（报告编号：ZJC/YS202203003），结果显示脱硫塔入口浓度130mg/Nm3时，出口浓度≤5 mg/Nm3。

2.其他可支持证明成果水平的公开发表学术性评价意见等

2019年11月，获中国电机工程学会年会作邀请报告；

2021年10月，受邀参加首届海峡两岸暨港澳能源青年学者论坛；

2021年12月，受邀参加第十五届中日节能环保综合论坛并作专题报告（国家发改委主办）。

4.技术对比与通用性

（1）与当前国内外同类技术主要参数、效益、市场竞争力的比较

对现有技术而言，大型燃煤电厂对脱硫石膏雨和粉尘的超净排放湿电是一种主流技术，本技术与湿式电除尘的对比见表1。本项目在原有环保工艺条件基础上，仅在脱硫岛出口至烟囱入口的净烟道上加装烟气深度净化器，即可达到烟气烟尘超低排放限值要求，也在脱硫岛顶端安装并进行了示范，比如华电长沙电厂、裕华热电等，具有高效运行参数范围宽、布置灵活、压降低、稳定性高、耗水少、无二次污染、维护量少等优点，相较于湿式电除尘器，设备施工周期大大缩短，投资和运维成本显著降低。

表2  国内外同类技术比较

（2）技术通用性

多相流烟气净化技术技术，主要针对微细尘雾的脱除，形成多级分离模式技术，实现不同粒径的雾滴和颗粒分离以及烟气污染物的全流程深度净化，在提高脱硫系统稳定性、烟尘去除效率等指标的同时，降低了系统水耗电耗，提高了运行的安全稳定和环保设施对负荷的适应性，为发电企业“低能耗、低排放”提供了创新技术。本专利技术的研究，不仅可以在电力行业中应用，也可以应用在存在大量的多相流分离过程其它行业，例如与社会发展息息相关的水泥、冶金、石化等行业。

四、成果（专利）转化情况介绍

1.专利运用情况

基于本专利的技术先进性，所研发的烟气深度净化器应用于多家电厂，包含300MW、330MW和600MW机组，涵盖水平、竖直向下、塔内部等不同位置的布局方式，实现机组烟气烟尘排放达到了超低排放要求，示范意义显著，应用范围得到有力推广，大幅减少了投资和运行成本，节能减排效果显著，社会效益可观。

本专利技术目前已完成多家示范应用：所研发的尾部烟气深度净化器，与总包单位签订技术服务合同在长沙电厂1#机组实施；所研发的立式烟气深度净化器，以设备供货形式自行转化用于长沙电厂2#机组烟气深度净化；所研发的塔内烟气深度净化器，以设备供货形式用于裕华热电厂1#机组和鹿华热电1#机组，确保了烟尘浓度达到超低排放要求的同时实现节水节电，节能环保效果显著。

2.专利转化情况

专利权人已建成相关转化平台，形成研发和营销互相促进、有机结合的模式，有力促进本专利技术转化、示范应用、工程化实施。未来将加大与相关领域转化公司、协会组织、国家平台合作。随着技术推进融合，将着重在水泥、钢铁、化工领域公司展开合作，使技术尽快服务于各行各业。

五、经济效益和社会效益

1.经济效益

河北华电石家庄裕华热电有限公司，经济效益测算：（1）微细尘雾高效脱除装备相比原有除雾器水耗降低，年节约用水6万吨，同时湿式电除尘器一年节约用水9.2万吨，共节约用水15.2万吨，相对于原二级除雾器和湿式电除尘器节水率达到70%，年节约成本约110万元；（2）降低湿式电除尘器药剂消耗、降低湿式电除尘器维修费用、湿式电除尘器运行条件改善避免潜在的湿电维护更换成本，三项年节约成本约100万元。（3）超低排放电价补贴折合收益，113万元/年；（4）湿式电除尘运行电耗降低、净化器阻力增大电耗增加，两项合计节约煤耗约0.5g/kWh，按照吨煤1240元、年运行4700h计算，年节约成本约87.5万元。

湖南华电长沙发电有限公司，经济效益测算：长沙电厂单台机组年运行成本56万元/年，单台机组年超低排放电价补贴3000万元（发电量30亿kW·h，补贴电价1分/kW·h），单台机组年收益为3000*0.94%-56=2764万元(按照6%厂用电率计算上网电量）。2020年电价改革，超低排放作为机组发电必备条件，超标不能发电，效益为折算值。

2.社会效益

在我国能源紧缺、节能减排、环境保护和身体健康等问题的日益突出，国家对污染排放控制提出了更为严格的要求和排放标准。采用高效稳涡多相流分离技术的烟气深度净化装置，显著降低尾部烟气中烟尘、酸液浓度，杜绝在煤质发生变化高负荷时产生”石膏雨”排放，发生二次污染问题，不发生净烟气通道和烟窗连接处滴酸液现象，提高净烟气通道和烟窗使用寿命。