热能与动力工程专业英语第9章翻译.doc

保护环境和合理利用自然资源是现阶段社会发展的最迫切的问题。电力工程作为工业、运输、农业发展的基础，发展速度快，生产规模大。在火力发电厂中燃烧的有机燃料含有许多有害杂质，这些有害杂质作为燃烧产物以气态或固态成分排放到环境中，对大气和水环境造成了负面影响。火力发电厂的大气污染控制主要是减少有毒物质向大气中的排放。在这方面成效最显著的是降低固体颗粒物的排放（目前火力发电厂的灰捕集率已高达99.5%）。硫氧化合物对大气的污染可以通过从燃料中除硫和烟气脱硫的方式加以控制。现今，电站锅炉使用的减少NOx排放的技术主要是改善燃烧过程，即利用低NOx燃烧器，并通常结合运用燃尽风（OFA）。那些面临更加严格的环保要求的电厂可能不得不使用燃烧后处理技术，比如选择性催化还原法（SCR），或选择性非催化还原法(SNCR)等，这些技术可以单独使用或结合低NOx燃烧器使用。保护大气及流域水的洁净既是本国的又是全球各国的义务，因为在大气和海洋中人为污染物的扩散是没有国界的。有效解决上述问题的基本先决条件是对电力工程专家的培训，专家应该明确火电厂排放物可能对环境产生的影响，并且在热电站的设计、建设和运行维护方面，能采用有效的手段保护大自然。本章将重点讲述火力发电厂中灰分捕集以及硫氧化合物和氮氧化合物的排放控制。9.2灰分捕集9.2.1静电除尘器静电除尘器的应用日益广泛，特别是在大型火电厂中更是如此。该方法能够在阻力不超过150Pa，无需降低温度和加湿烟气的条件下，确保达到很高的烟气净化率（=0.99-0.995）。在静电除尘器中，含有大量飞灰的烟气通过由集尘电极形成的烟气通道，在集尘电极之间每隔一定间隔布置电晕电极（如图9-1（a）。通过高压直流电形成电场（集尘电极为正极，电晕电极为负极）。在足够高的电场作用下，烟气被电离，灰尘颗粒获得电荷（通常是负电荷）。在电场力的作用下，荷电灰尘粒子被集尘电极捕集。振打装置周期动作将电极上吸附的灰尘震落到灰斗中。图9-1（b）是一台现代静电除尘器结构图（卧式通用型）。含尘烟气通过分配栅格进入由带有经过整流的高压直流电的集尘电极形成的通道中，集尘电极为一系列垂直悬挂的C形宽条板。电晕电极由带有模压针状物的条状金属制成，并被固定在支架上。振打装置带动击打锤敲击电极上的砧板，灰尘坠入灰斗中，除灰水通过阀门进入灰斗，并将落灰带入水力灰处理系统。在烟气流动过程中，一组集尘电极和放电电极相结合形成一个电场，分别有单独的电源供给和振打装置（图9-1（b）显示了三个这样的电场）。由于每个电场的运行条件有差别，这样设计是很有必要的，第一个电场收集灰量最大，第二个次之，第三个最少。静电除尘器的有效运行是通过供电装置来保证的。每套装置给一个电场（或半个电场）供电。装置由三个功能单元组成：带有高压开关的升压和整流单元；磁放大器和扼流器单元；控制单元。自动控制装置用来维持在任何时刻电压均处于击穿水平，确保气体的电离能够达到最佳。9.2.2袋式除尘器纤维织品滤尘器通常称为袋式除尘器，这种除尘器利用织物微孔从含尘气体中分离灰尘微粒，具有除尘效率和性能价格比均较高的特点。对于非常细微的颗粒，除尘效率超过99%。含尘气体进入除尘器的袋中然后通过起过滤作用的织物流出。袋式除尘器的袋子是由棉花、合成纤维或玻璃纤维材料编织或粘结而成，制成管状或带状。袋式除尘器的高效率取决于在袋子表面形成的滤饼。纤维织物具有捕集灰尘的表面，并通过以下四种机理捕集灰尘：惯性收集：粉尘颗粒撞击在与气流方向垂直的布袋表面而不再随气流流动。拦截颗粒：与气体流线一致的颗粒与纤维接触后因颗粒尺寸不能穿过织物微孔而被截获。布朗运动：亚微米颗粒自由扩能力强，增大了其与布袋表面接触的几率。静电力作用：微粒带有电荷，增大了滤料捕集的可能性。这些机理的共同作用导致滤料上形成滤饼，最终会增加气流阻力。因此滤料必须定期清灰。按照清灰方式进行分类，有三种常见的布袋除尘器：机械振动清灰在机械振动清灰的袋式除尘器中，圆管状的滤袋底部固定在孔板上，顶部悬挂于水平梁上。含尘气体通过除尘器底部的孔板进入滤袋内部，当气体通过滤料时，粉尘颗粒沉积在滤袋内表面上。滤袋的清灰工作是通过振动顶部悬挂滤袋的横梁来实现的。电机驱动凸轮使横梁装置产生振动，将滤袋内的灰尘颗粒振落。滤袋的尺寸从小型、人工振动的到大型、单元式的都有。它们可以间歇工作也可以连续工作。当设备以批次为基础工作时可采用间歇式的袋式除尘器，一批次工作完成后，即可清洁滤袋。连续的工作过程可使用单元式除尘器，当一个单元清灰时，含尘气体被导入其他除尘单元。逆流式清灰逆流式清灰的滤袋被固定在除尘设备底部的孔板上，顶部悬挂在可调节的吊架上。含尘气流通常先进入滤袋中，然后穿过滤料，从袋中流出，灰尘被收集在滤袋内。逆流式清灰带式除尘器划分若干单元，可以连续运行。在要进行清灰的单元开始清灰工作时，停止过滤过程。从相反方向注入干净的空气进行清灰并使单元压力增大。压力使滤袋局部塌陷，沉积在滤袋内表面的滤饼遭破坏而脱落，掉入下面的灰斗。在清灰工作结束时，停止注入空气，重新开始除尘工作。含尘气流可以保持滤袋的形状，但是为了防止在清灰时滤袋被压扁或互相摩擦，在滤袋中按一定间隔安装了支撑环。反向脉冲清灰反向脉冲清灰除尘器的滤袋被金属框架支撑，固定在除尘器顶部的孔板上。含尘气体从除尘器底部进入，从滤袋外面流入内部时，粉尘被阻留于滤袋外表面上，金属框架防止滤袋被压扁。在清理滤袋时，压缩空气以短脉冲方式通过一列滤袋上面的联通管喷入滤袋。压缩空气在安装于除尘器滤袋顶部的文丘里管中加速。由于压缩空气脉冲周期极短（0.1秒），形成在滤袋内迅速移动的空气鼓泡，从袋的一端传递到另一端，引起滤袋表面的弯曲。滤袋表面的弯曲破坏了滤饼，脱落的粉尘掉入灰斗。反向脉冲清灰式除尘器可以连续运行，清灰无需中断除尘，因为脉冲压缩空气与通过除尘器的含尘气体相比体积很小。由于可以在连续运行过程中进行清灰，反向脉冲清灰式除尘器通常不划分单元。反向脉冲清灰式除尘器的短周期清灰可以减少灰尘的再循环和再沉积。并且清灰效果和滤袋的调整都比机械振动式或反向气流式更彻底。由于可以连续清灰，所以气布比较高，因此对空间要求也较低。9.3减少硫氧化合物的排放9.3.1固体燃料除硫硫在固体燃料中有三种赋存形式：黄铁矿FeS2；燃料有机物分子中的硫；硫酸盐硫（以钙和碱金属的硫酸盐形式存在）。黄铁矿和有机硫能通过热液脱硫法从煤中去除。该法是将煤放置于1.75MPa和300的高压釜中，并用含有氢氧化钠和氢氧化钾的强碱性溶液进行处理。经该方法处理后的煤，再经离心脱水、干燥，硫含量可以达到相当低的水平。含有钠和钾的硫化物的液体用碳酸进行再生并得到硫化氢，可以用于生产单质硫。9.3.2烟气中硫化氢的净化与燃烧产物中的硫主要以SO2和SO3的形式存在相比，燃料的热处理过程中产生的烟气中的硫主要以硫化氢的形式存在。烟气中硫化氢的净化通常受吸收过程的影响，有效的吸收剂有乙醇胺和二乙醇胺。通过乙醇胺吸收硫化氢的过程发生在30-40C条件下，可以用如下反应描述：HSRNHSHRNH322+(9-1)当温度达到105时，反应反向进行，发生分解反应，重新生成乙醇胺和硫化氢。再生溶液又回到吸收装置中。在实际应用中，由于乙醇胺比较稳定且反应很活泼，所以应用最为广泛。乙醇胺的费用是相当高的，但在反应过程中吸收剂的损耗是很少的。9.3.3利用石灰和石灰石脱硫燃料燃烧时，其中含有的硫分几乎全部形成SO2或SO3进入烟气之中。大部分硫氧化物（大约99%）以不活泼气体SO2的形式存在，只有1%以SO3的形式存在。烟气脱硫通常称为FGD，是火力发电厂中从锅炉排烟中脱除SO2的技术。FGD可以分为干法和湿法。SO2是一种酸性气体，因此典型的吸收浆液或其他用于从烟气中脱除SO2的物质都是碱性物质。在湿法FGD的吸收系统中，吸收液中含有碱性吸收剂以提高对SO2和其他酸性气体的吸收能力。已经使用的吸收剂有十几种，但石灰和石灰石使用最为普遍。在湿法吸收时使用CaCO3（石灰石）浆液吸收SO2产生CaSO3（亚硫酸钙），可以用化学方程式表述如下：CaCO3+SO2CaSO3+CO2(9-2)当湿法吸收中使用Ca(OH)2（消石灰）液浆时，反应后也产生CaSO3（亚硫酸钙），可以表述为：Ca(OH)2+SO2CaSO3+H2O(9-3)某些FGD系统更进一步将CaSO3（亚硫酸钙）氧化为具有市场销售价值的CaSO42H2O（石膏）。CaSO3+O2+2H2OCaSO42H2O(9-4)图9-5给出一种典型的石灰石强制氧化FGD系统工艺流程图。在FGD吸收塔中，烟气和石灰石浆液以逆流方式运动。烟气从靠近吸收塔底部处进入吸收塔，石灰石浆液和洗涤浆液以循环方式通过加压并从靠近FGD吸收塔顶部处利用几层高度不同的喷嘴向下喷入吸收塔。喷射的石灰石液滴与烟气接触，于是烟气中的SO2与石灰石发生反应而被吸收。经过脱硫的烟气然后经过除雾器从吸收塔的顶部排出到烟囱。与烟气接触后的浆液，其中含有亚硫酸钙以及尚未反应的石灰石，落到吸收塔底部的反应池中。反应池中注入空气并与浆液强烈混合，将亚硫酸钙氧化为石膏。循环泵用来将浆液从反应池中吸出并加压然后送往吸收塔中的各层喷嘴。吸收塔排出的浆液（石膏浆液）要经过脱水过程进行处理。脱水过程常常使用一到两套水力旋流器。水力旋流器利用离心力将固态石膏从液浆中分离出来。含有固态石膏的液浆从第一套水力旋流器底部排出，然后送到真空皮带过滤装置。这一装置用以除去石膏中的水分、将石膏干燥到符合要求的水分含量或排放到垃圾场进行处置。真空皮带过滤装置的滤液回收到回收塔中，一部分返回到FGD吸收塔中，另一部分可用于石灰石液浆制备过程。9.4降低氮氧化物的排放9.4.1燃烧过程中氮氧化物的形成氮氧化物是大气中的有害气体。即使是在比较低的浓度下，也能刺激呼吸器官，损坏设备和材料，促进烟雾的形成，降低城市中的能见度。氮氧化物是燃料中的氮和大气中的氮被氧化而生成的；因此所有燃料的燃烧产物中都有氮氧化物，不论是煤，燃油还是天然气，蒸气锅炉炉膛中空气中的氮被氧化的现象可以基于以下理论予以充分解释。首先，空气中氧分子在高温下分裂成两个氧原子，反应是吸热的：2OmolkJ/495OO-+(9-6)原子氧与氮气反应，该反应生成的氮原子继续和氧分子反应并放热：ON2+=molkJ/314NNO-+(9-7)NO2+=molkJ/134ONO+(9-8)=+22ONmolkJ/180NO2-(9-9)在锅炉炉膛中的反应产物主要是一氧化氮NO（大于95%）。一氧化氮需要在低温下经过很长的过程才能氧化为二氧化氮。从烟囱排出时，氮氧化物的组成与炉膛中的组成是几乎一样的，即氮氧化物以一氧化氮为主，只有在后来较低的大气温度下才有可能被氧化。9.4.2炉膛内抑制氮氧化物生成的方法烟气再循环为了抑制氮氧化物的生成，在省煤器后将一部分温度为300-400C的烟气用再循环风机抽出并送入炉膛。重要的是将烟气送入炉膛的方式，可以通过在燃烧器下面的开孔或燃烧器周围的环形通道送入，也可以将烟气与锅炉送风混合后送入。在降低燃烧温度的同时，烟气再循环在一定程度上导致了氧浓度的降低，从而降低了燃烧速度，扩大了燃烧区域，后者可以被水冷壁更有效地冷却。应该考虑到的是烟气再循环带来了一些额外的问题。温度较高且含灰的烟气的输送需要特殊设计的再循环风机和增大辅助设备用电。进一步地，烟气再循环增加了烟道阻力并在某些程度上使燃烧工况变差。烟气再循环可以影响过热蒸气的温度，在一段时间内曾广泛应用于调节过热蒸汽温度。在以前的锅炉中以控制过热蒸汽温度为目的的烟气再循环系统，稍作改造以后，即可用于控制炉膛中氮氧化物的生成。燃料的两级燃烧燃料的两级燃烧是抑制氮氧化物生成的最有效的方法。这种方法中，一级燃烧供给的空气量要比理论空气量少（=0.8-0.95）因此，燃料的一级燃烧是不完全燃烧，伴随着燃料的部分气化，可以降低炉膛烟气中氮氧化物的浓度。在二级燃烧阶段，不完全燃烧产物与空气或贫燃料空气混合物进行燃烧。由于热量传递，在一级燃烧后，烟气的温度降低，从而在燃烧过程的最后阶段是在较低的温度下发生的。当主燃烧器中的过量空气系数低于整体的过量空气系数，而不足的空气通过主燃烧器上方的送风口送入时，这一过程进行得最为彻底。这种方法的另一种措施是下面几层燃烧器在空气不足的状况下运行(11)，而上面几层燃烧器则在过量空气系数大于1(21)的状况下运行。燃烧区域喷入水和蒸汽将水和蒸汽喷入燃烧区域可以在某种程度上减少氮氧化物的形成。目前，这种方法尽管在燃气轮机中已经取得一定的效果，但尚没有可靠的数据资料表明这种方法在锅炉中的效果。与烟气再循环相类似，喷入相当于燃烧所需总空气量的5-10%的水或蒸汽，可以在某种程度上降低炉膛的温度水平。其他一些方法也可以用于抑制氮氧化物的生成，比如通过降低炉膛中过量空气系数或者降低空气预热的温度。当过量空气系数降低到1.03-1.07，氧气的浓度减少了，相应地降低了氮氧化物的浓度。但这种方法的应用是有局限性的，一般主要应用于天然气和燃油，相应于每只燃烧器的精确的燃料和空气配比以及高浓度的炉膛燃烧器是很有必要的（特别地，对于加压燃烧锅炉）相应于单位体积炉膛较低的热量释放会降低炉膛温度，但是锅炉尺寸和制造成本也相应增大。通过增加水冷壁表面积可以得到同样的结果，也即降低炉膛的温度水平。降低热空气温度只能在有限的范围内进行，否则会影响燃烧过程，并且造成烟气深度冷却的困难。而烟气深度冷却对提高锅炉效率是非常关键的。通过上面讨论的一些方法的综合应用，可使氮氧化物生成量的明显降低。新锅炉设计时，应该尽可能采取各种可能的降低氮氧化物生成的措施。另外，应该注意这些措施在一些特殊情况下可能不太现实。上面提到的抑制烟气中NOx的方法大部分可以完全地应用于天然气锅炉，于是天然气锅炉中的氮氧化物的浓度会充分地降低。燃油锅炉中也可以得到良好的应用效果。但这些方法应用于固体燃料锅炉时是有局限性的。例如，炉膛中过量空气系数的减少和温度的降低会导致燃料颗粒的不完全燃烧程度增大。表9-1中给出抑制氮氧化物生成的各种方法的有效性的平均数据。从表中可以看出，通过各种方法的综合运用，天然气锅炉中氮氧化物的浓度可以降低80-90%，燃油锅炉中降低33%，固体燃料锅炉中降低50%。表9-1电厂锅炉中抑制NOx生成的有效性（%）燃料抑制方法低过量空气系数两级燃烧低过量空气系数两级燃烧再循环低过量空气系数再循环喷水天然气335090338010燃油334073337050煤2535603355109.4.3选择性催化还原选择性催化还原法是在催化剂的作用下将NOx转化为双原子氮N2和水H2O的方法。气态还原剂通入烟气或废气中，并被催化剂吸附。典型的还原剂为无水氨，氨水和尿素，当尿素用作还原剂时，反应产物是CO2。美国于1957年发明了利用氨作还原剂的NOx选择性催化还原法。二十世纪六十年代初，日本和美国继续在廉价且更耐久的催化剂方面进行研究，促进了选择性催化还原技术的发展。1978年安装了第一套大规模SCR装置。投入商业运行的SCR系统大多用于大型电站锅炉、工业锅炉和焚烧城市固体废弃物的锅炉，并且能减少70-95%的NOx排放。最近更多的应用包括大型内燃式发动机，比如在大型轮船、内燃机车、燃气轮机甚至汽车中的应用。在火力发电厂中，SCR系统可以采取以下三种安装方式:（1）空气预热器和静电除尘器的前面（高温，高灰）（2）空气预热器的前面和静电除尘器的后面（高温，低灰）（3）空气预热器和静电除尘器的后面（低温，低灰）在商业实践中，大部分SCR系统是高温方式安装。由于其无需重新将烟气加热到反应所需要温度，从而将热量的损失降到最低，因此这种装置很受欢迎。SCR单元通常安装于省煤器和空气预热器之间，氨通过喷氨格栅喷入催化反应器中（如图9-6所示）。反应NOX还原反应是在烟气通过催化反应器的过程中发生的。在进入反应器之前，氨或其他还原剂被喷入并与烟气混合。比较理想的反应有一个最佳温度范围。催化剂的成本占整个SCR单元成本的15-20%，因此在尽可能高的温度下，使空速最大和催化剂用量最少是非常重要的。同时，要尽可能降低将SO2氧化成SO3的速度，这一反应比NOx催化还原反应对温度更加敏感。利用钛和矾的氧化物作为催化剂时，反应最佳温度为650-750F。大多数SCR系统都安装有省煤器旁路，以便在烟气温度较低时维持催化反应器的温度在合适的范围，比如锅炉在低负荷下运行的时候。催化剂SCR系统的催化剂用各种陶瓷材料制成载体，比如氧化钛，活性催化成分通常是基本金属的氧化物（比如钒和钨）、沸石和各种贵金属。每种催化剂成分都有各自的优点和缺点。基本金属催化剂（比如钒和钨）的耐高温性能较差，但价格低廉而且在工业和电站锅炉常见的温度范围内运行得很好。耐高温性对汽车用催化剂是特别重要的，以适应具有强制再生功能的柴油机微粒过滤器。这些催化剂也有很强的将SO2转化成SO3的能力，SO3具有强酸性，从而可能损坏设备部件。沸石催化剂与基本金属催化剂相比可以在相当高的温度下运行，能够耐受持续1200F的温度和短时间内1560F的温度。沸石催化SO2氧化的危害也不大。如今，两种最常用的SCR催化剂结构为蜂窝状和板式。蜂窝状结构的催化剂可以通过将催化剂和陶瓷材料均匀混合或将催化剂成分包裹在基质的外面挤压而成。板式结构中一般是催化剂包裹在支撑材料的外面。和各种类型的催化剂一样，它们的构造也各有优缺点。板式结构的催化剂阻力较小并且对堵塞和结垢也不敏感，但其体积比较庞大且价格较贵。蜂窝状结构体积较小但阻力大且易堵塞。当处理含灰尘的烟气时，反应器是垂直放置的，烟气自上而下流过。催化剂被放置在两到四层催化剂层上。为了更合理地利用催化剂，通常设计三到四层，提供一个额外的未安置催化剂的层。当催化活性降低后，在反应器中的预留空间放置催化剂。随着钝化继续，各层轮流更换，每层一次，从顶层开始。这样能够使催化剂得到充分利用。催化剂层需周期性吹灰，利用蒸气清除沉淀。还原剂常用于SCR的还原剂包括无水氨，氨水和尿素。这三种还原剂都可以大量使用。纯的无水氨有剧毒，且不易安全存放，但在SCR系统中无需进一步转化。因此，无水氨受到大型工业SCR系统的青睐。氨水比无水氨的储存和运输更安全，但必须经过水解后才可使用。尿素的存放最安全，但需要通过热分解先转化为氨，才能作为有效的还原剂。9.4.4选择性非催化还原法选择性非催化还原法（SNCR）是燃烧生物质、废物和煤的常规电厂中的一种减少氮氧化物排放的方法。该过程包括从锅炉炉膛烟气温度在1600F到2100F(870C到1150C)的位置喷射氨水或尿素，氨水或尿素与燃烧过程形成的氮氧化物反应。该化学反应的最终产物是氮气、二氧化碳和水。在选择性非催化还原过程中无固体或液体废物产生。加入其它添加剂可以用于提高脱硝性能，减少设备维护并扩大SNCR温度窗口。从原理上讲，SNCR过程是相当简单的。一种气态含氮化合物或尿素和氨水的水溶液作为吸收剂在适当的温度范围内喷入并与高温烟气混合。在没有催化剂的情况下，含氮吸收剂与烟气中的NOx反应。由于吸收剂主要是与NOx反应，因此表现出选择性。图9-7给出选择性非催化还原法示意图。尿素和氨都可以作为吸收剂，在多数商业SNCR系统中，常选择尿素作为吸收剂。尿素是以水溶液形式喷入，而氨通常是利用空气进行稀释并充当载气以气态或无水形式喷入。尿素(NH2CONH2)比具有一定危险性的氨(NH3)更容易处理和储存。尿素在该过程中的反应为：NH2CONH2+H2ONH3+CO2（9-10）（简化）还原反应如下：4NO+4NH3+O24N2+6H2O（9-11）该反应机理包括NH2基附着NO，然后发生分解。反应的发生必须具备一定的温度条件，否则NO和氨不发生反应。没有反应的氨被称为氨逃逸。发生氨逃逸是不希望的。如果温度过高，氨会发生分解：4NH3+5O24NO+6H2O（9-12）这种情况下，NO非但没有被还原反而有新的生成。因此反应在特定的在温度窗口中进行才是有效的。此外，也需要有足够的反应时间。吸收剂和烟气的混合也是比较复杂的。一般地，由于烟气中心的温度较高而靠近壁面处温度较低，NO在中心处较多而靠近壁面处较少。因此，必须设法将更多的氨喷入烟气中心而靠近壁面处喷入相对较少的氨。否则会导致中心处的NO没有足够的氨将其还原，而近壁面处又因为氨过量而发生泄露。SNCR系统主要由吸收剂的储存和喷射系统构成。其中包括储罐、泵、喷射装置以及相应的控制装置，还有NOx连续排放检测装置。由于上述系统构成相对简单，SNCR系统的安装与其他NOx控制技术的设备安装相比较也相对容易些。当SNCR的性能针对每一个具体应用有所不同，NOx的还原水平从30%到大于75%均有报告。烟气温度、停留时间、吸收剂喷射率、烟气中