（工程热物理专业论文）脉冲放电协同转化烟气中NO、SOlt2gt的研究.pdf

浙江人学硕= ：学位论文摘要 摘要 随着人们对环境污染问题的日益重视，燃煤电厂的烟气净化技术已经受到 越来越多的关注。世界上已经开发出了比较成熟的n o 、s 0 2 脱除技术并得到广 泛应用。近年来，电厂排放的超细颗粒物也引起了大家的重视。电凝并技术是 脱除小颗粒的有效方法，也是国内外气溶胶研究的热点。采用脉冲供电的电凝 并技术除了对小颗粒有较好的荷电效果，同时由于脉冲电源的特殊性，脉冲放 电可以将烟气中的n o 、s 0 2 转化成其它易被溶液吸收的成分，因此可以考虑在 同一个脉冲电晕放电反应器内同时将烟气中颗粒物凝并团聚并氧化转化n o 、 s 0 2 ，将该技术和传统的液相吸收洗涤技术相结合，可提高燃煤电厂烟气中粉 尘、n o 、s 0 2 等污染物的脱除效率，使除尘、脱硫、脱硝的一体化成为可能， 从而降低燃煤电厂烟气净化的成本。 本文首先对n o 、s 0 2 的脱除技术，尤其是脉冲放电脱硫脱硝技术的研究现 状进行了简单的9 3 纳总结，并对本文中所使用的“脉冲放电协同转化烟气中的 n o 、s 0 2 的实验系统做了介绍。 本文对脉冲放电转化n o 、s 0 2 的反应动力学过程进行了分析，并使用两种 方案对脉冲放电转化n o 、s 0 2 进行研究：( 1 ) n o 、s 0 2 单独存在于反应器中 时，脉冲放电对n o 、s 0 2 的转化作用。在这一部分实验中，主要讨论了脉冲放 电参数( 脉冲峰值电压、脉冲频率、脉冲放电电极数目) 、停留时间、烟气湿度、 气体初始浓度以及飞灰的加入对其转化效率的影响。( 2 ) n o 、s 0 2 同时存在时， 脉冲放电对n o 、s 0 2 的转化作用。在方案( 1 ) 的基础上，本部分实验还考虑 了n o 、s 0 2 对彼此转化效率的影响，并将其结果与方案( 1 ) 的结果进行了比 较。实验结果表明，提高脉冲峰压、脉冲频率、增加放电电极数目、停留时间 可以显著提高n o 、s 0 2 转化效率，提高烟气湿度可以大大提高s 0 2 的转化效率， 但对n o 的转化具有抑制作用。随着气体初始浓度的增加，n o 、s 0 2 转化效率 降低；随着飞灰浓度的增加，n o 、s 0 2 转化效率均呈现先增加后降低的趋势； 添加水蒸汽可以在一定程度上改善s 0 2 的转化效率，但是对n o 转化效率有一 定的抑制作用。n o 浓度升高会降低s 0 2 的转化效率，但s 0 2 的浓度变化对n o 的影响不大。最后，本文对脉冲放电转化n o 、s 0 2 进行了经济性分析，在本实 验系统下，能耗为1 8 w h m 3 时，初始浓度为3 0 0 p p m 左右的n o 、s 0 2 的转化 浙江人学硕：l 学位论文 摘要 效率可分别达到5 0 、6 5 ；当能耗为9 3 w h m 3 时，n o 、s 0 2 转化效率分别 为4 0 、5 0 。 关键词：等离子体；脉冲放电；脱硫；脱硝；转化效率；机理 浙江人学颀l ：学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t p e o p l ea r ep a y i n gm o r ea n dm o r ea t t e n t i o nt of l u eg a sc l e a n i n gt e c h n o l o g i e si n c o a l - f i r e dp o w e rp l a n t s ，w h i c ha r eo n eo ft h em o s ti m p o r t a n ts o l l r c e so fa i rp o l l u t i o n d e n o xa n dd e s 0 2t e c h n o l o g i e sh a v eb e e nd e v e l o p e da n du s e dw i d e l y r e c e n t l y , f i n e p a r t i c l e e m i s s i o na l s oa t t r a c t s p e o p l e sa t t e n t i o n e l e c t r i ca g g l o m e r a t i o ni s b e c o m i n gar e s e a r c hh o t s p o ta sa ne f f e c t i v ew a yt oc o n t r o lf i n ep a r t i c l ee m i s s i o n b e c a u s eo fp a r t i c u l a r i t yo fp u l s e dp o w e rs u p p l y , i th a sn o to n l yg o o dc h a r g i n ge f f e c t b u ta l s og o o do x i d a t i o ne f f e c to fn oa n ds 0 2 h e n c e ，c o m b i n e dw i t hs o l u t i o n a d s o r p t i o n ，i ti sp o s s i b l et oi n t e g r a t ef i n ep a r t i c l e 、n oa n ds 0 2e m i s s i o nc o n t r o li n o n ep u l s e dd i s c h a r g er e a c t o rs i m u l t a n e o u s l y i tr e d u c e st h ec o s to ff l u eg a sc l e a n i n g g r e a t l y f i r s t l y , d e - n o xa n dd e s 0 2t e c h n o l o g i e se s p e c i a l l yt h er e m o v a lo f n oa n ds 0 2 b yp u l s e dc o r o n ad i s c h a r g ew e r ei n c l u d e d a n dt h e nt h ee x p e r i m e n t a ls y s t e mf o r s i m u l t a n e o u sc o n v e r s i o no fn oa n ds 0 2w a sb r i e f l yi n t r o d u c e d i nt h i sa r t i c l e ，t h ek i n e t i c so fr e a c t i o np r o c e s sw a sa n a l y z e da n dt h ee x p e r i m e n t s u n d e rt w ok i n d so fc o n d i t i o n sw e r ep e r f o r m e da sb e l o w ：( 1 ) ：t h ec o n v e r s i o no fn o a n d9 0 2b yp u l s e dc o r o n ad i s c h a r g ew h e nt h e r ew a so n l yn oo rs 0 2i nf l u eg a s t h e r e l a t i o n sb e t w e e nn o s 0 2c o n v e r s i o ne f f i c i e n c i e sa n dp u l s e dd i s c h a r g ep a r a m e t e r s i n c l u d i n gp u l s ep e a kv o l t a g e ，p u l s ef r e q u e n c y ，e l e c t r o d en u m b e r , r e s i d e n c et i m e ，a i r h u m i d i t y , i n i t i a lc o n c e n t r a t i o n ，f l ya s ha d d i t i o nw e r ei n v e s t i g a t e ds e p a r a t e l y ( 2 ) t h e c o n v e r s i o no fn oa n ds 0 2b yp u l s e dd i s c h a r g ew h e nt h e yw e r ea d d e di nf l u eg a s s i m u l t a n e o u s l y o nt h eb a s i so fe x p e r i m e n t ( 1 ) ，t h ei n f l u e n c er e l a t i o n sb e t w e e nn o a n ds 0 2o nc o n v e r s i o ne f f i c i e n c i e sw e r ea l s oi n v e s t i g a t e d t h er e s u l t si n d i c a t et h a t n oa n ds 0 2c o n v e r s i o ne f f i c i e n c i e si n c r e a s e w i t hi n c r e a s i n gp u l s ep e a kv o l t a g e ， p u l s ef r e q u e n c y , e l e c t r o d en u m b e ra n dr e s i d e n c et i m e a n dn oa n ds 0 2c o n v e r s i o n e f f i c i e n c i e sd e c r e a s ew i t hi n c r e a s i n gi n i t i a lc o n c e n t r a t i o n h i g ha i rh u m i d i t yi m p r o v e s s 0 2c o n v e r s i o ne f f i c i e n c y , b u tr e s t r a i n sn oc o n v e r s i o n l o wc o n c e n t r a t i o no ff l ya s h a d d i t i o ni m p r o v e sn oa n ds 0 2c o n v e r s i o n ，h o w e v e r , w i t hh i g hc o n c e n t r a t i o n ，t h ef l y a s hr e s t r a i n sp u l s e dd i s c h a r g e ，w h i c hr e s u l t si nl o w e rn oa n d9 0 2c o n v e r s i o n n o l v 浙江人学硕：j ：学位论文 a b s t r a c t h a sb a de f f e c to ns 0 2c o n v e r s i o n ，h o w e v e r , s 0 2a l m o s th a sn oe f f e c t o nn o c o n v e r s i o n u n d e ro u rs y s t e m ，w h e nb o t hn oa n d5 0 2i n i t i a lc o n c e n t r a t i o n sa le a p p r o x i m a t e l y3 0 0 p p m ，p o w e rc o n s u m p t i o n so f18 w h m 3a n d9 3w h m 3a c h i e v e n oa n ds 0 2c o n v e r s i o ne f f i c i e n c i e so f5 0 、6 5 a n d 4 0 、5 0 ，r e s p e c t i v e l y k e y w o r d s ：p l a s m a ；p u l s e dd i s c h a r g e ；d e n o x ；d e s 0 2 ；c o n v e r s i o ne f f i c i e n c y ； m e c h a n i s m v 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿盘堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文储虢霹牛 签字魄邴年7 月廖日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝至三盘堂 有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 签字同期：坷年 导师虢m 一 签字同期：歹叫年多月矿同 浙江人学硕i ：学位论文 致谢 致谢 随着研究生的毕业，我的学生生涯也即将结束，在热能所两年的快乐生活 将成为我人生中最珍贵的回忆。在这个温暖的大家庭里，我不仅在学习上有了 收获，在生活方面也得到了许多关心和帮助，让我成长许多。 至此论文完成之际感谢恩师骆仲泱教授、高翔教授、余春江副教授、岑可 法院士的谆谆教导。你们不仅在学术上帮助我很多，培养了我对待学术的严谨、 求实、创新的态度，同时也用你们宽阔的视野、高尚的品质一直潜移默化的影 响着我，这必将成为了将来人生路上的一笔宝贵的财富。感谢骆仲泱教授在整 个试验进程中给予我的耐心帮助和支持，您的许多关键性的建议和指导，使得 整个试验能够顺利进行。感谢循环流化床课题组的方梦祥教授、周劲松教授、 王勤辉教授、程乐鸣教授、施正伦研究员、高翔教授、王树荣教授，感谢你们 在学习、生活中对我的无私关怀和帮助。感谢陈永强师傅的辛勤劳动。 感谢徐飞师兄、王鹏师兄侯全辉师兄在生活中对我的关心和照顾，刚来 浙大初期，是你们如兄长般帮助我尽快熟悉身边的环境、融入到热能所这个家 庭，使我感受到这个家庭的第一份温暖。感谢师兄们以及师弟魏波在实验中及 论文写作过程中给我的帮助。在整个实验的过程中，一起合作，解决实验中所 遇到的各种问题，从你们身上我学到了很多东西。 感谢揭涛、段玉燕、方昭贤、蔡洁聪、秦鹏、陈湘文共同营造了c 2 0 5 这 个小家庭，在这个家庭里大家充满欢声笑语! 感谢室友张玫、周丽娟、薛杨，和你们一起生活真的很开心很快乐，我将 会永远怀念我们在一起相处的美好时光! 感谢黄贵芝、洪毅提供的诸多便利! 感谢循环流化床课题组及工程热物理0 6 硕研究生班的全体同学，感谢你们 给于我的太多东西，能有缘与你们相聚感到很荣幸! 最后，更要感谢我的家人，感谢你们在各个方面对我的默默关心和开导， 感谢你们对我永远的支持! 衷心祝愿所有帮助过我的人都能幸福快乐，在新的人生起点我会周不断的 努力回报大家的期望! 曹玮 2 0 0 8 年5 月于浙大求是园 浙江大学硕：l = 学位论文第l 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 大气是人类赖以生存和发展的最基本的环境要素，但是，随着人类生产活动 和社会活动的增加，大气质量日趋恶化，大气污染成为环境问题中一个较为突出 的问题。随着人们对大气污染问题的日益重视，环境保护已成为各国政府和科学 家所关心的核心问题之一。 大气污染物可分为颗粒污染物和气态污染物等，而气态污染物主要由二氧化 硫( s 0 2 ) 和氮氧化物( n o x ) 组成，它们不仅影响大气质量，危害着人类的健康，而 且还是酸雨的主要来源。 我国煤炭资源丰富且廉价，是世界上最大的煤炭生产和消费国，也是世界上 少数几个以煤炭为主要能源的国家之一，全国煤炭消费量不断增加，1 9 9 0 年为 1 0 5 亿吨，1 9 9 6 年已增至1 3 7 9 亿吨，到2 0 0 0 年达到1 4 亿n 屯，预计在今后5 0 年内，我国以煤炭为主的能源结构不会发生显著变化【l 】。 燃煤电厂作为我国最大的煤炭消费部门，其电煤消费从1 9 9 1 年的2 0 7 1 9 8 万t 标煤上升到2 0 0 3 年的1 7 0 9 1 1 3 8 万t 标煤，占煤炭消耗量的比重从2 6 2 上 升到6 9 4 ，表1 1 为我国近年来的能源消费构成【2 1 。据有关部门的预测，2 0 1 0 、 2 0 2 0 ，2 0 3 0 年煤电比例将分别为7 2 6 、6 5 6 、6 5 3 ，由此看来，以煤电为 主的发电格局仍将不会改变【3 1 。作为n o x 、s 0 2 、粉尘等空气污染物的主要来源， 燃煤电厂的烟气净化技术已经受到各国的广泛关注。 1 1 我国能源消费构成 浙江大学顺一i j 学位论义 第1 章绪论 1 2 我国燃煤烟气污染现状 据资料显示，2 0 0 4 年，我国二氧化硫排放量为2 2 5 4 9 万吨，其中工业排放 量为1 8 9 1 4 万吨，生活排放量为3 6 3 5 万吨，2 0 0 0 年全国n o x 排放总量为1 5 0 0 万t ，预计到2 0 1 0 年将超过2 0 0 0 万t 。2 0 0 4 年中国环境状况公报表明，在所统计 的5 2 7 个市( 县) 中，出现酸雨的城市2 9 8 个，占统计城市的5 6 5 ，降水的年 均p h 范围为3 0 5 8 2 0 ；降水年均小于5 6 ( 酸雨) 的城市2 18 个，占统计城市 的4 1 4 。与2 0 0 3 年相比，出现酸雨的城市比例增加了2 1 ；酸雨频率超过8 0 的城市比例上升了1 6 ；其中p h 值小于4 5 的城市比例增加了2 。 据统计，在我国大气污染物的排放中，烟尘排放量的7 0 、二氧化硫排放量 的9 0 、氮氧化物的6 7 、二氧化碳的7 0 都来自于燃煤。表1 2 为我国近三年 来电力行业的污染物排放统计【4 卅。 1 2 电力部门污染物排放 1 3 燃煤烟气中n o 。、s 0 2 、粉尘的危害 1 3 1n o 。的危害 氮氧化物是指n o 、n 0 2 和n 2 0 、n 0 3 、n 2 0 3 、n 2 0 4 等气体，燃煤烟气中的 主要氮氧化物是n o 和n 0 2 ，有时也可能产生一定的n o 。n o 为无色无臭气体， 是在高温条件下由空气中的氮或燃料中的氮与氧化合生成的，其与血色素的亲和 力很强，约为c o 的数百倍至一千倍，一旦和动物血液中的血色素结合，就会造 成血液缺氧而引起中枢神经麻痹。n 0 2 是浓红褐色的气体，它由n o 氧化而生成， 对呼吸器官前膜，尤其对肺部有强烈的刺激作用，其毒性较s 0 2 和n o 都强，对 大部分动物的最低致死浓度为1 0 0 p p m 左右，n 0 2 对心脏、肝脏、造血组织等也 都有影响。n 2 0 俗称“笑气”，对人体没有直接的伤害，但是其可破坏臭氧层，使 浙江大学硕一f ：学位论文 第l 章绪论 皮肤癌、黑色素癌、白内障等患者增加；另外n 2 0 能吸收红外线，导致温室效 应。n o x 的最大危害是其与碳氢化合物在强烈的阳光作用下生成一种浅蓝色的光 化学烟雾，并且是形成酸雨、酸雾的主要原因之一。 1 3 2s 0 2 的危害 s 0 2 是一种无色有臭味的窒息性气体，其对人体的危害很大、单独存在时， 主要是刺激呼吸器官粘膜，引起呼吸道疾病，s o 很少单独存在于大气中，往往 是和飘尘结合在一起进入人体肺部，引起各种恶性疾病。s 0 2 对人体最大的危害 是在在太阳紫外线和某些粉尘颗粒的作用下，经过一系列的光化学反应，变成三 氧化硫，然后与空气中的水蒸气相遇，变成硫酸，这时其毒性将比它本身大1 0 倍。并且硫酸随雨水降落形成酸雨，酸雨对植物、建筑物、各种露天设备等的影 响很大，它会造成森林树木枯黄、粮食减产、建筑物腐蚀等问题，不仅会对金属 及其制品造成腐蚀，还使纸制品、丝织品、皮革制品变质、变脆和破碎。 1 3 3 粉尘的危害 我国的环境空气质量标准( g b 3 0 9 5 1 9 9 6 ) 中定义悬浮在空气中，空气 动力学 - 3 量直径小于1 0 9 m 的颗粒物为可吸入颗粒物。0 2 5 9 m 段的颗粒称为 细颗粒( p m 2 5 ) ，2 5 1 0 9 m 段的颗粒称为粗颗粒，其中p m 2 5 占据了可吸入 颗粒物的7 0 左右。可吸入颗粒物对人体的危害主要表现在两个方面：一、可吸 入颗粒物复杂的化学成分对人体造成危害。p m l 0 中大多含有氮化钠、氟化钙的 化合物、铁、钒的化合物等，有的还携带苯及其同系物，可引发癌症【7 1 。当这些 物质沉积肺中，有些可溶解直接进入血液，造成血液中毒。如血液中铅量积累到 一定程度时，使心肺病变，损害大脑、破坏神经，可影响儿童智力正常发育。二、 0 5 9 m 一5 9 m 的粒子以及未被溶解的污染物，可直接进入肺泡并在肺内沉积，被 细胞吸收，侵入组织细胞，形成尘肺。研究还表明，由于超细颗粒物p m 2 5 可 作为其它污染物的载体，可以吸附多种化学组分随呼吸进入人体，并能使毒性物 质有更高的反应和溶解速度，而且随着其粒径的减小，超细颗粒物在大气中的存 留时间和在呼吸系统的吸收率也随之增加。p m 2 5 易富集空气中有毒重金属、酸 性氧化物、有机污染物、细菌和病毒等，且能较长时间停留在空气中，因此对呼 吸系统影响极为严重。 此外，空气中含有粉尘，还会减弱光照度和能见度，同时使建筑物受到污染， 浙江人学硕：j = 学位论文 第1 章绪论 尤其那些带有酸性的烟尘会使所有建筑物受到侵蚀，农作物也会由此而受害，粮 食作物由于叶片上沾染粉尘，导致光照不足而减产8 1 。 1 4 燃煤烟气污染控制和治理措施 为了保护环境，实现人类的可持续发展，世界各国制定了严格的环保法规， 对二氧化硫和氮氧化物的排放进行严格的控制，并规定了严格执行的削减计划。 自1 9 9 7 年始，我国便制订并实施了火电厂大气污染排放标准( g b l3 2 2 3 1 9 9 6 ) ，1 9 9 7 年1 月1 2 日国务院批准了酸雨控制区和二氧化硫污染控制区划 分方案，批复决定到2 0 0 0 年对“两控区”内的二氧化硫工业污染源实行达标排放 和排放总量控制。 随着国内大气污染情况的日益严重，国家环保总局兼顾电力发展和环境保 护，升级了( ( 火电厂大气污染物排放标准( g b l 3 2 2 3 2 0 0 3 ) 和( ( 关于加强( 两 控区酸雨和二氧化硫污染防治“1 5 ”计划) 重点火电脱硫项目监督管理的通知。 分三个时段规定了火电厂大气污染物排放限值，提出了到2 0 0 5 年和2 0 1 0 年火电 厂应执行的烟尘、二氧化硫和氮氧化物排放限值，为火电厂根据自身的情况采取 相应的控制措施提供了依据。 2 0 0 5 年国家再次加大了执行环保收费管理力度，按照国家排污费征收使 用管理条例和排污费征收标准管理办法，从2 0 0 5 年7 月1 日开始，s 0 2 排 污收费由0 4 2 元公斤增加到o 6 3 公斤，对火电厂的n o 。自2 0 0 4 年下半年开始 征收排污费，收费标准为0 6 3 元公斤。 1 5 传统脱硫方式 传统的燃煤s 0 2 控制技术主要体现在两个方面，一方面是从煤炭生产上加以 控制，另一方面是对煤及燃煤设备实施脱硫技术。概括起来可分为三类：即燃烧 前脱硫，燃烧中脱硫，燃烧后脱硫( 烟气脱硫f g d ) 。 1 5 1 燃烧前脱硫 燃烧前脱硫是为了满足不同用户的需要，采用物理法、化学法或微生物等方 法去除原煤中所含的硫分、灰分、矸石等杂质，并按照不同煤种、灰分、热值和 粒度将原煤分成若干品种等级。 物理法应用最广泛的是跳汰选煤，其次是重介质选煤和浮选。物理选煤可以 浙江火学硕士学位论文第1 章绪逾 除去6 0 1 ) j , 上的灰分和5 0 的黄铁矿硫，该法虽然简单易行且成本低，但是脱 硫率低，且能量损失大。 化学法能脱除无机硫和部分有机硫，脱除率高于物理法，但该法是在高温、 高压、氧化剂作用下操作，煤的结构、结焦性等被破坏，其热值也下降。 微生物法脱硫是在常压、气温低于1 0 0 。c 的温和条件下，把煤粉悬浮在含细 菌的液体中，在细菌的催化作用下，利用生物氧化还原反应达到脱硫的目的，能 耗较低【9 】化学法和微生物脱硫，可以脱除煤中9 9 的矿物硫及9 0 的全硫( 包 括有机硫) ，但这两种方法投资太大，反应条件严格，一般用于对煤质要求较高 的特殊领域。 1 5 2 燃烧中脱硫 燃烧中脱硫即当煤在炉内燃烧的同时，向炉内约为8 0 0 1 2 5 0 。c 区域喷入石 灰石、白云石、熟石灰或生石灰等脱硫剂。在这一温度下，脱硫剂进行煅烧分解 反应之后，与s 0 2 发生硫化反应达到脱硫的目的。燃烧中脱硫有炉内直接喷钙脱 硫技术、循环流化床燃烧技术和型煤固硫燃烧技术、配煤技术等。 炉内喷钙脱硫技术起源于2 0 世纪6 0 年代，主要针对于煤粉炉而言，其投资 省、装置简单、便于改造，但是脱除效率低，单纯的炉内直接喷钙脱硫效率只能 达到3 0 4 0 ，若与尾部活化器增湿或与添加催化剂等技术相结合，其脱除效 率可达7 0 以上，因此具有广阔的发展前景。8 0 年代以后，在此基础上，美国 开发了炉内喷钙多段燃烧l i m b ( l i m e s t o n ei n j e c t i o nm u l t i s t a g eb u r n e r s ) 工艺， 芬兰的t a m p e l l a 公司开发了l i f a c ( l i m e s t o n ei n j e c t i o ni n t ot h ef u r n a c e ) 工艺， 大大提高了脱硫效率，并得到推广应用。 我国自2 0 世纪6 0 年代开始研究和开发循环流化床燃烧锅炉，该技术以烟气 为流化介质，脱硫剂为固体颗粒，脱硫反应在脱硫剂颗粒的表面进行，流态化下 气固两相充分的接触大大提高了脱硫反应的速度和程度，其具有的气固分离设备 和固体物料再循环设备也使得脱硫剂在循环流化床锅炉中停留时间延长，可以达 到三四秒，因而延长了脱硫剂与烟气的反应时间；其次，循环流化床锅炉燃烧的 温度8 5 0 9 0 04 c 也是脱硫反应的最佳温度【加】。该方法系统简单，占地面积小， 运行维护费用较低，且整个系统处于于态，无需任何防腐措施，既能解决s 0 2 污染的问题，又能燃用高灰、高硫和低热值煤。目前，循环流化床锅炉的发展趋 势是大型化、高压力。 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 型煤固硫技术主要是在煤中掺入各种石灰石粉、白云石粉、生石灰及富含金 属氧化物的矿渣、炉渣等作为固硫剂，当煤在锅炉中燃烧时，由于固硫剂的作用， 煤燃烧产生的s 0 2 还没有逸出就与煤中的固硫剂发生化学反应，生成固相硫酸 盐，随炉渣排出，从而达到脱硫的目的。 洁净优化动力配煤技术是将不同品质的煤经过筛选、破碎，按比例配合，并 辅以一定的添加剂，以此改变动力煤的化学组成、岩相组成、物理特性和燃煤特 性，能够充分利用煤岩资源，达到优化煤炭产品结构、煤质互补、适应不同用户 燃煤设备对媒质的需求等要求。 1 5 3 燃烧后脱硫 燃烧后烟气脱硫( f g d ) 是目前世界上大规模商业应用的脱硫技术。根据脱 硫剂以及脱硫反应产物的状态可分为湿法烟气脱硫、干法烟气脱硫、半干法烟气 脱硫1 1 1 。 ( 1 ) 湿法烟气脱硫技术( w f g d ) 湿法烟气脱硫是利用各种碱性液体( 脱硫剂) 洗涤含硫烟气，脱硫过程在溶 液中进行，脱硫剂和脱硫生成物均为湿态，由于反应过程温度低于露点，所以脱 硫以后的烟气一般要加热才能从烟囱排出。目前世界上已开发出的湿法烟气脱硫 技术主要有石灰石石灰石膏湿法工艺、氧化镁法、海水脱硫，氨吸收法等。 石灰石石灰石膏湿法工艺是使用最多的工艺。该法以石灰石为脱硫剂，通 过向吸收塔内喷入吸收剂浆液，使之与烟气充分接触、混合，并对烟气进行洗涤， 使得烟气中的s 0 2 与浆液中c a c 0 3 以及鼓入的强制氧化空气发生化学反应，最 后生成石膏，达到脱硫的目的。 氧化镁法是用氧化镁的浆液吸收烟气中的s 0 2 ，得到含结晶水的亚硫酸镁和 硫酸镁的固体吸收产物，经脱水、干燥和煅烧还原后，再生出氧化镁，循环脱硫。 该技术脱硫剂氧化镁的来源存在一定的局限性。 海水脱硫是利用海水的弱碱性、天然的酸碱缓冲能力以及吸收s 0 2 的能力进 行脱硫，脱硫后的废液排入大海。该技术采用天然海水作吸收剂，不添加任何化 学物质，节省了吸收剂制备系统，工艺简单，系统可用率高，投资运行费用低。 但洗涤后的海水需要经过水质恢复系统的处理，达到排放标准后再排入海洋，主 要局限在沿海使用【佗】。 氨吸收法的典型工艺是氨一酸法，该技术是用( n h 4 ) 2 s 0 3 吸收s 0 2 生成 6 浙江人学硕：j ：学位论文第1 章绪论 n h 4 h s 0 3 ，循环槽中用补充的氨使n h 4 h s 0 3 再生为( n h 4 ) 2 s 0 3 循环脱硫。 湿法烟气脱硫效率可达9 5 以上，脱硫剂利用率大于9 0 ；烟气处理量大， 特别适合大机组；煤种适应性强，尤其适用于高硫煤；脱硫剂来源广，价格低； 系统成熟，运行可靠性高，是目前效率最高，应用得最为广泛的一种烟气脱硫技 术。但是其制浆设备庞大，占地面积大，管道设备易腐蚀、结垢，有废水等二次 污染和烟气再加热系统等，投资和运行费用高，使湿法脱硫在某些场合( 如要求中 等脱硫效率且费用低或者水资源缺乏的地区) 的应用受到一定的限制。 ( 2 ) 干法烟气脱硫技术( d f g d ) 干法烟气脱硫技术在无液相介入的完全干躁状态下进行，反应产物亦为干粉 状。烟气在脱硫过程中无明显降温，利于排放，无废液二次污染，但是反应速度 慢，脱硫效率及脱硫剂利用率低。干法工艺主要有静电干式喷射脱硫法、等离子 体法、生物烟气脱硫技术、活性炭吸附法和粉煤灰吸附法等1 3 】。 静电干式喷射脱硫法的核心是吸收剂高速通过高压静电电晕充电区后喷射 到烟气流中，扩散成均匀的悬浊状态。吸收剂粒子表面充分暴露，增加了与s 0 2 反应的机会，同时由于粒子在脉冲电晕的作用下增强了活性，缩短了反应所需滞 留时间，进一步有效地提高了脱硫效率。该工艺占地投资少，脱硫效率6 0 7 0 ，适合老电厂的改造【1 4 】。 等离子体法是7 0 年代发展起来的同时脱硫脱硝技术，主要是利用高能电子将 烟气e e 的h 2 0 、0 2 等分子激活、裂解，产生大量活性粒子，使s 0 2 被氧化，在注 入氨的情况下生成硫酸铵。 生物烟气脱硫技术包括生物过滤法、生物吸附法和生物滴滤法，其微生物种 群随环境改变而变化。在生物脱硫过程中，氧化态的含硫污染物必须先经生物还 原作用生成硫化物或h 2 s 然后再经生物氧化过程生成单质硫才能去除。该工艺不 需催化剂和氧化剂，低能耗，回收硫，效率高，无臭味，但是过程不易控制，条 件要求苛刻。 活性炭法烟气脱硫是一个化学吸附和物理吸附同时存在的过程，首先是物理 吸附，然后在有水和氧气存在的条件下将吸附到活性炭表面的s o z 催化氧化为 h 2 s 0 4 ，二氧化硫的吸附量增大。该法可以脱除烟气中的多种污染物【1 5 】，在经济上 具有一定的优越性。 7 浙江人学硕i ：学位论文第1 章绪论 粉煤灰脱硫是依靠粉煤灰本身具有的碱性和火山灰活性，将其加入各种碱性 物质如生石灰等制成粉煤灰脱硫剂可以达到脱硫效果。该方法兼有除尘功能，且 能实现粉煤灰的综合利用。 ( 3 ) 半干法烟气脱硫技术( s d f g d ) 半干法烟气脱硫工艺是在湿状态下脱硫，干状态下处理脱硫产物的脱硫方 法，既有湿法脱硫反应速度快、脱硫效率高的特点，又有干法无污水废酸排出， 脱硫后产物易于处理的好处。目前比较成熟的技术主要有喷雾干燥法、炉内喷钙 尾部增湿活化法、循环流化床烟气脱硫、半干半湿法、新型综合烟气脱硫技术 ( n i d ) 【16 1 。 旋转喷雾烟气脱硫( s d a ) 【1 7 1 是利用喷雾干燥的原理，将吸收剂浆液雾化 喷入吸收塔。在吸收塔内，吸收剂在与烟气中的二氧化硫发生化学反应的同时， 吸收烟气中的热量使吸收剂中水分蒸发干燥，脱硫产物以干态排出。该法主要以 生石灰作吸收剂，生石灰经熟化变成反应能力较好的熟石灰。熟石灰浆液经吸收 塔顶部高速旋转的雾化器喷射成均匀细小的浆滴，一经与烟气接触，便发生强烈 的热交换和化学反应，迅速地将大部分水分蒸发，浆滴被加热干躁成粉末状后， 随烟气进入除尘器【1 8 】。该法系统简单、投资少，运行维护方便、运行费用低， 干躁后的废渣易于处理、不产生腐蚀，脱硫效率能达到8 0 8 5o a ，但需要庞大的 制浆系统和良好的雾化喷淋系统，对脱硫剂的要求也较高。 炉内喷钙尾部增湿活化法( l i f a c ) 是在炉内喷钙的基础上发展起来的，主 要分为炉内喷钙和炉后增湿活化两部分。由于传统的炉内喷钙工艺的脱硫效率仅 为2 0 3 0 ，l i f a c 法在此基础上于空气预热器和除尘器间加装一个活化反应 器，利用雾化液滴增湿活化来自炉膛的尚未反应c a o 颗粒，达到二次脱硫的目 的，使脱硫效率提高到7 0 7 5 ，且活化器内烟气运行在露点温度之上，脱硫产 物呈粉末状，减少了废气浆液的处理，该技术是适合于中、低硫煤的理想烟气净 化工艺。 循环流化床烟气脱硫工艺( c f b f g d ) 1 9 1 是由德国鲁奇公司于2 0 世纪8 0 年代后期开发的烟气脱硫技术。该工艺以循环流化床原理为基础，是一种基于流 态化的脱硫工艺，通过对吸收剂的多次再循环，延长了吸收剂与烟气的接触时间， 大大地提高了吸收剂的利用率和脱硫效率。该工艺系统简单，运行可靠；工程投 浙江大学硕士学位论义第1 章绪论 资少，占地面积小；处理后的烟气可直接排出，系统基本不存在腐蚀问题；可处 理高、中、低硫煤，适用范围广。为保证较高的脱硫效率，必须在露点温度附近 进行操作，一般操作温度高于露点温度的1 5 2 0 c ，如操作不慎则会造成系统的 阻塞和结露；脱硫产物综合利用受到一定限制；系统内阻力大。 半干半湿法烟气脱硫技术2 0 1 是在克服旋转喷雾法的制浆系统庞大、设备磨 损以及炉内喷钙尾部增湿法的钙硫比过高等缺点的基础上发展起来的。该工艺 中，锅炉烟气直接进入脱硫塔，在入塔之前同脱硫剂混合，塔内喷淋水雾，在塔 中，s 0 2 、脱硫剂和水发生化学反应，从而达到烟气脱硫的目的。该工艺省去了 旋转喷雾干躁法庞大的制浆系统，变喷入氢氧化钙水溶液为喷入氧化钙或氢氧化 钙粉末和喷水雾，同时也克服了炉内喷钙法反应时间长、效率低的缺点，提高了 钙利用率，保持了旋转喷雾法脱硫效率高、钙利用率高和炉内喷钙法工艺简单的 优点，且投资少。 n i d ( n e wi n t e g r a t e dd e s u l f u r i z a t i o ns y s t e m ) 工艺是i 妇a b b 公司研制的一 种集除尘和脱硫于一体的综合工艺。该技术将飞灰与含c a ( o h ) 2 的脱硫剂混 合、增湿，作为吸收剂注入除尘器入口烟道，烟气中的s 0 2 在随后的烟道和除尘 器中被吸收。该工艺将生石灰在增湿消化器中进行了消化，反应在烟道和除尘器 中进行，省去了专用的反应器，降低了一次性投资，且再循环技术提高了钙利用 率和脱硫效率。 1 6 传统脱硝方式 。同脱硫技术类似，脱硝方式主要包括炉内脱硝技术和烟气脱硝技术。 1 6 1 炉内脱硝技术 炉内脱硝技术主要是指低n o 。燃烧技术，其主要原则是通过降低过量空气 系数和氧气浓度，使煤粉在缺氧条件下燃烧，降低燃烧温度，防止产生局部高温 区，缩短烟气在高温区的停留时间等来控制煤粉燃烧过程中n o x 的产生，主要 包括空气分级燃烧、燃料分级燃烧、采用低n o 。燃烧器、烟气再循环等。 燃烧区的氧浓度对各种类型的n o 。生成都有很大影响，当过量空气系数0 【 小于1 ，燃烧区处于“贫氧燃烧”状态时，可以明显抑制n o 。的生成量。空气分级 燃烧技术便是根据这一机理，将燃烧所需的空气分级送入炉内，使燃料在炉内分 级分段燃烧，通过降低锅炉主燃烧区的氧气浓度、火焰中心的燃烧速度和温度来 9 浙江人学硕_ 二学位论文第l 章绪论 降低主燃烧区n o 。的生成量。 燃料分级燃烧技术是将锅炉炉膛分成三个区域：主燃区、再燃区和燃烬区。 主燃区供入全部燃料的7 0 9 0 ，采用常规的低过剩空气系数( 0 【小于1 2 ) 燃烧生成n o x ；在主燃烧器形成初始燃烧区的上方喷入1 0 3 0 的二次燃料， 不供入空气，形成富燃料燃烧且具有很强的还原性气氛( o r = 0 8 0 9 ) 的再燃区， 将主燃区生成的n o 。还原成n 2 分子；燃烬区只供入燃尽风，在正常的过量空气 系数( o t = 1 1 ) 条件下，使未燃烧的c o 和飞灰中的碳燃烧完全，以减少不完全 燃烧损失。 低n o 。燃烧器技术是采用特殊设计的燃烧器结构( l n b ) 及改变通过燃烧 器的风煤比例，以达到在燃烧器着火区空气分级、燃料分级或烟气再循环法的效 果。在保证煤粉着火燃烧的同时，有效地抑制n o 。的生成。采用低n o 。燃烧器， 只需用低n o 。燃烧器替换原来的燃烧器，燃烧系统和炉膛结构无需更改，是在 原有炉子上最容易实现、最经济的降低n o 。排放的技术。 烟气再循环技术是把空气预热器前抽取的温度较低的烟气与燃烧用的空气 混合，通过燃烧器送入炉内从而降低燃烧温度和氧的浓度，达到降低n o 。生成 量的目的。烟气再循环对热n o 。有抑制效果，而对燃料n o 。抑制效果不显著。 增大烟气再循环率，n o 。生成的下降率也随之增大，但存在着一个极限值。且在 实际工作时，由于受到火焰稳定性、锅炉本体振动和维持蒸气温度等因素的制约， 通常取再循环率为2 0 3 0 。采用烟气再循环方法时，装置中需要有再循环泵和 管路设备，在某些情况下，可能还需要冷却器，并需设置排气再循环率控制机构， 投资和运行费用较大，占地面积也会增大。 通过采用炉内低n o 。燃烧技术，能将n o 。排放浓度降低3 0 6 0 左右。 各种炉内低n o 。燃烧技术均涉及炉膛燃烧的安全问题或效率问题，故低n o x 燃 烧技术存在局限性【2 2 ，2 3 1 。 1 6 2 烟气脱硝工艺 目前烟气脱硝工艺大致可以分为干法烟气脱硝工艺、湿法烟气脱硝工艺。 ( 1 ) 干法烟气脱硝工艺 干法烟气脱硝技术是目前大量开发并得到广泛应用的技术，包括选择性催化 还原法( s c r ) ，选择性非催化还原法( s n c r ) 、非选择性催化还原法，催化分 解法、管道喷射法、等离子体法、吸附法、光催化氧, 9 6 ：7 去t 2 4 1 等。 1 0 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 在众多脱硝方法当中，选择性催化还原脱硝( s c r ，s e l e c t i v ec a t a l y t i c r e d u c t i o n ) 工艺是应用最多、技术最成熟的烟气脱硝技术。该法是在催化齐0 ( 铁、 钒、铬、钼及碱金属) 存在下，利用各种还原性气体如h 2 、c o 、烃类，n h 3 ， 在温度为2 0 0 4 5 0 。c 时，与n o 。反应使之转化为n 2 的方法。还原剂大多使用n h 3 ， n h 3 具有选择性，只与n o 。反应，基本上不与0 2 反应。 4 n h 3 + 4 p + 0 2 寸4 n 2 + 6 h 2 0 ( 1 1 ) 4 n h 3 + 2 n 0 2 + 0 2 3 1 + 6 h 2 0 ( 1 2 ) 为了保证催化剂的活性和催化反应的顺利进行，采用s c r 之前必须首先进行 烟气除尘和脱硫，或者是选用不易受烟气污染影响的催化剂，该法催化剂不含贵 金属、寿命长；装置结构简单，工艺设备紧凑，运行可靠，适用于处理大流量的 烟气；反应温度较低，没有副产物，去除率可以达n 8 5 以上；还原后的n 2 排空， 无二次污染。用n h 3 催化还原n o x 的s c r 技术已实现工业化并应用于众多项目当 中 2 5 】，是目前被认为最好的脱硝技术。但由于该工艺中，高分散的粉尘颗粒会 覆盖在催化剂的表面，使其活性下降；烟气中的复杂成分可能导制催化剂中毒； 由于使用了腐蚀性很强n n h 3 或氨水，对管路设备的要求高，造价昂贵；n h 3 易 泄漏，操作及贮存困难，且以形成( n h 4 ) 2 s 0 4 【2 6 瑚】。 炉膛喷射法实质是向炉膛喷射还原性物质，在一定温度条件下将n o x 还原， 从而达到脱硝的目的。该方法包括喷水法、二次燃烧法、喷氨法等。喷氨法即选 择性非催化还原法( s n c r ，s e l e c t i v en o n c a t a l y t i cr e d u c t i o n ) ，是在无催化剂存 在的条件下向炉膛温度为8 0 0 11 0 0 。c 的区域喷入还原剂氨或尿素，在此区域中， 还原剂迅速热分解成n h 3 ，并与烟气中n n o x 进行反应生成n 2 和h 2 0 。该法不需 催化剂，操作温度高于s c r 法，并要求控制好操作温度，防止温度过高n h 3 被氧 化为n o x ；但该技术对旧设备改造量小，投资较s c r 法小，仅为s c r 的1 5 左右， 脱氮效率较低，约为5 0 6 0 ，较s c r 法脱氮率低，且氨的泄漏量大，因此该法 并没有得到广泛应用 2 7 , 2 9 】。 非选择性催化还原是烟气中的n o 。在一定温度和催化剂的作用下，被还原 剂( h 2 ，c o ，c h 4 及其它的低碳氢化物等) 还原为n 2 ，同时还原