（环境工程专业论文）lifac和喷雾干燥烟气脱硫中应用蒸汽相变促进细颗粒物脱除的研究.pdf

东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，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，也不包含为获得东南大学或其它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 并表示了谢意。 研究生签名：皇9 盟琢 日期：型里：够r d 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生虢桦聊虢撂呼期：出) 摘要 燃煤过程中产生的可吸入颗粒物、s 0 2 、n o x 等对大气造成了严重污染，尤其是空气动力学直径小于 2 5 i t m 的细颗粒物p m 2 5 其比表面积大，易富集有毒物质，容易被吸入人体内部，且常规除尘技术难以对 其有效捕集。在低温高湿烟气中添加适量蒸汽使其达到过饱和状态，蒸汽以细颗粒为依托发生凝结形成含 尘液滴，该含尘液滴易于被常规除尘设备脱除。 l i f a c 和喷雾干燥脱硫过程对烟气温湿度有较大影响，且烟气温湿度是添加蒸汽后烟气能否达到过饱 和状态的重要影响因素，应用f l u e n t 离散相模型模拟l i f a c 和喷雾干燥脱硫过程中烟气温湿度的变化 特性，考察了活化水添加量、烟气温度、烟气量、浆液浓度及浆液添加量对烟气温湿度的影响，并采用v a i s a l a h m t 3 3 7 型温湿度变送器对脱硫过程中烟气温湿度的变化进行了分析测试。 分别采用电称低压冲击器( e l p i ) 、场发射扫描电镜、能谱分析等对l i f a c 和喷雾干燥脱硫前后烟气 中颗粒数浓度、质量浓度、粒径分布、形貌、元素组成进行了分析测试，考察脱硫过程对细颗粒物排放特 性的影响。结果表明：本烟气发生装置产生的细颗粒中，空气动力学直径小于0 2 6 9 m 的细颗粒物数浓度 占总数浓度的9 8 6 ，而质量浓度仅占总质量浓度的4 1 ；脱硫反应使烟气中细颗粒形貌和元素组成发生 了一定变化，s 、c a 元素含量明显升高：活化水和浆液添加对细颗粒数浓度的影响规律与细颗粒粒径有关。 向l i f a c 和喷雾干燥脱硫后的低温高湿烟气中添加饱和蒸汽，烟气过饱和度随蒸汽添加量的增加先增 后降。选择合适的蒸汽添加量使烟气达到较高的过饱和度，水蒸汽以细颗粒为依托发生相变凝结，进而由 除雾器脱除凝结长大形成的含尘液滴。考察了活化水添加量、烟气温度、蒸汽添加量、细颗粒数浓度、除 雾器性能、浆液浓度及浆液添加量对应用蒸汽相变促进细颗粒物脱除的影响。结果表明：脱除效率随烟气 过饱和度的提高、细颗粒数浓度的减小而提高；高效除雾器有利于细颗粒物脱除效率的提高，但阻力较大 关键词：l i f a c 脱硫；喷雾干燥脱硫；温湿度；细颗粒物；蒸汽相交；脱除 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t i n h a l a b l ep a r t i c l e s ，s 0 2 ，n o xe m i t t e df r o mc o a lc o m b u s t i o nc a u s es e r i o u sp o l l u t i o no ft h ea i r , e s p e c i a l l yt h e f i n ep a r t i c l e s ( p m 2 5 ) a b s o r bt o x i cm a t e r i a lf o ri t sl a r g es p e c i f i cs u r f a c ea r e aa n dc a ne a s i l ye n t e rt h eh u m a nb o d y t h r o u g hr e s p i r a t o r yt r a c t c o n v e n t i o n a ld u s tr e m o v a ld e v i c e sf a c eg r e a tc h a l l e n g e si nr e d u c t i o no fp m 2 5e m i s s i o n s u p e r s a t u r a t i o nr e q u i r e df o rf i n ep a r t i c l e sg r o w t hw f l sa c h i e v e db ya d d i n ga d e q u a t es t e a m t ot h ew e tf l u eg a sw i t h l o wt e m p e r a t u r e t h er e m o v a lo ft h ee n l a r g e dp a r t i c l e sb yc o n v e n t i o n a ld u s tr e m o v a ld e v i c e sw o u l db ean o v e l t e c h n o l o g i c a la c h i e v e m e n ti nt h i sf i e l d t h es u p e r s a t u r a t i o nc a nb ea c h i e v e do rn o ti sc l o s e l yr e l a t e dt ot h et e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yo f t h ef l u eg a s ， w h i c hw e r ec h a n g e db yl i f a c ( l i m s t o n ei n j e c t i o ni n t ot h ef u r n a c ea n da c t i v a t i o no f c a l c i u m ) a n ds p r a yd r y i n g d e s u l f u r i z a t i o np r o c e s ss i g n i f i c a n t l y t h ec h a n g e sw e r es i m u l a t e db yf l u e n td p m ( d i s c r e t ep h a s em o d e l ) a n d t h er e s u l t sw e r ec o m p a r e dt ot h a to ft h ee x p e r i m e n t a l ，w h i c hw e r ed e t e r m i n e db yv a i s a l ah m t 3 3 7t e m p e r a t u r e a n dh u m i d i t yt r a n s m i t t e r t h ea d d i t i o na m m o u n to fa c t i v a t i o nw a t e ra n ds l u r r y , f l u eg a sf l u x ，t e m p e r a t u r eo ff l u e g a s ，c o n c e n t r a t i o no f s l u r r yo nt e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yw e r es t u d i e d t h en u m b e rc o n c e n t r a t i o n , m a s sc o n c e n t r a t i o n , s i z ed i s t r i b u t i o n , m o r p h o l o g i e s ，e l e m e n tc o n t e n t so fp a r t i c l e s i nf l u eg a sb e f o r ea n da f t e rl i f a ca n ds p r a yd r y i n gd e s u l f u r i z a t i o np r o c e s sw e r em e a s u r e db ye l e c t r i c a ll o w p r e s s u r e i m p a c t o r ( e l p l ) ，f i e l de m i s s i o ns c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ( f e s e m ) a n de n e r g yd i s p e r s i v e s p e c t r o m e t r y ( e d s ) ，r e s l 凳c t i v e l y t h ei n f l u e n c e so fl i f a ca n ds p r a yd r y i n g d e s u l f u r i z a t i o no np h y s i c o c h e m i c a l a n de m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c so ff i n ep a r t i c l e sw e 心i 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 e dt h a tt h ep a r t i c l e sw h i c h a e r o d y n a m i cd i a m e t e rs m a l l e rt h a n0 2 6 p ma c c o u n tf o r9 8 6 o f t h et o t a lp a r t i c l e sn u m b e rc o n c e n t r a t i o nb u to n l y 4 1 o f t o t a ll n a s sc o n c e n t r a t i o n m i c r o s t r u c t u r ea n de l e m e n t sc o n t e n tw e r ec h a n g e db yd e s u l f u r i z a t i o np r o c e s s ， e s p e c i a l l yt h ep e r c e n t a g eo fsa n dc ai m p r o v e ds i g n i f i c a n t l y t h ei n f l u e n c e so fa c t i v a t i o nw a t e r ，s l u r r ya n d d i m i s t e ro np a r t i c l en u m b e rc o n c e n t r a t i o nd e p e n d i n go nt h ea e r o d y n a m i cd i a m e t e ro ff i n ep a r t i c l e s s u p e r s a t u r a t i o ni n c r e a s e da tf i r s ta n dt h e nd r o pw i t ht h es t e a ma d d i t i o na m m o u n ti n c r e a s e a d e q u a t es t e a m w a sa d d e dt ot h ew e tf l u eg a sa tt h ei n l e to fc o n d e n s a t i o nc h a m b e rt oa c h i e v es u p e r s a t u r a t i o nr e q u i r e df o rf i n e p a r t i c l eg r o w t h , t h e nt h ee n l a r g e dd u s t yd r o p l e t sw e r er e m o v e db yd i m i s t e r t h ei n f l u e n c e so fo p e r a t i o nc o n d i t i o n , s t e a ma d d i t i o na m o u n t ，p a r t i c l ec o n c e n t r a t i o na n dd i m i s t e ro nt h es e p a r a t i o no ff i n ep a r t i c l e sw e r ei n v e s t i g a t e d t h es t u d yi n d i c a t e dt h a tt h er e m o v a le f f i c i e n c yo ff i n ep a r t i c l e si n c r e a s e dw i t ht h er e d u c i n go fp a r t i c l en u m b e r c o n c e n t r a t i o na n dt h ei n c r e a s i n go fs u p e r s a t u r a t i o n h i g he f f i c i e n c yd i m i s t e ri sb e n e f i c i a lt ot h ei m p r o v eo f r e m o v a le f f i c i e n c yo f f i n ep a r t i c l e sb u tw i t hs t r o n gr e s i s t a n c e k e yw o r d s ：l i f a cf g d ，s p r a yd r y i n gf g d ，t e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t y , f i n ep a r t i c l e s ，h e t e r o g e n e o u s c o n d e n s a t i o n , r e m o v a l 日录 目录 摘 要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 研究背景及意义l 1 1 1s 0 2 的来源和控制l 1 1 2 细颗粒物的特征和危害2 1 2 细颗粒物脱除技术4 1 2 1 常规除尘技术。4 1 2 2 细颗粒物脱除新技术二5 1 3 应用蒸汽相变促进细颗粒脱除的研究7 1 3 1 细颗粒长大的机理7 1 3 2 蒸汽相变促进细颗粒脱除的研究现状8 1 3 3 已有研究存在的问题l l 1 4 本文的研究内容及方法1l 1 5 本章小结1 2 第二章实验装置与方法。13 2 1 引言13 2 2 蒸汽相变实验装置1 3 2 2 1 烟气发生系统1 4 2 2 2l i f a c 烟气脱硫系统。：1 5 2 2 3 喷雾干燥脱硫系统1 6 2 2 4 蒸汽添加系统1 6 2 2 5 颗粒脱除系统l7 2 2 6 弓i 风机。l8 2 3 分析测试系统18 2 3 1 温湿度测试系统18 2 3 2s 0 2 浓度测试系统1 9 2 3 3 颗粒物浓度及粒径测试系统1 9 2 3 4 颗粒物采集测试系统2l 2 3 4 1 颗粒物采集方法2 l 2 3 4 2 场发射扫描电子显微镜2l 2 4 本章小结2 2 第三章l i f a c 和喷雾干燥烟气脱硫过程中烟气温湿度的变化特性2 3 3 1 引言2 3 3 2 物理模型和数学模型2 3 3 2 1 离散相模型概述2 3 3 2 2 物理模型2 4 3 2 3 数学模型2 4 3 2 3 1 连续相控制方程2 5 3 2 3 2 离散相运动方程2 5 3 2 3 3 离散相与连续相间传热、传质方程2 7 3 2 - 3 4 离散相与连续相问的耦合计算2 8 东南大学硕士学位论文 3 3 数值模拟计算结果2 9 3 3 1 活化水添加量的影响2 9 3 3 2 烟气量的影响。3l 3 3 3 烟气温度的影响3 3 3 3 4 喷雾干燥烟气脱硫中浆液浓度的影响3 5 3 3 5 喷雾干燥脱硫中浆液量的影响。3 7 3 4 本章小结3 9 第四章l i f a c 和喷雾干燥烟气脱硫对细颗粒排放特性的影响。4 l 4 1j ；i 言z ll 4 2 实验物料。4l 4 2 1 实验用煤：4 l 4 2 2 脱硫剂4 l 4 3l i f a c 烟气脱硫对细颗粒排放特性的影响4 l 4 3 1 形貌与元素组成4 l 4 3 2 数浓度粒径分布4 3 4 4 喷雾干燥烟气脱硫对细颗粒排放特性的影响4 4 4 4 1 形貌与元素组成4 4 4 4 2 数浓度粒径分布4 5 4 5 本章小结4 6 第五章l i f a c 和喷雾干燥烟气脱硫中应用蒸汽相变促进细颗粒脱除的实验研究4 7 5 1j ；i 言1 7 5 2 实验方法：4 7 5 3l i f a c 与喷雾干燥烟气脱硫中应用蒸汽相变促进细颗粒脱除的原理。4 8 5 4l i f a c 烟气脱硫中应用蒸汽相变促进细颗粒脱除的性能4 9 5 4 1 活化水添加量的影响4 9 5 4 2 添加点烟气温度的影响5 1 5 4 3 蒸汽添加量的影响5 2 5 4 4 颗粒数浓度的影响5 3 5 4 5 除雾器的影响5 3 5 5 喷雾干燥烟气脱硫中应用蒸汽相变促进细颗粒脱除的性能5 5 5 5 1 浆液浓度的影响5 5 5 5 2 浆液量的影响5 6 5 6 本章小结5 7 第六章总结与建议5 9 6 1 全文总结5 9 6 2j 室议6 ( ) 参考文献6l 致谢6 7 攻读学位期间发表论文及参加研究课题情况6 8 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 目前我国处于经济快速发展时期，消耗了大量能源的同时产生了大量污染物，对经济和 社会的可持续发展造成了不利影响。我国的电力能源结构是以火电为主、水电为辅、核电及 风电作为补充，火力发电约占全国发电总量的7 0 0 , 6 ，火电厂耗煤量占总耗煤量的6 2 左右f l 】。 国家统计局数据表明1 2 】，我国能源消耗总量逐年递增，且以煤炭、石油等矿物燃料为主， 2 0 0 5 - 2 0 0 9 年的能源消耗总量分别为2 2 2 、2 4 6 、2 6 5 、2 9 1 、3 1 0 亿吨标准煤，2 0 0 5 年全 国电力装机容量达到5 0 8 4 1 0 m w ，其中火电装机容量达到3 8 4 1 3 0 m w 3 1 。 化石能源的消耗导致了污染物的大量排放和自然环境的日益恶化，s 0 2 、酸雨、大气颗 粒物等导致的严重污染已经引起国家和全社会的高度关注，( 2 0 0 8 年中国环境状况公报指 出，造成我国空气污染的主要因素是可吸入颗粒物和二氧化硫。工业生产中排放的8 0 2 和烟 尘占这两种污染物总排放量的大部分，2 0 0 8 年全国二氧化硫排放量为2 3 2 1 2 万吨，其中， 工业二氧化硫排放量1 9 9 1 3 万吨，占二氧化硫排放总量的8 5 8 ；烟尘总排放量为9 0 1 6 万 吨，其中，工业烟尘排放量6 7 0 7 万吨，占烟尘排放总量的7 4 a 。工业燃料燃烧二氧化硫 排放达标率和工业生产工艺二氧化硫排放达标率分别为8 9 3 和8 6 5 。图1 1 为近5 年来 我国工业s 0 2 和工业烟尘的排放情况1 4 】，由图可见，随着我国环保措施的加强，工业s 0 2 和工业烟尘的排放量总体处于下降趋势。 訾 妖 v 棚 餐 擐 1 1 1s 0 2 的来源和控制 图1 1 近年全国工业s o , 和烟尘排放量 s 0 2 是目前大气污染物中含量最大、影响面较广的一种气态污染物，几乎所有的工业企 业都能产生。主要来自的燃烧和硫化物矿石的焙烧、冶炼、火力发电厂、金属冶炼厂、硫酸 厂等。约9 0 0 , 6 的s 0 2 排放来自燃煤，其中火电厂排放量接近总量的一半。s 0 2 为无色、有强 烈刺激性气味的气体，对人体器官有很强的毒害作用，当浓度达到8 p p m 时射，人体就会感 到呼吸困难，此外，其对植物和文物古迹均有损害作用。 l 东南大学硕士学位论文 中国政府高度重视s 0 2 及酸雨污染的防治，制定和采取了一系列法律法规和措施，取 得了初步成效。1 9 8 7 年全国人大颁布了我国第一部大气污染防治法，针对烟尘、废气和 粉尘的排放在法律层面上做了规定。1 9 9 5 年全国人大对大气污染防治法进行了修订， 首次在法律中增加了有关控制酸雨的条文，明确规定对已经产生和可能产生酸雨的地区或其 他s 0 2 污染严重地区，划定酸雨控制区和s 0 2 控制区。2 0 0 0 年对大气污染防治法再次 进行了修订，强化了对s 0 2 排放的控制要求。其中规定：新建、扩建排放s 0 2 的火电厂和 其他大中型企业，超过规定的污染物排放标准或者总量控制指标的必须建设配套脱硫除尘装 置，或者采取其他控制措施。 i i 2 细颗粒物的特征和危害 大气颗粒物( a i r b o r n ep a r t i c u l a t e m a t t e r , a p m ) 指的是分散在大气中的固态或液态颗粒 状物质，由于a p m 构成复杂，通常采用空气动力学直径为标准对大气颗粒物进行细致描述 和划分【b 司。空气动力学直径( a e r o d y n a n d cd i a m e t e r ) 是表述粒子运动的一种假想粒径，在气溶 胶技术中有着广泛的应用，其定义为：密度为1 0 - 3 l ( , g m 3 的球体，在静止空气中做低雷诺数运动时， 达到与实际颗粒相同的沉降速度时的粒径。根据空气动力学直径的大小，大气颗粒物可分为空气 动力学直径小于或等于1 0 0 $ a n 的总悬浮颗粒物( t o t a ls u s p e n d e dp a r t i c l e , t s p ) 聊；空气动力学直 径小于或等于1 0 9 i n 的可吸入颗粒物( i n h a l a b l ep a r t i c u l a t e , 职) 0 0 ，其中，空气动力学小于等于 2 5 9 i n 的p m z 5 能够进入 体肺泡，也称为可入肺颗粒物( r e s p i r a b l ep a r t i c u l a t em a t t e r , r p m ) 。大 气颗粒物的源解析表明，燃煤是大气中可吸入颗粒的主要来源之一i i i - 1 3 。燃煤颗粒中一部分 是燃烧直接释放的一次颗粒，主要是燃煤副产品和未燃尽碳，另部分是燃煤产生的气相组分如 有机物、硫化物、n o x 和n h 3 在大气中形成的二次颗粒，主要包括硫酸盐、硝酸盐及半挥发的有 机物等。 图1 2 可吸入颗粒物在呼吸系统中沉积 大气颗粒物中细颗粒物是我国大气环境的首要污染物f 14 1 5 1 ，研究表明，空气中颗粒物含 量与人体健康存在着密切关系，这是由于细颗粒物在环境中滞留时间长，比表面积大，容易 吸附重金属、酸性污染物、有机污染物及细菌等。有研究表明1 6 1 ，空气动力学直径大于1 0 1 1 m 2二 第一章绪论 的颗粒物，基本上被阻止于鼻腔；2 9 n 卜1 0 1 t m 的颗粒，可进入人体咽喉，约9 0 可进入并沉 积于呼吸道的各个部位，1 0 可以到达肺的深处。并沉积于肺中：小于2 1 a n 的颗粒，1 0 0 可以吸入肺泡中，其中0 3 1 m 卜2 1 t m 的粒子几乎全部沉积于肺部而不能呼出，进入人体血液 循环。图1 2 为可吸入颗粒物在呼吸系统内沉积状况随颗粒粒径变化的示意图，可见，细颗 粒对人体危害较大，且难以被常规除尘器脱除。 细颗粒物浓度的增加与疾病的发病率和死亡率密切相关，尤其是呼吸系统疾病和心肺疾 病。此外，颗粒物浓度对环境( 城市空气质量、大气能见度、温度和降水酸碱度) 也有重要 影响。简述如下： 1 对呼吸系统的影响 大气中的颗粒物p m l o ，尤其是其中的p m 25 浓度增加容易引起呼吸道感染、慢性支气管 炎、尘肺病等。p m l o 每增加1 0 0 肛g m 3 ，成年男性支气管炎发病率增加5 1 3 ，国外研究发 现西雅图儿童哮喘急症人数与颗粒物浓度显著相关，当颗粒物浓度上升至ll t t g m 3 1 孓j ，急诊 人数增加的相对危险度( r r ) = 1 1 5 1 嘲。过多的可吸入颗粒物沉积会损害肺部呼吸氧气的能 力，使肺部的巨噬细胞功能和生存能力下降，空气中p m l d 每加1 0 t t g m 3 ，肺功能下降1 o 。 英国专家在2 0 0 0 年1 2 月份发表的研究结果表明，细颗粒是导致人类死亡率上升的主要原因 1 1 9 ，英国和美国每年因可吸入颗粒物污染致病死亡的人数分别达到1 万和6 万人嗍。 2 具有致癌、致突变作用 细颗粒比表面积大，易于富集多环芳香烃( p p 岍s ) 、多环苯类、病毒和细菌等有毒物质以 及痕量有毒元素等。吸附污染物的细颗粒一旦沉积在人体呼吸系统将产生严重的危害1 2 1 - z 3 。 美国e p a 和一些研究机构的研究结果1 2 4 表明，p m 2 5 是影响人类身体健康最主要的污染物， 其浓度变化与慢性病、呼吸道疾病以及心脑血管疾病发病率有很大的相关性。此外，细颗粒 表面还可以成为大气非均相化学反应的界面，促进污染物转化及新污染物的生成【2 卯。 3 对城市环境的影响 我国城市环境质量报告和世界资源报告的数据显示，我国空气质量较差的城市中，6 钞釉 可吸入颗粒污染问题。可吸入颗粒物对大气能见度、温度、降水酸碱度、全球气候变化及烟雾事 件等重大环境问题有重要影响1 2 6 2 9 1 。大气中p m l o 和p m 2 5 的光散射效应和吸收效应是能见度降低 的主要因素，颗粒物对光的吸收几乎全部由炭黑和含有炭黑的颗粒引起，煤烟颗粒的总消光系数 是透明颗粒的2 至3 倍，因此，仅少量的煤烟颗粒就足以导致能见度的大幅降低。大气可吸入颗 粒物吸收或反射太阳的辐射，使地球的热平衡受到影响，细微粒子使云层中凝结核增多，增强了 云的反射能力，从而对气候产生影响，r a s o o l 等估计，全球本底不透明度增加四倍，将使全球温 度降低3 5 c 之多，这样的降温若能维持较久，足以引起个冰河期阿。此外，大气可吸入颗粒 物对降水酸碱度也有较大影响。含有元素碳的可吸入颗粒物还可以形成烟雾使城市星现褐色，降 低了能见度。 各国政府及有关部门的高度重视细颗粒物对人体健康和环境造成的严重危害，大多数国 家都规定了空气中p m l o 的质量标准。美国e p a 于1 9 8 5 年首先实行p m l o 排放控制标准，此 3 东南大学硕士学位论文 后又于1 9 9 7 年进一步增加了p m z 5 的排放控制标准1 3 1 3 2 1 ，同年欧盟提出了p m 2 5 的排放标准 1 3 3 , 3 4 ，我国在1 9 9 6 年颁布的环境空气质量标准( g b 3 0 9 5 9 6 ) 中规定了p m l o 的标准1 3 5 1 。 表1 1 列出了美国、欧盟和中国目前正在实行的颗粒物排放标准的具体内容。 表1 1 美国、欧盟和中国可吸入颗粒物的排放标准 虽然细颗粒物对环境质量和人体健康的危害已经为人们所认识，政府及相关部门也陆续 出台了一系列相关标准和法律文件，但我国在细颗粒物产生机理及其控制方面的研究才刚刚 起步，认识还很不充分，对p m 2 s 的研究仍是我国大气污染控制中的薄弱环节酾】，目前的研 究主要集中在细颗粒的监测、大气气溶胶的源解析及其对环境和人体危害作用，而由于细颗 粒物的特殊性质，目前还没有控制其排放的有效技术途径。因此，开展燃烧源细颗粒物控制 方法的研究十分的迫切和重要。 1 2 细颗粒物脱除技术 1 2 1 常规除尘技术 目前常规除尘技术主要有：重力沉降式除尘、惯性除尘、旋风除尘、湿式除尘、袋式 除尘、静电除尘，简述如下： 1 重力除尘器：重力除尘器是利用烟气中颗粒自身重力来实现颗粒的自然沉降，从而 净化气体的装置。由于细颗粒比表面积大，其所受到的粘滞力与自身重力相当，使得它的沉 降速度较小，仅为离心沉降速度的几十分之一，所以重力除尘器在实际应用中一般作为含大 颗粒较多的烟气的预处理设备。 2 惯性除尘器：这是一种利用颗粒在运动中惯性力大于气体分子惯性力的作用，将粉 尘从气体中分离出来的除尘设备。这种除尘器结构简单，阻力较小，但除尘效率较低，一般 应用于一级除尘。 3 旋风除尘器：含尘烟气在诱导作用下在除尘器内旋转，颗粒产生的离心力使其自身 向除尘器壁面运动，最终落入除尘器灰斗内。这种除尘器主要优点是：结构简单、占地面积 小、操作、维护简便、压力损失中等、操作弹性较大、不受含尘气体的浓度和温度限制、对 于粉尘的物理性质无特殊要求等，适用于粉尘颗粒密度较大的场合。以上三类除尘器统称为 机械式除尘器，其显著的优点是结构简单、投资少、压力损失小( 一般为5 0 p a - l o o p a ) 、维 修管理容易。缺点在于效率低，一般仅作为高效除尘器的预除尘装置。 4 第一章绪论 4 湿式除尘器：湿式除尘器是使含尘气体与液体( 一般为水) 密切接触，利用水滴和 尘粒的性碰撞及其对粉尘的粘附作用捕集尘粒或使粉尘粒径增大的装置i 粥卿。它适用于非纤 维性的、不与水发生化学反应的含尘气体。能同时进行有害气体的净化、含尘气体的冷却和 加湿等，特别适用于处理高温度、高湿度和有爆炸性危险的气体。缺点在于：其效率较低且 污染物易转移至水中，造成二次污染；净化含有腐蚀性的气态污染物时，洗涤水具有一定程 度的腐蚀性，因此要特别注意设备和管道的腐蚀问题：不适用于净化含有憎水性和水硬性粉 尘的气体；寒冷地区使用湿式除尘器，容易结冰，应采取防冻措施。 5 袋式除尘器：主要依靠过滤材料纤维及粉尘层对通过其的颗粒产生的筛分、惯性碰 撞、黏附、扩散及静电作用而捕集颗粒。该类除尘器适应性较强，不受粉尘比电阻的影响， 也不存在产生污水的问题。粉尘层还能同时脱除气体中的气态污染物，袋式除尘器在超细粉 尘和燃煤电厂粉尘的捕集方面优势明显。但其存在过滤速度低、压降大、占地面积大、不适 用于高温及相对湿度高的烟气等缺点。 6 电除尘器：含尘气体在通过电除尘器的高压电场时被电离，尘粒荷电后在电场力作 用下沉积于极板上，从而使尘粒与含尘气体相分离。由于电场力仅对荷电尘粒有作用，。因此， 它具有阻力小、处理气量大、适用于高温环境及对细颗粒脱除效率高等优点，其缺点在于对 烟气和粉尘性质要求高、运行条件难以控制、投资大、运行费用高等。随着环保要求的不断 提高，欧美等发达国家的除尘装置正逐渐引入现代电子技术，电除尘装置的开发正在向脉冲 电荷技术发展。日本开发了超高宽间距电除尘器、双区电除尘器：美国则开发了三电极板电 除尘器、带屏蔽网电除尘器等，这些新技术将为传统的除尘器领域注入新的活力。 1 2 2 细颗粒物脱除新技术 常规除尘技术在电力、冶金等易产生粉尘污染的行业得到了广泛应用，取得了良好的发 展。随着环境质量要求的提高，控制细颗粒排放成为迫切要解决的问题之一，但常规除尘技 术对细颗粒脱除效率不能满足要求，尤其是对人体健康造成严重危害的p m 2 5 在现有除尘 设备前设置预调节措施，促使细颗粒长大后用现有除尘技术脱除在工程上应用是可行的。目 前超细颗粒物团聚技术主要有磁团聚、声团聚、热团聚、电团聚、湍流团聚、化学团聚和光 团聚等，而应用蒸汽相变原理则是通过在湿烟气中添加适量饱和水蒸汽，使烟气达到过饱和 状态，蒸汽在细颗粒表面凝结长大，促使其粒径增大，质量增加，从而增大了其被脱除的可 能性。 1 磁团聚：燃煤产生的细颗粒中铁元素主要以f e 3 0 4 、u = f e 2 0 3 、丫o f e 2 0 3 形式存在，其 中f e 3 0 4 和y - f e 2 0 3 t 颂有较高的饱和磁化强度。外加高梯度磁力对含磁性物质的细颗粒具 有捕集和磁化作用，被磁化的细颗粒相互吸引团聚形成较大颗粒，进而容易被分离。李永旺 和鲁端峰1 4 1 州等对燃煤细颗粒在梯度磁场和均匀磁场中的聚并特性进行了实验和理论的研 究，结果表明磁团聚是促使细颗粒团聚的有效措施，存在的问题是如何增强燃煤细颗粒磁性、 如何高效收集弱磁性颗粒以及如何清除和解磁附着在磁介质上的被收集的颗粒1 4 。 2 声波团聚：该方法是利用声场促进颗粒问的相对运动从而增加粒子间的碰撞几率， 5 东南大学硕士学位论文 粒子发生碰撞后粒径分布从小尺寸向大尺寸方向迁移，形成较大的团聚体l 铝】，图1 3 为细颗 粒声波团聚示意图。西班牙马德里声学研究所1 4 9 5 0 j 研究了声波团聚作为预处理过程对增加静 电除尘器效率的影响，于上世纪9 0 年代搭建了一个中试规模的声波团聚试验装置，进行了 实际燃煤烟气的高频声波团聚试验。结果表明声波团聚可提高静电器除尘的效果，声波频率 为2 0 k h z 时，静电除尘器出口烟气中颗粒总质量浓度、微米级和亚微米级颗粒质量浓度分 别减少了3 7 、4 2 、3 9 。h o f f m a n n 等 s t - s 3 | 研究了低频声波和高频声波对颗粒聚并的影 响，结果表明低频有利于大颗粒的聚并长大，而高频有利于小颗粒的聚并长大。姚刚等l 体明 对燃煤可吸入颗粒物进行了声波场下的微观和宏观聚并实验研究，采用高速显微摄像技术成 功地拍摄到了声波场中细颗粒夹带和迁移的运动过程，实验验证了颗粒夹带迁移理论的正确 性。但声波聚并存在能耗高、噪音污染、聚并效率低等缺点，并且不同机理作用的研究以及 一些重要问题还没有得到解决。 强声源 ，) ) ) 麓 l 留罨团聚体 图1 3 细颗粒声波团聚长大示意图 3 电团聚：电团聚是促进可吸入颗粒物脱除的另一有效方法，通过提高微细颗粒的荷 电能力，促进微细颗粒以电泳方式到达飞灰颗粒表面的数量，从而增强颗粒间的团聚效应。 近年来，国内对颗粒荷电特性和外加条件对团聚过程的影响进行了研究【5 引。j u n - h o 等5 明采 用单极荷电与频率为6 0 h z - s 0 0 h z 的交变电场作用，亚微米颗粒脱除效率达到2 5 。2 9 。黄斌 等 e o l 对单纤维捕捉带电飞灰粒子进行了微观实验研究，发现飞灰粒子被单纤维介质的捕捉 是一动态过程，随着时间的推移，被捕捉的粒子聚并形态逐渐发生变化，从而影响到粒子的 捕集。然而，电团聚技术中需要复杂的仪器设备来控制颗粒荷电过程，采用静电增强滤料过 滤效率存在压力损大、清灰困难、捕集效率受滤料清洁度影响等缺点，仍需深入研究。 4 化学团聚：化学团聚是指使用吸附剂( 化学团聚剂) 捕获超细颗粒物的除尘方法， 主要通过将物理吸附和化学反应相结合来实现。根据化学团聚剂加入位置的不同，又可分为 燃烧中化学团聚和燃后区化学团聚1 6 。燃烧中化学团聚主要是指在燃烧室中喷入气相吸附 剂或是在煤中加入固相吸附剂进行燃烧，通过为超细颗粒提供凝结核或与其发生化学反应， 进而增大煤燃烧气溶胶粒子的粒径或抑制超细颗粒物的形成。燃烧后化学团聚是通过在燃后 区烟道中喷入团聚促进剂，增加超细颗粒之间的液桥力和固桥力，促使超细颗粒团聚长大， 进而提高现有常规除尘装置的捕集性能。y ez h u a n g 等1 6 2 对烟煤燃烧产生的超细颗粒物的形 成机理及其化学团聚方法进行了实验研究。l i n a k 等1 6 3 1 研究了吸附剂对有害金属的团聚作 6 第一章绪论 用。虽然化学团聚对细颗粒具有一定的脱除效率且可以吸附有害的痕量金属，实现多种污染 物同时脱除，但廉价实用的高效多功能吸附剂难以得到，对于处理烟气量大的情况须添加大 量的吸附剂，增加了运行费用，此外，喷入团聚剂还影响了锅炉热效率及其运行。 5 热团聚：热团聚又称为热扩散团聚，是指可吸入颗粒物在没有外力、温度较高的环 境下产生明显的成核和团聚的现象。杨瑞昌等1 6 4 1 进行了大量的理论研究，结果表明，颗粒 碰撞及其团聚频率主要由局部颗粒浓度决定，与温度关系较小。小颗粒与大颗粒