（环境工程专业论文）工业锅炉尾气处理技术的工程试验研究.pdf

摘要 我国是世界上最大的煤碳生产国和消费国，煤碳占我国能源需求总量的7 5 左右，煤碳燃烧产生的硫、氯、氮氧化物是大气污染的主要污染源，它除了形 成酸雨，破坏生态环境，还能形成光化学烟雾，危害人类健康。大型电站锅炉和 众多的工业锅炉是主要排放源。国内外对于脱硫除尘有一定研究，但脱硫除尘 的问题到目前为止仍然没有彻底解决。本文结合工程的需要，开展了实际工 程的脱硫除尘设备的设计与调试；为能够对煤碳的燃烧机理有一定的认识， 文中还进行了煤热解特征的分析研究，试验煤样为大同烟煤( d t ) 和元宝山 褐煤( y b ) ，铁法烟煤( t f ) 。酸性气体主要是h c l 、s 0 2 ，其净化机理是利用 了酸碱中和反应。论文中的工程试验是天津市河西区艺林路原有锅炉房的尾气 处理技术与设备的更新与改造，经运行试验检测，达到地方标准严格规定的排放 要求，满足天津市d b l 2 1 5 1 2 0 0 3 锅炉大气污染物排放标准规定的时段要 求，处理后烟尘排放浓度5 0 m g m 3 ；脱硫效率9 0 ，处理后二氧化硫排放浓 度2 0 0 m g m 3 。 关键词： 大气环境保护锅炉脱酸试验高效脱硫设备 a b s t r a c t c 1 1 i n ai st h eb i g g e s tc o a lp r o d u c t i o na n dc o n s u i l l p t i o nc o u l l t 巧i i lt h ew o r l d c o a l o c c u p i e s7 5p e r c e n to ft h et o t a l e r g yd 锄n d 证o u rc o u l l t 砂s u l 血r ，c m o na n d n i t d co x i d e sw 1 1 i c he i l l i t t e d 丘o mc o a lb 1 枷n ga r et h em a i l la 打p 0 1 l u t a m s a 1 s oc o a l b u m i n 2c o m r i b u t e st of o m a t i o no fa c i dr a i l lw l l i c hi i 锄a g eo fe c o l o g i c a le 1 1 v i r o n i i l e n t a 1 1 dt h ep h o t o c h e m i c a ls m o gw 1 1 i c h 1 r e a t e nh u m a nh e a l i l l l a 瑶ec a p a c i t yu t i l i t ) r b o i l e r sa 1 1 dn 1 】m e r o u si i l d u s t 叫b o i l e r sa r et 1 1 em a i nt h e s eg a s e se m i s s i o ns o u r c e a l t h o u 出 s i 罂l i 丘c a ma n l o u m s o fr e s e a r c h i i ld o m e s t i ca n d0 v e r s e a so n d e s u l j r i z a t i o na n dd e d u s t i n gl 协db e e nc 枷e do u t ，t ：h ep r o b l 锄o n t h et e c m q u e ss t i l l h a v en o tb e e ns o l v e dt h o r o u g h l yu i l t i ln o w t h ep a p e rc 枷e do u tt h ed e s i 印a n d d e b u g g i n go fd e s u l 缸i z a t i o na n dd e d u s t m ge q u i p m e n t sc o m b i r l i l l ge n g i l l e e rd e m a n d a sw e na st 1 1 ea n a l y s i so fc o a lp y r o l y s i sc h 锄c t e r i s t i c si 1 1o r d e rt og e tad e 印 c 0 2 i i l i t i o no fc o a lc o m b u s t i o nm e c h 狐s mw i t hm es 锄p l e so fd a t o n gs o 代c o a l ( d t ) ， y u a l l b o s h a nw o o dc o a l ( y b ) ，t i e f as o rc o a l ( t f ) h c l ，s 0 2w a s l a i l la c i d i cg a s e s t h e2 a sc l e a l lm e c h a l l i s mw a su t i l i z a t i o no fa c i d - b a s en e u t r a l i z a t i o n t h ee n g i n e e r e x p e 面1 e n tw a sp 沛m e do n 廿l er e f o 皿a i l du p d a t eo ft a i l - g a s 仃e a t i n e n tt e c h n o l o g y a n de q u i p m e mo f b o i l e rr o o ml o c a t e di i ly i l i i lr o a d ，n a l l k a id i s t r i c t ，t i a n j 证b yt e s t ， t a i l g a s 即血s s i o n r e a c h e d1 0 c a le 1 i l i s s i o ns t a i l d a r d s ， m e tm ei i p r e s c r i b e d r e q u i r e m e n t si i ld b12 151 2 0 0 3 i 1 1t i a n j i n a f t e rt a i l 一g a st r e 釉e n t ，t h ec o n c e n t r a t i o no fd u s td i s e h a f g ew a sl e s st h a n5 0 m t n 3 ； d e s u l n l r i z a t i o ne m c i e n c yw a sm o r e 也a n9 0 ；m ec o n c e n 仃a t i o no fs u l 缸d i o x i d e e i 伍s s i o nw a sl e s s 血a n2 0 0 m g n b k e yw o r d s ： k e y w o r da _ 缸n o s p h e r ee n v 面。衄e n t a lp r o t e c t i o n ；b o i l e r d e s u l 矗j r i z a t i o nt e s t ；t l i 曲一e m c i e n c yd e s u l 觚z a t i o ne q u i p m e n t 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤盗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了谓 意。 学位论文作者躲互农 签字日其f 3 ：d 矛 年文月小日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨壅盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘鲞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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部i 、j 或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 互簇i 导师签名： 刀 签字日期：秒万年友月，r 日 签字日期： 其 日 第一章绪论 1 1 研究意义 第一章绪论 我国是世界上最大的煤碳生产国和消费国，目前煤碳占我国能源需求总量的 7 5 左右，这样的能源构成在今后相当长的时期内不会改变。煤燃烧产生的硫、 氯、氮氧化物是大气污染的主要污染源，它除了形成酸雨，破坏生态环境，还能 形成光化学烟雾，危害人类健康。大型电站锅炉和众多的工业锅炉是主要排放源。 本课题结合工程改造项目，锅炉尾气排放全面满足了天津市d b l 2 1 5 1 2 0 0 3 锅 炉大气污染物排放标准规定的i i 时段要求，实现了达标排放。其标准是：处理 后烟尘排放浓度5 0 m m 3 ；脱硫效率9 0 ，处理后二氧化硫排放浓度 2 0 0 m g m 3 ，2 0 0 3 年1 2 月2 3 日国家颁布了火电厂大气污染物排放标准 ( g b l 3 2 2 2 0 0 3 ) ，规定自2 0 0 4 年1 月1 日起环境影响报告书待审查批准的新、 扩、改建火电厂3 0 0 w 及以上机组，无论燃用何种燃料，固态排渣煤粉炉n o x 排 放量不得超过6 5 0 m g m 3 ，液态排渣煤粉炉不得超过1 1 0 0 m g m 3 。 1 2 烟气脱酸技术的研究现状 1 2 1 脱酸工艺的研究 酸性气体主要是h c l 、s 0 。，其净化机理是利用酸碱中和反应。目前烟气脱酸 ( h c l 、s 0 ：) 技术主要是借鉴煤碳烟气的脱硫( s o ：) 技术。按其脱酸方式以及 脱酸反应产物的形态可分为湿法、干法及半干法三大类n ，2 3 ： 1 ) 湿法工艺。该工艺的原理是利用碱性溶液 如c a ( o h ) 。、n a 0 h 等 对 燃烧烟气进行洗涤，通过酸碱中和反应将h c l 和s 0 ：等酸性气体去除，该工艺 具有同时净化颗粒物、酸性气态污染物和部分重金属的功能。 2 ) 半干法工艺。该工艺是使烟气中的污染物与碱液进行反应，形成固 态物质而被去除的一种方法。半干法一般设置在除尘器之前，无需废水处理 设施，但要考虑固态物质的干燥问题，防止固态物质收集时发生堵塞与黏附。 3 ) 干法工艺。该工艺采用的是干式吸收剂 如c a ( o h ) 2 、c a c 0 3 等 粉末喷 入炉内或烟道内，使之与酸性气态污染物反应，然后进行气固分离。干法无需废 水处理设施，投资减少，设备的腐蚀较小；该法最大的缺点是污染物的去除率低， 第一章绪论 且对h g 的去除效果不好。 1 2 2 烟气脱酸模型 由于含水颗粒的脱酸过程十分复杂，使得建立一个将这些影响脱酸率的 因素完全考虑在内的数学模型是十分困难的。不同的学者在不同的假设基础 上，建立了不同的模型。 烟气脱氯模型： d a o u d i 和w a l t e r s h l 采用热天平研究了h c l 和c a o 的反应，确定了c a 0 的一级反应速率，系统的活化能为2 2 k j m 0 1 。w e i n e l l 【5 1 研究发现反应动力 学参数由通过固体层的气体扩散控制，反应活化能为1 0 1 5 k j m o l 。w u y i n w a n g 和z h i c h e n gy e 哺1 用积分方法计算出在扩散反应和化学反应共同控制时 的活化能为2 8 1 k j m 0 1 。在此基础上，相继提出了很多模型。 s z e k e l y 1 提出了粒子模型，认为固体反应物由大小均匀的细小粒子组 成，气体反应物必须通过粒子之间的孔道而到达粒子表面，每一个粒子则按 照未收缩核模型变化。他的模型没有考虑粒子在反应进程中膨胀与收缩的情 况，当然也没有考虑气体在孔道内扩散随着反应的进行而发生的变化。 gm u r a 和a1 a l l a i 陋3 在研究h c l 和石灰石反应情况时，使用了经典的多 孔模型和未催化核收缩模型进行模拟。它把内孔看作是一束任意连接的圆 柱，圆柱有一定的尺寸和方向分布，能较精确体现内反应表面积随固体转换 率的增长而改变的规律，然而模型忽略了多孔结构的连接特性，应用于有固 体产物生成的反应时：对固体反应物的最终转换率的预测总是偏大。 郭小汾阳3 提出了钙化物与h c l 反应的动力学模型，指出：在氧化钙的吸 收过程中，产物层逐渐形成，并随反应的进行逐步向氧化钙内部推移。 陈德珍n 们运用渗透理论和分形理论运用建立了煤碳燃烧烟气中h c l 气体 干式净化的气固反应数学模型，并采用b e t h e 网络来模拟c a ( o h ) 。颗粒的内 孔结构。利用该模型对c a ( 0 h ) 。吸收h c l 气体的气一固反应进行了数值分析， 得出h c l 的浓度分布的数值方程，其结果与试验数据吻合较好。 李香排n 13 建立了c a ( o h ) 。一h c l 的反应收缩核动力学模型，通过模型计算 反应温度、反应时间、h c l 气体的浓度和c a o 粒径对脱氯过程的影响，根据 相关数据进行了部分验证，计算结果与实验数据吻合较好。 烟气脱硫模型： j o z e w i c z 和r o c h e l l e n 2 3 建立了一个一维模型，假设反应只发生在常速 反应阶段，脱硫反应和水分蒸发的速率都由气膜传质控制，电离的s o 。和离 解的石灰在水膜中的反应为瞬时的，并假定c a ( 0 h ) 。的溶解速率无限大。与 第一章绪论 实验测量的脱硫效率比较，该模型预测值大大低于实测值，这可能是因为模 型没有考虑降速反应阶段的脱硫效果所致。 k a r l s s o n 和k 1 i n g s p o r n 3 1 提出了两个s 0 。与浆滴反应的数学模型，一个 假设外部s 0 。的传质是主要因素。而另一个假设吸收剂的扩散起主要作用。 第一个模型适用于高浓度石灰浆的情况，而第二个模型对浆液浓度很低的情 况适合。他们认为当浆液中石灰过量时，浆滴中有大量的 0 h 。 离子存在，s 0 ： 吸收主要由气膜扩散作用控制；而当石灰被大量消耗后，s 0 。在溶液中离解的 h + h s 0 。一 是主要的成分，吸收速率主要由固体的溶解所控制，他们将在高 c a s 下气膜传质控制时的模型计算值与脱硫实测值比较发现：当假定气体在 喷雾塔内为全混流时，模型预测值有较好的精度。 此后的模型对过程的描述越来越详细，d a m l e 和s p a r k s n 钔的模型考虑了 外部s 0 ：传质，s 0 ：在浆滴表面的吸收，石灰的溶解以及浆滴中溶解的s 0 。和 吸收剂的液相反应。d a m b l e 建立的半干法烟气脱硫反应模型即熟知的 s p r a y o d 模型，模型同时考虑了三个阶段中出现的脱硫作用，在常速反应阶 段，d a m b l e 应用膜理论模拟了气膜扩散和石灰颗粒的溶解扩散，由于他估算 液膜的传质系数比气膜的传质系数大两个数量级，因此模型中忽略了液膜传 质系数的影响。 p a r t r i d g e n 引等对s p r a y m o d 模型进行了改进，他们认为反应主要发生在 恒速干燥期，而液膜扩散阻力不可忽略，改进后的传质速率方程包括了气膜、 液膜、离子反应和溶解过程的阻力，模型还建立了估算液膜传质系数的简单 方法。计算结果表明，模型预测值与实验值平均偏差为一3 6 。 n e w t o n 等n 6 1 认为，浆滴内不存在内循环作用，随着浆滴的蒸发和直径收 缩，浆滴外表面附近的悬浮颗粒发生浓缩，因此颗粒在浆滴中的分布是不均 匀的，他们还认为，在浆滴中可能存在两个反应面，一个是当悬浮颗粒周围 存在含硫组分形成的局部反应面，另一个是当含硫离子浓度在浆滴内某径向 处降为零时液相主反应面，其位置或存在与否取决于s 0 。和石灰液相传质速 率的相对大小。n e w t o n 将模型计算值与实验值进行了比较，发现在相同的 c a s 和t 条件下，预测值要稍高于实验值。 n e a t h e r y n 7 1 在大量脱硫实验的基础上，建立了一个数学模型，并用该模 型模拟运行参数对脱硫率的影响。但与传统概念不同，n e a t h e r y 是在己取得 的脱硫率实验数据的结果上，计算了一个特定的参数：参考状态下液相中s 0 z 的传质系数，而不是由输入参数计算脱硫率来与实验结果进行比较。 s h i h n 8 1 通过对低温条件下，c a ( o h ) ：与s o 。的反应分析，认为由表面覆盖 模型获得的方程可以很好的模拟这一反应。该模型假设如下：吸收剂由片状 第一章绪论 晶粒组成；反应的速率控制步骤为发生在吸收剂表面的化学反应；随着反应 的进行吸收剂表面被反应产物覆盖，表面积逐渐减小；当吸收剂完全被反应 产物覆盖时，吸收剂达到最大转化率。根据上述假设s h i h 得到了转化率的 渐进方程，由该动力模型计算的吸收剂的转化率与实验所测的转化率平均偏 差为0 0 1 9 。 c 1 a u s s e n 等n 钉报导，b w 公司目前正在一维模型基础上开发二维和三维 的过程数学模型。该模型将适用于矩形、圆形和具有内部吸尘构件等不同几 何形状烟道喷水增湿和喷浆液的烟气脱硫过程模拟。通过对气体速度场和不 同喷嘴群布置情况下液滴速度场和湍流强度的模拟计算，模型可对实际烟道 中的喷水增湿过程进行较准确可靠的预测。 与此同时，国内许多学者也对脱硫模型进行了大量研究。朱中华心町通过 对脱硫机理的分析，认为s o 。与c a ( 0 h ) 。反应为脱硫反应过程的速率控制步骤， 该模型包含了粒子数量模型和收缩核模型两个微观模型。黄震阳通过对脱硫 过程的分析，以气一液传质双膜理论和表面吸附原理为基础建立了的烟气脱 硫模型。 综上所述，烟气净化模型虽多，但大多数模型带有较多的限制条件，仅 适用于某一具体对象( s o 。或h c l ) 的净化过程乜引，且这些研究均是简单计算 了脱酸的传质和反应过程，没有考虑速度场、温度场、气体浓度场分布对脱 酸效率的影响，这必然会影响模拟结果的准确性。资料查询显示，迄今尚未 有适合于旋转喷雾干燥吸收反应器的烟气净化模型。本文首次在对煤碳燃烧 电厂喷雾干燥脱酸过程的速度场、温度场、浓度场分析的基础上，建立了煤 碳烟气脱酸系统模型，得出了h c l 和s o ：的脱除效率。 1 3 烟气脱硫除尘综合技术的研究现状【2 3 - 2 8 】 根据烟气成份及污染排放标准，烟气净化系统由两个部分组成，即脱酸系统 与除尘设备的组合。现行的工艺组合大致有以下四种形式。 ( 1 ) 湿式洗涤塔+ 布袋除尘器 ( 2 ) 半干法脱酸塔+ 布袋除尘器 ( 3 ) 半干法脱酸塔+ 静电除尘器 ( 4 ) 干法脱酸塔+ 布袋除尘器 各种组合的优缺点及性能比较如表2 4 所示。 4 第一章绪论 表2 4 烟气净化组合工艺比较 湿式洗涤塔 半干法脱酸半干法脱酸 干法脱酸塔 比较项目塔 塔 + 布袋除尘器 + 布袋除尘器 + 布袋除尘器+ 静电除尘器 粒状污染物排放浓度 2 5 1 0 5 0 3 0 ( g m 3 ) 硫氧化物排放浓度 6 0( 2 0 0 2 5 0 3 0 0 ( m g m 3 ) 氯化氢排放浓度 3 0 3 0 6 0 8 0 ( m g m 3 ) 重金属及二恶英去除效 佳佳 差较佳 果 二次污污泥及废水多无无无 染 物产生 飞灰少 中 中多 量 经济因 建设投资 局 由 中 较低 素 年运行费用木 局 由 较低中 牢含湿式洗涤烟气加热所需燃油、污水处理及匕灰处理费用 经综合评价，烟气净化工艺以采用半干法脱酸塔加布袋除尘器的组合工艺为 较佳方案。 半干法脱酸塔有多种形式，如喷雾干燥吸收塔、气体悬浮式吸收塔、增湿灰 吸收法( 即多组份有毒废气治理技术) 及循环灰吸收法。 喷雾干燥吸收塔净化吸收剂采用石灰乳液，烟气一般为下流式，即烟气从喷 雾干燥吸收塔的上部进入，下部流出。它的优点为：净化效率高，设备体积小。 喷雾干燥吸收塔的喷嘴结构亦有二大类：机械旋转喷嘴是通过高速电机带动喷嘴 旋转( 1 2 0 0 0 1 8 0 0 0 r m i n ) ，在强大的离心力作用下，使吸收剂乳液得以雾化。 该类喷嘴的缺点是设备投资高，运行费用大，操作中维护管理复杂。另一类喷嘴 为压力雾化喷嘴，是靠压缩空气喷吹吸收剂乳液，乳液与压缩空气在喷嘴头处强 烈混合后从喷嘴喷出，使吸收剂乳液雾化，设各投资低，操作运行简便，但雾化 效果较机械旋转喷嘴稍差。 气体悬浮式吸收塔吸收剂也采用石灰乳液，它是以循环流化床技术为基础的 烟气净化装置，其烟气流向为下进气上流式，采用压力雾化喷嘴。气体悬浮式吸 收塔主要由反应器、旋风分离器、再循环箱等部件组成，设备体积较大且复杂。 第一章绪论 增湿灰吸收法( 即多组份有毒废气治理技术m u l t i c o n s t i t u e n t sh a z a r d o u s g a st r e a t m e n t ) ，简称( 蹦g t ) 。姗g t 技术是在喷雾干燥净化法的基础上开发出 来的。主要特点是采用干法吸收剂，水作为吸收剂的增湿用水，使吸收剂的含湿 量从2 增湿到5 ，以提高吸收剂的活性。同时将大量循环灰进入脱酸反应器， 提高吸收剂的利用率，采用高倍率密相循环能有效防止吸收塔内壁结垢。它较原 始干法的净化效率高，又无湿法水的二次污染。全套系统设备简单，操作灵活、 脱硫率高、耗水量少，一次性投资较低，操作方便，维修量小，占地面积少。而 且工作过程清洁，无废水产生，生成物易于处理。 循环灰吸收法是采用烟气进口段喷水增湿、强化吸收剂活性的烟气脱硫工 艺。来自燃烧炉的烟气由底部进入烟气吸收塔，水由烟气吸收塔下部的双流体雾 化喷嘴喷入烟气吸收塔，新鲜消石灰和大量的循环灰由流化风机流化后送入吸收 塔，它们以很高的传质速率在烟气吸收塔中与烟气和水充分混合，并与烟气中的 有害气体发生反应，生成各反应产物。这些干态的反应产物从烟气吸收塔的出口 进入布袋除尘器进行分离，布袋除尘器捕集到的物料大部分再循环进入烟气吸收 塔。和姗g t 法一样，循环灰吸收法也免去了喷雾干燥净化法吸收剂溶液的制备 和喷雾过程。与 m g t 法相比，它有着姗g t 法的同样优点，并且由于循环灰是干 灰经空气斜槽循环使用，增强了循环灰的流动性，使循环灰的循环过程流畅，循 环灰入净化塔时不易堵塞。但同时，由于新鲜消石灰和循环灰是依靠净化塔内下 部喷入的水雾来增湿，其增湿活化效果必定较直接用水混合增湿时稍差，因而导 致脱酸效率的降低。 以上四种工艺在生产实践中都有应用，用户可根据各自的特点进行选择。 在设计烟气处理工艺中，为确保二恶英和重金属等有害物质达到要求的排放指 标，需要在系统中增加活性炭喷射吸附的辅助净化措施。活性炭具有较大的比表 面积，只要通过湍流与烟气混合均匀且接触时间足够长，就可以达到较高的吸附 净化效率。 1 4 课题研究的主要任务 综上所述，国内外对于脱硫除尘有一定研究，但脱硫除尘的问题到目前 为止仍然没有彻底解决。本文结合工程的需要，开展了实际工程的脱硫除尘 设备的设计与调试；为能够对煤碳的燃烧机理有一定的认识，文中还进行了 煤粉热解特征的分析研究，试验煤样为大同烟煤和元宝山褐煤，铁法烟煤。 具体的工程是天津市河西区艺林路原有锅炉房的尾气处理技术与设备的更 新与改造。该锅炉房现有设备为1 4 0t l l 、1 2 0t h 内煤碳链条热水锅炉及除 6 第一章绪论 尘设备，原有花岗岩水浴冲击式除尘器因气液传质结构简陋，不能达到天津市 d b l 2 1 5 1 2 0 0 3 锅炉大气污染物排放标准时段要求。新的方案为烟气经第 一级t d 型陶瓷多管旋风除尘器除去中等以上颗粒烟尘后，二氧化硫与微细粉尘 排放由t s i i i 型高效组合式脱硫除尘装置高效净化，经运行试验检测，达到地方 标准严格规定的排放要求。 第二章煤碳燃烧工艺的研究 第二章煤碳燃烧工艺的研究 煤碳燃烧技术日趋成熟，已被发达国家普遍采用。燃烧产生的高温烟气经回 收利用可以发电和供热。该工艺过程主要包括燃烧炉和烟气净化两个部分。 2 1 燃烧炉及其工艺 煤碳燃烧炉选型至关重要，直接关系到设备投资额、运行费用以及现行煤碳 适应性，其基本原则和要求是，能有效燃烧处理现有煤碳，燃烧炉设备的价格低， 运行费用省，能源和资源回收利用价值高。目前燃烧炉的种类较多，可归纳为两 大类型：流化床煤碳燃烧炉和炉排型煤碳燃烧炉。 2 1 1 流化床煤碳燃烧炉 流化床燃烧炉没有运动的炉体和炉排，炉体通常为竖向布置，炉底设置了多 孔分布板，并在炉内投入了大量的石英砂作为热载体。燃烧炉在开车前先将炉内 的石英砂通过喷油预热，使石英砂加热至适当的温度，并由炉底鼓入热空气( 2 0 0 以上) ，使砂沸腾，再投入煤碳。煤碳进炉碰到高温的砂石被托浮在空中，同 砂石一同沸腾，煤碳很快被干燥、着火、燃烧。未燃尽的煤碳比重较轻，继续沸 腾燃烧，燃尽的煤碳比重开始增加，逐步下降同一些砂石一同落到炉底，通过排 渣装置排出炉体。进行水淬冷后，用分选设备将粗渣、细渣送到厂外，留下少量 的中等颗粒的渣和石英砂，通过提升机送到炉内循环使用。典型的循环流化床煤 碳燃烧炉结构见图2 1 。流化床燃烧炉对进炉煤碳粒度有要求，通常希望进炉煤 碳粒度不大于1 5 0 衄，所以需要配备大功率的破碎装置，否则煤碳在炉内保证不 了完全呈沸腾状态，大一点的物料会直接落到炉底被排出，不能完全燃烧。 第二章煤碳格晓t 艺的h 究 l 进料口2 一次风入口3 不燃物排出口4 空气分布板 5 流化床炉内6 余热锅炉7 二次风入口8 烟气9 床料循环装置 图2l 循环流化床煤碳燃烧炉结构示意图 流化床燃烧工艺特点是：燃烧物料与空气接触面积大，反应速度快；一次风 从床下进入空气分布板迫使流化床砂于在砂层内形成内循环，增加煤碳在床层 内的燃烧时间；热解气体与细颗粒可燃物被吹出流化床，在床面上部空间与补充 的二次风进一步氧化燃烧。 流化床燃烧炉优点： 流化床适用性广生活煤碳、污水厂污泥、炼油厂的渣油与焦油、低品 位煤、林产工业废物、农业废弃物等都可用流化床燃烧处理： 燃烧效率高，燃烧渣残碳量低( 约为o5 1 ) ； 过量空气系数低，并采用分级送风，减少n o x 的生成量； 可方便地掺烧煤，稳定燃烧，提高经济效益。 流化床炉不足之处是： 煤碳必需进行破碎后才能入炉燃烧； 空气鼓入压力高，燃烧炉本体阻力大，动力消耗比其它燃烧方案高。 运行和操作技术要求高，因此需要非常灵敏的调节手段和相当有经验的 技术人员操作。 第二章煤碳燃烧t 艺的研 2 1 2 炉排型煤碳燃烧炉 考甲 l 进料仓2 液压截止挡板3 二次送风喷嘴4 进料装置5 空气冷却侧壁6 膨胀补偿装置7 点火装置8 进料驱动装置9 进料装置支撑座l o次送风 n 链式输送机1 2 除渣器 图2 2 炉排型煤碳燃烧炉结构示意图 炉排燃烧炉是当今世界煤碳燃烧的主导性产品，占全世界煤碳燃烧市场份额 的8 0 以上。这种炉型的煤碳燃烧炉使用的历史长、品种多、技术成熟，运行可 靠性高。而且炉子的结构比较紧凑，因此，热效率较高。目前国内选用炉排炉的 煤碳燃烧厂较多。一般炉排炉的燃烧可分为三个阶段：第一段为加热段，煤碳在 这里被预热、气化；第二段为燃烧段，煤碳在这里进行燃烧：第三段为燃尽段 煤碳在这里被燃尽，并排出燃烧渣。这种炉排炉的特点是通过活动炉排移动，推 动煤碳从上层落向下层，起到切割、翻转和搅拌的作用实现完全燃烧，它的炉 排是由特殊台金制成的，耐磨、耐高温，炉膛侧壁和天井由水冷或耐火砖炉壁构 成，保证煤碳在控制温度条件下燃烧、燃尽。 通过多年的技术发展。机械炉排燃烧炉基本上形成了两大流派：1 ) 滚动炉 排燃烧炉。滚动炉排是由几个直径为1 5 米滚筒组成的比较特殊的机械炉排，几 第二章煤碳燃烧工艺的研究 个滚筒呈2 0 0 倾斜自上而下排列。滚筒有几组电动调速装置，可依据炉内温度和 烟气成分情况，自动控制和分别调速，煤碳在滚筒旋转的作用下，得到翻身和搅 拌，与来自滚筒下部几个空气分配箱内的空气接触，形成干燥着火、燃烧和燃尽 三个阶段，使煤碳能够得到充分燃烧。滚筒炉排设计合理，利用旋转的作用，使 圆筒炉排形成半周工作，半周冷却的状态。因此滚筒炉排的材质要求不高，并能 达到建设费用低和使用寿命长的目的。但是料层若厚超过8 0 0 咖以上，料层的翻 动便难以充分，燃烧基本接近层燃方式，引起燃烧不完全的现象；2 ) 往复式炉 排燃烧炉。往复式炉排燃烧炉是世界上煤碳燃烧炉应用比例最高的，其有许多炉 排型式，共同特点为：通过固定炉排与活动炉排交替安装，往复运动，可使煤碳 有效地翻动、搅拌，以破坏层燃方式，使燃烧空气和煤碳充分地接触，以实现煤 碳充分燃烧。炉排往复运动的速度依据煤碳的性质及燃烧状况确定，并可通过液 压装置任意调节。炉排下部有燃烧空气送风系统具有良好的炉排冷却效果。根据 炉排运动方向与炉内煤碳运动方向相同或相反，往复式炉排燃烧炉可分为逆向推 动往复式炉排燃烧炉( 例如法国a l s t 伽公司的c i t y _ 2 0 0 0 型燃烧炉) 和顺向推 动往复式炉排燃烧炉( 例如比利时s e g h e r s 公司的燃烧炉) 两种形式。 下面仅对两种机械炉排燃烧炉，即滚动式炉排燃烧炉和往复式炉排燃烧炉的 综合技术性做一简单比较见表2 1 。 表2 1 滚动炉排燃烧炉、往复式炉排燃烧炉综合性能比较 往复式炉排燃烧炉与滚筒式炉排燃烧炉均属于机械炉排燃烧炉，两种燃烧炉 是当前世界上占主导性的产品。从技术角度上来讲，都是成熟技术，有着几十年 第二章煤碳燃烧工艺的研究 的使用经验，这两种炉型技术水平相当，都比较适合国内的高水分、低热值煤碳。 从业绩角度上来讲往复式炉排燃烧炉优于滚筒式炉排燃烧炉。 2 2 烟气净化及其工艺 烟气净化工艺是按煤碳燃烧过程产生的废气中污染物组分、浓度及需要执行 的排放标准来确定，在通常情况下，烟气净化工艺主要针对酸性气体( h c l 、s o x ) 、 颗粒物及重金属等进行控制，其工艺设备主要由两部分组成：即酸性气体脱除和 颗粒物捕集。目前，国内外煤碳燃烧行业的烟气净化工艺主要为它们的不同组合。 下面对各种方案进行简单比较。 2 2 1 酸性气体脱除设备 酸性气体脱除设备大体可分为以下三种型式。 1 ) 干式洗涤塔。将碱性反应物以干基方式通过专门的喷头喷入反应器内， 注入反应器的药剂大多采用钙化合物( c a ( 0 h ) 。) 。让c a ( 0 h ) ：微粒表面直接和酸气 接触，产生化学中和反应，生成无害的中性盐粒子，再进入下游的粒状物去除设 备，在除尘器里，反应产物连同烟气中粉尘和未参加反应的吸收剂一起被捕集下 来，达到净化目的。干式脱酸法设备投资与半干法接近，但对酸性气体的去除效 果较差，比较适合于经济相对落后且排放标限较宽松的国家和地区。 2 ) 半干式洗涤塔。半干式洗涤塔在烟气净化工艺流程中通常置于粒状污染 物去除设备之前，因为在注入石灰浆后将在反应器中形成大量的粒状物，必须由 除尘器收集去除。c a ( o h ) 。溶液由喷嘴或旋转喷雾器喷入反应器中，形成粒径极 细的碱性浆液，由于水份的挥发从而降低烟气的温度并提高其湿度，使酸气与石 灰浆反应成为盐类，掉落至底部，c a ( o h ) 。溶液一般由反应器顶端喷入。 此外，半干式洗涤塔对一般有机污染物及重金属也具有良好的去除效率，若 搭配高去除效率的布袋除尘器，则重金属去除效率可达9 9 ( 汞除外) 以上。半干 法工艺较成熟、设备简单、一次性投资较低。其优点为：净化效率高、流程简单、 设备少；生成物易处理，无二次污染；控制系统温湿度，可避免设备腐蚀；不结 垢，不堵塞；对负荷波动适应性好，吸收剂用量可按烟气中污染物浓度进行调节； 操作方便，维修量小；水耗量少，占地面积小。半干法脱酸已具有良好的应用实 践，国内外燃烧厂业绩表明其可靠性高、性能良好。该工艺被美国国家环保局定 为煤碳燃烧烟气脱酸处理的最佳工艺，目前在煤碳燃烧厂烟气脱酸系统中的应用 越来越多。 3 ) 湿式洗涤塔。湿式洗涤塔与其他型式的酸气去除设备相比较，其最大的 第二章煤碳燃烧工艺的研究 优点是酸去除效率高，但要消耗大量的水，其工艺过程中的排水要进一步处理， 并且湿法净化后的烟气的温度大大降低，常需加热后从烟囱排入大气。其初投资 和运行费用均较高，约为半干法系统的1 7 5 倍。欧洲国家在水源较充足的地方 及废水处理的排放要求相对较松的地方大多采用此处理方式。 2 2 2 粒状污染物去除设备 目前，常用的除尘设备主要有： 1 ) 静电除尘器。静电除尘器内含一系列交错组合的负电极及集尘板。带有 粒状污染物的烟气沿水平方向通过收尘区段，其中粒状物受电场感应而带负电， 由于电场引力的影响，被渐渐移动至集尘板而被收集。采用振打方式在集尘板上 产生震动以震落吸附在集尘板上的粒状物，落入底部的灰斗内。振打频率可视操 作状况而调整，以维持良好的收尘效率。由于在振打过程中可能使附着于集尘板 上的粒状物再次被气体带起，除尘器通常采用多段除尘方式，以提高除尘效率。 静电除尘器除尘效率较高，通常可达9 5 以上( 依电场数量不同而不同) ，并广泛 用于煤碳发电厂。影响收尘效率的因素很多，有气体流量、湿度、电场强度、气 体在电场的滞留时间、粉尘粒径分布、气体含尘浓度、气流分布及集尘板面积等 等。影响静电除尘器效率的另一重要因素是烟尘的比电阻，比电阻过高或过低都 会使除尘效率降低。 2 ) 布袋式除尘器。布袋式除尘器可去除粒状污染物及重金属。布袋式除尘 器通常以清灰方式来作区分，在城市煤碳燃烧设施中，较常使用的型式为脉冲喷 射清除法及反冲洗空气清除法。布袋式除尘器之前通常搭配干式或半干式洗涤塔 来清除酸气，同时也要求烟温降至1 5 0 左右；若未经降温，一般滤布将无法承 受锅炉出口烟气温度( 通常2 0 0 2 6 0 ) 。另外，布袋式除尘器同时兼有二次酸 气清除的功能，上游的酸气清除设备部分未反应的碱性药剂浆附着在布袋上，在 烟气通过时再次和酸气反应。布袋式除尘器最大的缺点是布袋材质脆弱，对烟气 高温、化学腐蚀、堵塞及破裂等问题甚为敏感。 静电除尘器和布袋除尘器均可达到废气粒状污染物排放标准8 0 m g 3 目标， 但静电除尘器效率再提高的可能性不大，而布袋除尘器如采用聚四氟乙烯薄膜滤 料( p t f e ) ，则粒状污染物可降至1 0 m g m 3 以下。布袋式除尘器对未反应的碱性吸 收剂可再利用，对酸气有二次脱除的效果，提高脱酸效率。降低石灰用量，减少 反应剩余物数量。布袋式除尘器对微小粒状物有良好的捕集效果。理论已证实重 金属及二恶英、呋喃一般凝结于 9 9 9 5 ( ) 1 0u 9 9 9 9 风速( m s ) 0 0 2 1 压力损失( p a ) 1 0 0 02 0 0 3 0 0 一般耐热性较差，高温耐热性能佳，一般可达3 5 0 耐热性 时需选择适当的滤布。，特殊设计可达5 0 0 。 对烟气化学成份变化适应 性 好 差 脱除二恶英较好差，存在二恶英再合成现象。 耐酸碱性可选择适当的滤布好 1 4 第二章煤碳燃烧工艺的研究 动力费用 略高 略低 设备费基本同基本同 操作维护费 较高较低 使用年限 3 0 年( 滤袋3 5 年) 3 0 年 第三章煤碳热解试验与机理研究 第三章煤碳热解试验与机理研究 煤的热解是煤燃烧的一个重要初始阶段，对着火有极大的影响，也影响到燃 烧的稳定性及后期的燃尽问题。这是由于：一方面，热解时挥发分的析出造成煤 粒质量的直接消耗，同时释放的挥发性物质会在气相使煤粒本身升温并加速了煤 粒的着火与燃烧；另一方面，热解过程中煤粒的化学结构、表面形态及孔隙结构 发生很大变化，从而会改变煤焦的反应能力；此外，挥发分析出并燃烧抑制了氧 向煤粒表面和孔隙内扩散，也改变了煤焦的燃烧速率。以往大量研究均表吲2 9 。3 2 】， 煤热解特性的研究将对煤的热加工技术有很重要的指导作用。本章主要是通过煤 粉的热解试验，利用热重分析法研究煤粉的热解特性，重点探讨煤粉颗粒粒度及 升温速率对煤粉热解特性和其反应活性的影响。 3 1 热分析概述 热分析( t h e 咖a la 1 1 a l v s i s ) 是指在程序控制温度下，测量物质的物理性质( 如 质量、温差等) 与温度的关系的一类技术【3 3 1 。 3 2 热分析介绍 热分析所测定的热力学参数主要是热焓变化，有时也发生质量变化，差热分 析与差式扫描量热法则是基于热焓变化，而热重法是基于质量变化之上的。热分 析方法的应用非常广泛，可用于有机物、药物和高聚物的鉴别与分析、物质的稳 定性和抗氧性等的判定、化学反应的研究、材料质量的鉴定、材料力学性质的测 定与环境监测等等。近年来，热分析对高聚物，络合物，生物化学和动力学的研 究有较快的发展【3 3 】。 热重法( t h e 锄o g r a v i m e n yt g ) 在程序温度下，测量物质的质量与温度的关 系的技术。差热分析( d i 腩r e n t i a lt h e 咖a la r i a l y s i sd 1 a ) 在程序温度下，测量物 质和参比物的温度差与温度的关系的技术。根据所测量物理量的性质，热分析分 类如下表3 1 。 表3 1 热分析分类 t a b l e3 - 1n e h l l o g r a v i i l l e t f i ca n a l y s i sc l a s s i f i c a t i o n 测定的方法名称简称测定的方法名称简称 1 6 第三章煤碳热解试验与机理研究 物理量 质量 温度 热量 热重 等压质量变化测定 逸出气检测 逸出气分析 放射热分析 热微粒分析 升温曲线测定 差热分析 差示扫描量热法 调制式差示扫描量热法 物理量 t g尺寸 力学量 e g d声学量 e g a 热膨胀法 热机械分析眦 动态热机械法 热发声法 热传声法 光学量热光学法 d t a电学量热电学法 d s c磁学量热磁学法 m d s c 一般热分析的基本特征可概括如下六点： 1 采用热分析技术( t g ，d t a ，d s c ，d m a ，t m 等) 仅用单一试样就 可在很宽的温度范围进行观测，依此种方式按非等温动力学来求解动力学参数是 很方便的。 2 采用各类试样容器或附件，便可适用几乎任何物理性状的试样( 固体、 液体或凝胶) 。 3 仅需少量试样( 0 1 g 1 0 m g ) 。 4 可在静态或动态气氛进行测量，如有需要可采用氧化性气氛、惰性气体、 还原气氛、腐蚀性气体、含水汽的气体、减压( 或真空) 等各种气氛。 5 完成一次实验所需的时间，从几分钟到几小时。 6 热分析结果受实验条件的影响，诸如试样尺寸和量，升、降温速率，试 样周围气氛的性质和组成，以及试样的热历史和在加工过程形成的内应力等。 应遵照有关标准的规定来选择热分析实验条件。对于尚未制定相应标准的方 法，应充分考虑其原理和确定这些方法的基本假定，选择合理的实验条件。如根 据、o t h o f r 方程利用d s c 在动态条件下测定物质纯度时，方程式的基本假定 之一是体系接近平衡态，因此在接近熔点之前必须以慢速升温( 如0 5 商n ) 。 与此相反，鉴于高聚物玻璃化转变前后的比热容之差，由d s c ( 或d t a ) 曲线 向吸热方向的较小转折来确定t g 时，则必须快速升温( 如2 0 n l i n ) ，以加剧 转变时的突变。 3 2 1 热重法 热重法是在程序控制温度下，测量物质质量与温度关系的一种技术，常用于 第三章煤碳热解试验与机理研究 测定反应动力学参数的方法有等温法与非等温法。等温法与通常的动力学研究方 法类似，即在恒定温度下测定重量变化率与时间的关系；非等温法又叫动态法， 即在线性升温的条件下连续测定重量变化率与温度的关系，从而得到重量温度曲 线，通过一条热重曲线就可获得有关的动力学参数。等温法较非等温法费时而且 容易导入测量误差，因此本章对元宝山煤和大同煤燃烧特性的研究采用非等温 法。 热重法在对煤的燃烧研究中也得到广泛的利用，以前煤碳锅炉的设计一直以 工业分析成分判断煤的燃烧难易与优劣。然而有时尽管工业分析成分的数量相 近，煤质却差别很大，而造成煤粉的着火、燃烧特性有很大的差别。这说明仅用 成分分析不足以揭示煤的燃烧特性的实质。近年来，开始采用热重法对不同种类 的煤进行分析，