（环境工程专业论文）氨烟气调质技术的研究与应用.pdf

，日， 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文氨烟气调质技术的研究与应用，是 本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成 果。据本人所知，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，也不包含为获得华北电力大学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己在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 盘堑 日期： 协，- 彩 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ， ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期： 蛐 砌1 乙 导师签名： p 铺 一 摘要 随着火电厂粉尘排放标准日益严格，电除尘器越来越难以满足排放要求。提高 电除尘器除尘效率的方法之一是采用烟气调质技术。 本文分析了氨烟气调质技术的机理、工艺流程及在国外燃煤电厂的工程应用。 在一定情况下，氨烟气调质技术能显著提高电除尘器效率，是改善电除尘器除尘性 能的经济有效的方法之一。 本文结合实验分析氨对粉尘性质的影响，在煤粉中加尿素制得的粉尘与不加尿 素直接制得的粉尘相比，粉尘粒度增大了，粘附性增强了，有利于电除尘器收尘。 关键词：电除尘器，除尘效率，烟气调质技术，氨烟气调质技术 a b s t r a c t t h ee m i s s i o ns t a n d a r do fp a r t i c l e si n p o w e rp l a n t si si n c r e a s i n g l ys t r i c t ，s ot h e c o n c e n t r a t i o no ff l ya s he s c a p e df r o me l e c t r o s t a t i cp r e c i p i t a t o r c o u l dn o tm e e tt h e d e m a n do fe m i s s i o ns t a n d a r d f l u eg a sc o n d i t i o n i n gi s o n eo ft h ee f f e c t i v et e c h n i c a l m e t h o d st oi m p r o v et h ee s p sc o l l e c t i o ne f f i c i e n c y i n t r o d u c e dt h em e c h a n i s m ，p r o c e s sf l o w s ，a p p l i c a t i o no ft h ea m m o n i af l u e g a s c o n d i t i o n i n g a m m o n i af l u eg a sc o n d i t i o n i n gi n c r e a s e st h ec o l l e c t i o ne f f i c i e n c yo fe s p , i ti so n eo ft h ee f f e c t i v em e a s u r e st oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fe s e t h es u b j e c ta n a l y z e st h ee f f e c t so fa m m o n i ab ya d d i n gas m a l la m o u n tu r e ai nc o a l c o m b u s t i o n ，a m m o n i ai n c r e a s i n gt h em e a np a r t i c a ls i z ea n dc o h e s i o no ft h ea s h y uq i n g s o n g ( e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o fy u a n y o n g t a o k e yw o r d s ：e l e c t r o s t a t i cp r e c i p i t a t o r , c o l l e c t i o ne f f i c i e n c y , f l u eg a sc o n d i t i o n i n g ， a m m o n i af l u eg a sc o n d i t i o n i n g 气 | ， j 华北电力人学硕一l ：学位论文目录 中文摘要 英文摘要 目录 第一章引言l 1 1 课题研究背景1 1 2 课题研究现状2 1 3 课题研究的内容和意义4 第二章烟气调质技术概述5 2 1 烟气增湿调质技术5 2 2s 0 3 烟气调质技术6 2 2 1s 0 3 烟气调质技术的机理6 2 2 2s 0 3 烟气调质技术的工艺流程7 2 2 3s 0 3 烟气调质技术的应用j 8 2 3n h 3 烟气调质技术1 0 2 4n h 3 + s 0 3 烟气调质技术1 0 2 5 新型烟气调质技术1 2 第三章n h 3 烟气调质技术的应用与发展1 3 3 1 氨烟气调质技术的机理1 3 3 2 氨烟气调质系统的工艺流程15 3 3 氨烟气调质技术在国内外的应用1 7 3 4 调质剂喷入量的控制2 1 3 5 调质剂来源2 4 3 5 1 液氨气化产生氨2 4 3 5 2 尿素制氨2 5 3 6 本章小结2 6 第四章氨调质对粉尘性质影响的研究2 7 4 i 灰样的制备2 8 华北电力人学硕十学位论文目录 4 2 氨调质对粉尘粒径分布影响的实验研究2 8 4 2 1 粉尘粒径分布的测定方法2 8 4 2 2 氨调质对粉尘粒径分布影响的对比实验2 9 4 2 3 氨调质对粉尘粒径分布影响机理的分析3 0 4 3 氨调质对粉尘粘附性影响的实验研究j 3 l 4 3 1 粉尘粘附性测定方法3 1 4 3 2 氨调质对粉尘粘附性的对比实验3 3 4 3 3 氨调质对粉尘粘附性影响机理的分析3 5 4 4 氨调质对粉尘容积比电阻影响的实验研究3 6 4 4 1 粉尘容积比电阻的测定方法3 6 4 4 2 氨调质对粉尘容积比电阻的对比实验3 8 4 4 3 氨调质对粉尘容积比电阻影响机理的分析3 9 4 5 本章小结4 0 第五章燃煤含硫量对氨调质效果的影晌研究4 2 5 1 燃煤含硫量的测定4 2 5 2 含硫量对加氨后的粉尘粒径分布的影响4 3 5 3 含硫量对加氨后的粉尘粘附性的影响4 4 5 4 含硫量对加氨后的粉尘容积比电阻的影响4 6 5 5 本章小结4 6 第六章结论4 8 参考文献5 0 致谢5 2 在学期间发表的学术论文和参加科研情况5 3 p ； 表1 - 1 化石燃料年末采储量国际比较( 2 0 0 6 年) 自工业革命开始，煤炭就一直是人类主要的能源，但到2 0 世纪后期，煤炭的 发电地位一度下跌。现在由于石油和天然气价格节节攀高，中东和俄罗斯的油供应 似乎不太可靠，风力和太阳能的开发还无法普及，于是煤炭的身价又再回升。各国 煤炭使用主要用于发电和少数工业部门，世界电力的4 5 - 5 0 由燃煤电站提供， 在印度、中国和非洲等发展中国家所占比例更大。世界燃煤学院总裁科特林和其他 能源专家认为，现在需要做的是，开发新的净化科技，减少燃煤产生的污染。1 2 】 表1 22 0 0 6 年我国水电、火电所占比例 工业化进程使人民的生活水平得到了前所未有的提高。煤炭的大量使用，虽然 为工业运转提供了强大的动力，同时也带来了严重的环境污染问题。在我国早期经 华北电力大学硕士学位论文 济建设过程中，由于资金和技术等因素的制约，在工业发展的同时没有严格控制各 种污染物的排放，环境保护滞后于工业进步。到目前，环境形势已十分严峻，在联 合国评出的世界1 0 大污染最严重的城市中，中国的城市占了一半以上，首都北京 也赫然在列。随着人民生活水平的提高，越来越多的人关注周围环境的质量，环境 保护成为人民日益关心的话题。中国是世界煤炭生产和消费的大国，中国一次能源 消费结构中煤炭占7 5 左右，而且这种以煤炭为主要能源的结构在相当长的时期内 不会改变。在大气污染方面，由煤炭燃烧产生的污染物主要有两种：烟尘和s 0 2 ， 火力发电厂是燃用煤炭的大户，也是这两种污染物的主要排放源。因此降低火力发 电厂的烟尘和s 0 2 的排放量，是改善空气质量，保护环境的重要措施之一。国家环 保总局发布了2 0 0 4 年1 月1 日开始实施的火电厂大气污染物排放标准后，对 除尘器性能提出了更严格的要求。该标准规定：第1 时段，即1 9 9 6 年1 2 月3 1 日 前建成投产或通过建设项目环境影响报告书审批的新、扩、改建火电厂烟尘最高允 许排放浓度为3 5 0m g m 3 ；第2 时段，即1 9 9 7 年1 月1 日起至本标准实施之日前 通过建设项目环境影响报告书审批的新、扩、改建火电厂烟尘最高排放浓度为1 5 0 m g m j ；第3 时段，即本标准实施之日起通过建设项目环境影响报告书审批的新、 扩、改建火电厂烟尘最高排放浓度为5 0m g m 3 。1 3 l 电除尘器由于其除尘效率高，运行阻力小，处理烟气量大，耗能少等诸多优点 是目前我国及世界其它各国燃煤电厂广泛应用的一种除尘设备。新标准的实施，对 电除尘器性能提出了更严格的要求。2 0 世纪建成投产尤其是2 0 世纪8 0 年代建成的 电除尘器，有许多面临增效改造的问题，这是因为当时对锅炉烟尘排放浓度要求不 高，设备容量选择过小，电除尘器结构较陈旧及除尘设备老化，除尘效率低下等。 因此，进一步提高电除尘器的性能，是当前我国火力发电厂面临的一个亟待解决的 问题。 1 2 课题研究现状 烟气中的飞灰增加了大气中的悬浮固体含量，为降低粉尘排放浓度，保护环境， 人们先后研制了旋风除尘器、电除尘器、袋式除尘器等除尘设备。其中电除尘器因 其除尘效率高、设备阻力小、处理风量大、适用范围广，在我国及世界其它各国燃 煤电厂得到了广泛的应用。煤质是电除尘选型的主要参数，但由于种种原因使我国 锅炉实际用煤与设计煤种往往不能保持一致，有时甚至出入很大，这就导致锅炉排 出的烟气量、粉尘浓度和粉尘比电阻与设计值相比变化很大，因而导致电除尘器的 除尘效率发生大幅度波动，甚至下降。新标准中第2 和第3 时段的电厂，部分电除 尘器不论设计能力还是实际运行除尘效率均不足9 9 ( 老电厂) 或9 9 5 ( 新电厂) ， 难以达到1 5 0m g m 3 和5 0m g m 3 的排放标准要求。 2 学硕十学位论文 器本体进行扩容改造( 在原电除尘器前增加 电场，在原电除尘器后增加电场，原电除尘器加宽，原电除尘器增加高度) ；( 2 ) 将 电除尘器改为布袋除尘器；( 3 ) 采用烟气调质技术改变烟气性质。改造电除尘器的目 的在于以最合理方案、最小工作量、最短工期、最低费用提高现役电除尘器除尘性 能，使其满足最新烟尘排放标准要求。对电除尘器扩容改造需要很大的空间；布袋 除尘器费用较高；采用烟气调质技术具有投资较省，占地较小，运行费用较低的优 势。综合考虑，烟气调质是提高电除尘器除尘效率经济有效的方法之一。 电除尘器除尘效果好坏不仅与除尘器本体结构有关，而且在很大程度上与通入 烟气的性质有关。目前常规的电除尘器仅适用于回收比电阻值为1 0 4 1 0 q e m 的粉尘，对于燃用低硫煤产生的高比电阻粉尘，难以用电除尘器进行捕集。降低比 电阻的方法很多，目前国内外普遍采用的是向电除尘器入口烟气中添加调质剂来改 变烟气的物理性质或化学性质即向烟气加入添加剂，如三氧化硫、氨、硫酸氨和硫 酸氢氨等化合物进行烟气调质。烟气调质系统可应用于以下领域：( 1 ) 早期建设的电 除尘器的改造，以满足新的环保要求；( 2 ) 现有达标电除尘器的升级，满足同益严格 的环保要求，提早采取应对措施避免将来强制性的降负荷或停炉；( 3 ) 未达到设计要 求的新建电除尘器，新建电除尘器根据应用工况设计，并留有裕量，但也可能由于 一些不可预见的原因达不到设计要求。 简单说来，烟气调质就是在烟气中喷入水蒸汽或者化学物质来改变飞灰的理化 性质，进而提高除尘效率的一种方法。烟气调质技术通过改变粉尘性状，提高颗粒 的收集效率，不需要改动电除尘器本体结构，具有花费较少，改造时间短的优点。 国外从4 0 年代开始进行调质系统的研究，已有大量使用不同调质剂的烟气调质系 统在燃煤电厂成功应用，烟气调质技术已经成熟。国内从7 0 年代末期开展了这方 面的研究，目前也取得了一定的成果。 常用的烟气调质技术有三氧化硫烟气调质技术、氨烟气调质技术、n h 3 + s 0 3 烟 气调质技术等。好的烟气调质剂满足：能够用很少的量就能使除尘效率提高到理 想水平；对除尘设备影响小，排入大气后对环境没有不良影响，没有二次污染； 费用合理。目前，应用最广的烟气调质技术是三氧化硫烟气调质技术，其次就是 氨烟气调质技术。从2 0 世纪7 0 年代开始至今，s 0 3 烟气调质技术就是应用最普遍， 技术最成熟的调质方法，绝大多数s 0 3 烟气调质系统能保证至少9 5 的有效性。2 0 0 4 年托克托电厂从美国成功引进了三氧化硫烟气调质系统，2 0 0 8 年华润登封电厂首次 成功应用了国产的s 0 3 烟气调质系统。氨烟气调质技术调质机理复杂，在恶劣烟气 工况也能显著提高除尘效率，在印度、美国、澳大利亚等国家有许多工程应用实例， 在我国目前研究的还很少，实际的应用还没有。t 4 】【】 3 华北电力人学硕十学位论文 1 3 课题研究的内容 随着国民经济的不断发展，电力需求持续稳定地增加，使我国能源工业得到了 蓬勃快速的发展。煤电为主的格局在我国将持续一个较长时期，火电厂的煤烟型污 染也将给当前的环境带来巨大的压力。进一步提高除尘器的性能，是当前我国火力 发电厂面临的一个亟待解决的问题。烟气调质技术通过改变粉尘性状，提高颗粒的 收集效率，不需要改动电除尘器本体结构，具有花费较少、改造时间短等优点，是 改善电除尘器除尘性能的经济有效的方法之一。 通常烟气调质剂经喷嘴喷入除尘器入口烟道中，在烟气进入电除尘器前调节粉 尘性质使之利于除尘。本文尝试着在燃烧过程调质，取电厂炉前煤粉分别制得不加 任何成分和添加尿素的灰样，作为调质前后的灰样，测量粉尘的粒度、粘附性、容 积比电阻，分析燃烧时调质对粉尘性质影响。 本课题主要研究内容包括： ( 1 ) 结合氨烟气调质的机理，从物理、化学方面分析氨对粉尘性质的影响。 ( 2 ) 从工艺流程方面比较分析氨烟气调质系统与三氧化硫烟气调质系统。 ( 3 ) 结合实验分析燃烧时氨调质对粉尘的粒度、粘附性、容积比电阻的影响。 ( 4 ) 结合实验分析煤粉含硫量不同对燃烧时调质效果的影响。 4 华北电力大学硕士学位论文 2 1 水烟气调质技术 第二章烟气调质技术概述 当改造场地受到限制或粉尘性质特殊无法实现改造目的的时候，可采用烟气调 质的方法来实现烟尘达标排放要求。所谓烟气调质就是向烟气中添加导电性能好的 物质，改善粉尘的导电性和烟气条件，达到提高电除尘器性能的目的。通常有两种 方法，一是烟气增湿，即向烟气中喷水或水蒸气；二是向烟气中添加化学试剂。向 烟气中增湿有两种方式：一是直接向烟气喷水，二是向烟气中喷蒸气。采用最多的 直接向烟气中喷水，而喷蒸气运行成本高，应用的较少。喷水增湿改善电除尘器性 能，其作用有以下几点。 喷水后水滴蒸发，增加了烟气湿度，提高了粉尘表面润湿活化，粉尘表面比 电阻降低了； 烟气温度降低，工况烟气量减少； 烟气中水蒸气增多，改善了电除尘器的伏安特性，提高了运行电压； 喷水增湿后使部分粉尘颗粒凝并变成较大颗粒，利于电除尘器收集，减少二 次扬尘。 利用水分调质是一种经济有效的方法，特别是在烟气中含水量较少而温度又较 高时，效果更为显著。烟气温度降低时，烟气量减少，电场烟气流速降低，比收尘 面积增大，除尘效率提高。水分子使得烟气的电离减弱，电晕电流减小，间隙的耐 压强度增加，击穿电压升高，火花放电推迟，提高电除尘器的运行电压，从而提高 了电场强度，提高收尘。水分调质利用水的蒸发冷却烟气，同时提高进入电除尘器 烟气湿度，使得粉尘比电阻降低，运行电压提高，进而提高除尘效率。水烟气调质 采用的方式有两种：烟道直接增湿和增湿塔增湿。对于烟气温度比较高的情形，可 以采用烟道直接增湿的方式，但对于烟气温度低于2 0 0 的情形，通常认为应采用 增湿塔的方式，以保证水滴获得充分的蒸发，防止烟道内堆积泥浆。 烟道直接增湿主要是采用在电除尘器入口的锅炉尾部烟道处直接喷入水的方 式，不对现有烟道布置方式进行改动。增湿塔是一直立筒式容器，烟气通常由上向 下流经塔体，同时，高压水通过喷嘴从塔的上部以雾状喷入塔内，细小的雾滴与高 温烟气进行强烈的热交换，蒸发成水蒸气，烟气湿度增大，将烟尘的比电阻降至1 0 1 1 q c m 以下，使之适合电除尘器的操作要求，以保证电除尘器有较高的收尘效率。 烟气增湿对于高温、高比电阻、高粉尘浓度、粉尘粒径较细的水泥工业烟气有 很好的调质效果，对于燃煤电厂烟气也有一定的效果。【8 】【1 2 1 5 华北电力大学硕士学位论文 2 2s 0 3 烟气调质技术 为降低二氧化硫的排放浓度，许多燃煤电厂由燃烧高硫煤改为燃烧低硫煤，由 于改烧低硫煤产生的粉尘具有很高的比电阻，使原有的电除尘器除尘效率大幅下 降，粉尘排放浓度严重超标。这种情况下采用三氧化硫烟气调质技术，可以降低粉 尘比电阻，显著提高除尘效率。从2 0 世纪7 0 年代开始至今，三氧化硫烟气调质技 术是应用最为普遍，技术最为成熟的烟气调质技术，绝大多数s 0 3 烟气调质系统能 保证至少9 5 的有效性。 2 2 1s 0 3 烟气调质技术的机理 从煤形成过程的地质和气候条件可知，煤中含有不同比例的硫分，在煤的燃烧 过程中硫被氧化成s 0 2 , 有极少量的硫能转化成s 0 3 ，其转化率与燃煤含硫量和燃烧 过程的气氛条件有关。国内外大量的试验数据显示，其转化率为：煤粉炉o 5 1 0 ，抛煤炉o 5 1 5 ，链条炉1 o - 2 o ，旋风炉0 2 5 - - - 0 5 。大量试验数 据统计，烟气中含有的实际s 0 3 体积百分率仅为0 0 0 0 5 - - 0 0 0 5 ，即( 5 - - 5 0 ) x 1 0 丙范围之内。烟气中s 0 2 含量的高低对降低粉尘比电阻没有太大的作用，影响粉 尘比电阻的主要是s 0 3 。虽然s 0 3 含量极微，但它能与烟气中水蒸汽结合形成硫酸 蒸汽，硫酸蒸汽会在粉尘表面形成膜，从而增加粉尘导电性，降低粉尘表面比电阻。 对于煤粉炉来说，当燃烧低硫煤时，烟气中的s 0 3 的含量往往不足以使粉尘比电阻 降低到易于电除尘器收集的程度。因此需要向烟气中添加s 0 3 进行调质。三氧化硫 烟气调质系统是目前应用最广泛的烟气调质系统，广泛适用于含硫量低的高比电阻 粉尘，其原理就是将少量可控制的s 0 3 喷射到烟气当中，形成硫酸酸雾吸附在粉尘 颗粒上，在粉尘的表面形成一个导电层，降低粉尘比电阻。 因改烧低硫煤，烟气中s 0 3 量很少，不能产生足够的硫酸以降低粉尘比电阻， 从而造成粉尘排放超标，这种情况下向除尘器入口烟道中喷射少量s 0 3 ，增设三氧 化硫烟气调质系统，可显著降低粉尘比电阻，提高电除尘器除尘效率。要使比电阻 降低到一定程度，强碱性飞灰需要的s 0 3 喷射量较高；接近中性的飞灰，所需的s 0 3 喷射量要小得多。当s 0 3 浓度低时，除尘效率随s 0 3 浓度提高而明显提高，而在s 0 3 体积分数超过一定数值时，除尘效率的提高就不明显，反而使烟气中硫排放量增加。 当烟气温度低于( 酸) 露点温度时，硫酸蒸汽会凝结，从而对设备和烟道产生腐蚀， 烟气中s 0 3 浓度越高，则露点温度越高，越容易造成腐蚀。所以使用s 0 3 调质要控 制烟气温度，用尽可能少的喷入量，保证烟气温度高于露点温度，防止腐蚀。 6 华北电力大学硕士学位论文 2 2 2s 0 3 烟气调质技术的工艺流程 常用的s 0 3 烟气调质技术有：s 0 3 烟气调质系统、硫酸烟气调质系统、直接转 化烟气调质系统。 s o s 烟气调质系统：将液态s 0 3 用管道从储罐经流量控制器，送到蒸发器内转 化为气体，s 0 3 气体与干空气混合，通过加热管送到分配总管再从主管通过一组 装有四氟乙烯喷头的管子分配到烟道内。用s 0 3 作为调质剂的主要问题是：费用大， 要控制好温度和湿度。因为s 0 3 在温度低于2 0 时会凝固，而在4 4 左右时会 沸腾。在储存和运输过程中这两个极限值都必须避免。储存、计量以及输送时还要 隔绝水分，以免形成硫酸腐蚀设备。 硫酸烟气调质系统：将硫酸加热到沸点以上，与温度约2 0 0 2 6 0 空气混合 稀释，通过计量系统，喷入电除尘器入口烟道中。空气中硫酸的质量浓度通常约为 5 0 0 0 x l o 。酸与空气的混合物，通过沿途加热和保温的管子送到均匀布置在烟道内 的一组喷嘴，然后被分配到烟气中。 直接转化烟气调质系统：借助催化剂的作用把s 0 2 转化为s 0 3 ，这种系统可用 液态s 0 2 或元素硫作为原料。采用元素硫的调质系统包括硫的燃烧室，装有使s 0 2 氧化成s 0 3 的催化剂的反应器，将空气与s 0 3 的混合气体输送到烟道去的加热和保 温管道。以及将s 0 3 分配到烟气中去的喷头或喷枪。采用液态s 0 2 作原料的系统， 由泵、计量装置、控制装置、催化反应系统以及空气源组成。 国外制造s 0 3 烟气调质装置的公司现在大都采用硫磺燃烧生产s 0 2 ，s 0 2 再催 化转化成s 0 3 的工艺。图2 1 为三氧化硫烟气调质系统流程图。 ， 1 电除尘器；2 控制装置；3 硫磺储罐；4 流量控制装置；5 流量 g i n 装置；6 硫磺燃烧器： 7 一s 0 2 冷却器；8 排压孔；9 加热器；1 0 风机；1 1 s 0 2 s 0 3 转换器：1 2 喷嘴；1 3 运行工况： 1 4 锅炉负荷；1 5 冷却空气；1 6 控制阀 图2 - 1 三氧化硫烟气调质系统流程图 7 华北电力大学硕士学位论文 硫磺从储罐中泵出到硫燃烧室与热空气中的0 2 反应生成s 0 2 ，生成的s 0 2 再到 催化转化室被催化氧化成s 0 3 , 热的s 0 3 与空气混合通过加热保温管道到电除尘器入 口烟道，通过喷嘴均匀喷入与锅炉尾部烟气混合。加热和保温管道要使混合气体保 持在露点温度以上，防止管道和喷嘴腐蚀。风机为硫燃烧室、s 0 2 s 0 3 转化室提供 空气。整个装置与控制系统连接，根据锅炉负荷、电除尘器运行情况、粉尘排放量 调节s 0 3 喷入量。| 6 1 1 9 l 【1 1 1 引 2 2 3s 0 3 烟气调质技术的应用 三氧化硫烟气调质技术是研究最早的烟气调质技术，有许多成功的工程应用实 例。美国w e l l c o 公司，德国p e n t o l 公司等都有成套的三氧化硫烟气调质系统，技术 成熟可靠。其中仅w e l l c o 公司在过去的2 0 多年，在世界各地电厂就制造安装了近 5 0 0 多台套三氧化硫烟气调质装置，运行效果十分良好。国外一些电厂采用三氧化 硫烟气调质技术对电除尘器除尘效率和比电阻的影响见表2 - 1 。 表2 1 国外s 0 3 烟气调质对电除尘器效率和比电阻的影响 国外燃煤电厂采用s 0 3 烟气调质后，喷入少量的s 0 3 ，在含硫量较低的情况下， 粉尘比电阻大大的降低了，电除尘器的除尘效率有了明显的提高。 内蒙古大唐国际托克托发电有限责任公司一期2 台6 0 0 m w 燃煤机组2 0 0 3 年投 产运行后电除尘器除尘效率达不到设计要求，粉尘排放量严重超标。考察试验后从 美国w e l l c o 公司引进了成套三氧化硫烟气调质装置，其主要设备包括风机、空气加 热器、硫磺储罐、硫磺输送设备、硫磺燃烧器、s 0 2 s 0 3 转化器和一套喷射系统， 安装调试后s 0 3 喷入烟气的体积分数控制在1 5 - 1 7 x1 0 击。调质系统运行后电除尘 器的效率大大提高，烟气中粉尘排放浓度由原来的4 0 0m g n m 3 降至5 0m g n m 3 , 除 尘效率提高到9 9 7 。使用效果十分明显。1 1 0 l 一： 8 华北电力大学硕士学位论文 首台国产s 0 3 烟气调质系统于2 0 0 8 年6 月2 6 日在华润登封电厂首次投入使 用，并于7 月4 日通过1 6 8 小时测试，7 月1 8 日顺利通过第三方测定机构一河南 电力试验研究所的测定。在未投运烟气调质系统前，电除尘器出1 ：3 粉尘排放浓度大 于5 0 0m g n m 3 ，严重超过国家排放标准，s 0 3 调质系统运行后，粉尘比电阻显著降 低，粉尘荷电性增高，除尘效率提高，出口排放粉尘含量显著降低。河南电力试验 研究所试验报告表明，机组在满负荷( 3 1 8 m w ) 条件下，电除尘器出口a 粉尘排 放量为6 5 4m g n m 3 ，平均除尘效率提高到9 9 8 3 ；电除尘器出1 ：3b 粉尘排放量为 7 5 2m g n m 3 ，平均除尘效率提高到9 9 8 0 ，s 0 3 烟气调质系统调质效果明显。华 润登封电厂采用的三氧化硫烟气调质系统为第一套国产化的调质系统，该系统集成 度高，现场安装方便。s 0 3 烟气调质系统在登封电厂的成功投用，表明该系统技术 成熟可靠，能有效降低粉尘比电阻，提高电除尘器的除尘效率。该系统国产化首次 成功运用，为国内燃煤电厂高比电阻粉尘的治理开辟了一条新途径，为电除尘器的 提效改造提供了高效、经济、简捷的技术手段。 当煤的含硫量高于1 5 2 ，烟气中含有2 0 1 0 。6 - - 3 0 x1 0 击以上的s 0 3 ，自 然产生的s 0 3 就足以增强飞灰的表面导电性，电除尘器得以良好地工作。当煤的含 硫量低于1 时，自然燃烧产生的s 0 3 量很小，其调质作用很小，飞灰比电阻很大， 易产生反电晕，影响除尘效率。含硫量越低，反电晕的程度越强，电除尘器的效率 受到的影响越大。这种情况下向除尘器入口烟道中喷射少量s 0 3 ，增设三氧化硫烟 气调质系统，可显著降低粉尘比电阻，提高电除尘器除尘效率。添加s 0 3 的量与飞 灰成分有关，强碱性飞灰，特别时c a s 0 4 含量大时，需要的s 0 3 喷射量较高。接近 中性的飞灰，所需的s 0 3 喷射量要小得多。一般添加2 0 1 0 - 6 - - - , 3 0 x1 0 巧即有显著 效果，条件好时8 1 0 击1 0 x1 0 击也卓有成效。 三氧化硫烟气调质系统调质设备复杂，初始投资高，运行管理复杂。运行过程 中消耗的硫磺在我国资源储量并不丰富：硫资源进e l 依存度己超过5 0 ，其中主要品 种就是硫磺。受国际市场影响，我国硫磺价格近年呈上升趋势，原料费用还会增加。 喷入的s 0 3 与烟气中的水蒸气结合生成硫酸蒸汽，当烟气温度低于酸露点时， 硫酸蒸汽会凝结，从而导致对设备和烟道的腐蚀，称低温腐蚀。烟气中s 0 3 浓度越 高，则露点温度越高，越容易造成腐蚀。所以使用s 0 3 调质要控制烟气温度，用尽 可能少的喷入量，保证烟气温度高于露点温度，防止腐蚀。 喷入的s 0 3 部分与烟尘发生反应或是覆盖烟尘颗粒，然而仍有部分s 0 3 通过烟 囱排向大气。【2 3 】烟气中硫主要是以s 0 2 形式存在，s 0 3 的比例很少，因此，虽然排 放烟气中s 0 3 量略有增加，但总硫含量增加很少。同时，硫含量的微量增加与排放 粉尘的大幅减少相比，其环境效益还是明显的，不过还是要引起足够的重视。随着 环保标准的日益严格，对于s 0 3 调质剂，二次污染将成为它的致命缺陷。 9 华北电力大学硕士学位论文 2 3n h 3 烟气调质技术 烟气中硅铝含量高而碱金属含量低时，飞灰颗粒表面光滑不易吸附s 0 3 ，在温 度较高的情况下，这种现象更为明显，甚至喷入较多的s 0 3 ，比电阻降低却非常少。 在这种情况下可以考虑使用氨烟气调质技术，在电除尘器入口前喷入少量的氨调质 烟气。氨烟气调质技术改造费用低、见效快、除尘效率提高显著。同时，氨烟气调 质系统设备简单，初投资低，是一种经济有效的烟气调质技术。氨烟气调质技术不 仅能调节粉尘比电阻，还可以提高粉尘粘附性、调节烟气酸度。氨作为调质剂单独 ， 使用能够吸收高硫煤燃烧产生的酸性物质，在调质提效的同时降低硫氧化物的排 放，与传统的三氧化硫烟气调质技术相比更环保。氨烟气调质技术的机理、流程和 。 应用详见第3 章。 2 4n h 3 + s 0 3 烟气调质技术 n h 3 + s 0 3 烟气调质系统是n h 3 调质系统和s 0 3 调质系统的有机整合，n h 3 喷嘴 设置在空气预热器之后s 0 3 喷嘴之前，由控制系统根据烟气性质、粉尘排放量协调 控制两种调质剂的喷入量。图2 2 为n h 3 + s 0 3 烟气调质系统流程图。 r u e g a s 1 电除尘器2 控制装置3 无水液氨储罐4 硫磺储罐5 流量控制装置6 蒸汽转化装置 7 流量监测装置8 排压孔9 控制阀1 0 风机1 1 加热器1 2 s 0 2 冷却器1 3 硫磺燃烧器 1 4 s 0 2 s 0 3 转换器1 5 s 0 3 喷嘴1 6 氨喷嘴1 7 运行工况1 8 锅炉负荷1 9 冷却空气 图2 2n i - 1 3 + s 0 3 烟气调质系统流程图 1 0 华北电力大学硕士学位论文 单独喷射s 0 3 能在高比电阻粉尘颗粒表面形成导电层，降低粉尘比电阻，解决 粉尘荷电难、放电难、易产生反电晕的问题。但是试验证实对于酸性灰，p h 值在 3 5 4 范围内，s 0 3 调质没有效果。同时s 0 3 也解决不了由细颗粒、低比电阻粉尘 造成的二次扬尘问题。而在没有s 0 3 或是s 0 3 含量低的情况下，n h 3 也不能很好的 发挥其调质作用。n h 3 + s 0 3 很好的解决了这些难题，n h 3 与s 0 3 反应生成铵盐，能 增大粉尘粘附性减少二次扬尘，同时s 0 3 能降低粉尘比电阻。 在下面四种情况下，单独使用s 0 3 或n h 3 调质作用不大，可使用n h 3 + s 0 3 烟 气调质技术。 ( 1 ) 当飞灰中舢2 0 3 ，s i 0 2 含量高于9 0 ，而碱性物质含量又较少时，飞灰一般 呈酸性，不易吸附硫酸蒸汽。 ( 2 ) 烟气温度太高，不利于s 0 3 吸附在颗粒表面。s 0 3 的吸附与粉尘化学成分和 烟气含湿量有关，可能高于1 6 0 就不利了。 ( 3 ) 烟气流速高，粉尘与收尘极板问吸附力又相对较小，不足以抵御气流，使得 二次扬尘增大。 ( 4 ) 粉尘含碳量高。 粉尘含碳量指煤在锅炉内燃烧后由烟气携带逸出锅炉的粉尘中含有的未完全 燃烧碳的含量。飞灰含碳量主要与燃烧工况、煤种和煤粉细度等因素有关，尤以燃 烧工况最为密切。随着技术进步和计算机优化燃烧控制技术的使用，对大容量锅炉 而言，飞灰含碳量已经很低。一般大容量锅炉飞灰含碳量低于5 ，通常为3 5 ， 个别的为7 1 0 。由烟气携带逸出锅炉的未完全燃烧碳，多数以较大颗粒形式存 在于粉尘中，试验研究证明，碳在电场中得到、失去电荷都很快。因此，碳粒在电 场和收尘极板之间跳来跳去，不易被收尘极收集。同时，由于碳粒的板间跳跃使已 收集的粉尘产生二次扬尘。所以粉尘含碳量越高，电除尘效率越低。【1 8 1 f 3 3 1 低氮燃烧器解决了n 仅排放的问题，但一定程度上增加了粉尘中未完全燃烧碳 的含量，如果再燃用低硫煤，烟气中的粉尘将非常不利予电除尘器除尘。当未完全 燃烧碳含量 1 0 ，二次扬尘将成为除尘效率下降的主要原因。低硫煤燃烧产生的 高比电阻粉尘和低比电阻的碳颗粒使得飞灰难以被电除尘器收集，除尘效率下降。 n h 3 + s 0 3 烟气调质系统很好的解决了这个难题，s 0 3 用来降低粉尘比电阻，n h 3 用 来提高表面电荷、增强粉尘粘附性、降低二次扬尘。 n h 3 的加入能够提高s 0 3 调质的效果，同时减少s 0 3 的用量。国外已运行的烟 气调质系统中也有在三氧化硫烟气调质系统中加入氨调质剂的成功应用。印度某燃 煤电厂关于烟气调质系统的试验研究显示，n h 3 + s 0 3 烟气调质比单纯用s 0 3 或n h 3 调质效果要好得多。 华北电力大学硕士学位论文 2 5 新型烟气调质技术 ( 1 ) 新型调质剂烟气调质技术 根据影响飞灰比电阻的因素分析，比电阻随f e 2 0 3 的增多而减小，而n a 、k 元 素含量增大，比电阻会降低。将各种利于提高除尘效率的物质合理配置成新型药剂 作为烟气调质剂，将扩大烟气调质技术的适用性。美国利用添加n a 进行高温电除 尘器的性能改善，已确认取得显著成果，这是因为添加n a 盐或n a + ，在收尘极上的 灰层中，离子载体起了作用。澳大利亚在烟气中加入三乙胺，收到了良好效果。美 国的a d a e s 烟气调质技术利用混合药剂减小粉尘比电阻、改善与比电阻相关的除 尘性能。目前，国内外一直在研究费用低，使用方便和易于接受的调质剂。 ( 2 ) 无调质剂烟气调质技术 燃煤烟气中硫的存在形态主要是s 0 2 ，也有少部分的s 0 3 ，烟气中的s 0 2 转化 为s 0 3 的量由三个条件决定：燃料中硫的含量；燃烧过程中过量空气的量和催化剂。 烟气中有很少一部分s 0 2 转化为s 0 3 ，一般不到2 。如果有合适的催化剂，就可以 提高s 0 2 转化为s 0 3 的量，增加烟气中的s 0 3 的含量，满足降低飞灰比电阻的要求。 基于此而提出无调质剂的烟气调质技术，其基本原理就是从锅炉烟气中抽取一部分 经过催化氧化，其中约有3 0 7 0 的s 0 2 转化为s 0 3 ，然后在空气预热器和电除 尘器之间的某处将这部分烟气重新与其他烟气混合，这时烟气中增加的s 0 3 足以用 来达到烟气调质的目的。实施方案是在省煤器的一个烟道内放置一种触媒，使旁路 烟气中的s 0 2 氧化为s 0 3 ，经过触媒的旁路烟气量为总烟气量的1 3 ，旁路烟气 再引入空气预热器后的主烟道中，由于s 0 3 的作用，使粉尘比电阻降低。1 9 1 3 5 】 1 2 华北电力大学硕士学位论文 第三章n h 3 烟气调质技术的应用与发展 3 1 氨烟气调质技术的机理 氨与其他调质剂相比，其调质作用是多方面的，适用于不同特性的粉尘。氨调 质机理复杂，不仅能调节粉尘比电阻，还可以提高粉尘粘附性，调节烟气酸度。表 3 - 1 为氨烟气调质机理及影响分析。【2 8 】【3 1 】【3 2 l 表3 1 氨调质机理及影响分析 对电除尘器或颗粒物对除尘效率的影 调质剂作用影响分析 的影响响 降低粉尘层的电压降； 对高比电阻粉尘尤为显著，降 吸附在飞灰 减少反电晕；提高火花 显著提高除尘效 低粉尘和收尘极的电场力易于 率 表面降低表 电压振打清灰。 面比电阻 降低粉尘和收尘极间可能提高也可能 对于高比电阻粉尘提高除尘效 率；对于低比电阻粉尘易产生 的吸附力降低除尘效率 二次扬尘 颗粒物粘附力增大，平粒径增大，趋近速度增大；粒 均粒径增大 提高除尘效率 径增大，易于振打清灰 提高粉尘的 粉尘层和收尘极板间 提高除尘效率 粉尘粘附在收尘极板上减小了 的粘附力增大二次扬尘 粘附性 粉尘层较强的粘附在可能提高也可能 较强的粘附力对低比电阻粉尘 是有利的，对高比电阻粉尘是 收尘极板上降低除尘效率 不利的 空间电荷增大，电晕电可能提高也可能电流减小，荷电减小，减小了 流减小降低除尘效率由高比电阻产生的反电场 增大细颗粒空间电荷增大，电场力 空间电荷增大，收尘极附近的 物的浓度增强 提高除尘效率 电场力增大 击穿电压升高，火花电 提高除尘效率 火花电压的微小提高可以提高 压提高运行电压 调节烟气的降低酸露点，提高运行显著提高除尘效 对于高硫煤，烟气中硫酸浓度 酸度电压率 较高，酸露点可能会高于烟气 j 温度，降低酸露点可防止腐蚀 1 3 华北电力大学硕士学位论文 概括说来氨喷入烟气中有以下作用：调节烟气酸度，提高酸露点；吸附在飞灰 表面，形成导电通路，降低粉尘比电阳；在放电极和收尘极之间形成亚微米级的颗 粒，增加细颗粒的浓度，通过这些颗粒的荷电，提高空间电荷，增大火花电压，提 高运行电压；通过改变飞灰的粘附性以及颗粒间的粘附力，增大飞灰的粒径，提高 粉尘层间的粘附能力，减少二次扬尘。目前氨对粉尘比电阻的影响机理还不是很清 楚，国外进行的调质实验结果显示：氨对含硫量低的高比电阻粉尘能显著降低其比 电阻，对在电除尘器除尘范围内的适宜比电阻粉尘对比电阻的影响不明显，对低比 电阻粉尘还能提高其比电阻。 在氨烟气调质系统中，喷入的氨与酸性物质反应，降低烟气酸度，提高烟气酸 露点，减少腐蚀。同时反应生成的n h 4 + 吸附在粉尘表面，参与表面导电，降低粉尘 层的电压降，降低粉尘比电阻，能有效防止反电晕。w h i t e 报告证实，在某电除尘 器入口烟道前喷入少量的氨能降低粉尘比电阻：喷入1 5 p p m 的氨使比电阻由1 5 1 0 1 1q 锄降低到1 0 1 0q c m 。t a s s i c k e r 报道对一种澳大利亚的高比电阻粉尘喷入 2 0 p p m 的氨使其比电阻降低了三个数量级。喷氨调质对粉尘比电阻的影响与原粉尘 比电阻、烟气含湿量有关，对高电阻粉尘足够的水蒸气有助于氨形成n h 4 + 降低粉尘 比电阻。 氨与烟气中的原有三氧化硫反应生成硫酸氢铵，过量的氨可以生成硫酸铵。 n h 3 + s 0 3 + 1 - 1 2 0 = = n h 4 h s 0 4 n h 4 h s 0 4 + n h 3 = = ( n h 4 ) 2 s 0 4 公式( 3 - 1 ) 公式( 3 2 ) 反应生成的n h 4 h s 0 4 、( n m ) 2 s 0 4 粒径很小，大多小于l 微米，增大了放电极 和收尘极之间的微细颗粒浓度，提高了电场中的空间电荷，使收尘极附近电场力增 大，击穿电压提高，火花电压提高，相应的可以允许较高的运行电压，有利于电除 尘器收尘。 值得注意的是n h 4 h s 0 4 ( 1 4 7 ) 和( n h 4 ) 2 s 0 4 ( 1 4 0 ) 的熔点很低，( n h 4 ) 2 s 0 4 或( n h 4 ) 2 s 0 4 、n h 4 h s 0 4 两者的混合物在烟气工况条件下以半液态固体形式存在， 增加了粉尘间的液相架桥作用，提高了粉尘间的凝聚力，使粉尘粒径增大，增强了 粉尘层和收尘极板间的粘附力，有效防止了二次扬尘。 d i s m u k e s 研究证明氨及其反应产物能够提高空间电荷和粉尘粘附力：对于一种 煤粉含硫量0 9 ，比电阻1 0 nq c m 的粉尘，喷入氨后，因提高了电场内空间电 荷，击穿电压提高，运行电压增高，电流减小，收尘性能明显提高。对g a l l a t i n 电 厂比电阻约为1 0 8q 伽的粉尘，存在的问题是二次扬尘严重，喷氨后粉尘粒径增 大、粘附性增强，有效的解决了二次扬尘问题，提高了除尘效率。 1 4 华北电力大学硕士学位论文 喷氨调质后，粉尘比电阻降低会使粉尘层与收尘极板间粘附力减小，这与喷氨 的另一个重要作用增大粉尘的粘附性，增强粉尘层与收尘极板间粘附力是矛盾的。 对于高比电阻粉尘，吸附在收尘极板上的粉尘层压降较大，粉尘层与收尘极板间的 粘附力较大，降低粉尘和收尘极的电场力有