（环境工程专业论文）火电厂SOlt3gt烟气调质技术的研究.pdf

华北电力火! 学硕七学位论文 摘要 s 0 3 烟气调质是有效改善电除尘器对高比电阻粉尘捕集效率的技术方法之一。 本文针对s 0 3 烟气调质过程中对飞灰粒度分布、比电阻、飞灰的表面活性等诸多因 素的影响进行较为深入的实验分析。得出调质后除尘器提高了细粉尘的捕集能力， 飞灰的工况比电阻降低了2 个数量级，飞灰的表面活性得到了增强。进而较为全面 地研究了s 0 3 调质系统的调质机理。并经过研究分析提出了适用于运行s 0 3 烟气调质 系统的酸露点计算式的修正式。并对s 0 3 烟尘调质对设备腐蚀、s o x 排放及经济效益 分析等问题进行了探讨。 关键词：电除尘器，烟气调质，酸露点，比电阻 a bs t r a c t s 0 3f l u eg a sc o n d i t i o n i n gs y s t e mi so n eo ft h ee f f e c t i v et e c h n i c a lm e t h o d st oi m p r o v e t h ee p s se f f i c i e n c yi nc a t c h i n go nd u s t so f h i 曲s p e c i f i cr e s i s t a n c e t m ss u b j e c ta n a l y z e st h e e f f e c t so fm a n yf a c t o r ss u c ha l st h ep a r t i c l es i z e d i s t r i b u t i o no ft h ef l ya s h ，t h es p e c i f i c r e s i s t a n c e ，t h es u r f a c ea c t i v i t y , a n dt h ee l e c t r i c a lp a r a m e t e ro ft h ee s pd e e p l yi nt h ep r o c e s s o f $ 0 3c o n d i t i o n i n g ig e ti tt h a ta f t e rs 0 3c o n d i t i o n i n gt h ee s pi m p r o v e st h ec a t c h i n ga b i l i t y f o rf i n ed u s t ，t h eo p e r a t i o ns p e c i f i cr e s i s t a n c ed e c r e a s e sf o r2o r d e r so fm a g n i t u d e ，t h es u r f a c e a c t i v i t yi ss t r e n g t h e n e d ，a n dt h ee l e c t r i c a lp a r a m e t e ro ft h ee s pi si m p r o v e d t h e nis t u d yi n t h em e c h a n i s mo ft h es 0 3c o n d i t i o n i n gs y s t e mm o r ec o m p r e h e n s i v e l y a n dia l s op r o p o s et h e m o d i f i e df o r m u l ao fa c i dd e w - p o i n ta p p l y i n gt ot h es y s t e mw h i c hh a so p e r a t e dt h es 0 3 c o n d i t i o n i n gs y s t e ma f t e ra n a l y z i n g i na d d i t i o nt h ep r o b l e m ss u c ha sm a t e r i a lc o r r o s i o n ，s o x e m i s s i o na n de c o n o m i cb e n e f i ta r ed i s c u s s e d x u ed a ( 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 y p r o f y u a ny o n g t a o k e yw o r d s ：e l e c t r i cp r e c i p i t a t o r ，f l u eg a sc o n d i t i o n i n g , a c i dd e w p o i n b s p e c i f i cr e s i s t a n c e 华北电力火! 学硕七学位论文 摘要 s 0 3 烟气调质是有效改善电除尘器对高比电阻粉尘捕集效率的技术方法之一。 本文针对s 0 3 烟气调质过程中对飞灰粒度分布、比电阻、飞灰的表面活性等诸多因 素的影响进行较为深入的实验分析。得出调质后除尘器提高了细粉尘的捕集能力， 飞灰的工况比电阻降低了2 个数量级，飞灰的表面活性得到了增强。进而较为全面 地研究了s 0 3 调质系统的调质机理。并经过研究分析提出了适用于运行s 0 3 烟气调质 系统的酸露点计算式的修正式。并对s 0 3 烟尘调质对设备腐蚀、s o x 排放及经济效益 分析等问题进行了探讨。 关键词：电除尘器，烟气调质，酸露点，比电阻 a bs t r a c t s 0 3f l u eg a sc o n d i t i o n i n gs y s t e mi so n eo ft h ee f f e c t i v et e c h n i c a lm e t h o d st oi m p r o v e t h ee p s se f f i c i e n c yi nc a t c h i n go nd u s t so f h i g hs p e c i f i cr e s i s t a n c e t h i ss u b j e c ta n a l y z e st h e e f f e c t so fm a n yf a c t o r ss u c ha st h ep a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o no ft h ef l ya s h ，t h es p e c i f i c r e s i s t a n c e ，t h es u r f a c ea c t i v i t y , a n dt h ee l e c t r i c a lp a r a m e t e ro ft h ee s pd e e p l yi nt h ep r o c e s s o f $ 0 3c o n d i t i o n i n g ig e ti tt h a ta f t e rs 0 3c o n d i t i o n i n gt h ee s pi m p r o v e st h ec a t c h i n ga b i l i t y f o rf i n ed u s t ，t h eo p e r a t i o ns p e c i f i cr e s i s t a n c ed e c r e a s e sf o r2o r d e r so fm a g n i t u d e ，t h es u r f a c e a c t i v i t yi ss t r e n g t h e n e d ，a n dt h ee l e c t r i c a lp a r a m e t e ro ft h ee s pi si m p r o v e d t h e nis t u d yi n t h em e c h a n i s mo f t h es 0 3c o n d i t i o n i n gs y s t e mm o r ec o m p r e h e n s i v e l y a n dia l s op r o p o s et h e m o d i f i e df o r m u l ao fa c i dd e w - p o i n ta p p l y i n gt ot h es y s t e mw h i c hh a so p e r a t e dt h es 0 3 c o n d i t i o n i n gs y s t e ma f t e ra n a l y z i n g i na d d i t i o nt h ep r o b l e m ss u c ha sm a t e r i a lc o r r o s i o n ，s o x e m i s s i o na n de c o n o m i cb e n e f i ta r ed i s c u s s e d x u ed a ( 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 f y u a ny o n g t a o k e yw o r d s ：e l e c t r i cp r e c i p i t a t o r ，f l u eg a sc o n d i t i o n i n g , a c i dd e w p o i n t , s p e c i f i cr e s i s t a n c e p 士= l明明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文火电厂s 0 3 烟气调质技术的研究， 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已在论文中作了明确的 说明并表示了谢意。 学位做作者签名聋壅日 期：型7 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 导师签名： 日 期：立璺! ：! ：2 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景 第一章引言 煤炭是世界储量最多分布最广的化石能源。b p 公司2 0 0 0 年的统计数据显示， 煤炭占世界化石能源剩余可采储量的6 4 1 ，而石油占1 8 1 ，天然气占1 7 8 。 煤炭资源分布于世界7 6 个国家和地区，有6 0 多个国家进行规模化开采。2 0 0 0 年煤 炭产量为4 2 8 2 亿吨，占一次能源产量的2 5 ，占一次能源消费消费量的2 7 5 8 ， 表1 1 列出2 0 0 0 年世晃化石能源剩余可采量、储采比、消费量。由于煤炭资源量 和储采比大大超过石油和天然气的资源量及储采比，在未来5 0 年内，煤炭将仍然 是自然界主要能源之一，是世界经济发展的主要动力支柱【l 】。 表1 12 0 0 0 年世界化石能源剩余可采储量、储采比、消费量 世界能源委员会( w e c ) 研究结果认为，在2 0 2 0 年以前，世界一次能源供应 仍将以化石能源为主，其中煤炭主要用于发电和少数工业部门。由于石油和天然气 价格不断上涨，电力部门发电用煤炭消耗量呈现增长的趋势。世界电力的4 5 一5 0 由燃煤电站提供，当前发电耗煤以每天8 万一1 0 万吨的速度增长。在今后2 0 年内， 世界能源需求会增加5 0 以上，工业化国家增长约2 3 ，发展中国家可能会增长一 倍以上，其中亚洲占很大部分。 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 0 左 右。2 0 0 0 年中国煤炭消耗量为1 2 2 0 m t ，其中发电耗煤5 2 8 1 m t ，占4 3 3 。中国是 目前世界上最大的煤炭生产国和消费国，也是世界上唯一以煤炭为主要能源的大 l 华北电力大学硕士学位论文 国，且这种能源结构在今后相当长的时期内不会改变，因此我国目前的大气污染总 体上属于煤烟型污染【2 】。根据国家火电厂污染物排放标准：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 0 m 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( 含在第1 时段 经环境影响报告书审批的新、扩、改建火电厂中已超过5 年，未经环境保护行政主 管部门验收通过的火电厂) 烟尘最高允许排放浓度为1 5 0 m g m 3 ；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( 含在第 2 时段经环境影响报告书审批的新、扩、改建火电厂中已超过5 年，未经环境保护 行政主管部门验收通过的火电厂) 烟尘最高允许排放浓度为5 0 m g m 3 【3 1 。 电除尘器具有较高的除尘效率，且产生的二次污染小。但随着经济的发展，人 们环保意识的增强，对环境质量的要求不断提高，大气污染问题将更加突出。国家 对火电厂电除尘器制定了更为严格的污染物排放标准。而火电厂粉尘排放标准日益 严格，电除尘器的运行效率将越来越难以满足排放要求。如何提高电除尘器的除尘 效率成为了摆在人们面前的迫切需要解决的问题。 1 2 电除尘器逃逸微飞灰的危害 当前我国约有四分之三的燃煤电厂采用电除尘方式，电除尘器是支撑我国当今 乃至今后较长时期内烟尘治理大局的重要手段。但是从目前电除尘器的实际运行效 果来看，有一部分电除尘器难以满足上述火电污染治理目标要求。尤其处于第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) 的水平，难以达到1 5 0 m g m 3 和5 0 m g m 3 的新排放标准 要求。另一方面与国外发达国家不同，我国燃煤电厂普遍燃用的是劣质煤，而且煤 种变化不定，从而给电除尘器的设计和运行造成困难。 近年来，可吸入颗粒物已成为我国一些大都市的首要空气污染物【4 1 ，v m l o ( ：t ? r 气动力径小于1 0 p m 的颗粒物) 和p m 2 5 ( 空气动力径小于2 5 p m 的颗粒物) 的污染问 题正引起越来越多的关注【5 1 。但是，现在广泛装备的静电除尘设备难以除去燃煤排 烟中的超细、超轻及易分散的粉尘。 国外进行的大量有关p m i o 的流行病学研究表明【6 1 ，可吸入颗粒物浓度的增加 与疾病的发病率、死亡率密切相关，尤其是呼吸系统疾病及心肺疾病。超细颗粒物 成分复杂 7 1 ，含有多种元素，也是其他污染物的载体，吸附其他化学组成随呼吸进 入人体，其吸附的化学组成是导致其毒性的主要因素。超细颗粒物进入呼吸道内表 2 华北电力大学硕士学位论文 面后，与肺组织相互作用，一部分可以被排出体外或被消除掉，但有一部分可能长 期滞留肺组织中，在肺间质形成病灶。而且某些颗粒或组分通过肺的内呼吸换气进 入血液循环，再通过扩散作用达到其他内脏器官。超细颗粒物对人体健康的危害主 要表现在“三致”作用：致癌、致畸、致突变。主要原因在于超细颗粒物通常富集 各种重金属元素( o na s 、s e 、p b 、c r 等) 和p a h s ( 多环芳烃类) 、p d c d f s ( - - 恶英类) 等有机污染物，这些多为致癌物质和基因毒性诱变物质，危害极大。 1 3 课题研究现状 根据第三次全国煤田预测资料，在我国，特低硫煤和低硫煤为4 1 6 0 0 1 亿吨， 占尚未利用资源量的5 0 3 7 ；低中硫、中硫煤为2 8 2 3 3 0 亿吨，占尚未利用资源量 的3 4 1 8 ；硫分大于2 0 0 的煤占1 5 4 5 。但是，由于低硫煤燃烧产生的粉尘中 a 1 2 0 3 和s i 0 2 的含量高达8 0 一9 0 ，导致比电阻较高，使得电除尘器不能达到预期 的除尘效率，粉尘排放严重超标。实践证明烟气调质是较为经济和有效的，特别是 在对现有电除尘器改造时。电除尘器除尘性能的好坏主要与电场强度、离子密度、 飞灰的黏附性、粒径的大小、粒度分布等因素有关。烟气调质可以通过改变以上因 素中的一个或几个来提高除尘效率。常用的调质剂有h 2 0 、s 0 3 、n h 3 、铵的化合 物、有机胺、碱金属盐等。其中，s 0 3 以其优良的调质效果，备受各国科研人员的 重视，并对s 0 3 的调质机理进行了研究。 国外的一些科研人员对s 0 3 的调质机理做过初步的探讨，认为飞灰表面存在着 凹坑和空腔，积尘极的积灰层内存在的空隙，可以看作是飞灰的毛细孔。借助这些 毛细孔的孔壁场力、静电力等力的作用，水汽或硫酸首先被吸附并凝结在这些毛细 孔内，继而扩展到整个飞灰表面，形成一层水膜。飞灰表层所含的可溶金属离子， 将溶于形成的液膜中，而变得易于迁移。在电场力作用下，溶于膜中的离子以膜为 媒介，快速迁移，传递电荷。此外，通过改变飞灰的黏附性以及飞灰颗粒之间的作 用力，增大飞灰的粒径，提高粉尘层间的粘附能力，减少二次扬尘；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，减少反电晕 s - l o 】。 s 0 3 烟气调质系统通过向烟气中喷射微量s 0 3 气体，吸附在粉尘颗粒的表面来 降低粉尘比电阻，从而进一步提高电除尘器对高比电阻粉尘的捕集效率。s 0 3 烟气 调质系统只是对现有电除尘器做出的有益的补充，不对电除尘器的本体进行改造。 该系统能够有效地降低粉尘比电阻，提高电除尘器对高比电阻粉尘的除尘效率；对 于新建电除尘器添加烟气调质系统，不仅可以保证电除尘器的除尘性能稳定，提高 除尘效率，而且可以减小除尘器的本体结构，降低运行费用。该系统可以作为解决 3 华北电力大学硕十学位论文 高比电阻粉尘收集和老电除尘器改造的有效手段。s 0 3 烟气调质适应我国国情，在 我国有着较好的应用前景。 2 0 0 4 年7 月7 日，大唐托克托电厂一期两台6 0 0 m w 机组采用威尔普( w e l l c o ) 公司s 0 3 烟气调质系统试运成功。烟气调质系统试运成功，效果十分明显。2 0 0 5 年1 月，内蒙古自治区环境监测中心站对大唐托电一期l 、2 号机组大气污染物排 放监测报告显示，烟尘浓度小于5 0 m g m 3 ，完全满足火电厂大气污染物排放标准 ( g b l 3 2 2 3 2 0 0 3 ) 。 1 4 课题研究的内容和目的 以煤炭为主要一次能源的国情，决定了在我国的电力工业中，燃煤火力发电占 据主导地位，因此也造成了严重的污染。我国煤矿以中、低硫煤为主，导致燃烧低 硫煤电厂的煤灰比电阻较高，降低了电除尘器的除尘效率。因此，如何提高电除尘 器除尘效率，实现达标排放已成为我国面临的函待解决的问题。 本课题对s 0 3 调质后的飞灰粒度分布、比电阻、表面活性等进行实验分析。进 而较为深入地分析了s 0 3 调质系统的调质机理。并对运行了此调质系统后，由额外 加入的s 0 3 所引起的烟道中酸露点温度的提高进行了计算。提出了烟气酸露点计算 式的修正式。主要研究内容、手段及目的包括： ( 1 ) 对采集的飞灰进行分析，对调质前、后不同电场飞灰进行粒度分布分析。 得出s 0 3 烟气调质对电除尘器各电场收集飞灰能力的影响。 ( 2 ) 以电厂实测数据和电场实际运行工况为依据，得出s 0 3 烟气调质通过飞灰 比电阻、飞灰的表面性质及电除尘器电气参数的研究分析。进而分析s 0 3 调质系统 的调质机理。 ( 3 ) 对现行国际上主要的烟气酸露点的计算公式进行分析比较，并对目前被我 国设计人员广泛采用的前苏联“锅炉机组热力计算标准方法 ( 1 9 7 3 年版) 进行了 修正。 经过研究分析提出了适用于运行s 0 3 调质系统后的酸露点计算式。 t 搿= 丽1 2 5 歹3 痧+ f 掰 f j 搿= 了7 + f 掰 1 0 5 “乃a 4 华北电力人学硕士学位论文 第二章s 0 3 烟气调质对飞灰粒径分布的影晌 煤是电力的主要来源，燃煤发电过程不仅产生有用的电，还产生大量具有负面 效应的颗粒物一飞灰。燃煤飞灰的粒径分布是其重要的物理性质之_ ，对锅炉燃烧、 烟气除尘效率及粉煤灰的综合利用有着重要的影响。对大唐托克托电厂运行s 0 3 调 质前后的飞灰进行了巴柯( b a h c o ) 粒度分析，得出烟气调质对收集飞灰的粒径分布的 影响。 2 1s 0 3 烟气调质系统简介 s 0 3 烟气调质系统包括硫磺储罐、硫磺计量装置、硫磺燃烧器、二氧化硫- - 氧 化硫转化器和一套喷射装置。将硫磺从卡车卸到储罐中，硫磺在储罐中熔化为液态 硫磺，然后用硫磺潜水计量泵将储罐中的液态硫磺输送到系统集成箱的硫磺燃烧器 中。 系统集成箱的一台离心风机提供必需的经过过滤的空气。这些空气在晶闸管控 制的电加热器中被加热到系统需要的温度。过程温度将被监控，以保证硫磺在燃烧 器中充分反应生成二氧化硫，并且向转化器提供适于催化到三氧化硫温度的二氧化 硫。 二氧化硫靠五氧化二钒的催化作用氧化成三氧化硫。根据锅炉的负荷以及降低 比电阻所需的三氧化硫数量，系统自动调整三氧化硫的生产速度。三氧化硫的需求 量取决于很多因素，包括灰的成份和锅炉负荷等。系统通过锅炉负荷信号、烟气浊 度信号和烟气温度信号自动调整最佳的三氧化硫喷射率。 两个氧化反应都是放热反应。当三氧化硫的产量达到最大时，系统所配空气加 热器的输入功率减小，因为形成二氧化硫和三氧化硫时放出热量。当三氧化硫的产 量降低时，需要增大空气加热器的功率从而保持进入到转化器的气体温度。无论硫 磺的输入量如何改变，过程温度都保持不变。 系统中包含了一套节能控制方案，控制系统利用调节空气预热器的功率和空气 流量来保持转化器的入口空气温度。控制顺序为：三氧化硫产量低时空气流量低， 热量由空气加热器提供；当三氧化硫的产量增加，加热器输出功率下降，同时空气 流量增加。 华北电力人学颂十学位论文 从转化器中出来的三氧化硫和卒气的混合体通过分配支管和喷枪喷射到烟气 中。每个喷枪配备适当尺寸和间隔的喷嘴，从而向烟气流中高速喷射混合物，叭保 证进入电除尘器之前与烟气实现最佳的混合效果。 系统需要的三氧化硫喷射量由在以前调质项目中的运行经验决定，最佳喷射量 取决于现场实验、煤灰成份和灰的化学构成。 s o 、烟气调质系统的工艺流程见图2 - 1 。 w e l l c o 翅气调质系统流程圈 2 ，2 飞灰的形成机理 图2 - 1s 0 3 烟气调质系统的工艺流程图 煤中的矿物质通常以三种形式存在：固有矿物质、夹杂矿物质和外来矿物质。 固有矿物质指的是与煤基体有机结合的各种矿物质。尽管在成煤过程中渗透水的离 子交换作用会使形成煤块的植物细胞中的无机元素一部分被置换掉，但一般认为固 有矿物质主要来源于这些无机元素。大部分煤巾固有矿物质占矿物质总量的5 一 2 0 。一般的物理选矿方法不能将固有矿物质从煤中除去。夹杂矿物质以分散的微 小体形式存在。这种矿物质是在原煤成煤过程中与基体相结合的，另一方面，带有 矿物质的水渗进煤层使矿物质沉积也会形成夹杂矿物质。通常情况下煤中矿物质 的6 0 一8 0 以夹杂矿物质的形式存在。外来矿物质指的是煤开采过程中棍入的土 华北电力大学硕士学位论文 块或岩石块。这种矿物质一般占矿物质总量的5 一2 0 。大部分外来矿物质会在 煤的预处理或制粉过程中被除去。即使通过了磨煤机，外来矿物质颗粒的粒径也会 比煤中夹杂矿物质和固有矿物质的粒径大的多。因此，绝大部分外来矿物质将属于 炉底灰渣，而不会对烟气中的飞灰形成起主要作用。 当煤粉由燃烧嘴喷入炉膛时，立即处于急剧的加热状态中，此时，煤中含有的 挥发性有机物将迅速挥发，并在气相中着火和燃烧，生成c 0 2 、h 2 0 和少量的s 0 2 、 s 0 3 和n o x ，这一过程被称为脱挥发份过程。煤粉的脱挥发份过程产生了以炭粒形 式存在的碳质剩余物。由于膨胀的作用，这些碳粒可能比最初的煤粉颗粒还要大些， 碳粒中含有大量在脱挥发分过程中形成的内部微孔结构、裂纹和裂缝。此时，大部 分矿物杂质仍以分散态存在于碳粒之中。 煤粉燃烧的下一阶段是碳氧化和碳燃尽。这一阶段中，含碳的碳粒在其表面与 氧气反应生成c o 和c 0 2 ，从而在碳粒表面生成燃烧前沿。碳粒表面耗氧反应的出 现促使了碳粒周围的薄气体层内氧气浓度梯度的形成，燃烧速率由氧气通过该薄气 体层的扩散情况所控制。d a m l e 】等人对上述现象进行了研究，结果表明，即使在 主体气相中氧化气氛占主要地位的情况下，碳粒的表面还存在还原气氛，还原气氛 的存在是难熔矿物质成分发生间接挥发的关键因素。对于后面将要讨论的挥发一均 相集结机理具有重要的意义。 2 2 1 粗颗粒飞灰的形成机理 随着燃烧前沿的收缩和碳粒的不断燃烧，矿物杂质从碳粒中暴露出来并开始熔 化。熔融的灰滴将继续附着在碳质表面并跟随碳粒表面的收缩而移动，直到灰滴相 互接触并凝结。若由此进一步推断，结论则是最初存在于煤粉颗粒中的所有矿物杂 质应熔化到一起并形成一个灰颗粒。然而，s a r o f i m 1 2 】等人的试验证明这种情况没 有发生。s a r o f i m 等利用实验室燃烧器模拟了这种燃烧条件下飞灰的形成。试验中 设一个直径为4 4 c m 、长1 5 c m 的竖直氧化铝管，氧化铝管周围装有套管和石墨加 热材料，煤粉通过氧化铝管顶部的中心喷嘴以0 1 9 m i n 的速率和2 c m 3 m i n 的一次 风量喷入，二次风以1 0 0 0 - - 一2 0 0 0 c m 3 m i n 的风量供入。炉中的煤灰颗粒通过放置在 两个玻璃纤维板之间的烧结青铜盘来收集。由激光多普勒速度仪测得颗粒在该试验 炉内的停留时间大约为1 秒，飞灰颗粒的粒径分布通过典型的扫描电子显微镜照相 z e i s s 半自动颗粒计数器测得。 试验中分析了一种褐煤和一种烟煤，在对煤粉颗粒和飞灰颗粒粒径分布进行对 比的基础上，得出结论：每个褐煤颗粒会产生3 个飞灰颗粒，而每个烟煤颗粒会产 华北电力入学硕士学位论文 生5 个飞灰颗粒。 根据上述情况，f l a g a n 1 3 】等人指出，碳粒在燃尽时，将沿着脱除挥发份阶段形 成的裂纹和裂缝破碎，破碎发生的主要原因是热应力、气体释放以及碳粒的内部氧 化和热量释放等的综合作用。这就是飞灰大颗粒形成的聚结一破碎机理。 2 2 2 细颗粒飞灰的形成机理 对于飞灰小颗粒形成的挥发一均相集结机理指出，煤中存在的挥发性物质在火 焰温度下进入气相之中。这里所说的挥发性物质不是指前面提到的脱挥发份阶段的 挥发性有机物，而是指在火焰温度下会蒸发到气相的两类挥发物：一类是煤中矿物 质里原有的一些低沸点金属( 如h g 、c d 、s e 、a s 和z n 等) ，由于挥发作用，这 些金属将会在细微颗粒中以及颗粒表面上浓缩和富集【1 0 , 1 2 】。这类挥发物在亚微区灰 粒中占的比例很小。就主要成分而言，超微区灰粒与亚微区灰粒的组成十分相似， 通常s i 和a l 的氧化物占灰粒质量的8 0 以上。因此，在挥发一均相集结机理中， 另一类的挥发性物质，即通过与碳和碳燃烧产物( 如c o ) 的还原反应而生成的某 些难熔氧化物( 如s i 0 2 、a 1 2 0 3 ) 的低价态氧化物( 如s i o 、a 1 0 ) ，在亚微区灰粒 的形成中占主要地位。后一类物质的挥发已在实验室燃烧试验中得到证实。m i m s 1 4 】 等人测定了煤中矿物质里不同成分的挥发速率，并在对测定结果分析的基础上，指 出挥发速率由挥发物在颗粒表面的扩散速度决定。 由还原反应产生的挥发性低价态氧化物从碳粒表面扩散到气相中后，由于气相 中氧气浓度高于碳粒表面，将会被重新氧化成稳定的氧化物，并迅速发生均相集结。 均相集结过程开始会形成极细微的初始颗粒，其粒径在0 0 0 11 1m 数量级，其粒数 浓度之大可想而知。初始颗粒在数秒钟内会迅速凝聚并形成粒径在0 1um 数量级 的飞灰颗粒。有关文献通过在实验室中模拟实际锅炉条件下的燃烧试验证实了煤灰 少量挥发的现象。n e n a l l e n 1 5 】等研究了煤灰挥发过程中可能进入气相的各种物质， 并对这些物质的均相集结过程进行了理论描述。由挥发进入气相中的物质，在保证 足够大的过饱和度的情况下，即使预先存在大量颗粒，也会发生均相集结。挥发性 氧化物的分压大大高于相应的稳定氧化物的蒸汽压，因此，满足上述过饱和度的条 件是十分容易的。 亚微区灰粒形成的另一种机理是气泡一破碎机理【16 1 。由于矿物质中水合物的脱 水、碳酸盐和硫酸盐等的分解过程，一些气体，诸如h 2 0 、c 0 2 和s 0 3 等会随之产 生。这些气体将在熔融的灰滴中心形成气泡，如果这些气体释放出来之前熔融的灰 滴已发生固化，那么就会产生被称为煤胞的空心灰粒。若气泡压力增加到足够大， 华北电力大学硕+ ：学位论文 则熔融的狄滴将发生碎裂。r a a s k 1 7 】在试验中发现，当硅酸盐颗粒被注入迅速加热 的管式燃烧器中时，大颗粒破碎成亚微米的颗粒。一般来讲，熔融灰滴碎裂与否主 要取决于脱水和分解过程中气体产生的速率、气泡周围熔融灰的厚度、孔隙率及其 表面张力。上述这些因素与温度和灰的化学成分之间具有复杂的函数关系，这说明 气泡与熔融灰滴碎裂与否、碎裂程度如何都将由锅炉工作条件和煤中矿物质的组成 来决定。煤胞在总灰量中占的比例不大，说明实际中气体在灰滴固化前即逸出和气 泡压力增大使灰滴碎裂的情况不在少数。 2 3 飞灰粒径一般分布规律 有关文献【l h l 】指出，在燃煤锅炉电除尘器入口烟道所测得的飞灰粒径分布通常呈双 峰状态，两个峰值分别集中在l p m - 2 0 9 m 和0 1 删5 p m 的粒径区间，这两个区间分别 被称为微粒区和亚微区s 就飞灰质量而言，微粒区占主要地位，它通常包含9 0 以上的 飞灰质量；另一方面，就颗粒数而言，亚微区则占主要地位，它通常包含9 0 以上的 飞灰粒数。因此，飞灰中存在着颗粒数相对较多的小颗粒( 粒径约为o 1 肛m ) 和颗粒 数相对较少的大颗粒( 粒径约为1 0 9 m ) 。煤中大部分矿物杂质粒径处于l 斗m 左右的数 量级，而这一数量级正处于飞灰中小颗粒的数量级和大颗粒的数量级中间。 由此可见，应该有两类机理才能说明煤粉燃烧过程中飞灰的形成过程：一类是 说明粒径较小的矿物杂质形成飞灰大颗粒的机理；另一类是粒径较大的矿物杂质形 成飞灰小颗粒的机理。目前，各类文献中较为公认的前一类机理为聚结一破碎机理， 而后一类机理有两种：挥发一均相集结机理和气泡一破碎机理。 2 4 实验部分 本论文应用巴柯( b a h c o ) 粒度分析仪测定调质前后灰样的动力径。本实验对粉尘 粒度的分析采用了b a h c o 粒度分析仪。b a h c o 粒度分析仪的粒度分级原理：尘样落 到旋转的圆盘上，在离心力的作用下向外侧运动，同时，由于风扇的旋转，使空气 从下部吸入，经过均流片和分级室，最后由上部边缘排出。尘粒在经过分级室时同 时受到向外的离心力和向心的气流动力的作用。当粒径为d i 的粒子的离心力与所受 气流阻力平衡时，则大于d i 的粒子便从气流中分离出来，而小于d i 的粒子随气流 逸出，粘附在外旋转圆盘上。仪器配有各种大小的隔距片。工作开始时采用大隔距 片，这时进风环缝减至最小，因而进入仪器的空气量也最小。这时分离粒径最小， 小于该粒径的粉尘被气流带走，而大于该粒径的尘粒尘降下来落入积尘室中，这样 更换下一号隔距片重复以上步骤，即可得出相应小于下一个分离粒径的粉尘量。 华北电力人学硕士学位论文 b a h c o 分级仪操作简单、重现性好，测量速度也比较快。但是其马达的转动速 度、分级室内的空气温度和压力的波动等都将影响到测定的精度。其次，某些粉尘 在潮湿空气中会发生凝集，这种方法不适宣于分析粘性大的粉尘和细微粉尘。飞灰 动力径颗粒分布特征见表2 1 。 表2 - 1 飞灰动力径分布特征( ) 1 电场( 调) 1 电场( 未) 2 电场( 未) 3 电场( 未) 由表2 1 中的实验数据可以得出：由调质前后1 电场飞灰的粒度分布对比可知， 调质后1 电场飞灰中粒径 1 0 9 m 占4 4 ，调质前1 电场飞灰中粒径 1 0 9 m 占4 1 。 调质后1 电场收集飞灰的能力明显增强，尤其是对细灰的收集作用明显。s 0 3 调质后粒 径在5 1 0 l x r n 的飞灰占整个飞灰的4 2 4 2 ；而没有s 0 3 经过调质，粒径在5 1 0 9 m 的飞 灰只占整个飞灰的3 2 4 5 。运行s 0 3 调质系统的电除尘器l 电场的除尘效率明显好 于未运行调质系统的电除尘器。 2 5 本章小结 本章论述了飞灰的形成机理。对大唐托克托电厂的飞灰进行了巴柯( b a h e o ) 粒度 分析实验，得到了调质前后各电场飞灰的粒度分布。对于1 电场的飞灰，s 0 3 调质 后粒径在5 1 0 岬的飞灰占整个飞灰的4 2 4 2 ；而没有s 0 3 经过调质，粒径在5 1 0 i t r n 的飞灰只占整个飞灰的3 2 4 5 。说明运行s 0 3 烟气调质系统后，有效的提到了电除尘 器对细粉尘的捕集能力，从而提高了电除尘器的除尘效率。 1 0 l l 7 3 8 1 3 殳 殳 殳 5 1 2 2 3 舛 虬 “ 2 2 2 0 侈 钉 ” 钳 6 5 5 1 7 4 5 9 5 2 4 互 l l 5 1 1 l 4 95 o 8 o 生 4 2 3 l 9 9 5 3 3 5 6 4 3 3 2 9 9 5 6 2 l 2 2 9 2 2 2 9 1 9 4 2 3 l 9 1 1 1 36 8 3 l 3 j 卫 l 1 5 5 l 9 8 o o 3 4 9 5 o 3 3 7 华北电力火学硕士学位论文 第三章s 0 3 烟气调质对飞灰颗粒荷电的影响 我国是目前世界上最大的煤炭生产国和消费国，也是世界上唯一以煤炭为主要 能源的大国，且这种能源结构在今后相当长的时期内不会改变，电除尘器具有较高 的除尘效率，且产生的二次污染小。静电除尘的工作原理是使含尘气流中的粉尘颗 粒荷电，在电场力的作用下驱使带电尘粒被收集在收尘极板表面。电除尘器的基本 工作过程通常分为五个阶段： ( 1 ) 以高压直流电，使放电极系统电晕放电； ( 2 ) 电子被气体分子所吸附，使电极间的气体电离化，在电晕区以外的气体中存 在大量自由电子和负离子； ( 3 ) 气体中的尘粒与负离子相碰撞和扩散使尘粒荷电； ( 4 ) 电场力的作用下，带负电荷的尘粒向收尘极板运动； ( 5 ) 负电荷的尘粒被收尘极板捕集，然后通过振打使尘粒落入灰斗。 其中，尘粒的荷电是电收尘过程中最基本的过程，电除尘器的效率与尘粒的荷 电密切相关。在电场作用下获得一个驱向收尘极移动的力，这个驱动力使荷电尘粒 从气体中分离出来。此驱动力是使尘粒从气流中分离出来的主要因素，该力称为库 仑力。它与尘粒荷电量q ，场强e 成正比。即f = q e ，粉尘粒子荷电是在电晕外区与 收尘极板之间的空间完成的。而尘粒荷电量的多少决定了其是否能够得到足够的电 场力，进而在电场力的作用下向收尘极板运动并被捕集下来。此外，颗粒在电除尘 器中还受到多种力的作用，是否能被有效收集下来，还取决于颗粒在电除尘器中的 运动情况。 电除尘器对烟气中颗粒物的去除效率可达到9 9 。然而，由于颗粒的不完全荷 电或气流的不稳定，亚微米级的颗粒从电除尘器中逃逸，当使用数量密度( 颗粒个 数标准立方米烟气) 来表示电除尘器的除尘效率时，其不足5 0 。并且随着对火电 厂粉尘排放标准的日益严格，电除尘器的除尘效率需进一步提高。影响电除尘器除 尘效率进一步提高的主要因素之一是对微细粉尘的收集。因此，研究s 0 3 烟气调质 对飞灰的荷电的影响具有重要意义。 华北电力人学硕十学位论文 3 1 荷电机理 ( 1 ) 碰撞荷电与扩散荷电：在电除尘器的电场中，尘粒的荷电量与尘粒的粒径、 电场强度和停留时间等因素有关。尘粒荷电机理基本有两种，一是电场中离子的依 附荷电，通常称为电场荷电或碰撞荷电，即离子与粉尘粒子发生碰撞，离子被尘粒 俘获，使尘粒荷电；另一种是由于离子的扩散现象产生的荷电过程，通常称为扩散 荷电，即离子浓度差引起离子扩散，在此过程中把电荷传给粉尘颗粒。尘粒的扩散 荷电是由于离子无规则的热运动造成的。离子的热运动使得离子通过气体而扩散。 扩散时能与气体中所含的尘粒相碰撞，这样离子一般都能吸附在尘粒上，这是由于 离子接近尘粒时，有吸引作用的电场力在起作用。所以，离子扩散使尘粒荷电机理 与外加电场的作用并无关系。外加电场虽有助子粒子荷电，但就离子扩散荷电过程 来说，并不是需要的。粒子的扩散荷电取决于离子的热能、尘粒的大小和尘粒在电 场中停留的时间等。 ( 2 ) 复合荷电：无论离子碰撞荷电还是离子扩散荷电，尘粒带电程度都有一个 稳定态。换言之，都有一个最大的可能带电量( 饱和电量) 。哪种荷电机制是主要的， 取决于尘粒的粒径。对于粒径大于2 9 m 的尘粒，碰撞荷电是主要的；对于粒径小于 0 2 9 m 的尘粒，扩散荷电是主要的。但一般说来，每一个尘粒在其荷电过程中既有 碰撞荷电，又有扩散荷电。无论那一种机理起作用或同时起作用，可以肯定的是， 粒子最后都只能带上一定量的电荷【2 2 1 。 ( 3 ) 孤立粒子荷电：由离子碰撞使离子获得的那部分电荷与粒子大小无关，但 离子扩散荷电却受粒子大小的影响，粒径较小时，离子扩散获得的电荷愈多。 无论哪一种荷电机理，相对粒子电荷b ( 所带电荷与饱和荷电量的比值) 与电 离电压成正比。由于u l = f ( u - u p ) 式中u 为净有效电压( 伏) ；u p 为粒子空间电荷所产生的电压( 伏) ；，为比 收尘面积。所以，净有效电压u 控制着电离电压u l 的大小和波形，亦即控制着粒 子的荷电过程。 d 1 3 还要受u x 乘积的影响。x 为静电场的形状因子( 又称结构因子) 。一般 情况下，极间电压u 是一个周期函数，结构因子一般也是周期变化的。 ( 4 ) 颗粒群对粒子荷电的影响：在静电除尘器实际运行过程中，含尘气流中必 然有越来越多的粉尘粒子逐渐荷电，这些粒子的尺寸大小、荷电多少均不相同，实 华北电力人学硕十学位论文 际上是多分散性的悬浮粒子群。大量的已带电的粉尘粒子必然产生自身的电场。从 而在以下几个方面对粉尘粒子的进一步荷电产生附加影响： 带电的粉尘必然引起除尘器中离子电流的衰减。当粉尘粒子荷电以后，会以两 种方式影响电晕电极与收尘电极之间的自由离子电流，一是带电的粉尘颗粒会吸附 离子电流中异号离子，二是通过离子碰撞或离子扩散使粉尘粒子荷电以后，虽然它 仍然受到电晕电极与收尘电极之间电场的作用。但由于粉尘粒子的质量与自由粒子 质量相比而言相当大、因此前者在除尘电场中的运动较后者要慢许多。因此滞留时 间要长许多。两种方式的综合结果，会使除尘器中的电流比纯气流中的离子电流小 许多。实际到达收尘电极的电流，仅是从电晕放电电极发射出的电流的几分之一。 带电粉尘粒子电荷的电场必然使原来所加电场发生畸变。从理论上说，无论是 离子的空间电荷，还是带电粉尘粒子的空间电荷，都会产生各自的电场，对原来所 加的电场发生影响，使之产生畸变。由于带电粉尘粒子质量大，它的迁移率要比自 由离子慢许多，在除尘空间滞留时间较长。因此，所形成的空间电荷密度要比离子 的高，所以对电场畸变的影响就更显著。更复杂的是，电流衰减和电场畸变，均随 工作空间的长度而变长，即这些影响是不均匀的，随点而异的。这是因为，当悬浮 粉尘粒子随含尘气流逐渐流向除尘器下游时，越来越多的粒子被荷电，但同时有越 来越多的荷电粒子与气流分离而向收尘电极漂移。这种随机的过程，使得粒子浓度， 粒径的尺寸分布、粒子荷电状态均随点而异。 粉尘层的电压降也会影响粒子的进一步荷电。随着粉尘粒子向收尘电极的漂移 与淀积，粉尘层的淀积层逐渐增厚，粉尘层本身会产生一个电压降，这种电压降就 减少了除尘器的有效工作电压，从而也会影响粉尘粒子荷电条件。粉尘层电压降的 大小，取决于流过粉尘层的电流密度，粉尘层的厚度和剥离过程。 3 2s 0 3 烟气调质对颗粒荷电的影响 若电晕电极是负极，即所谓负电晕，则由雪崩过程产生的电子即迅速由极线向 接地极( 正极) 迁移，正离子向电晕极迁移。如果电负性气体存在，则由电晕产生的 电子为其俘获，而形成负离子，也在电场作用下向接地极迁移，就是这些负离子为 所要捕集的粉尘提供了荷电电源。氢、氮和氩等气体对电子没有亲和力，不能使电 子附着而形成负离子。但烟气中存在的氧气、二氧化硫、三氧化硫等气体，却能很 快俘获电子，形成稳定的负离子。另外一些气体虽对电子没有亲和力，最明显的是 二氧化碳和水蒸汽。但当它们与高速电子碰撞后首先电离出一个氧原子，然后电子 附着在氧原子上，形成负离子。 华北电力人学硕士学位论文 电子的附着对维持稳定的负电晕是很重要的。因为自由电子的迁移速度比气体 离子的迁移速度高得多，如果没有电子的附着而形成大量负离子，则自由电子会迅 速流至接地极。这样便不能在两极间形成稳定的空间电荷，并且几乎在开始发生电 晕放电的同时就产生了火花放电。因此，对负电晕来说，电负性气体的存在、电子 的附着和空间电荷的形成，是维持电晕放电的重要条件2 3 1 。 由于s 0 3 烟气调质系统的运行，烟气中s 0 3 的浓度增大。s 0 3 为电负性气体， 可以在被电晕电场产生的电子俘获，形成负离子，这些负离子就为所要捕集的飞灰 提供了充足的荷电。这就说明s 0 3 调质改善了飞灰粒子的荷电条件。促进了飞灰粒 子的荷电，有利于电除尘器二次电流的升高，