（环境工程专业论文）湿法烟气脱硫系统对细颗粒及汞脱除性能的试验研究.pdf

摘要 摘要 煤炭燃烧过程中会产生可吸入颗粒物p m l o 、s 0 2 等多种污染物，尤其是空气动力学直径小于 2 5 t t m 的p m 2 5 细颗粒，由于其比表面积很大，易富集大量有毒的重金属元素，而常规除尘技术对其 难以有效捕集。因此，控制燃煤电厂细颗粒排放是迫切需要解决的关键问题，其中，利用现有的燃 煤烟气污染控制装置，通过合理改进提高对细颗粒的脱除性能，实现多种污染物的协同高效脱除， 是控制细颗粒的重要技术发展方向。 本文以燃煤锅炉产生的含尘热烟气为对象，针对石灰石石膏法、双碱法、氨法等典型湿法烟气 脱硫( w f g d ) 工艺，采用电称低压冲击器、场发射扫描电镜、x 射线衍射仪等分析测试仪器，系 统考察了w f g d 系统对细颗粒的脱除作用及其氨法脱硫过程中气溶胶的形成机理。结果表明，脱硫 剂对w f g d 系统脱除细颗粒的性能具有重要影响，由于形成无机盐气溶胶细颗粒，采用c a c 0 3 、 c a c o h ) 2 、n h a h 2 0 脱硫剂时，w f g d 系统对细颗粒的脱除效果明显不及n a 2 c 0 3 、n a o h 脱硫剂和 水洗涤，且颗粒形貌特征及元素组成发生明显变化。除n h 3 h 2 0 脱硫剂外，液气比对w f g d 系统 脱除细颗粒的影响不明显。氨法脱硫后细颗粒数浓度反而显著增加，氨水挥发逸出的气态n i t ，与烟 气中s 0 2 发生气相反应是气溶胶形成的主要原因，粒径集中在0 0 7 - 4 3 7 0 9 m 范围内，氨水脱硫液温 度及浓度、烟气中s 0 2 浓度、液气比等对气溶胶形成具有重要影响。 在湿法烟气脱硫( w f g d ) 系统中进行了利用蒸汽相变原理高效脱除细颗粒的试验研究：通过 在脱硫塔进口烟气、塔内脱硫液进口上方添加适量蒸汽，使烟气分别在脱硫区、塔顶形成细颗粒凝 结长大所需的过饱和水汽环境，进而由脱硫液、高效除雾器脱除凝结长大的液滴。考察了采用n a o h 、 n a 2 c 0 3 、c a ( o n ) 2 、c a c 0 3 、 岍x - 1 3 h 2 0 等脱硫剂时，蒸汽添加量、液气比、烟气中s 0 2 浓度、脱硫 液温度的影响，并进行了添加蒸汽和喷雾化水的对比试验。结果表明，在w f g d 系统中应用蒸汽相 交原理可显著促进细颗粒的脱除，脱除效率随蒸汽添加量的增加而提高，在蒸汽添加量为0 0 6 k g m 3 时，细颗粒数浓度脱除效率可增至6 0 - - 7 0 以上；液气比的影响与脱硫塔内是否存在蒸汽相变有关， 当脱硫塔内烟气可达到过饱和，细颗粒可发生凝结长大时，适当增人液气比有利于细颗粒的脱除。 细颗粒脱除效率随烟气中s o ：浓度增加而下降，随气液温差提高而增大；在烟气湿度调节室内喷雾 化水，利用高温烟气使雾化液滴蒸发调节烟气含湿量，也可以达到促进细颗粒脱除的目的。 此外，本文通过测试w f g d 系统进出口处烟气中气态汞的浓度，考察了采用不同脱硫剂时 w f g d 系统的脱汞性能及其液气比、烟气含湿量的影响，并进行了添加i m v l n 0 4 、f e n t o n 试剂、 k 2 s 2 0 d c u s 0 4 、n a s 等试剂促进汞脱除的试验研究。结果表明：w f g d 系统可有效脱除燃煤烟气中 气态二价汞组分，脱除效率高达8 1 1 1 - 一9 2 6 0 ，而对气态总汞的脱除效率仅为1 3 2 7 1 8 2 6 ； 经w f g d 系统后单质汞略有增加；脱硫剂种类对脱汞性能影响不明显，增大液气比l g ，有利于提 高w f g d 系统的脱汞效率；脱硫液中添加g m n 0 4 、f e n t o n 试剂、k 2 s 2 0 s c u s 0 4 、n a s 等试剂均可 促进气态汞的脱除，但不同添加剂效果有所不同，其中以n a s 最为显著，气态总汞脱除效率最高可 达6 7 。 关键词：湿法烟气脱硫系统；细颗粒；汞：气溶胶形成；蒸汽相变；脱除 东南大学硕士论文 a b s t r a ct f i n ep a r t i c l e s ( p m 2 5 ) e m i t t e df r o mc o a lc o m b u s t i o na r eo fe n v i r o n m e n t a lc o n c e r nb e c a u s et h c yo f t e n c o n s i s to ft o x i cc o m p o n e n t sa n dc a ne a s i l ye n t e rt h eh u m a nr e s p i r a t o r yt r a c t a l t h o u g hc o n v e n t i o n a ld u s t r e m o v a ld e v i c e ss u c ha se l e c t r o s t a t i cp r e c i p i t a t o r s ，c y c l o n e sa n dw e ts c r u b b e r sh a v ea c h i e v e dh i g h e f f i c i e n c i e s ，t h e yf a c eas t r o n gc h a l l e n g ei nr e d u c t i o no fp m 2 5e m i s s i o n i np r a c t i c e ，l a r g ea m o u n t so ff i n e p a r t i c l e sa r ee m i t t e di n t ot h ea m b i e n ta i r , b u ti n c r e a s i n gc l e a na i rd e m a n d sr e q u i r ee f f i c i e n tr e m o v a lo f f i n e p a r t i c l e sf r o mc o a l f i r e df l u eg a s c o n t r o lo f f i n ep a r t i c l e sb yi m p r o v i n gt h er e m o v a le f f e c to fp r e s e n tf l u e g a sc l e a n i n gs y s t e m s ，a n dd e v e l o p i n gm u l t i - p o l l u t a n tc o n t r o lp r o c e s s e sw o u l db eas i g n i f i c a n tt e c h n o l o g i c a l a c h i e v e m e n ti nt h i sf i e l d ， t h er e m o v a lo ff i n ep a r t i c l e sb yw e tf l u eg a sd e s u l f u r i z a t i o n ( w f g d ) s y s t e mw a si n v e s t i g a t e d e x p e r i m e n t a l l yf o rt h et y p i c a lw f g dt e c h n o l o g y , s u c ha sl i m e s t o n e g y p s u mp r o c e s s ，d o u b l e - a l k a l ip r o c e s s a n da m m o n i a b a s e dp r o c e s s t h en u m b e rc o n c e n t r a t i o na n ds 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 ta n d p h a s ec o m p o s i t i o no ff i n ep a r t i c l e sb e f o r ea n da f t e rd e s u l f u r i z a t i o nw e r em e a s u r e du s i n ga ne l e c t r i c a ll o w p r e s s u r ei m p a c t o r ( e l p i ) ， 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 n m i c r o s c o p e e n e r g yd i s p e r s i v ex - r a y s p e c t r o m e t r y ( f e s e m e d s ) a n dx - r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) ，r e s p e c t i v e l y t h ei n f l u e n c e so fs 0 2a b s o r b e n t a n dl i q u i d - g a sr a t i oo nf i n ep a r t i c l e sr e m o v a le f f e c tb yw f g ds y s t e mw e r ei n v e s t i g a t e d t h er e s u l t ss h o w t h a tt h ee f f e c t i v e n e s so ft h ew f g ds y s t e mf o rr e m o v a lo ff i n ep a r t i c l e si sr e l a t e dt ot h es 0 2a b s o r b e n t e m p l o y e d w h e nu s i n gc a c 0 3 ，c a ( o h ) 2a n dn i - 1 3 h 2 0t or e m o v es 0 2f r o mf l u eg a s ，t h ef i n ep a r t i c l e r e m o v a le f f i c i e n c i e sa r el o w e rt h a nt h o s ef o rn a 2 c 0 3 ，n a o ha n dw a t e r ，a n dt h em o r p h o l o g ya n de l e m e n t a l c o m p o s i t i o no ft h ef i n ep a r t i c l e s a r ec h a n g e d t h i se f f e c tc a l lb ea t t r i b u t e dt ot h ef o r m a t i o no fa e r o s o l p a r t i c l e si nt h el i m e s t o n ea n da m m o n i a b a s e df g dp r o c e s s e s t h er e m o v a lp e r f o r m a n c eo fw f g ds y s t e m o nt h ef i n ep a r t i c l e si sa l m o s tn o ti n f l u e n c e db yt h el i q u i d - t o - g a sr a t i oe x c e p tn h 3 。h 2 0a sa b s o r b e n t f o r a m m o n i a b a s e dp r o c e s s ，t h en u m b e rc o n c e n t r a t i o no fa e r o s o lp a r t i c l e sa tt h e o u t l e to fs c r u b b e ri s s i g n i f i c a n t l yh i g h e rt h a nt h a ta tt h ei n l e t ，a n dt h ep a r t i c l em o r p h o l o g ya f t e ra m m o n i a - b a s e df g di s m a r k e d l yd i f f e r e n tf r o mt h em o r p h o l o g yo ft h ep a r t i c l e s b e f o r es c r u b b i n g a e r o s o l sf o r m e di n a m m o n i a - b a s e dp r o c e s sa r em o s t l yd i s t r i b u t e di no 0 7 旬7 u m w h i c ha r eg e n e r a t e dm a i n l yt h r o u g h c h e m i c a lr e a c t i o nb e t w e e ns 0 2i nt h ef l u eg a sa n dg a s e o u sa m m o n i av o l a t i l i z e df r o ma m m o n i as o l u t i o n p a r t i c l e sn u m b e rc o n c e n t r a t i o ni n c r e a s ew i t ht h ec o n c e n t r a t i o no f n h 3i ns o l u t i o na n ds 0 2i nf l u eg a s an o v e lp r o c e s st or e m o v ef i n ep a r t i c l e s 丽t l lh i g he f f i c i e n c yb yh e t e r o g e n e o u sc o n d e n s a t i o ni naw e t f l u eg a sd e s u l f u r i z a t i o n ( w f g d ) s y s t e mi sp r e s e n t e d as u p e r s a t u r a t e dv a p o rp h a s e ，n e c e s s a r yf o rt h e c o n d e n s a t i o n a lg r o w t ho ff i n ep a r t i c l e s ，w a sa c h i e v e di nt h es 0 2a b s o r p t i o nz o n ea n da tt h et o po ft h ew e t f g ds c r u b b e rb ya d d i n gs t e a mi nt h eg a si n l e ta n da b o v et h es c r u b b i n gl i q u i di n l e to ft h es c r u b b e r , r e s p e c t i v e l y t h ec o n d e n s a t i o n a lg r o w nd r o p l e t sw e r et h e nr e m o v e db yt h es c r u b b i n gl i q u i da n d a h i g h e f f i c i e n c yd e m i s t e r t h ei n f l u e n c e so fs 0 2a b s o r b e n ts p e c i e s t h ea d d i t i o na m o u n to fs t e a ma n d l i q u i d - g a sr a t i ow e r ei n v e s t i g a t e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep e r f o r m a n c eo ft h ew f g ds y s t e mf o rr e m o v a l o ff i n ep a r t i c l e sc a nb es i g n i f i c a n t l yi m p r o v e df o rb o 也s t e a ma d d i t i o nc a s e s f o rw h i c ht h er e m o v a l i l 摘要 e f f i c i e n c yi n c r e a s e s 、i t l li n c r e a s i n ga m o u n to fa d d e ds t e a m n u m b e rc o n c e n t r a t i o nr e m o v a le f f i c i e n c i e so f a tl e a s t6 0 7 0 c a l lb ea t t a i n e db ya d d i n g0 0 6k gs t e a mp e rn m f l u eg a s ah i g hl i q u i dt og a sr a t i oi s b e n e f i c i a lf o re f f i c i e n tr e m o v a lo ff i n ep a r t i c l e sb yh e t e r o g e n e o u sc o n d e n s a t i o no fw a t e rv a p o r h i g h r 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 sc a na l s ob eo b t a i n e db ya t o m i z e dd r o p l e t se v a p o r a t i o ni nh o tf l u eg a s b e s i d e ss t e a ma d d i t i o n i na d d i t i o n ，t h ed e m e r c u r i z a t i o np e r f o r m a n c eo fw f g ds y s t e mw a si n v e s t i g a t e db ym e a s u r i n gt h e g a s e o u sm e r c u r yc o n c e n t r a t i o na tt h ei n l e ta n do u t l e to fw f g dw i t hq m 2 0 1 ha n a l y z e r t h ee f f e c to f a d d i t i v e ss u c ha sk m n 0 4 ，f e n t o n ，k 2 s 2 0 s c u s 0 4a n dn a st os c r u b b i n gs o l u t i o n sw a sa l s oi n v e s t i g a t e d t h er e s u l t ss h o wt h a tg a s e o u sm e r c u r yi n c l u d e se l e m e n t a lh ga n do x i d i z e dh gi nc o a l - f i r e df l u eg a s a n d d e m e n t a lh gi st h em a i nc o m p o n e n t o x i d i z e dm e r c u r yc a nb er e m o v e db yw f g ds y s t e me f f i c i e n t l ya n d t h er e m o v a le f f i c i e n c yc a l lr e a c ht o8 1 1 1 9 2 6 0 h o w e v e r , t h er e m o v a le f f i c i e n c yo fg a s e o u st o t a l m e r c u r yi so n l y13 2 7 一18 2 6 1 f 1 圮c o n c e n t r a t i o no fe l e m e n t a lm e r c u r ys l i g h f l yi n c r e a s e sa tt h eo u t l e to f w f g ds y s t e m n ee f f e c to fs 0 2a b s o r b e n te m p l o y e ds e 既l l st ob er e l a t i v e l yw e a k n em e r c u r yr e m o v a l e f f i c i e n c yo fw f g ds y s t e mw i l li n c r e a s e 谢t l li n c r e a s i n gl i q u i dt og a sr a t i o a d d i n gk m n 0 4 ，f e n t o n ， k 2 s 2 0 s e u s 0 4a n dn a st os c r u b b i n gs o l u t i o n sc a l li m p r o v et h em e r c u r yr e m o v a le f f i c i e n c yo b v i o u s l y a m o n g t h ea d d i t i v e st e s t e d ，n a si st h em o s te f f i c i e n t ，w h i c ht h em e r c u r yr e m o v a le f f i c i e n c yc a na m o u n tt o 6 7 k e yw o r d s ：w e tf l u eg a sd e s u l f u r i z a t i o ns y s t e m ，f i n ep a r t i c l e s ，m e r c u r y , a e r o s o lf o r m m i o n ，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 i i i 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： 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。 研究生签名：邀上聋奢导师签名： 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 目前我国正处于快速工业化的进程之中，是世界上第二大能源消费国和第三大能源生产国。我国的 能源结构主要以火电为主、水电为辅、核电风能作为补充，其中火电厂用煤量占煤炭消耗总量的4 5 左右，预计到2 0 1 0 年占6 2 【l j 。国家统计局数据表明1 2 】，我国能源消耗总量逐年递增，且以矿物燃 料( 煤和石油) 为主要能源，2 0 0 2 - 2 0 0 5 年的能源消耗总量分别为1 4 8 亿、1 7 0 9 亿、1 9 7 亿和2 2 2 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 0m w ，火电装机容量达到3 8 4 1 3 0m w 3 。 巨大的能源消费造成了燃烧污染物的大量排放和自然环境的日益恶化，目前全球关注的酸雨、温室 效应和臭氧层破坏等三大主要环境问题威胁着人类生存，都与燃煤产生的二氧化硫、氮氧化物、烃 类化合物、碳氧化物等直接有关【4 】。( 2 0 0 6 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的污染p j 。 由于汞元素及其化合物即使在浓度很低的情况下，也具有相当大的毒性，对水、大气以及土壤 等生态环境会造成严重的污染，与人类、动植物的健康息息相关。近年来，世界少数发达国家( 如 美国) 已经制定了痕量重金属元素的排放标准，其中汞被列入痕量重金属污染物中最具毒害的污染 物【6 】。因此，国际上对燃煤电站有害元素汞排放的研究成为热点。 1 1 1 可吸入颗粒物及其危害 大气颗粒物是指分散在大气中的固态或液态颗粒状物质c 7 】，其粒径通常用空气动力学直径描述。空气 动力学直径在气溶胶技术中有着广泛的应用，它是指密度为1 0 0 0k g m 。3 ，且和颗粒具有相同沉降速度的球 体的直径嘲。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 9 i 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 ) 和空气动力学直径小于或等于1 0 9 m 的可吸入颗粒物( i n h a l a b l e p a r t i c u l a t e ，i p ) p m l o o 其中，可吸入颗粒物p m i o 又可分为细豢f d p m 2 5 ( 空气动力学直径小于或等于2 5 t t r a ) 和粗粒( 空气动力学直径在2 5 1 1 m 至10 1 a n , 之_ 间) 。 大气中的可吸入颗粒物p m - o ，尤其是其中 鬟j p m 2 5 ，由于其比表面积较大，易于吸附空气中大量的有 害物质( 如重金属、酸性氧化物、有机污染物、细菌和病毒等) ，且能通过呼吸系统进入人体，沉积 在肺部的粒子会损伤肺泡和粘膜，一方面可引起肺组织的慢性纤维化，导致肺心病，加重哮喘病，另 一方面可导致慢性鼻咽炎、慢性支气管炎等病变，严重时可危及生命，对人类健康带来持续性的严重 危害【9 l 。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 0 0 ，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【l l 】。 另外，可吸入颗粒物对环境的危害也不容忽视，它能引起大气能见度降低、全球气候变化和烟雾事件 等重大环境问题【1 2 1 6 】。大气中p m l 锕p m 2s 的光散射效应和吸收效应是能见度降低的主要原因，可吸入颗粒 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 l 东南大学硕士学位论文 衡受到影响，细微粒子对云的成核作用，使云层中凝结核增多，增强了云的反射，从而对气候产生影响； 含有元素碳的可吸入颗粒物还可以形成烟雾使城市呈现褐色。 p m l o 已成为国际环境科学的研究焦点之一，自1 9 8 0 年起，美国和欧洲一些国家就开始了可吸入颗 粒物方面的研究旧。随着国家和各级政府对可吸入颗粒物危害性认识的深入，为了防治大气环境污染， 保护生态环境和人体健康，我国1 9 9 6 年l o 月1 日起实施的环境空气质量标准( g b 3 0 9 5 - - 1 9 9 6 ) ) ) ， 将飘尘改称为可吸入颗粒物，作为正式大气环境质量标准【l8 】。 我国对大气可吸入颗粒物的研究起步较晚，长期以来鲜有对可吸入颗粒物的系统研究。近几年，公开 发表了一些有关北京、上海、南京、深圳、广州、武汉、兰州、重庆等城市可吸入颗粒物污染特征的研究 论文，对不同城市大气可吸入颗粒物元素组成、污染特征、污染来源进行了分析研究。结果显示，我国城 市可吸入颗粒物污染已相当严重，空气质量超标的城市中，6 8 都存在可吸入颗粒物污染问题。可吸 入颗粒物已经成为我国城市大气环境的首要污染物，其中p m 2 5 的污染尤其不容忽视。 我国是燃煤大国，这个国情决定了在相当长的时期内，燃烧过程将会造成大气环境中可吸入颗粒物的 大幅度增加，解决燃烧源可吸入颗粒物污染问题直接关系到国民的生存环境和生存质量。因此，为了 创造一个良好的生活环境，迫切需要寻找一种积极有效的方法控制燃烧过程中产生的可吸入颗粒物。 1 1 2 汞及其化合物的污染和危害 近年来，人们注意到煤燃烧过程中产生的有害金属元素对环境有较大的影响。1 9 9 0 年美国国会 通过的空气净化条例修正案“清洁大气修正案”( c a a a ) 条例中，重点强化了金属有害气体污染物 ( h a p ) 的排放控制，主要有h g 、c d 、p b 、c r 和a s 等【1 9 1 ，其中，汞无论是在排放率还是在潜在危害性 上都排在有毒金属的第一位。因此，燃煤烟气中的汞污染已引起人们强烈的关注。 我国燃煤的主要煤种是褐煤，煤中汞含量变化范围平均在0 1 5 5 m g k g ，平均汞含量为 0 2 2 m g k g 【2 们，造成汞环境污染的来源主要是天然释放和人为排放两方面，其中燃煤锅炉被认为是最 大的汞排放源1 2 l ，2 2 】，排放量约为5 0 吨年，占人为排放量的l 3 。因此，深入开展汞在燃煤过程中的 赋存形式、形态转化与脱除机理的研究，对于合理利用我国煤炭资源、保护环境具有重要意义。 1 2 可吸入颗粒物及汞污染控制技术 1 2 1 可吸入颗粒物排放控制技术 目前，燃煤电厂传统除尘方法主要有静电除尘器、布袋除尘器及其湿法脱硫除尘装置等，它 们均可有效去除粗模态颗粒，但对p m 2 5 等细颗粒的脱除效率较低；如对于全效率为9 9 的静电除尘， 约有1 的飞灰排入大气，该部分飞灰以粒径小于2 5 9 m 甚至亚微米超细颗粒为主，其数量可达到9 0 以上，对人体健康和环境危害极大。因此，针对燃煤可吸入颗粒排放，控制颗粒数量浓度要比控制 颗粒的质量浓度更有实际意义，而目前的除尘设备多以质量脱除效率表示除尘性能，不能正确反映 对细颗粒的脱除效果。 针对常规除尘技术难以有效脱除可吸入颗粒物，目前国内外正在研究开发的控制技术主要有： 2 第一章绪论 ( 1 ) 团聚( 凝并) 促进技术【2 3 】：在常规除尘设备前设置预处理设施，使其通过物理或化学作用长大 成较大颗粒后加以脱除；从原理上讲，应用外加声场【2 4 1 、磁场2 5 1 、光辐射【2 6 1 ，电场【2 7 1 、吸附剂、 湍流和边界层热沉积1 2 9 1 、蒸汽相变对促进微粒长大均有一定作用，这些措施各有优缺点及其适用范 围；( 2 ) 复合式除尘器：将不同的除尘机理相结合，使它们共同作用以提高对细颗粒的脱除效果， 其中多数复合除尘技术是利用静电力作用，如美国能源部开发的湿式静电除尘和电袋一体化除尘技 术，经示范运行，取得较好效果。 1 2 1 1 团聚促进技术 1 声团聚 声波团聚是利用外加高强度声场使气溶胶中细颗粒团聚的过程。声波的作用效果主要在于引起 颗粒间的相对运动并进而提高它们的碰撞团聚速率，使颗粒在很短的时间范围内，粒径分布从小尺 寸向大尺寸方向迁移，图1 1 为细颗粒声波团聚示意图。声波团聚的速度很快，已被认为是一种有 效的清除细微颗粒物的方法【3 3 1 。西班牙马德里声学研究所1 3 4 , 3 5 1 在高频声波团聚实验室小试的基础 上，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，进行了实际燃煤含尘烟气的高频声 波团聚试验。研究发现，静电除尘器出口质量浓度比没加声场时分别减小了3 7 、2 9 、2 4 ；此 外，采用工作频率为2 0 k h z 的换能器团聚效果略优于频率为1 0 k h z 的换能器。东南大学姚刚等 3 6 - 3 9 1 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，在微观尺度上实验验证了颗粒夹带迁移理论的正确性。 然而，声波聚并存在能耗高、噪音污染、聚并效率低下等缺点，并且不同机理作用的研究以及重要 性问题还没有得到解决，其实践应用前景不是很乐观。 强声源 ，) ) ) 麓 l q 爸团聚体 图1 1 细颗粒声波团聚长大示意图 2 磁团聚 磁团聚是指被磁化的颗粒物、磁性粒子在磁偶极子力、磁场梯度力等作用下，发生相对运动而 碰撞团聚在一起，使其粒度增大，进而便于后续常规除尘设备脱除。燃煤可吸入颗粒物的磁特性是 影响其团聚效果的关键；研究发现 4 0 4 3 1 ，燃煤p m l o q b 丫- f e 2 0 3 和f e 3 0 4 的存在是产生铁磁特性的主要原 因，饱和磁化强度范围为0 7 x 1 0 3 - 4 5 x 1 0 3 a m ：因此，可采用外加磁场使颗粒物发生碰撞团聚长大， 然后用常规除尘装置脱除。东南大学李永旺、鲁端峰等【非删利用自行设计的燃煤p m l o 磁聚并实验台， 对均匀磁场、梯度磁场作用下，颗粒聚并动力学特性进行了系统的理论与实验研究，对颗粒捕集规 律及机理进行了深入探讨，认为磁聚并是一种比较有应用前景的燃煤可吸入颗粒物的脱除方法。磁 3 东南大学硕士学位论文 聚并除尘目前存在的主要问题是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【2 3 1 。 3 光团聚 光团聚是应用光辐射原理促进颗粒团聚的方法。l u s h n i k o v l 5 0 1 对激光照射下颗粒物聚并动力学和 聚并后颗粒数目浓度、形状、粒径、团聚程度等进行分析，认为光聚并的过程为：入射电子束一等 离子体膨发一等离子体云膨胀一成核一冷凝膨胀长大、等离子云膨胀一凝结一不规则片状一团聚一 凝胶化。d i 等 5 1 - 5 3 1 研究了光折射角、光强度对燃煤颗粒聚并特性的影响。光作用可以促进可吸入颗 粒物的聚并，使颗粒数目减少、粒径增加，但是其成本相当高，目前还不可能大规模应用2 卦。 4 电团聚 电团聚是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。电团聚是提高粉尘团聚的有效方法之一，其效果取决于粒子的浓度、 粒径、电荷的分布以及外电场的强弱，不同粒子的不同速度和振幅导致了微粒间的碰撞和凝并。近 年来，欧美、日本等在应用电凝并技术脱除可吸入颗粒物的研究方面取得了突破性的进展【5 4 5 7 1 ，国 内也对颗粒荷电特性和外加条件对团聚过程的影响进行了研裂5 引。但是由于电场除尘的复杂性以及 试验本身条件的限制，仍需进行深入、系统的理论和试验研究。 5 热团聚 热团聚又称为布朗团聚，是指在没有外力、温度较高的环境下由布朗运动导致超细颗粒物相互 接触碰撞而产生的团聚现象。杨瑞昌掣5 9 1 研究发现，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。小颗粒与大颗粒之间团聚现象明显，小颗粒有更高的沉积率。计算表明，利 用湍流扩散促进颗粒在近壁面富集，进而利用热泳作用使颗粒发生沉积，可有效提高脱除效率，尤 其是对烟尘浓度高，粒径相差较大的颗粒，热团聚的效果更为明显。但是，随着温度的升高，颗粒 受到的粘性阻力变大，会对捕集产生一定的影响，同时热团聚的过程相当缓慢唧】，这也给热团聚在 工业中的实际应用增加了难度。 6 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。主要通过物理吸附和化 学反应相结合的机理来实现的。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 区化学团聚口9 】。 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 过为汽化态超细颗粒提供凝结基核或与其发生化学反应，抑制超细颗粒物的形成，进而增大媒燃烧 气溶胶粒子的粒度。燃后区化学团聚是通过在燃后区烟道喷入团聚促进剂，利用絮凝理论，增加超 细颗粒之间的液桥力和固桥力，促使超细颗粒物团聚长大，进而提高现有常规除尘装置的捕集性能。 采用化学团聚技术，既不改变正常生产条件，也不改变现有的除尘设备和操作参数进行，但在如何 开发出一种廉价实用的高效多功能化学团聚剂，却存在一定的困难。 7 蒸汽相变 利用蒸汽相变促进细颗粒凝并长大成较大颗粒后加以脱除是另一种重要的技术途径，其机理是： 4 第一章绪论 在过饱和蒸汽环境中，蒸汽以细颗粒为凝结核发生相变，通过蒸汽的核化凝结作用使颗粒质量增加、 粒度增大，并同时产生热泳和扩散泳的作用，促使颗粒迁移运动，从而使颗粒易受惯性碰撞而捕集f 6 。 所采用的工艺路线主要为：先通过添加蒸汽、混合不同温度的2 股饱和气体、冷却中高温湿气体等 措施使水汽达到过饱和，使细颗粒发生凝结长大，然后用静电除尘器、旋风分离器、除雾器、洗涤 塔等常规除尘技术脱除凝结长大的含尘液滴，但针对原始水汽含量较低的燃煤烟气，单纯依靠添加 蒸汽或冷却手段使烟气达到过饱和能耗过高，需与烟气中水汽含量较高的湿法或半干法脱硫、湿式 洗涤除尘等过程结合才有实用价值。虽利用蒸汽相变作为脱除超细微粒的预调节措施，国际上早已 开展，但针对燃煤细颗粒，特别是与湿法、半干法脱硫结合，相关研究极少。 1 2 1 2 复合式除尘器 所谓复合除尘技术是结合不同除尘机理，使它们共同作用以提高除尘效率；其中静电与其它传 统除尘技术结合的“复合式除尘器”已成为工业除尘发展的一个重要方向；此种技术能够大幅度提 高细颗粒的脱除效率，而且易于实现对现有电站除尘器的改造和新建；如电袋复合除尘器、静电颗 粒层除尘器、静电旋风除尘器、静电增强湿式除尘器等。 1 电袋复合式除尘器 电袋复合除尘器是一种综合了静电除尘和布袋除尘两种成熟的除尘理论而提出的一种新型除尘 技术1 8 ，6 2 】。采用常规静电除尘的第一电场作为一级除尘单元，除去烟气中的粗颗粒烟尘，然后利用 布袋作为二级除尘单元除去剩余的微细颗粒。通常，常规静电除尘器第一电场能除去烟气中8 0 * - - 9 0 的粉尘，剩余电场用来除去剩下的1 0 0 r - 2 0 的粉尘。复合除尘器充分利用了静电除尘器的这一特 性，只采用第一电场，余下的细微粉尘由布袋除尘单元过滤掉，这样对于处在第二级的布袋除尘单 元而言，除尘负荷已大为降低，一方面可以选择更高的过滤速度，以减小布袋除尘器的整体规模； 另一方面除尘压降大大减小，清灰间隔时间延长；此外，还发挥了布袋除尘器对超细粉尘除尘效率 高的特点，大大提高了对p m i o 的捕集效率。 2 静电颗粒层除尘器 静电颗粒层除尘器是一种预荷电的颗粒层除尘器，颗粒层除尘器过滤机理的理论分析表明，外 力场可提高其除尘效率，如重力场、静电场、磁场、声场等。在大多数情况下，气流中尘粒所带电 荷量很少，若无外加电场的作用，沸腾颗粒层除尘器依靠静电力捕集尘粒的作用十分微小。在沸腾 颗粒层除尘器内施加一外加电场，使气流中的尘粒在进入过滤层前尽量荷电，从而促进尘粒凝聚及 颗粒层的过滤作用，提高对细微尘粒的收集效率【1 8 1 。 3 静电增强湿式除尘器 湿式喷淋除尘器一般对可吸入颗粒物的除尘效率较差，在传统湿式重力喷淋除尘器的基础上， 采用某种方式使得液滴荷电、或颗粒荷电、或甚至液滴和颗粒同时荷上相反电荷，发展静电增强湿 式除尘器，液滴和颗粒之间的镜像力或库仑力将有助于更有效地清除可吸入颗粒物1 6 3 。 4 湿式静电除尘器 湿式静电除尘器( w e s p ) 对脱除可吸入颗粒物也可取得较好效果。w e s p 较干式设备增加了一 个进气喷淋系统及湿式集尘板面，通过利用液滴和液膜对颗粒物的捕集能力，提高对细颗粒的脱除 5 东南大学硕士学位论文 性能；已证实湿式静电除尘器可有效脱除燃中、高硫煤锅炉产生的亚微米颗粒和酸雾删；2 0 0 1 年美 国第一能源公司所属的b m p 电厂在湿法烟气脱硫( w f g d ) 系统出口安装湿式静电除尘器以脱除 p m 2 小硫酸雾及其汞【6 卯。 1 2 2 汞及其化合物排放控制技术 目前国内外对燃煤电站汞的迁移转化规律和排放控制的研究大致可以分为三部分： ( 1 ) 燃烧前煤中汞的赋存与脱除； ( 2 )燃烧过程中和高温条件下煤中汞的析出及形态分布的研究； ( 3 ) 燃烧后即尾部烟道内汞的形态转化机理和脱除方法的研究。 在汞的脱除方面，当前的研究重点主要是以向烟道内直接喷入固体粉末吸附剂为基础的干喷射 脱除法和以固定床为基础的吸附剂除汞法。这两种方法的脱汞效率与所用吸附剂的物理、化学性质 有极大的关系。目前最常用的脱汞吸附剂有活性炭、钙基类物质和飞灰等。活性炭已经在垃圾焚烧 炉系统中进入了工业应用阶段，但在燃煤电站，由于烟气中汞浓度较垃圾焚烧炉低，而且烟气量大， 所以应用活性炭吸附并不经济可行，比之廉价的钙基类物质和飞灰的脱汞能力和吸附汞的潜在机理 成为脱汞研究的新方向。 另外，以现有的污染控制装置为基础的脱汞方法也具有相对较大的优势，最典型的是利用湿法 烟气脱硫系统( w f g d ) 同时脱汞，其脱汞效率受烟气中汞形态分布、烟气组分、燃煤种类、脱硫 液性质等因素影响。 1 2 2 1 烟气中汞形态分布及转化 烟气中各组分如氯化物、s 0 2 、n o 。等对烟气中汞的形态分布有很大影响。s c h a g e r i 6 6 l 和h a l l 6 7 】研 究了2 0 c 9 0 0 c 范围内燃煤烟气中各气体成分( c