烟尘与超细颗粒物生成机理与控制技术王翔PPT课件.ppt

一 背景二 烟尘与超细颗粒物生成机理三 烟尘与超细颗粒物控制技术四 小结 目录 1 2012年底 全国发电总装机容量达到11 4亿千瓦 同比增长7 8 其中煤电共7 6亿千瓦 2013年底 全国发电装机容量12 47亿千瓦 同比增长9 3 首次超越美国位居世界第一 其中火电8 6亿千瓦 一 背景 可预见的未来几十年内 煤炭仍将是我国主要的一次能源 这决定了在我国的电力工业中 燃煤火力发电将长期占据主导地位 2 2013年初以来 中国发生大范围持续雾霾天气 波及25个省份 100多个大中型城市 全国平均雾霾天数创52年来之最 据统计 受影响雾霾区域约占国土面积的1 4 受影响人口约6亿人 一 背景 工业生产 机动车尾气排放 冬季取暖烧煤等导致的大气中颗粒物 包括粗颗粒物PM10和细颗粒物PM2 5 浓度增加 是雾霾产生的重要因素 3 一 背景 4 2013年1月北京儿童医院在7天内平均每日接待了3000个呼吸道感染的儿童 其中不少于900人通过雾化治疗方式洁净了气管 2013年12月受雾霾天气影响 儿童咳嗽 哮喘等呼吸道疾病发病率较高 约占来上海市儿童医院就诊人数的20 30 权威医学杂志 柳叶刀 上的 2010年全球疾病负担评估 显示 室外空气颗粒物污染 主要指PM2 5 会导致120万人过早死亡 这个数字相当于北京市西城区常住人口的数量 报告称2011年 京津冀区域196个燃煤电厂贡献的PM2 5污染 已经导致近2000个北京居民提早死亡 绿色和平 志愿者钟峪女士 背着一部被称为 机器肺 的设备 用正常人呼吸时吸入速度 抽取空气中PM2 5污染颗粒 6小时7分钟后 共抽取了5605微克 让设备内自带的纯白色的滤膜变成了灰黄色 一 背景 治理雾霾刻不容缓 5 2011年7月 国家颁布了新的 火电厂大气污染物排放标准 在重点地区 烟尘排放浓度限值为20mg m3 被誉为世界上最严格的标准 二氧化硫排放浓度限值为50mg m3 氮氧化物排放限值100mg m3 汞及其化合物排放限值为0 03mg m3 大幅提高的排放标准已于2012年1月1日正式实施 新标准的实施 对于研究烟尘相关的生成机理和控制技术提出了巨大的挑战 一 背景 6 2 0颗粒物介绍2 1烟尘的分类2 2烟尘的组成2 3飞灰颗粒的生成机理 二 烟尘与超细颗粒物生成机理 7 2 0颗粒物介绍 空气动力学直径又称气体动力学当量直径 表述粒子运动的一种 假想 粒度 是指某一类的粉尘粒子 不论其形状 大小和密度如何 如果它在空气中的沉降速度与一种密度为1的球形粒子的沉降速度一样时 则这种球形粒子的直径即为该种粉尘粒子的空气动力学直径 空气动力学直径 8 一般把大气中粒径100 m以下的颗粒物称为总悬浮颗粒物 TSP 2 0颗粒物介绍 根据颗粒物空气动力学直径的大小定义粒径小于10 2 5 1 m的颗粒物分别为PM10 PM2 5 PM1 PM10能够进入人体的呼吸 称为可吸入颗粒物 PM2 5称为细颗粒物 PM2 5可以进入人的肺泡 沉积在肺中被称为可入肺颗粒物 PM1称为超细颗粒物 现有的除尘设备对细颗粒物的捕集效率相对较低 这部分颗粒物有较大的数量和表面积 吸附和富集了大量有毒的重金属元素 具有的毒性更大 9 固体燃料燃烧时所生成的烟尘 按其生成机理分 大体有以下几种 1 气相析出型烟尘 炭黑 这种烟尘是燃料燃烧过程中放出的气体可燃物 在空气不足的条件下热分解后生成的细小球型粒子 粒径大约在0 02 0 05um范围内 亦称炭黑 2 1烟尘分类 2 酸性烟尘 雪片 烟尘在烟气温度接近露点时 吸收烟气中的硫酸 长大成为雪片状的烟尘 其颗粒较大 易自然沉降 3 粉尘煤中都含有一定的灰分 当煤中可燃物燃尽后 剩余灰分随烟气排入大气 形成粉尘 10 锅炉烟尘 炭黑 粉尘 燃料的不完全燃烧燃料中的重碳氢化合物受热分解为各种多环化合物 煤中的灰分 2 2烟尘的组成 灰渣 超细颗粒物 85 以上 粗颗粒物 细颗粒物 11 2 3燃煤过程中烟尘与颗粒物的形成 12 许多学者通过大量研究 认为主要有以下四种机理 燃烧过程中焦炭颗粒的破碎机理内在矿物质凝聚和聚结外在矿物质的破碎机理汽化和冷凝机理 2 3燃煤过程中烟尘与颗粒物的形成 13 2 3 1焦炭破碎 2 3燃煤过程中烟尘与颗粒物的形成 焦炭发生破碎 内部矿物之间接触的机率降低 聚合率也会降低 生成的颗粒的粒径就小 如果焦炭不发生破碎 焦炭中的内部矿物质聚合在一起生成一颗大粒径的灰粒 那么生成残灰颗粒数少而平均粒径大 14 一次破碎 燃烧早期 煤粉颗粒迅速进入高温炉膛时 热冲击和脱挥发分过程中挥发分的快速析出与传输阻力之间的矛盾导致颗粒受到内应力 而引起颗粒产生裂纹或直接破碎的现象 2 3燃煤过程中烟尘与颗粒物的形成 焦炭膨胀 二次破碎 煤粉燃烧后期的焦炭破碎 是由于焦炭的消耗 碳骨架变得更加脆弱 使得焦炭颗粒发生结构性破坏而引起 煤颗粒内产生的气体由于低渗透率不能尽快地脱离煤颗粒 内部高压的气泡将在局部形成 使得焦炭膨胀 15 2 3 2外在矿物质的破碎 煤粉燃烧过程中 外在矿物质在很高的加热速率条件下迅速升温 高温热冲击及内部气体析出所产生的应力会导致外在矿物的破碎 颗粒越大 温度梯度越明显 破碎的可能性也就越大 2 3燃煤过程中烟尘与颗粒物的形成 外在矿物质的破碎过程有很强的随机性 外在矿物质温度通常低于烟气温度 致使只有少量外在矿物质的温度超过其熔点温度 在表面张力的作用发生凝聚或聚结 由于内部热解气体的析出 少量外在矿物可以形成孔隙率很高的 中空低密度灰粒 称为空胞灰粒 16 2 3 3内在矿物质凝聚和聚结 由于焦炭燃烧是放热反应 焦炭颗粒燃烧过程中温度可以达到2000 甚至更高 在这样的高温下 绝大多数内在矿物质呈现熔融状态 2 3燃煤过程中烟尘与颗粒物的形成 随着燃烧的进行 内在矿物质的距离逐渐缩小 并可能粘连在一起 在黏性及表面张力的作用下 它们就会发生凝聚或聚合过程形成灰粒 17 2 3 4矿物质的气化 随着温度的升高 首先碱金属和一些易挥发的痕量元素在很低的温度下便可以从煤粒中挥发出来 2 3燃煤过程中烟尘与颗粒物的形成 当煤粉颗粒温度高于1800K时 煤中矿物质热解产生的难熔氧化物 如SiO2 Al2O3 CaO MgO FeO等 会通过化学反应生成易挥发的次氧化物 SiO Al2O 或金属单质 Ca Mg Fe 蒸汽 还原剂 CO C H S等 例 SiO2 COSiO g CO2 矿物质气化 凝结 凝聚是亚微米细颗粒形成的最主要途径 通常称为气化 凝结机理 18 气化成核过程 煤燃烧过程中煤粒内部析出的矿物质蒸气会通过孔隙向外扩散 通过碳边界层到达焦炭表面 2 3燃煤过程中烟尘与颗粒物的形成 由于温度降低及氧气分压力的增加 使得次氧化物蒸气重新被氧化为相应的氧化物 蒸气达到过饱和 以达到了发生凝结的程度 发生均相成核 形成纳米级颗粒 然后通过凝结机理形成亚微米颗粒 19 随着成核形成的纳米级颗粒浓度的增加 蒸气饱和度逐渐降低 此时大量的无机蒸气 特别是易气化的碱金属和痕量元素 会以这些颗粒为核心 在表面发生异相凝结 凝结会增加颗粒粒径 质量也会增加 亚微米颗粒的成长 2 3燃煤过程中烟尘与颗粒物的形成 20 亚微米颗粒凝聚 聚结 凝聚 炉膛内高浓度的纳米级颗粒在布朗运动的作用下 相互碰撞引起粒子间凝聚形成更大的粒子 诸如湍流运动或带电效应等外力作用会加速凝聚过程 颗粒增长速度加快 2 3燃煤过程中烟尘与颗粒物的形成 21 聚结 凝聚过程使灰粒粒径增大 扩散性减小 因此灰粒增大到一定程度 凝聚将进行相当困难 随着烟气向尾部烟道流动 颗粒温度降低到一定程度时 不足以使碰撞的颗粒发生凝聚 此时聚结起主要作用 2 3燃煤过程中烟尘与颗粒物的形成 22 2 3燃煤过程中烟尘与颗粒物的形成 超细颗粒物来源于煤中内在矿物 主要是在高温燃烧时气化 成核凝结形成超细颗粒物 粗颗粒物通常是由各种碎裂过程直接产生的粒子组成 细颗粒物是煤中大部分无机质矿物质和微量元素在煤粒燃烧高温下团聚 聚结形成的颗粒 23 超细颗粒物是烟尘的特殊组成部分 由于其特殊的物态特性 关于烟尘生成的影响因素及相应的影响规律并不完全适用于超细颗粒物 影响因素 2 3燃煤过程中烟尘与颗粒物的形成 24 3 0控制技术简介3 1重力除尘器3 2惯性除尘器3 3旋风除尘器3 4袋式除尘器3 5静电除尘器3 6湿式除尘器3 7湿式静电除尘器3 8电袋除尘器3 9超细颗粒物团聚技术 三 烟尘与超细颗粒物控制技术 25 燃烧前 燃烧中 燃烧后 洗煤技术煤种选择煤粒加工 燃烧工况吸附剂 预团聚技术复合除尘技术改进除尘技术 3 1控制技术简介 洗煤技术可以预先脱除煤中部分矿物质 微量元素 但是将增加能源总消耗 颗粒物的排放量与煤粉的细度相对应 颗粒物的排放量均随着煤粉细度的减小而增大 尤其PM2 5的量增大显著 灰分较高的煤生成的颗粒物值都较高 反之亦然 固体吸附剂在煤粉燃烧的高温条件下与粉尘颗粒凝并和聚结细颗粒物 形成较大粒径的颗粒 另外 由于吸附剂孔隙率大还可以捕获重金属元素 预团聚技术 即采取电 磁 声 热等外加场的作用使细微颗粒预团聚长大 从而使常规除尘装置高效脱除 复合除尘技术 如静电与布袋混合除尘系统等 目标是通过几种除尘机理的协同作用 增强细微颗粒物的脱除效率 传统除尘技术的改进 新型除尘技术 颗粒物的排放量与燃烧温度呈正相关性 适当降低锅炉炉膛内温度或其局部温度的措施可以降低可吸入颗粒物的生成量 燃烧时间越长 生成的粒径较小的颗粒物的量越多 颗粒物的排放量均随燃烧时间增长而增大 锅炉负荷下降 会提高细灰的相对浓度 而且痕量元素的排放因子随着锅炉负荷的降低而增加 26 除尘器分类 机械式除尘器 过滤式除尘器 静电除尘器 湿法除尘器 采用重力 离心力等机械力将气体中尘粒沉降如重力除尘器 惯性除尘器 离心除尘器等常用设备 重力沉降室 惯性除尘器和旋风除尘器 使含尘气体通过具有很多毛细孔的过滤介质将污染物颗粒截留下来的除尘方法 如填充层过滤 布袋过滤等常用设备 颗粒层过滤器和袋式过滤器 将含尘气体通过高压电场 在电场力的作用下使其得到净化过程 常用设备 干式静电除尘器 湿式静电除尘器 用水或其他液体湿润尘粒 捕集粉尘和雾滴的除尘方法 常用设备 喷雾塔 填料塔 泡沫除尘器 文丘里洗涤器 3 0控制技术简介 27 3 1重力除尘器 气体由进风管进入重力除尘器 由于断面积迅速增大 流速迅速下降 粉尘借重力作用 逐渐沉落 落入集灰斗中 属于粗除尘 在重力除尘设备中 气体流动的速度越低 越有利用沉降细小的粉尘 越有利于提高除尘效率 工作原理 28 3 1重力除尘器 提高重力除尘器效率的方法 1 降低沉降室内气流速度2 增加沉降室长度3 降低沉降室的高度 29 3 1重力除尘器 结构简单压降压损低维护费用低可靠性高 除尘效率低 40 50 适用于大于50um的粒子设备庞大多作为多级除尘的预除尘 优点 缺点 应用范围 由于重力除尘器效率较低 所以限制了应用范围 一般用作为高级除尘器的预除尘器 在许多行业有着应用 30 2020 1 7 31 惯性除尘器 碰撞式除尘器 气流冲击挡板捕集粒子 3 2惯性除尘器 工作原理 利用尘粒在运动中具有的惯性力 借助挡板或结构设计使气流急速改变方向 其中气流中尘粒的惯性力会使尘粒运动轨迹与气流轨迹不同 从而两者获得分离 回流式除尘器 改变气流方向捕集粒子 32 3 2惯性除尘器 影响惯性除尘器性能的因素 1 对于碰撞式除尘器 碰撞前流速越高 出口流速越低 除尘效率越高 2 对于回流式除尘器 转向曲率半径越小 除尘效率越高 3 气流转向次数越多 除尘效率越高 但压损随之增大 4 灰斗设计有足够的容积 且形状要满足已被捕集的粉尘不至于被气流带走 33 3 2惯性除尘器 除尘器体积小占地面积小无活动部件可用于高温高浓度粉尘场合 磨损严重净化率不高用于多级除尘中的一级除尘10 20um以上粗颗粒 优点 缺点 34 3 3旋风除尘器 工作原理 它是利用含尘气流作旋转运动时产生的离心力 把尘粒从气体中分离出来的装置 普通旋风除尘器是由进气管 筒体 锥体和排气管等组成 气流沿外壁由上向下旋转运动 外涡旋少量气体沿径向运动到中心区域旋转气流在锥体底部转而向上沿轴心旋转 内涡旋 气流运动包括切向 轴向和径向 切向速度 轴向速度和径向速度切向速度决定气流质点离心力大小 35 向上内涡流和向下外涡流 两者的旋转方向相同 气流在作旋转运动时 尘粒在惯性离心力的推动下向外壁移动 到达外壁的尘粒在气流和重力的共同作用下 沿外壁面落入灰斗 3 3旋风除尘器 36 影响旋风除尘器效率的有关因素 1 气体流量或进口速度一般旋风除尘器的烟气进口流速控制在12 20m s 最大不超过25m s的范围 3 3旋风除尘器 2 气体含尘量及分散度气体含尘量的增加 可以提高除尘效率 在含尘量很高的情况下却很少采用小直径旋风除尘器 另一方面 除尘效率与尘粒的粒级组成有重要关系 因此必须知道除尘器对不同尘粒粒级的除尘效率 即除尘器的分级效率 3 除尘器内壁粗糙度旋风除尘器内壁愈粗糙 愈易引起局部涡流的产生而降低除尘效率 有些除尘器由于尘粒与筒壁的长期摩擦而产生磨损现象 大大降低除尘器的使用寿命 为了增强除尘器壁面的抗磨能力 不少除尘器采用涂抹耐磨材料的工艺 37 结构简单压降压损中等造价便宜操作维修方便动力消耗不大 除尘效率不高对于流量变化较大的含尘气体不适用小于5 m细颗粒的分离效率30 40 对PM2 5的脱除效率仅有3 优点 缺点 3 3旋风除尘器 38 3 4袋式除尘器 工作原理 袋式除尘器也称过滤式除尘器 它是用纤维织物制作的袋装过滤元件来捕集含尘气体中固体颗粒物的除尘装置 袋式除尘器的除尘过程主要是由滤袋完成的 除尘机理 过滤机理主要有滤料和粉尘层两个方面 39 过滤机理 滤料 粉尘层 扩散效应 惯性作用 直接拦截 重力沉降 静电吸引 筛分效应 小于0 2um的粒子在布朗运动中 部分尘粒被纤维或尘层阻留 质量较大的粒子 气体流经纤维层时会被截住 气流线与纤维表面的距离小于粒子的半径 粒子与纤维接触并被捕集 颗粒较大 直接沉降 气流冲刷纤维捕集体 摩擦作用可使纤维带电荷 粉尘颗粒在运动中也会带电 滤料间的空隙或者滤料上粉尘间空隙较小时 有利于筛分阻留 对于粉尘过滤起主要作用 3 4袋式除尘器 筛分效应新的滤袋上没有粉尘 运行后在滤袋表面形成很薄的尘膜 这一厚度的粉尘层 0 3 0 5mm 被称为一次粉尘层 在一次粉尘层上堆积的粉尘称为二次粉尘层 滤布本身的除尘效率约85 90 但是一次粉尘层存在时 效率可提升至99 5 以上 使一次粉尘层保留 仅清除二次粉尘层 40 3 4袋式除尘器 除尘效率高处理烟气量的范围大适用于高浓度烟气结构简单 维护方便造价 运行费用低 体积与占地面积比较大 阻力损失较大对滤袋质量有严格要求温度较高 湿度较大或带粘性的粉尘和有腐蚀性的烟气不宜采用袋式除尘器 优点 缺点 41 工作原理 静电除尘的工作原理包括电晕放电 气体电离 粒子荷电 粒子的沉积 清灰等过程 3 5静电除尘器 工作过程 接地的金属外壳叫收尘极 或集尘极 和置于中间的 靠重锤张紧的放电极 或称电晕线 构成管极式静电除尘器 工作时含尘气体从除尘器下部进入 向上通过一个足以使气体电离的静电场 产生大量的正负离子和电子并使粉尘荷电 荷电粉尘 荷电粉尘在电场力的作用下向集尘极运动并在收尘极上沉积 从而达到粉尘和气体分离的目的 当收尘极上的粉尘达到一定厚度时 通过清灰机构使灰尘落入灰斗中排出 42 3 5静电除尘器 电晕放电机理 金属丝放出的电子迅速向正极移动 与气体分子撞击使之离子化气体分子离子化的过程又产生大量电子 雪崩过程远离金属丝 电场强度降低 气体离子化过程结束 电子被气体分子捕获 形成气体负离子电晕区自由电子和气体负离子是粒子荷电的电荷来源 43 气体电离机理 空气在通常情况下几乎不能导电 但是电晕线和接地板之间加一直流电压 使气体分子获得一定的能量 就可以使气体分子中的电子脱离 这些电子就能成为输送电流的媒介 气体就有了导电性能 这个过程称为气体的电离 含尘气流通过极板空间时 尘粒因碰撞俘获气体离子而导致荷电 3 5静电除尘器 44 3 5静电除尘器 粒子荷电机理 这些电子可能直接撞击粉尘微粒 使粉尘荷电移向收尘极 这些电子也可能使空气电离 由负的气体离子使粉尘荷电移向收尘极 45 粒子沉积机理 在静电除尘器中 电晕区和靠近电晕区很近的一部分荷正电颗粒沉积在电晕极上 电晕区范围小 捕集数量也少 而在电晕区外的电荷绝大部分带负电荷 当这些荷电尘粒接近收尘极表面 就会在极板上沉积而被捕集 而气流的状态和性质 是尘粒被捕集的基础 层流条件下 尘粒运行轨迹可视为气流速度与趋进速度的向量和 3 5静电除尘器 湍流条件下 尘粒的运动几乎完全受湍流支配 所以尘粒是否被捕集成为了一个概率问题 46 静电除尘器除尘效率影响因素 影响除尘器效率的因素包括以下几个方面 粉尘的比电阻 气体温度 湿度 含尘气体的流量和流速 含尘浓度 气流分布均匀性及除尘器本身结构等 比电阻小于104或者大于1011 比电阻在104 1011之间 水蒸气温度低于其露点 水蒸气温度高于其露点 粉尘比电阻 含尘气体的湿度 温度 烟温过高 过低 烟气温度90 150 3 5静电除尘器 47 静电除尘器除尘效率影响因素 流速过高 过低 气体流速0 6 1 3m s 含尘气体流速 流量 含尘浓度 入口浓度过高 入口浓度40 60g Nm3 气流分布不均匀 气流分布均匀 气流分布均匀性 3 5静电除尘器 48 静电除尘器除尘效率影响因素 除尘器本身结构 极板 极线结构 空间电流密度分布 电场分布 极板电流密度分布 静电除尘器除尘效率 3 5静电除尘器 49 压力损失小处理烟气量的范围大能耗较低对细粉有很高的捕集效率可在高温 腐蚀性气体下工作 一次投资大安装精度高对比电阻有一定要求 优点 缺点 3 5静电除尘器 50 基本原理 让液滴和相对较小的尘粒相接触 结合产生容易捕集的较大颗粒 3 6湿式除尘器 文丘里湿式除尘器 含尘气体通过喉管 水在喉管处被湍流运动的气流雾化 尘粒与水滴间相互碰撞使尘粒沉降 结构简单 对微细颗粒除尘效率较高 但费用较高 会产生二次污染 常用于高温烟气降温和除尘 也可用于吸收气体污染物 51 结构简单效率较高降温冷却去除有毒有害气体 需耗一定量水对污水处理 二次污染粉尘回收困难易受腐蚀堵塞及挂灰 优点 缺点 3 6湿式除尘器 52 湿式静电除尘器工作原理 湿式静电除尘可理解为静电收尘加湿式除尘 与干式静电除尘只在尘粒的捕集这一环节不同 3 7湿式静电除尘器 53 水雾直接被喷向放电极和电晕区 水雾在芒刺电极形成的强大电晕场内荷电后分裂进一步雾化 电场力 荷电水雾的碰撞拦截 吸附凝并共同对粉尘粒子起捕集作用 最终粉尘粒子在电场力的作用下到达收尘极而被捕集 湿式电除尘器将水喷至收尘极上形成连续水膜 流动水将粉尘冲刷到灰斗中随水排出 湿式静电除尘脱除的对象为粉尘和雾滴 3 7湿式静电除尘器 湿式静电除尘器工作原理 54 对微细粉尘的脱除 湿式静电除尘中 因放电极被水浸润后 电子较易溢出 同时水雾被放电极尖端的强大火花进一步击碎细化 使电场中存在着大量的带电雾滴 大大增加亚微米粒子碰撞带电的几率 同时提高