燃煤烟气与PM2.5.ppt

1 燃煤烟气与PM2 5 马果骏2012 6 2 自我介绍 马果骏国电环境保护研究院 教授级高工 东南大学兼职教授 联合国WHO援华项目主任 联合国ESCAP组织项目专家 世界银行烟气脱硫项目顾问1983年赴美 作为访问学者在美学习 工作1985年至今从事烟气脱硫脱硝工程和咨询工作参与 负责多个烟气脱硫项目工程下关电厂 钱清电厂 望亭电厂 手机 mail3 内容 PM2 5的基本概念 燃煤烟气排放与PM2 5 ESP与PM2 5 布袋除尘器与PM2 5 湿式除尘器与PM2 5 可凝结PM2 5的脱除 小结 4 PM2 5问题将引发一场 空气革命 5 PM2 5的定义 PM是ParticleMatter的缩写 PM2 5 空气动力学当量直径小于或等于2 5微米的颗粒物 空气动力学当量直径 是表述粒子运动的一种假想粒径 其定义为 单位密度 0 1g cm3 的球体 在静止空气中做低雷诺数运动时 达到与实际粒子相同的最终沉降速度时的直径 6 PM2 5与头发丝 7 PM2 5的形成 PM2 5来自于自然和人为的污染源 PM2 5不是一种单一成分的空气污染物 是由大l量不同化学成分组成的一种复杂而又可变的大气污染物 PM2 5的主要成分是硫酸 硫酸氢铵 硫酸铵 硝酸铵 元素碳 NP 和有机碳 BP 由污染源直接排出的PM2 5成为 一次粒子 由污染源排出的气态污染物经过冷凝或在大气中发生复杂的化学反应而生成的PM2 5称为 二次粒子 8 环境大气PM粒径分布 9 PM2 5的组成 PM2 5随地域 气候和气象条件的变化很大 为保障2008年北京奥运会空气质量开展的 北京市空气质量达标战略研究 表明 北京市的PM2 5的组成 29 工业燃煤15 生物质燃烧13 二次硫酸盐10 机动车9 二次硝酸盐8 扬尘16 其它 10 北京PM2 5主要来源 11 PM2 5的组成 12 美国PM2 5的组成 13 PM2 5对健康的危害 PM2 5可被直接进入人体肺泡 又称可入肺颗粒物 PM2 5会引起三种呼吸系统的疾病 PM2 5作为病毒 病菌的载体 引起感冒 肺结核和肺炎 PM2 5会引起呼吸系统的过敏 如哮喘病 肺泡炎 PM2 5会引起免疫力降低 增加肺癌的发生率 14 PM2 5对大气能见度的影响 大气能见度是有大气中颗粒物对光的散射和吸收决定的 如果完全没有颗粒物 大气分子对光的散射是很小的 能见度可达到100 300km 在极干净的城空气中能见度可以达到30km 当大气能见度下降到10km 大气的相对湿度低于80 时 定义为霾 15 PM2 5对大气能见度的影响 在大气的气溶胶中 主要是0 1 1 0 的颗粒的散射降低了物体与背景之间的对比度 造成了能见度的下降 在此范围的PM2 5主要是硫酸盐和硝酸盐 PM2 5对光的吸收主要是炭黑和含有炭黑的颗粒物引起的 炭黑的排放量只占颗粒物排放的0 2 1 但是其消光效应很强 在某些地方可以是能见度下降一半以上 16 PM2 5对大气能见度的影响 17 PM2 5对大气能见度的影响 18 PM2 5对大气能见度的影响 19 燃煤烟气和PM2 5 燃煤烟气对PM2 5的贡献 根据地域不同约在10 25 之间 燃煤烟气排放的特点 固定点源 烟气排放量大 有组织排放 可控排放 合理推论 燃煤企业又将成为严控 领头羊 20 燃煤烟气和PM2 5 由燃煤烟气排放的PM2 5可分为 可过滤颗粒 一次PM 机械性颗粒 颗粒较大 1 2 5 可凝结颗粒 二次PM 气体 蒸汽状态 在环境中生成二次PM可过滤颗粒与可凝结颗粒的比例约为1 3 1 1 21 燃煤烟气PM2 5的控制技术 目前没有专门针对PM2 5的控制技术工业部门现有的 已成熟运行的APC都有脱除PM2 5的能力 WESP是以控制细颗粒 SO3和Hg为目的的专用APC设备 22 ESP ESP的脱除效率与颗粒粒径的关系 美国EPA在其 静止源控制技术导则 中对ESP的效率做了如下描述 静电除尘器可以捕集99 以上的所有粒径的颗粒 ESP的总体捕集效率一般取决于那些细粒子 尤其是0 2 2 的分级捕集效率 一般来说 ESP最难捕集的是空气动力学直径在0 1 1 0范围的粒子 直径为0 2 0 4 的粒子的穿透率最大 23 ESP 无论是ESP还是布袋除尘器 只能脱除可过滤颗粒 对可凝结颗粒无能为力 ESP能有效地脱除PM2 5 98 ESP对于粗颗粒粉尘有更高的脱除效率 ESP出口烟气中PM2 5的比例比入口高 ESP的除尘效率越高 PM2 5的脱除效率提高越显著 24 ESP 表1ESP对各种工业炉烟气PM的总脱除率 PM10和PM2 5脱除效率 25 ESP ESP除尘效率为99 65 时 PM2 5的脱除效率为98 4 ESP除尘效率提高到99 88 时 PM2 5的脱除效率为99 26 ESP除尘效率提高0 23 PM2 5的脱除效率提高0 86 因此尽量提高ESP除尘效率是降低PM2 5排放的措施之一 26 ESP除尘效率与PM2 5排放的关系 27 改造ESP脱除PM2 5 烟气调质 除了SO3调质之外 提高ESP除尘效率 脉冲电源 凝并技术 电凝并 Indigo 蒸汽凝并其它凝并技术 磁凝并 声凝并等AdvancedHybridFilter技术 COHPAC 电袋除尘器 WESP湿式电除尘器 28 Indigo细颗粒控制系统 29 Indigo细颗粒控制系统 Indigo凝并器在澳大利亚开发 目的是为降低燃煤锅炉烟羽的可见度 Indigo包括2部分 双极荷电器和混合区 与ESP不同的是在双极荷电器内有多个交错排列的分别带正负电场的通道 颗粒通过通道后会分别带上正负电荷 在下游的混合区中带异电荷的细颗粒会相互凝并成为大颗粒 这样会更易被ESP脱除 30 Indigo细颗粒控制系统 31 Indigo细颗粒控制系统 Crynack 2004 报告在美国Watson电厂的250MW燃煤锅炉上 安装Indigo后PM2 5的排放有所降低 Indigo安装在两条平行烟道中的一个上 以便进行对比 对于美国的西部和东部煤 Indigo都显示了很明显的脱除作用 32 Indigo细颗粒控制系统 颗粒直径小于5 的排放降低了2 3 烟气浊度降低2 3 总的烟气颗粒的质量排放降低1 3 没有Indigo通道1 颗粒的穿透率是15 而Indigo通道的穿透率是3 粒径小于2 5 的颗粒的质量排放降低了75 参见下表 33 Indigo细颗粒控制系统 安装Indigo凝并器后的性能比较A不安装B 安装 34 AdvancedHybridFilter 35 AdvancedHybridFilter AdvacedHybrid 是一种复合电袋技术 内部结构是ESP构件 放电电极 和多孔极板 与布袋交错排列 如图 原烟气进入后 大部分粉尘被ESP收集 少部分透过多孔极板后被布袋除尘器收集 除尘器的布袋上有Gore Tex 涂料涂覆 并采用脉冲吹洗 当布袋在吹洗时飞出的粉尘 会被ESP收集 减少了冲洗时粉尘的排放 Gerbert 2004 报告 在美国BigStone电厂的全容量试验中 除尘效率为99 99 而原来的ESP的除尘效率为99 5 36 WESP 干式ESP的问题 在输入电压电流增加是会产生过多的火花和反电晕 对于燃低硫煤产生的高比电阻飞灰问题更加严重 ESP在低温下运行可以提高对可凝结颗粒的脱除效率 但是会造成ESP的腐蚀 湿式ESP WESP 是解决问题的方法之一 ESP的收集极板表面为液膜 WESP安装在WFGD与烟囱之间或是在WFGD洗涤塔的顶部 37 WESP 在美国燃煤电厂从1986年开始就使用WESP了 目前已经在1000MW的电厂中运行 Farber 2004 报告WESP的功率密度 2W acfm 可以达到干式ESP 0 1 0 5W acfm 的4 20倍 WESP可以非常有效地脱除烟气中的硫酸气溶胶 90 38 WESP 最新的进展是采用膜式极板用织物代替金属极板 优点 水膜分布均匀 不采用合金 价格低廉 利用毛细管现象吸水和除去收集到的颗粒 无需喷淋 缺点 容易起火 39 WESP 40 WESP 安装在SSCC水泥窑上的WESP 41 WESP 运行5000小时的结垢情况 42 WESP 运行5000小时后的结垢情况 43 WESP 44 WESP 45 布袋除尘器 Lillieblad等 2003 对一个芬兰燃煤电厂的高气布比的布袋除尘器的PM2 5和汞排放进行了测试 布袋材质为有PTFE涂层的PPS 聚苯硫醚 已使用了31 000小时 状况良好 试验结果如表5 2所示 46 布袋除尘器 47 布袋除尘器 Lillieblad的测试结果 布袋除尘器出口的烟气中 PM1 0为3 6 PM2 5为15 20 PM10为79 88 布袋除尘器出口的颗粒尺寸分布与ESP出口有很大的区别 ESP的出口颗粒分布的平均直径比较大 而且亚微米级的颗粒很少 见图 被测试的布袋除尘器的亚微米级颗粒排放的增加是由于布袋的覆膜具有约0 4 直径的小孔的缘故 见图 48 布袋除尘器 49 布袋除尘器 图布袋除尘器收集粗颗粒飞灰的电子显微镜图像注 图中小圆形为布袋覆膜上的小孔 直径为0 4 50 布袋除尘器 图布袋除尘器收集的细颗粒飞灰的电子显微镜图像注 细颗粒飞灰呈凝并状态 51 布袋除尘器 Lillieblad的结论是 在正常的锅炉运行工况下 即使布袋材质已经使用了31 000小时 粉尘排放浓度仍可达到 15mg Nm3 与ESP相比 布袋除尘器出口飞灰中的PM1 0和PM2 5的份额明显要低 这说明布袋除尘器的 很低的由于覆膜的小孔引起的泄漏 对于排放粉尘浓度的影响很小 在烟囱排放口的PM1 0 PM2 5和PM10的质量比大约为5 15 和80 布袋除尘器的捕集效率在颗粒直径为0 2 3 范围内 大约为99 5 52 布袋除尘器 美国GE公司对三种典型的滤料进行了PM2 5通透性试验 PC008 PPS毡料 微焦整理RY025 PPS P84混合纤维 带PTFE涂层QR003 PPS纤维 带BHA TEX ePTFF 覆膜 53 布袋除尘器 54 布袋除尘器 PC008 材质 PPS 55 布袋除尘器 RY025材质 PPS P84混合纤维 外涂PTFE 56 布袋除尘器 QR033材质 PPS带有BHX TEX材料的ePTFE覆膜 57 布袋除尘器 三种不同滤料的PM脱除效率 58 布袋除尘器 59 布袋除尘器 GE对布袋滤料试验的结论 常规的针刺毡料对于PM2 5有很好的脱除能力 但是运行对脱除效率有很大的影响 建议布袋除尘器运行在一个很窄的差压窗口 12 25mm水柱 新的除尘器在建立起要求的差压之前 不应清灰 60 布袋除尘器 ePTFF覆膜能极大程度降低可过滤颗粒的排放 对PM2 5的排放要求很容易达到 覆膜滤料对于异常工况有更大的宽容度 覆膜滤料应始终在一个相对恒定的差压下运行 以免细颗粒在膜下面的纤维上积聚起来 61 布袋除尘器 布袋除尘器在燃煤电厂锅炉使用业绩 62 湿式洗涤除尘器 湿式洗涤除尘器主要用在小热电 冶金和石化部门的工业锅炉上 烟气脱硫的湿法洗涤器对于PM2 5的脱除效率不高 这里的讨论主要针对文丘里洗涤器 63 湿式洗涤除尘器 对于文丘里洗涤器 压降和喉速是除尘效率的关键运行参数 根据文丘里洗涤器的设计曲线 对于平均动力学当量直径为0 5 的颗粒 文丘里压降为7 5kPa时 预计除尘效率为97 文丘里压降为10kP时 预计的除尘效率为97 文丘里压降为12 5kP时 预计的除尘效率为99 64 湿式洗涤除尘器 文丘里洗涤器对大于2 的颗粒的预期除尘效率可达到99 9 压降为10kPa时 对0 5 的脱除效率为97 而对0 1的脱除效率只有35 因此文丘里洗涤器对亚微米颗粒的脱除效率很低 而且对0 1 2 范围的颗粒的脱除效率 在很大程度上取决于洗涤器的设计和运行工况 65 排放监测系统 评估除尘器细粒子排放的传统方法是监测烟羽的浊度 但是浊度监测仪经常不能评估治理系统的单个模块 而且在低浊度时误差很大 正在研发的连续颗粒监测技术有 利用粒子之间摩擦产生静电的原理的Triboelectric效应 后向散射 这些技术的特点是能够找出治理系统中每个模块 如布袋除尘器的布袋泄漏 的问题 而且能比传统的浊度检测装置更快发现问题 66 可凝结PM2 5脱除 燃煤烟气可凝结颗粒物的主要来源是SOx SO2 SO3 和NOx 其中以SOx为主 烟气中SO3与烟气中水分结合 形成硫酸气溶胶 粒径 0 3 硫酸气溶胶排出烟囱 进入大气后与环境中的正离子反应生成二次PM2 5 近地污染 烟气中的SO2在环境中因光化学氧化 液相氧化和颗粒氧化等过程被氧化为SO3 并生成硫酸盐气溶胶 SO2在大气环境中的寿命为数天 硫酸盐气溶胶可迁移1000km以上 远程污染 干式ESP和布袋除尘器无法脱除可凝结PM2 5 67 烟气SO3引起的黄烟问题 68 干法FGD 主流干法FGD工艺 CFB FGD 循环流化床烟气脱硫SDA 旋转喷雾干燥工艺DSI 烟道吸收剂喷入工艺NID干法FGD在脱除SO2的同时 可以有效脱除SO3 HCl和HF等酸性气体 69 干法FGD 大部分干法FGD的终端设备是除尘器 如果采用布袋除尘器 一次PM2 5的排放问题得到解决 70 湿法FGD 常规湿法FGD不能有效脱除微细颗粒常规湿法FGD会因带出浆液中的固体物而增加排放颗粒的浓度 常规湿法FGD不