国标-》一维炉煤燃烧汞排放特性试验研究

中国工程热物理学会燃烧学第十届年会论文编号034052一维炉煤燃烧汞排放特性试验研究王泉海1张军营刘晶1邱建荣1杨剑峰1张建锋21湖北武汉华中科技大学煤燃烧国家重点实验室4300742湖北武汉武汉都市环保工程技术股份有限公司430077联系电话02787545526EMAILWANGQH298鱼,SOHUCOM摘要在一维煤粉燃烧炉上进行煤燃烧后汞形态转化的试验研究。采样过程中利用了美国EPA推荐使用的ONTARIOHYDRO方法进行煤样燃烧产物的取样。研究表明，由于取样烟气中的高灰含量，煤样燃烧后烟气中的汞主要以颗粒形态出现，而以气态王含量较少，其O价汞在1748。颗粒态汞在飞灰中富集，在底灰被分散，此现象随燃烧温度的增加而增强。关键词汞燃烧煤1前言近年来燃煤锅炉产生的有毒痕元素对环境的危害越来越被人们所关注吐其中，汞是煤中最易挥发的有毒痕量元素之一，其主要赋存于黄铁矿中H。汞元素具有很强的挥发性，在燃煤过程中煤中各种形态的汞几乎全部以气态形式进入烟气PJ。随着温度的降低，烟气中的汞将经历一系列物理变化和化学变化，部分凝结在亚微米尺寸的飞灰颗粒表面上，但绝大部分仍以气相存在】。因此，虽然电站锅炉的除尘效率很高99，仍有相当部分的汞或以嘎微米颗粒形式或以气相形式随烟气排出进入大气环境，给环境造成很大的危害。尽管汞在煤中的浓度很低，但是由于其剧毒性、生物积累性、捕获难、大气停留时间长以及煤消耗量巨大等多种原因，目前对它的研究十分重视。有关汞元素的排放及控制已经成为燃烧污染防治中的一1风机2阀门3流量计4一次风管5振动个新兴而前沿的领域。为预测和有效控制、给粉器6渐扩管7电阻丝8炉管9测孔并减少汞向环境的直接排放，需要了解燃LO上层分级风管11中层分级风管12下层煤过程集各种燃烧产物中汞的迁移、转化分级风管13分级风管14除尘器15取样点和排放规律，作为建立和完善治汞方法的图1一维煤粉燃烧炉示意图理论基础。本文在一维煤粉燃烧炉上进行FIG1THESCHEMATICDIAGRAMOFOBLLORDER了煤中汞在燃烧中析出规律的研究。PULVERIZEDCOALFURNACE2试验装置及试验方法实验在一维煤粉燃烧炉上进行，如图1所示。炉膛采用积木式结构，总高度达35ITI，其中反应段内径为0175M。高度为193M，分为结构相同的6级。每一级由电阻丝加热，加热功率为6KW。给粉系统采用微型电磁振动给料器。一次风和煤粉由炉顶喷入炉内，垂直向下流动。分级的二次风由分级风管从炉膛四周均匀喷入，其高度位置分上、中、下3层。炉膛内的沿程温度由热电耦测定。在实验过程中，保持总的空气过剩系数Q为120。给粉量为5KGH。实验采用云南小龙潭无烟煤、河南焦作无烟煤和河南平顶山烟煤，煤的工业、元素及汞分析结果如表1所示。煤燃烧过程产生的底灰、飞灰分别用取样管从炉膛底部和尾部烟道采集。燃烧过程中产生的烟气由取样探枪采集，根据美国EPA推荐使用的ONTARIOHYDRO方法捕捉煤燃烧之后烟气中的汞形态包括元素汞H文G、二价汞H92G、颗粒汞HGS。采集到的吸收液、灰样或残渣分别进行处理后，用XYGI型CVAFS汞分析仪测定其中HG元素含量。表1实验用煤的工业分析、元素分析和汞元素含量TAB1COALULTIMATE，PROXIMATEANDMERCURYANALYSISRESULTS注MT煤样的收到基水份；ASR；煤样的收到基灰份VAT煤样的收到基挥发份；FCAT煤样的收到基固定碳质量百分比数；NAT煤样的收到基灰份；CAT煤样的收到基灰份；SAT煤样的收到基灰份；HAT煤样的收到基灰份OAR煤样的收到基灰份；3实验结果及分析31不同燃烧温度下底灰和飞灰中汞的分布情况言00TLE0010毽避00M譬N严NN舱“”O“。“”度嚣圈2不同温度下底灰中汞HGN含量图3不同温度下飞灰中汞HG10音量FIG1THEHGBCONTENTATDIFFERENTTEMPERATUREFIG2THENG10CONTENTATDIFFERENTTEMPERATURE图2、3分别示出了炉温分别为650“C、800“C、950“C和1100“C的工况下小龙潭煤、焦作煤和平顶山煤的底灰样和飞灰样中汞含量的定量测量结果。尽管在高温燃烧条件下，汞元素易于挥发汽化，但煤粉颗粒在一维煤粉燃烧炉内停留时间较短，因此由于惯性作用落下的底灰以及随烟气流到尾部烟道的飞灰中仍然残留部分汞。此外，随着烟气的逐渐冷却，气相中的汞元素通过汽化凝聚作用以及飞灰残碳的吸附作用富集在飞灰颗粒上，从而导致在飞灰颗粒中有较高的汞含量。如图2、3所示，三种实验用煤在不同燃烧温度下汞的析出情况基本类似燃烧温度越高，残留在底灰的汞越少，而富集在飞灰中的汞越多。MEII嗍在荷兰电站进行的现场实验研究表明，残留在底灰中的汞含量小于2，其低于本文实验结果，这主要是由于屯站锅炉燃烧温度远远高于本文实验中的燃烧温度一般电站炉膛燃烧温度可达1600，煤粉颗粒燃烧比较完全，燃烬率在99以上，煤中汞元素几乎全部蒸发进入气相；而在本文燃烧实验中，炉膛最高温度仅为10001120且烟气停留时间短煤粉颗粒燃烧不完全，底灰中仍存有大量残炭，因此底灰中的汞含量也高于电站锅炉的底灰汞排放。驰32气态汞和颗粒汞的分布情况80实验中，1100工矿下烟气中的汞主要以颗粒态H甙S的形式存在，而以气态童70蚤60形式存在的汞HGG较少，如图4。气态求50汞占总汞的比例在1148之间，而大部分妞糕40的汞则以颗粒态形式存在。这与其他研究嚣30者的结果相比，颗粒态形式存在的汞偏高。20分析其原因，可归咎于取样枪和过滤器中10飞灰残碳。但是目前还不能确定导致颗粒态汞增加的吸附主要是由于烟气流经过滤圈41100下气态汞和颗粒态汞的分布器过滤形成的灰堆，还是由于烟气的冷却。FIG4GGANDHGSRATESDURINGPAR6CULATE烟气中以颗粒形式存在的汞大多数存COALCOMBUSTIONAT1100在于亚微米颗粒中，一般除尘器对这部分粒径范围的脱除效率很低。大部分汞存在于气相中，它们更难于被控制。因此，煤主70燃烧过程中汞排放的研究应该以烟气中气墨态汞的形态转化迁移规律为重点。求5032不同气态汞的分布情况|115拍柏实验中，1100工矿下烟气中的单质旷如30汞HG沁和二价汞G”Q占气态汞总量的比例如图5所示。20从图5可以看出，烟气中的汞主要以单质汞的形式存在，单质汞在气态汞总景图51100“2下气卷汞分布的5283，而二价汞仅占1748。而F嘻5H窖GANDH喜SSPECIUTIONDURING根据热力学平衡计算，大量的单质汞在400PARTICULATECOALCOMBUSTIONAT1100左右开始向二价汞转化，烟气中大约有75的二价汞其中主要是氯化汞和25的单质汞。热力学平衡计算和实验之间的差341别，主要是因为在400“C左右进行的汞的氧化化学反应主要由动力学因素所控制，而烟气在烟道的停留时间短，氧化化学反应还没有达到平衡状态。同时，实际烟气中元素汞和二价汞的形态分布还受到其它多种因素的影响，如煤种、烟气温度、反应条件、气体成分、飞灰成分等。因此，烟气中的单质汞转化为二价汞的比例比热力学模型预报的结果要低。4结论本文在一维煤粉燃烧炉上研究了煤燃烧过程中的汞排放以及燃煤烟气中汞的化学形态分布，并得出如下几点结论1在一维炉小型实验炉的燃烧过程中，煤中绝大部允的汞挥发进入气相，残留在底灰中的汞的比例则相当小，燃烧温度及烟气停留时间是影响煤中汞元素挥发释放的主要因素。2煤燃烧过程产生的固体排放物中，汞在飞灰中被富集，在底灰中被分散，此现象随着燃烧温度的增加而强。3实验测量中，烟气测量中的汞主要以颗粒态的形式存在，而以气态形式存在的汞较少，这主要是由于飞灰残炭的吸附作用。单质汞是气态汞的主要形式，单质汞在气态汞总量的520083，而二价汞仅占1748。4在锅炉的尾部烟道区域，动力学因素是汞氧化的主要控制因素，同时烟气中汞的迁移转化还受其它诸多因素的影响。因此，还需要对这些因素进行深入研究，才能正确描述并预报在煤燃烧过程中煤中汞的排放及其控制。参考文献【11王起超，马如龙煤及其灰渣中的汞【J1中国环境科学，1997，1717678【2】冯新斌，洪业汤，洪冰等煤中汞的赋存状态研究们矿物岩石地球化学通报2001，2207178【3】王泉海，邱建荣，吴吴煤燃烧过程中汞释放的研究现状【J1热能工程200241HALLB，SCHAGERPLINDQVISTOCHEMICALREACTIONSOFMERCURYINCOMBUSTIONFLUEGASESJWATER,AIRANDSOILPOLLUTION19914，56314【5】HALLB，LINDQVISTO，LJUNGSTROME，MERCURYCHEMISTRYINSIMULATEDFLUEGASESRELATEDTOWASTEINCINERATIONCONDITIONSJENVIRONMENTALSCIENCEANDTECHNOLOGY199Q241108111【6】LAUDALDL，BROWNTD，NORBREFFECTSOFFLUEGASCONSTITUENTSONMERCURYJFUELPROCESSINGTECHNOLOGY,2000,65666，15165【7】FINKELMANRB，PALMERCAHOLUBVMODESOFOCCURRENCEOFSULFIDEMINERALSANDCHALCOPHILEEL