自锁螺栓第29卷第2期中国电机工程学报V ol.29 No.2 Jan.15, 2009
2009年1月15日 Proceedings of the CSEE ©2009 Chin.Soc.for Elec.Eng. 13 文章编号：0258-8013 (2009) 02-0013-07 中图分类号：X 51 文献标志码：A 学科分类号：470·20
鲍静静，杨林军，颜金培，黄永刚，蒋振华，沈湘林
(东南大学能源与环境学院，江苏省南京市 210096)
Experimental Study on Combined Wet Flue Gas Desulfurization and Removal of Fine Particles by Heterogeneous Condensation Enlargement
BAO Jing-jing, YANG Lin-jun, YAN Jin-pei, HUANG Yong-gang, JIANG Zhen-hua, SHEN Xiang-lin (School of Energy and Environment, Southeast University, Nanjing 210096, Jiangsu Province, China)
ABSTRACT: A novel process to remove fine particles and SO2 from coal combustion simultaneously b
y heterogeneous condensation enlargement using wet flue gas desulfurization (WFGD) system was presented. The supersaturated environment was established for heterogeneous condensation by adding water vapor in the inlet flue gas or above the liquid phase inlet in desulfurization tower. Fine particles grow in size by vapor heterogeneous condensation with the particles acting as nucleation centers, then the grown particles are removed efficiently by desulfurizer and demister. The fine particles removal performance, the influences of desulfurizer species, liquid-gas ratio and the addition amount of water vapor were investigated. The results show that removal efficiency of fine particles by NaOH, Na2CO3 desulfurizer is superior to Ca(OH)2 and NH3·H2O. Additionally, the removal efficiency increases observably with the addition of water vapor. The influence of liquid-gas ratio is related to whether the existence of heterogeneous condensation in the desulfurization tower.
KEY WORDS: coal-fired flue gas; wet flue gas desulfurization; heterogeneous condensation; fine particles removal
摘要：在湿法烟气脱硫(wet flue gas desulfurization，WFGD)ups检测
系统中进行了利用蒸汽相变原理协同脱除细颗粒的试验研究：通过添加蒸汽建立旋流板脱硫塔内蒸汽相变所需的过饱
和水汽环境，利用过饱和水汽，以细颗粒为凝结核发生相变，促进细颗粒凝结长大并由脱硫液、除雾器高效脱除；研究采用Ca(OH)2、NaOH、Na2CO3、NH3·H2O等4种不同脱硫剂时，WFGD系统对细颗粒的脱除性能，并考察了脱硫剂种
基金项目：国家自然科学基金项目(20576020)．
Project Supported by National Natural Science Foundation of China (20576020)．类、液气比、蒸汽添加量等对细颗粒脱除效果的影响。结果表明，采用NaOH、Na2CO3作为脱硫剂对细颗粒的脱除效果明显优于Ca(OH)2和NH3·H2O；在脱硫塔进口烟气、塔内脱硫液进口上方添加蒸汽，建立过饱和水汽环境，可使细颗粒脱除效率显著增加；液气比的影响与脱硫塔内是否存在蒸汽相变有关。
关键词：燃煤烟气；湿法烟气脱硫；蒸汽相变；细颗粒脱除
0 引言
煤炭燃烧过程中会产生可吸入颗粒物PM10、SO2、NO x等多种污染物，其中可吸入颗粒物可以长时间停留在大气中，对环境和人体造成较大危害[1]，尤其是空气动力学直径小于 2.5µm的PM2.5细颗粒，由于其比表面积很大，易富集大量有毒重金属元素[2]，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问题。合理改进现有的燃煤烟气污染控制装置，提高
对细颗粒的脱除性能，是控制细颗粒的重要技术发展方向，其中将蒸汽相变与现有燃煤锅炉湿法烟气脱硫(wet flue gas desulfurization，WFGD)系统结合是最有可能实现工程应用的重要途径之一。
应用蒸汽相变原理促进PM2.5等细颗粒脱除的机理是[3-4]：过饱和水汽以细颗粒为凝结核发生相变，使微粒粒度增大、质量增加，进而提高惯性捕集效果。为此，首先应建立过饱和水汽环境，但单纯依靠添加蒸汽或采用冷却手段使原始水汽含量较低的燃煤烟气达到过饱和能耗过高，需针对烟气中水汽含量较高的过程才有实用价值。目前，大型燃煤电厂普遍在除尘装置后安装WFGD系统，在脱硫塔中
14 中 国 电 机 工 程 学 报 第29卷
高温烟气与中低温脱硫液相接触，使部分脱硫液汽化，烟气相对湿度增大、烟温降低并可接近饱和状态[5]，虽可有效脱除SO 2和粗粉尘，但对PM 2.5的捕集效率很低。因此，通过改进现有燃煤WFGD 系统就有可能建立蒸汽相变所需的过饱和条件，使其同
时具有促进PM 2.5粒度增大并高效脱除的功效。
利用蒸汽相变作为脱除超细微粒的预调节措施已有较多报道，1974年美国Calvert S 等[6]进行了在模拟废气中添加蒸汽使之达到饱和状态，然后用筛板塔洗涤器脱除Fe 2O 3微粒(d p < 2 µm)的研究。Heidenreich S 等[7-9]从理论与实验两方面考察了应用蒸汽相变作用脱除亚微米级微粒的预调节措施，并采用多级填料塔串联脱除NaCl 、石英、石蜡油等亚微米级微粒。
本文以燃煤锅炉产生的热烟气为微粒源，通过在脱硫塔进口烟气、塔内脱硫液进口上方注入适量蒸汽，建立蒸汽相变所需的过饱和水汽环境，利用其在脱硫区、塔顶空间相变凝结促进细颗粒凝结长大并由脱硫液、除雾器高效脱除，实现协同湿法脱
硫和脱除细颗粒，考察了Ca(OH)2、
NaOH 、Na 2CO 3、NH 3·H 2O 等4种脱硫剂下，
WFGD 系统对细颗粒的脱除性能，并试验研究了脱硫剂种类、液气比、蒸汽添加量等的影响。
1 实验部分
1.1 实验及采样系统
实验系统如图1所示；采用2种方式实现蒸汽相变所需的过饱和水汽环境：①在烟气湿度调节室中注入适量水蒸气调节烟气含湿量，使烟气在脱硫区达到过饱和，进而促使水蒸气在脱硫区以细颗粒为凝结核发生相变，长大后的颗粒由脱硫液、除雾器1脱除；②在除雾器1、2间注入适量蒸汽，以脱硫塔顶部空间作相变凝结室，由高效除雾器2脱除凝结长大的含尘颗粒。塔径150 mm 、塔高1 500 mm ，设置3块旋流板塔盘，额定烟气量70 m 3/h(标准状态)。采用温湿度仪测量脱硫塔进出口的烟气温度、湿度的变化，细颗粒浓度与粒径分布采用电称低压冲击器(ELPI)实时在线测量。
用ELPI 测量时需对采样烟气进行稀释，由于实验系统排放的烟气含湿量较高，水蒸气容易在采样管路及ELPI 冲击盘上凝结，对测量结果造成影响；因此，必须对采样系统进行加热保温处理。图2为采样系统示意图，稀释空气经净化后进入空气加热器，高温稀释气与采样烟气混合(稀释比为8.18:1)后进入ELPI 测试系统。
蒸汽发生器
T —温度测点；T 、H —温度、湿度测点。
图1 实验系统示意图
Fig. 1 Schematic diagram of experimental system
图2 采样系统示意图
Fig. 2 Schematic diagram of sampling system
1.2 分析方法
颗粒形貌和元素组成采用日本JEOL 公司的JSM-6300扫描电子显微镜分析，并配有美国EDAX 公司的Genesis 2000 XM60能谱分析系统。扫描分析前，将样品固定在铜合金样品台上作镀金处理，样品放入真空腔后，密闭抽真空达到规定的负压值，即可通过外部控制台和软件系统完成样品的扫描放大拍摄和能谱分析记录等操作[10]。 1.3 实验颗粒
实验热烟气由全自动燃煤锅炉产生，煤种为无
第2期 鲍静静等： 应用蒸汽相变协同脱除细颗粒和湿法脱硫的实验研究 15
烟煤。图3为燃煤细颗粒的数量、质量浓度分布；可见，燃煤颗粒主要为亚微米级微粒，数量浓度峰值粒径出现在0.07~0.20 µm 之间，而质量浓度主要集中在较大粒径范围。因此，数量浓度更能反映亚微米级颗粒物对环境和人体健康的影响[11]。同时，对于安装WFGD 系统的燃煤电厂，不仅需控制由煤燃烧产生的细颗粒，还应控制WFGD 系统中形成的细微颗粒。
颗粒粒径/µm
103
10
410510
6
107108−2
−1
1
23颗粒数浓度/c m 3
颗粒质量浓度/(m g /c m 3)
图3 燃煤颗粒的数量和质量浓度分布
Fig. 3 Number and Mass concentration distribution of
fine particles from coal combustion
2 结果与讨论
2.1 WFGD 系统前后细颗粒的形貌和元素组成
WFGD 进口初始烟气中细颗粒以及用洗涤水、Ca(OH)2、NaOH 、Na 2CO 3、NH 3·H 2O 作为脱硫剂
时WFGD 出口烟气中颗粒物的形貌特征与元素组成分别如图4和表1所示。由图4(a)可知，WFGD
系统进口烟气中的细颗粒大多呈球形结构，颗粒大
(a) WFGD 进口
(b) WFGD 出口(洗涤水，无脱硫液
)
(c) WFGD 出口(Ca(OH)2脱硫液)
(d) WFGD 出口(NH 3·H 2O 脱硫液)
(e) WFGD 出口(Na 2CO 3脱硫液) (f) WFGD 出口(NaOH 脱硫液)
图4 WFGD 进出口烟气中细颗粒的SEM 图像
Fig. 4 SEM images of fine particles from WFGD inlet and
outlet flue gas
表1 WFGD 进出口烟气中细颗粒元素组成
Tab. 1 Some element composition of fine particles from
WFGD inlet and outlet flue gas %
颗粒类型 O
Na
Al
Si Ca Mg S
K
Fe
WFGD 进口30.94 4.3815.9015.01 14.14 0.91 4.910.83 5.14WFGD 出口(采用洗涤水，无脱硫液) 32.56 4.95 4.03 3.27 8.04 1.12 6.76 1.25 3.58
WFGD 出口(采用Ca(OH)2
脱硫液) 45.22 3.670.120.08 21.34 0.56 22.96 1.07 2.81
led天花灯电源
WFGD 出口(采用NH 3·H 2O 脱硫液) 42.55 2.11 1.12 1.18 4.54 0.86 25.64 1.02 1.68
WFGD 出口(采用Na 2CO 3
脱硫液) 33.45 4.01 3.34 3.54 1.22 0.25 8.63 1.17 1.95
WFGD 出口(采用NaOH 脱硫液)
36.26 5.10 1.96 1.83 1.34 1.60 7.01 1.04 1.78
小较为均匀，颗粒之间相互堆积在一起，主要成分有Si 、Al 、Ca 、O 等元素，占75.99%，其余为Na 、Mg 、S 、K 等次要元素，从其主要元素的种类可知，燃煤细颗粒主要是难溶于水的硅铝质矿物颗粒，属于中等润湿性颗粒[12]；由图4(b)~4(f)可知，采用NaOH 、Ca(OH)2、Na 2CO 3脱硫液的WFGD 系统出口颗粒形貌特征与未加脱硫剂的洗涤水出口颗粒没有明显差别，细颗粒相互堆积，形成致密的不规则块状、层状或絮状结构，而NH 3·H 2O 脱硫液出口处则含较多的分散细颗粒。
同时，由能谱分析结果(见表1)可知，采用4种脱硫剂时，WFGD 进出口烟气细颗粒物中Si 、Al 含量均显著降低，这表明WFGD 系统对以Si 、
Al 为主要成分的燃煤飞灰有一定的脱除作用，特别是粒径相对较大的颗粒。采用Na 2CO 3和NaOH 作为脱硫剂时，WFGD 出口细颗粒组成与采用洗涤水没有明显区别，而采用Ca(OH)2和NH 3·H 2O 作为脱硫剂时，O 含量由30.94%分别增加到45.22%、42.55%，S 含量由 4.91%分别增加到22.96%、
25.64%，其中Ca(OH)2作为脱硫剂时，WFGD 进出口Ca 含量由14.14%提高到21.34%，这可能与Ca(OH)2与SO 2反应生成的亚硫酸钙、石膏产物等细颗粒有关。荷兰Meij 等[13]分析了安装有石灰石/石膏法脱硫装置的烟气再热系统出口颗粒物组成
发现，煤燃烧产物中，飞灰仅占40%，10%为石膏组份，其余50%为脱硫液滴蒸发形成的固态微粒；
王晖等[14]研究发现，经过WFGD 系统后，细颗粒中S 、Ca 元素含量明显增大，并且出口烟气中新增
16 中 国 电 机 工 程 学 报 第29卷
的石灰石与石膏颗粒分别占颗粒物质量的47.5%和7.9%。采用氨水脱硫剂时，因氨水易挥发，气态氨可与烟气中的SO 2反应生成亚硫酸铵、亚硫酸氢铵、硫酸铵等气溶胶微粒，这些气溶胶微粒的粒径一般为0.05~0.50 µm [15-16]，WFGD 系统难以脱除，使得出口细颗粒中含有较多的S 、O 等元素，且细颗粒数量增多，如图4(d)所示。
2.2 WFGD 系统对细颗粒的脱除性能
图5为未添加蒸汽时，采用Ca(OH)2、NaOH 、Na 2CO 3、NH 3·H 2O 等4种不同脱硫剂，湿法烟气脱硫(WFGD)系统对细颗粒的分级脱除效率测试结果，并与用水作为洗涤液的洗涤塔脱除效果进行比较，操作液气比2 L/m 3。可以看出，WFGD 系统对燃煤细颗粒的脱除性能与所采用的脱硫剂有关，采用Ca(OH)2脱硫剂对细颗粒的分级脱除效率不超过20%，这可能与Ca(OH)2与SO 2反应生成的亚硫酸钙、石膏产物使细颗粒浓度增加有关。而NaOH 、Na 2CO 3脱硫剂对细颗粒有一定的脱除效果，分级脱除效率大多在10%~45%左右，与相同操作条件下的洗涤塔相近，这说明NaOH 、Na 2CO 3与SO 2反应生成的Na 2SO 4、Na 2SO 3对烟气中细颗粒浓度几乎没有影响，可能是因为Na 2SO 4、Na 2SO 3均易溶于水，不会析出固体细颗粒而使烟气中细颗粒浓度增加。采用NH 3·H 2O 作脱硫剂时，
分级脱除效率多为负值，表明氨法脱硫过程中会形成大量的细颗粒，这是因为氨水易挥发，气态氨可与烟气中的SO 2反应生成亚硫酸铵、亚硫酸氢铵、硫酸铵等气溶胶微粒，依据图5结果，上述气溶胶微粒的粒径大多在0.05~0.50 µm 左右，属于PM 2.5粒径范围，常规的WFGD 系统很难脱除。
颗粒粒径/µm
10 10
通信井1−分级脱除效率/%
−−−
图5 WFGD 系统对细颗粒的分级脱除效率 Fig. 5 Fine particle grade removal efficiency by/api/v3/search?p=1&t=all&q= 摘要
WFGD system
2.3 WFGD 系统中应用蒸汽相变协同脱除细颗粒
图5表明，WFGD 系统对细颗粒的脱除作用很有限。一般，湿法脱硫工艺难以有效捕集PM 2.5，
但对于3~5 µm 及以上的微粒脱除效率可达70%~ 80%以上。因此，结合现有湿法脱硫工艺，促使细颗粒粒在脱硫区或脱硫净化湿烟气中凝结长大，可望协同实现湿法脱硫和脱除细颗粒，具体可采用以下2种措施：
1）湿法脱硫区中细颗粒凝结长大并脱除：欲使细颗粒在脱硫区内发生凝结长大并脱除，首先需保证烟气在脱硫区内可达到过饱和状态，为此，本课题组凡凤仙[17]针对烟气含湿量沿脱硫区的变化特性进行了分析计算；结果如图6所示，计算工况：入口烟气温度：90℃，脱硫液温度：50℃，液气比：3.0 L/m 3。可见，烟气含湿量随塔高逐渐增加，但在现有的脱硫操作条件下，烟气含湿量始终低于饱和态，若在脱硫塔进口烟气中添加适量水蒸气，则可使烟气达到过饱和，如水汽添加量为0.05 kg/(m 3干烟气)时，与未添加水汽时相比，脱硫净化烟气饱和度可由原来的0.81提高到1.24，而一旦烟气达到过饱和，即可促使细颗粒快速凝结长大并由脱硫液滴、除雾器等高效捕集。
蒸汽添加量/(kg/m 3
干烟气)
0 0.03 0.04 0.05 相对高度/(m/m) 00.4 0.8 1.0
0相对湿度 饱和度
1.41.20.40.81.00.2
0.6 0.20.6
图6 不同水汽添加量下的塔内饱和度分布曲线
Fig. 6 Saturation profiles at different vapor
addition amount
2）脱硫净化湿烟气中细颗粒凝结长大并脱除：湿法脱硫净化烟气温度通常在45~60℃，含湿量高达90%~95%；因此，通过添加少量蒸汽即可实现蒸汽相变所需的过饱和环境，促使水汽在细颗粒表面凝结，并由高效除雾器脱除凝结长大的含尘液滴。由图7所示的湿度图可见[18]，欲使烟温50℃、相对湿度90%~95%的湿烟气达到饱和状态，每kg 干烟气仅需添加0.01~0.02 kg 蒸汽即可。Heidenreich
S 等[7,19]研究发现在可凝结水汽量5.5 g/m 3、微粒浓度为1.0×105个/cm 3时，亚微米级微粒可在30~50 ms 内快速增长至3 µm 左右；因此，水汽在微粒表面的核化凝结瞬间即可完成，促使微粒凝结长大所需的空间可以较小，这为利用脱硫区及脱硫塔顶部空间作相变凝结室提供了理论依据。本文分别对塔前和塔内脱硫液进口上方添加蒸汽的情况作了实验
第2期
鲍静静等： 应用蒸汽相变协同脱除细颗粒和湿法脱硫的实验研究 17
温度/℃ 0.04
含湿量/(k g /k g )
0.120.080.06
0.10φ = 1.0 0.95 0.90 0.85 0.80
a 1
a 2
c 2
b 2
c 1b 1
图7 烟气湿度图
Fig. 7 Flue gas humidity chart
研究。
图8(a)~8(d)分别为采用Ca(OH)2、NaOH 、
Na 2CO 3、
NH 3·H 2O 脱硫剂时，在塔进口烟气（塔前）、脱硫净化烟气(塔顶)添加蒸汽和不添加蒸汽的情况下，湿法烟气脱硫(WFGD)系统对细颗粒的分级脱除效率测试结果，蒸汽添加量均为0.05 kg/m 3，操
颗粒粒径/µm 10
10
10 101
−40分级脱除效率/%
4020−20
0(a) NH 3·H 2O 脱硫剂
颗粒粒径/µm 10
10
1分级脱除效率/% (b) NaOH 脱硫剂
颗粒粒径/µm
1−分级脱除效率/%
(c) Na 2CO 3脱硫剂
颗粒粒径/µ
m 1
−60分级脱除效率/%
80
60−20
20(d) Ca(OH)2脱硫剂
400
−40
图8 不同脱硫剂对细颗粒的分级脱除效率
Fig. 8 Fine particle grade removal efficiency by different
desulfurizer 作液气比为2 L/m 3。由图可见，添加蒸汽能使4种脱硫剂对细颗粒的脱除效率均有显著增加，这是由于添加蒸汽有利于脱硫塔内形成蒸汽相变所需的过饱和水汽环境，促使水蒸气以细颗粒为凝结核凝结长大，然后由脱硫液、除雾器高效脱除，达到较高的脱除效率。另外，由图8(a)~8(d)还
可看出，添加蒸汽后，NaOH 、Na 2CO 3脱硫剂对燃煤细颗粒脱除效率明显高于Ca(OH)2和NH 3·H 2O ，分级脱除效率最高分别达到75%、67%，这可能是因为NaOH 、Na 2CO 3脱硫反应生成的Na 2SO 4、Na 2SO 3均易溶于水，对烟气中细颗粒浓度几乎没有影响；而
Ca(OH)2与SO 2反应生成的亚硫酸钙、石膏产物以及氨气与SO 2反应生成的亚硫酸铵、亚硫酸氢铵、硫酸铵等气溶胶微粒，使细颗粒浓度增加。在蒸汽添加量相同时，随细颗粒浓度增加，凝结于各细颗粒上的平均蒸汽量减少，凝结长大的含尘液滴粒径变小，从而使脱除效率相对较低。上述结果也表明，对于安装WFGD 系统的燃煤电厂，不仅需控制由煤燃烧产生的细颗粒，还应控制WFGD 系统中形成的细
微颗粒。
电厂巡检机器人图9(a)~9(b)分别为操作液气比2 L/m 3时，塔前和塔顶不同蒸汽添加量下对细颗粒总脱除效率的测试结果。可以看出，细颗粒的脱除效率随蒸汽添加量增加而提高，这是因为过饱和蒸汽环境是实现水蒸气在颗粒表面凝结、促使细颗粒凝结长大的重
要前提，而添加蒸汽量越多，烟气过饱和度越大，一方面可使发生核化凝结的微粒临界粒径减小，促
蒸汽添加量/(kg/m 3
)
脱除效率/%
(a) 塔前添加蒸汽
蒸汽添加量/(kg/m 3
) 脱除效率/%
(b) 塔顶添加蒸汽
图9 不同蒸汽添加量下燃煤细颗粒的总脱除效率 Fig. 9 Removal efficiency of fine particles at different
addition amount of water vapor
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议