第２９卷第１期动力工程Ｖ０１．２９Ｎｏ．１２００９年１月ＪｏｕｒｎａｌｏｆＰｏｗｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＪａｎ．２００９
文章编号：１０００—６７６１（２００９）０１—００８４—０６中图分类号：Ｘ５１文献标识码：Ａ学科分类号：６１０．３０
湿法脱硫协同蒸汽相变脱除燃煤ＰＭ２．５的试验研究
颜金培，杨林军，鲍静静，蒋振华，黄永刚，沈湘林
（东南大学能源与环境学院，南京２１００９６）
摘要：对燃煤细颗粒在湿法烟气脱硫（ＷＦＧＤ）系统中的脱除效果进行了试验研究．通过向塔内添加蒸汽以促进细颗粒的凝结长大，实现脱硫过程协同脱除燃煤细颗粒，并分析了不同操作参数对细颗粒和ＳＯｚ脱除效率的影响．结果表明：在常规湿法烟气脱硫过程中，ＰＭ。。的质量浓度脱除效率较高，约为５５％，而ＰＭｚ．ｓ的质量和数量浓度脱除效率很低；通过在洗涤塔内添加蒸汽，可以有效提高ＰＭ－。和ＰＭ２．ｓ的脱除效率，脱除效率随液气比的增大而提高，特别是数量浓度的脱除效率；燃煤细颗粒的脱除效率随塔内烟气过饱和度的增大而提高。而脱硫效率几乎不受塔内过饱和度的影响，均能稳定在７５％左右；随脱硫塔入口烟气温度的升高，细颗粒的脱除效率降低．
关键词：燃煤细颗粒；湿法脱硫；蒸汽相变；ＰＭ２．５；脱除；ＣａＣ０３浆液；洗涤
ＶＶｅｔＦｌｕｅＧａｓＤｅｓｕＩｆｕｒｉｚａｔｉＯｎａｎｄＳｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓＲｅｍｏｖａＩＯｆＰＭ２．５ＦｉｎｅＰａｒｔｉｃｌｅｓｆｒＯｍＣｏａｌＣｏｍｂｕｓｔｉｏｎｂｙＨｅｔｅｒｏｇｅｎｅＯｕＳＣｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎ
ＹＡＮＪｉｎ—ｐｅｉ，ＹＡＮＧＬｉｎ－ｊＵｎ，ＢＡＯＪｉｎｇ－ｊｉｎｇ，
ＪＩＡＮＧＺｈｅｎ—ｈｕａ，ＨＵＡＮＧＹｏｎｇ—ｇａｎｇ，ＳＨＥＮＸｉａｎｇ—ｌｉｎ
（ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｎｅｒｇｙａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ＳｏｕｔｈｅａｓｔＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１００９６，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｒｅｍｏｖａｌｏｆｆｉｎｅｐａｒｔｉｃｌｅｓｆｒｏｍｃｏａｌｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｉｎｗｅｔｆｌｕｅｇａｓｄｅｓｕｌｆｕｒｉｚａｔｉｏｎ（ＷＦＧＤ）ｐｒｏｃｅｓｓｗａｓｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｌｙ．ＳｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｐａｒｔｉｃｌｅｒｅｍｏｖａｌｉｎＷＦＧＤｐｒｏｃｅｓｓｗａｓｒｅａｌｉｚｅｄｂｙａｄｄｉｎｇｓｔｅａｍｉｎｔｏｔｈｅｓｃｒｕｂｂｅｒｔｏｅｎｌａｒｇｅｔｈｅｐａｒｔｉｃｌｅｓｉｚｅｂａｓｅｄｏｎｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｏｕｓｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎｐｒｉｎｃｉｐｌｅ．ＩｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｎｒｅｍｏｖａｌｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｂｏｔｈｆｉｎｅｐａｒｔｉｃｌｅｓａｎｄＳ０２ｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．ＲｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｉｎｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌＷＦＧＤｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｅｒｅｍｏｖａｌｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｎｍａｓｓｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｏｆＰＭｌｏｉｓｒｅｌａｔｉｖｅｌｙｈｉｇｈ，ｗｈｉｃｈｒｅａｃｈｅｓａｂｏｕｔ５５％，ｗｈｉｌｅｔｈａｔｏｎｍａｓｓａｎｄｎｕｍｂｅｒｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｏｆＰＭ２．５ａｒｅｂｏｔｈ
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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｆｉｎｅｐａｒｔｉｃｌｅｆｒｏｍｃｏａｌｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ；ＷＦＧＤ；ｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｏｕｓｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎ；ＰＭ２．５；ｒｅｍｏｖａｌ；ＣａＣ０３ｓｌｕｒｒｙ；ｓｃｒｕｂｂｉｎｇ
收稿日期：２００８—０４—２２
基金项目：国家自然科学基金资助项目（２０５７６０２０）；国家重点基础研究发展规划基金资助项目（２００２ＣＢ２１１６０４）
作者简介：颜金培（１９８１一）．男．福建泉州人，博士研究生．主要从事燃煤大气污染控制技术方面的研究．电话（Ｔｅｌ．）：１３８１３８６５８７３；
Ｅ—ｍａｉｌ：ｒｏｃｌｅａｆ＠１６３．ｃｏｒｎ．
万方数据
第１期颜金培，等：湿法脱硫协同蒸汽相变脱除燃煤ＰＭ２．。的试验研究．８５．
随着能源需求的不断增加和能源消费的提高，由此产生的污染问题变得日益严重，燃煤产生的ＳＱ和可吸人颗粒物更成为了大气中的主要污染物ｒ１’２］．目前，大型燃煤电厂均装有除尘脱硫装置，对Ｓ０。和粉尘的排放控制取得了一定的效果．然而，对可吸入颗粒物的排放却无有效的控制措施，导致大量细颗粒排入大气中，造成严重的环境问题Ｌ３巧］．湿法烟气脱硫（ＷＦＧＤ）是目前采用的主要脱硫工艺，近年来国内外的相关研究表明：ＷＦＧＤ对大颗粒有较好的脱除效果，但对于细颗粒（＜２．５ｐｍ）的脱除效率却很低［６－８］．可吸入颗粒的脱除技术主要有２种：一种是通过改进现有除尘设备提高对细颗粒的捕集效率；另一种是通过物理化学的方法，使其先团聚或长大成大颗粒再加以脱除，其中利用蒸汽相变促使ＰＭ：．。凝结长大是一种具有应用前景的新技术．利用蒸汽相变作为脱除细颗粒的预处理措施已有相关的研究Ｌ９］，但传统研究是采用添加蒸汽或直接冷却达到细颗粒凝结长大所需的过饱和环境，因此能耗过高，实际应用困难．而在脱硫过程中，高温烟气与低温脱硫剂吸收液接触，发生强烈的传质和传热作用，使部分吸收液气化，增大了洗涤塔出口的烟气含湿量，同时也使烟气的温度降低．通常在ＷＦＧＤ系统出口，烟气的含湿量可达到８５％～９０％以上，若能改变ＷＦＧＤ系统出口烟气的条件，就能达到细颗粒凝结长大所需的过饱和环境．以往的研究大多只关注ＷＦＧＤ系统的脱硫效率＿乎１２］，洗涤后细颗粒的控制并未引起重视，导致大量细颗粒排入大气环境中，且利用ｗＦＧＤ系统同时脱除可吸入颗粒物的相关研究未见报道．因此，若能在湿法脱硫的过程中同时脱除可吸入颗粒，对烟气污染控制将具有重大意义．
笔者采用ＣａＣＯ。浆液作为脱硫吸收液，研究了脱硫过程中利用蒸汽相变对燃煤可吸入颗粒物协同脱除的效果，分析了脱硫及协同相变脱除燃煤细颗粒前后，烟气中细颗粒的浓度及粒径分布的变化特性．为利用ｗＦＧＤ系统控制可吸人颗粒物的排放及工业应用提供了理论依据和技术基础．
１试验部分
为了研究脱硫过程中相变对燃煤细颗粒的脱除作用，搭建了１套试验系统（图１）．试验烟气由全自动燃煤炉排锅炉产生，经缓冲罐进入旋风分离器去除大颗粒．锅炉产生的额定烟气量为８０～１５０ｍ３／ｈ．缓冲罐装有搅拌风扇和电加热管，用于保证烟气的稳定性和控制烟气温度．旋风分离器的切割粒径为１０／ｘｍ．旋风分离器后设有ＳＯ。钢瓶，用于调节烟气中所需的ＳＯ：浓度．ＳＯｚ和烟气在混合室内充分混和后，进入脱硫塔．脱硫塔的塔径为１５０ｍｍ，塔内装有３级旋流板，在洗涤液入口上方注入少量蒸汽，塔顶部预留有相变区域，高度为６００ｍｍ，在洗涤塔顶部装有高效除雾器，用于收集凝结长大的含尘液滴．洗涤塔出口处用电称低压冲击器ＥＬＰＩ（芬兰ＤＥＫＡＴＩ公司生产）实时测量烟气中颗粒的数量浓度及粒径分布，并用烟气分析仪（德国ＭＲＵ公司生产的ＳＡＥ一１９烟气分析仪）测量烟气中ＳＯｚ的浓度．
用ＥＬＰＩ测量时，需要对采样烟气进行稀释，考虑到试验系统排放的烟气含湿量较高，水蒸汽容易在取样管和ＥＬＰＩ收集盘上凝结，对测量结果造成影响，因此必须对采样系统进行特殊处理．采用加热后的净化空气作为稀释气体，与采样烟气混合（稀释比为８．１８；１）后进入ＥＬＰＩ测试系统，并对整个采样管路系统采取保温措施．ＥＬＰＩ的粒径测量范围为０．０２３～９．３１４ｐｍ．
捧放
图１试验系统示意图
Ｆｉｇ．１Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｙｓｔｅｍ
２结果与讨论
２．Ｉ烟气中细颗粒的分布特性
试验过程中先启动燃煤锅炉，使烟气通过系统，并在洗涤塔后同时用ＥＬＰＩ进行测量，待颗粒浓度达到稳定后开始采集数据．图２为试验用燃煤细颗粒的数量浓度（卵）和质量浓度（硼）的初始分布．从图２可看出，颗粒数量浓度在ＥＪ，ＰＩ可测范围内呈单峰分布，峰值粒径为０．０７ｐｍ，大多数颗粒为亚微米级颗粒物。集中分布于０．０３弘ｍ～０．７，ｕｍ粒径内，其中ｎ（ＰＭ２．。）／ｎ（ＰＭ，。）＝０．９９８．而颗粒的质量浓度主要集中在大粒径段，特别是粒径大于ｌ弘ｍ的颗粒，随粒径的增大，质量浓度迅速增加，粒径小于１弘ｍ的颗粒质量仅占总颗粒质量的１５％左右．
万方数据
万方数据
第１期颜金培，等：湿法脱硫协同蒸汽相变脱除燃煤ＰＭ２．５的试验研究?８７?
从图２可看出，粒径大于ｌｐｍ的颗粒数量浓度很低（≤１０３个／ｃｍ３），且随着粒径的增大，数量浓度持续降低，因而导致惯性碰撞捕集效率下降．２．３脱硫塔对ＰＭ：．。和ＰＭｔｏ的脱除效率
为了进一步分析脱硫塔对燃煤烟气中细颗粒的脱除效率，研究了ＰＭ：．。和ＰＭ，ｏ的数量浓度和质量浓度的总脱除效率．与分级效率类似，总脱除效率定义为：
八ｒ一入，
呀＝∑与≯×ｉ００％（３）
’
』Ｙ０
式中：Ｎ。为洗涤脱除前颗粒总的数量浓度，个／ｃｍ３；Ｎ。为洗涤脱除后颗粒总的数量浓度，个／ｃｍ３．图４为常规脱硫过程中，洗涤塔对燃煤ＰＭ：．。和ＰＭ。。总颗粒数量浓度和质量浓度的脱除效率．脱硫塔入口烟气温度为８０℃，钙硫比为１．１，洗涤塔的液气比为４Ｌ／ｍ３．从图４可看出，脱硫塔对细颗粒数量浓度的脱除效率为负值，而且ＰＭ：．。和ＰＭ。。的脱除效率几乎一致，也就是脱硫塔出口颗粒数量浓度实际上是增加了．从总质量浓度脱除效率分析，脱硫塔对ＰＭ：．。和ＰＭ。。具有一定的脱除作用，但对ＰＭ：．。的脱除效率很低，约为１０％，而ＰＭ，。的脱除效率要远高于ＰＭ。．。的脱除效率，超过５０％．这主要是受试验用的燃煤细颗粒的分布特性决定．从图２可知，燃煤细颗粒大多为亚微米级粒径段，其中以（ＰＭ：．。）／ｎ（ＰＭ，。）达到０．９９９以上；与数量浓度分布相反，大粒径段的颗粒质量浓度较高。其中伽（ＰＭ２．５）／ｗ（ＰＭｌ。）仅为１５％左右，因此数量浓度脱除效率主要取决于小颗粒，而质量浓度的脱除效率主要受大颗粒的影响．此外，在该脱硫过程中，洗涤塔的操作液气比对颗粒数量浓度和质量浓度的脱除效率影响较小．从细颗粒的控制角度分析，脱硫塔对ＰＭ。。的质量浓度具有较高的脱除效果，但洗涤后排放的颗粒数量实际上是增加了，这主要是由于脱硫塔对细颗粒的捕集效率很低，而由于蒸发作用形成的细颗粒也不能被脱硫塔捕集，因此造成大量的细颗粒排人大气中，污染环境．更为严重的是，由于ＰＭ。．。在大气中能长时间停留，被人体吸入后会严重危害身体健康．因此，用数量浓度的脱除效率作为指标控制可吸入颗粒物更有实际意义，这也是ＷＦＧＤ系统急需控制细颗粒排放的重要原因．
从上面分析可知，常规脱硫塔对ＰＭｚ．ｓ的数量浓度和质量浓度的脱除效率很低．通常有２个途径可以达到控制细颗粒排放的目的：一是通过改变现有脱硫塔的结构或操作条件以提高对细颗粒的捕集效率，但该方法较为复杂且容易影响脱硫效率，不利于工程应用；另一途径是使细颗粒长成大颗粒再加以脱除．～般ＷＦＧＤ系统出口烟气的温度较低，含湿量高，可适当改变脱硫后烟气的性质就能达到过饱和条件，从而促使细颗粒凝结长大．图５为在脱硫塔内添加适量蒸汽调节烟气饱和度的情况下，ＰＭ，。和ＰＭ。．。的脱除效率随液气比的变化规律．操作条件同前，蒸汽添加量为０．０３ｋｇ／ｍ３．从图５可看出，与未添加蒸汽时相比，ＰＭ。。与ＰＭ：．。的质量和数量浓度脱除效率均有较大提高，特别是数量浓度的脱除效率，在液气比为４Ｌ／ｍ３时，数量浓度脱除效率提高了６５％以上，而且ＰＭ：．。和ＰＭ，。的数量浓度脱除效率几乎一致．而颗粒质量浓度脱除效率却出现较大的变化，ＰＭ，。的质量浓度脱除效率要高于相应的数量浓度的，ＰＭ。．。的质量浓度脱除效率则明显低于数量浓度的．这主要是因为蒸汽在细颗粒表面凝结长大，使颗粒的粒径增大，质量增加，从而提高了惯性捕集效率．蒸汽相变促进了细颗粒的脱除，但对细颗粒质量浓度的脱除影响很小．此外，图５也反映了液气比对脱除效率的影响，细颗粒的脱除效率随液气比的增加而提高，特别是对数量浓度脱除效率的影响更为显著，液气比从２Ｌ／ｍ３增加到６Ｌ／ｍ３，ＰＭ，。和ＰＭ。．。的脱除效率提高了１０％．这主要是
液化比，（Ｌ?ｍ－３）
图４脱硫塔对ＰＭｌｏ和ＰＭ２．５脱除的影响
Ｆｉｇ．４ＲｅｍｏｖａｌｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆＰＭｌｏａｎｄＰＭｚ．５ＶＳ．１ｉｑｕｉｄ－ｇａｓｒａｔｉｏｕｎｄｅｒｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ
ＷＦＧＤｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ
图５塔内相变对ＰＭｌｏ和ＰＭｚ．５脱除的影响Ｆｉｇ．５ＲｅｍｏｖａｌｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆＰＭｌ０ａｎｄＰＭｚ．５ＶＳ．１ｉｑｕｉｄ—ｇａｓｒａｔｉｏｗｉｔｈｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｏｕｓｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎ
万方数据
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湿法脱硫协同蒸汽相变脱除燃煤PM2.5的试验研究
作者：颜金培， 杨林军， 鲍静静， 蒋振华， 黄永刚， 沈湘林， YAN Jin-pei， YANG Lin-jun ， BAO Jing-jing， JIANG Zhen-hua， HUANG Yong-gang， SHEN Xiang-lin
作者单位：东南大学,能源与环境学院,南京,210096
刊名：
动力工程
英文刊名：JOURNAL OF POWER ENGINEERING
年，卷(期)：2009,29(1)
本文链接：https://www.doczj.com/doc/8216578560.html,/Periodical_dlgc200901018.aspx