火电环保处理一

环境保护第一节概述我国大气污染十分严重，主要集中在工业人口集中和能源消耗集中的城市，以颗粒物的污染最严重，几乎全部都超过标准限制值。其次是SO2的污染。全国约有三分之一的城市的SO2平均排放浓度超过标准限制值。在我国酸雨的组成中，90%是硫酸，因而属硫酸型酸雨。而NOX的排放量还未超过标准。因此在目前条件下，大气污染防治的重点是防治粉尘，其次是SO2，再次是NOX。据悉，中国基本消除酸雨污染所允许的最大SO2排放量为1200～1400万吨。按照中国目前经济发展模式，到2020年能源消费总量将达到30～40亿吨标煤，原煤消费量约需25～33亿吨，SO2产生量将达4200～5300万吨，比2003年增加2000～3000万吨。按照目前污染控制方式和力度，预计2020年全国SO2排放量将达到2800万吨左右，超过大气环境容量约1600万吨，将对生态环境和人体健康造成严重影响。根据国家环保总局发布的数据表明，中国目前每年因酸雨和SO2污染对生态环境损害和人体健康影响造成的经济损失在1100亿元人民币左右，今后这种污染损失还将持续不断地增加。我国对NOX控制的研究已经开始，主要在电站锅炉上。据对我国大型电站锅炉（50～300MW）NOX排放量调查，燃油炉NOX为600～1400mg/m3，固态排渣煤粉炉为600～1200mg/m3，液态排渣炉为850～1150mg/m3，旋风炉为1000～1500mg/m3，均比国外电站机组的排放量大。计算表明，我国发电量每增加100亿千瓦小时，NOX的排放量将增加3.9～8.8万吨。因此，开展治理NOX排放的研究工作已刻不容缓。随着工业经济的发展，能源消耗量和污染物的排放量不断增加，与此同时，对有害污染物排标准的要求越来越严格。截至2011年底，通过环保验收的脱硝机组约为1亿千瓦，仅占火电机组容量的16%。选择性催化剂还原法由于其高脱硝效率和及时的高成熟度，已经成为国内外火电厂烟气脱硝的主流技术，得到了广泛应用。第二节烟尘的生成机理和控制一、烟尘的分类和性质碳化氢类燃料燃烧时产生的烟尘，按其生成机理，主要有气相析出型和剩余型烟尘，包括其特殊形式，大体有如下几种：1.气相析出型烟尘气相析出型烟尘是气体燃料、液体燃料和固体燃料在燃烧过程中放出的气体可燃物，当空气不足时热分解而生成的固体烟尘，一般又称做炭黑。这种烟尘很细，用电子显微镜才能够测定。重油燃烧产生的炭黑，其粒径在0.02～0.05m范围内。燃料种类不同时，粒径变化不大。由于粒径很小，其表面积很大，每公斤可达数万平方米。收集下来的烟尘呈絮状，看起来很多，但重量却很小。因此，炉膛内已明显冒黑烟时所造成的不完全燃烧损失还不到0.1%。2.剩余型烟尘剩余型烟尘是液体燃料燃烧时剩余下来的固体烟尘，通常称为油灰。颗粒尺寸较大，通常为10～300m。其中，大颗粒较少，大多数是外形接近球形的微小空心粒子。部分粒子的表面上残留有气体喷出的痕迹，部分粒子表面光滑，而且致密，又称做空心微珠。3.酸性尘酸性尘是含有硫酸蒸汽的烟气，当温度低到露点温度以下时，凝结的亚硫酸和硫酸侵蚀金属；如果硫酸蒸汽凝结在微粒的表面上，然后这些微粒粘结在一起，长大成雪片状的酸性尘；通常又称作雪片。4.积炭积炭也是剩余型烟尘的一种，是油滴附着在燃烧器、燃烧器旋口、燃烧室炉墙上，受炉内高温、气化而剩下来的。由于油滴附着处的形状不同，附近烟气流动情况不同，积炭的形状不定，但其颗粒度较大。气体和液体燃料燃烧所产生的烟尘一般可认为是含炭物质，但并非由单一的炭所组成，还含有许多其他物质。分析表明，含水1～3%左右，还含有很多游离基，如C40H16等，是一种复杂的集合物。至于雪片，还含有硫酸H2SO4。重油锅炉产生的雪片，分析结果，含有25%左右的无水硫酸，含有20%左右的灰。而固体燃料产生的粉尘主要是碳和灰所组成。5．粉尘固体燃料燃烧所产生的粉尘，煤粉炉飞灰粒度大多在3～100m之间，火床炉飞灰的粒度多在10～200m之间。排烟中的粉尘浓度，随煤质不同，变化范围较大。一般，煤粉炉空气预热器出口排烟中的粉尘浓度为20～50克/标米3或更高。二、烟尘的形成固体燃料中含有灰分，在燃烧之后，部分变成炉渣，另一部分以飞灰的形式离开锅炉。以煤粉炉为例，一般有10～15%的灰，沉落在冷灰斗和尾部烟道中，而85%的灰分以飞灰形式，随烟气离开锅炉。由于煤质相差很大，锅炉排烟中的粉尘浓度变动很大，例如当燃用发热量为28600KJ/Kg、灰分为10%的优质煤时，排烟中的粉尘浓度仅为9.35g/m3左右，而当燃用发热量为14470KJ/Kg、灰分为47.05%的劣质煤时，其粉尘浓度可达83.2g/m3。图16-3表示煤粉炉中燃用粒度为5～100m的煤粉时所生成的飞灰粒度分布。由图可见，一般煤粉炉粉尘中，粒度小于10m的飞灰粉尘占20～40%左右，小于44m的粉尘占70～80%左右。锅炉排烟中的粉尘粒度和浓度，与燃烧方式、磨煤机的型式以及煤质情况有关。其中影响最大的因素是煤粉细度。煤粉越细，飞灰的粉尘浓度越大。燃烧条件的影响表现在燃烧温度越高，煤灰中的Hg、Na和K越容易挥发而凝结成难以收集的微粒。研究表明，大于10m的粉尘会很快沉落在地面上，称为降尘，而小于10m的粉尘属于不可见的微粒，它飘游在空气中，称为飘尘。火床炉排烟中的粉尘，大部分属于降尘；而煤粉炉排烟中的粉尘中，两者都有，其百分比取决于除尘器的型式和效率。使用电气除尘器、湿式文丘里式除尘器和布袋式除尘器后，排出的粉尘多属飘尘。颗粒相当直径，m常见颗粒分布图16-3煤粉炉飞灰的粒度分析三、影响烟尘产生的因素燃料在炉内燃烧，影响烟尘产生的因素很多，下面分别予以叙述。1．燃料种类的影响燃料种类不同，烟尘产生的情况也不同。例如，氢H2燃烧时，看不到火焰，没有烟尘产生。甲醇燃烧也没有烟尘。一般，碳氢化合物类型燃料燃烧时，烟尘较少。烟尘发生特性的表示方法，多采用比较法。对轻质液体燃料，通常采用烟点6或其倒数来表示。如煤油灯，当灯芯伸出长度增大时，就要产生炭黑。不产生炭黑的最大允许火焰长度，对各种燃料是不一样的。这一长度越短，这种燃料的烟点就越低，就越容易产生烟尘。这种火焰是扩散燃烧，空气从四周向火焰扩散，在火焰面上进行燃烧，而火焰中心处的油汽得不到氧气，随火焰尺寸增大，受热时间增大，就要热分解而产生炭黑。碳原子数多的碳化氢燃料，用烟点的倒数所表示的烟尘发生特性越大，越容易产生炭黑而冒黑烟。这一方法对气体燃料和液体燃料都可以使用。液体燃料烟尘浓度和残留炭含量有关。油质越重，残留炭含量越多。图16-4是各种锅炉燃用不同燃料时，残留炭含量和烟尘浓度的关系。由图可知，随残留炭含量增加，烟尘浓度增大，虽然波动较大，但还是与残留炭含量成比例。重油中残留炭含量高达10%左右，与不含残留炭的燃料相比，烟尘浓度高100～150毫克/标米3。排尘浓度，毫克/标米3残留炭量，%图16-4烟尘浓度和残留炭含量的关系固体燃料不完全燃烧时，同样产生炭黑，然而，燃料中的灰分以飞灰形式出现的粉尘，数量较大，对一定型式的燃烧设备，灰分变成飞灰的份额基本一定，如煤粉炉为0.85～0.9，火床炉为0.15～0.2左右。一般，煤粉炉烟气中的飞灰浓度决定于燃煤的灰分，其关系如下：=940A毫克/米3(16-1)式中A——燃煤中灰分含量，%。由于燃煤灰分变动较大，特别是锅炉燃用煤，多数是灰分或水分较高的劣质煤，锅炉排烟中的飞灰量相当可观。多灰的劣质煤，不论是对锅炉的设计或运行，还是灰的处理、除尘等，都带来了相当大的困难。2．洒精燃烧时，氧气浓度和空气过量系数小，没有烟尘产生，其原因是酒精分子中含氧较多。实践也证实，如让碳氢化合物燃料与足够的氧气混合，能够防止烟尘产生。防止产生烟尘所需要的氧气量，随燃料种类而异。预混合燃烧时，烟尘的生成量很低，但实际上，工业燃烧设备，大多采用扩散燃烧，混合过程和燃烧反应同时进行，混合过程对燃烧过程的影响比较大，如混合不好，尤其是当过量空气少时，将产生大量烟尘。图16-5是烟尘浓度和氧气剩余浓度的关系。如图所示，氧气浓度降低时，烟尘浓度将增大。即使剩余氧气浓度相同，烟尘浓度也上差较多，这是由于燃料种类不同，燃烧器型式不同而引起的。3．油滴粒径的影响重油燃烧时，油滴破裂后产生的焦块或空心微珠，其直径都与油滴的直径成正比。特别是较大的油滴，虽然数量可能不多，但其所占的重量比例较大，不完全燃烧时，将使残留型烟尘浓度急剧增大。大颗粒油粒碰到炉墙时，如炉墙上没有布置水冷壁时，由于炉壁温度较高，油滴还可能燃烧；如果炉墙上布置有水冷壁，由于温度低，油滴将焦化成碳块，其达到一定大小时，将脱落随烟气进入大气，使烟尘浓度增大。4．惰性气体的影响在燃烧用空气中渗入惰性气体时，烟尘浓度将降低。空气中渗入惰性气体二氧化碳时，效果较好。图16-6是烟尘浓度与渗入惰性气体百分比的关系。图中同时给出了渗入氮气N2和氩气Ar时的效果。惰性气体能降低烟尘浓度的原因还不清楚。对扩散燃烧，如果燃料耗量不变，由于体积增大，出口速度将增大，混合能力提高，其结果使烟尘浓度下降。这一点已被实践所证实。四、烟尘的控制锅炉燃烧设备中，防止烟尘产生的最重要措施是改善燃料和空气的混合；其次是保证足够高的温度水平和足够的燃烧时间。实际锅炉内的燃烧过程很复杂，尽管能够满足氧气量、烟气温度和停留时间这几个条件，但仍然会产生大量的烟尘和不完全燃烧产物。锅炉中采用的燃烧器大部分属于紊流扩散型，空气分配不均性还是相当大的，在空气不足地区就会产生大量烟尘。从减少烟尘的生成量来看，燃料与空气的混合是重要条件。以液体燃料的雾化燃烧为例，要改善燃料与空气的混合，就必须保证良好的雾化，粒径和油滴分布适当，具有适当的旋流强度，使空气与油雾配合得满意等。图16-7是一台9吨/时燃油锅炉旋流强度和烟尘浓度的实测结果。油雾化角为80°，当叶片角度改变旋流强度,tan图16-7旋流强度和烟尘浓度的关系时，空气旋流强度将发生变化，这时，由于油雾与空气配合不同，烟尘量变化很大。如图所示，空气旋流强度在0.84左右时，烟尘生成量最小，比0.84大或小，烟尘量都将增大。旋流强度大于0.84时，由于空气旋流强度大，而被甩离油雾区，致使油与空气混合不良，烟尘浓度大幅度增加；旋流强度小于0.84时，油与空气混合过早，使温度下降，其结果也是烟尘浓度急速上升。可见，旋流强度为0.84时，是油雾与空气混合最佳工况。如前所述，碳氢化合物在没有氧气条件下将会热分解而产生炭黑粒子。而供给一定氧气时，即使不够完全燃烧的需要，也不会热分解而产生炭黑。所以，不管调风器的结构如何，都必须在燃料受热前，与一部分空气混合，这是防止烟尘产生的重要措施。一次风量对烟尘的生成有很大影响。当一次风比重过低时，烟尘量增大，这是由于缺氧热分解的缘故。一般，一次风量为10～20%时，烟尘生成量最低。当一次风量过多时，由于着火后温度降低，燃烧不完全的结果，也使烟尘量增大。使燃烧过程中产生的烟尘在离开炉膛之前烧掉也是控制烟尘的重要课题。要使烟尘能够在炉膛内燃烬，除及时供给足够氧气外，还必须使烟尘在一定的温度条件下，停留一定的时间。第三节NOX的生成机理燃料燃烧过程中所生成的氮氧化物主要是NO和NO2，通常，把这两种氮氧化物合称NOX，而其中NO约占95%以上。燃烧用空气中的N2，是以三键氮（N≡N）形式存在，键能为945Kj/mol；燃料中的有机氮则以碳氮三键（C≡N）和单键（N-C和N-H）形式存在，其键能分别为791kJ/mol和450kJ/mol，因而燃料受热时，氮容易释出。至于燃烧反应介质，在碳氢化合物火焰中有两种：一种是在氧化性区域或火焰面上的碳氢化合物基团（HC）和燃料分子的碎片；另一种是在燃烧产物中的H、OH和O基团。由于氮的键能不同，以及与氮进行反应的介质成分的不同，因而有三种不同生成机理的NOX,即：（1）热力NOX：它是燃烧用空气中的N2在高温下氧化而生成的氮氧化物；（2）快速NOX：碳化氢系燃料在燃烧时分解，其分解的中间产物和N2反应生成的氮氧化物；（3）燃料NOX：燃料