电厂除尘设备对细颗粒物脱出效果邹议

研究生课程期末作业课程名称燃烧与污染物控制论文题目电厂除尘设备对细颗粒物脱除效果邹议学院能源与机械工程学院专业热能工程姓名周瑞兴学号14101052电厂除尘设备对细颗粒物脱除效果邹议摘要燃煤产生的细颗粒物粒径小、数量多、比表面积大等特征，因而在大气中停留时间长，且容易吸附各种有害的有机或无机化合物，对人体健康危害极大。因此，细颗粒物的控制尤其是燃煤电厂颗粒物控制成了大家关注的焦点之一。在我国随着经济的飞速发展，近年来全国多地雾霾笼罩，细颗粒物排放量大幅增加，作为细颗粒物主要排放源之一的燃煤电厂，了解其排放特性，并采取切实可行的控制措施，已刻不容缓。燃煤电厂现有的除尘设备对细颗粒物脱除效果也受到广泛的关注，本文将详述电厂现有除尘设备对细颗粒物的脱出效果。关键词：燃煤电厂；细小颗粒物；除尘设备一、引言1.1研究背景及意义根据我国《环境空气质量》（GB3095-1996）定义，粒径在0～2.5m段的颗粒称为细颗粒物（PM2.5），PM2.5又称为可入肺颗粒，能够进入人体的肺泡甚至血液系统中去，直接导致心血管病等疾病。目前已知的PM2.5对健康的影响包括:增加重病及慢性病患者的死亡率；使呼吸系统及心脏系统疾病恶化；改变肺功能及结构；改变免疫结构等方面。美国EPA研究表明，PM2.5具有更大的环境活性和危害；哈佛大学的一项研究证实PM2.5与死亡率之间的相关性明显高于PM10。研究还表明，PM2.5在大气中停留时间为7-30天，可以长距离传输造成大范围污染[1][2][3]。由于粒径小，比表面积大，与大颗粒相比，具有更强的吸附能力[4]。烟气中的铅、铬、镍、镉、锌、铜、钴等重金属元素和一些有机物污染物很容易在颗粒表面富集[5]。可吸入颗粒物能够直接进入人体的呼吸系统，特别是细颗粒物，由于粒径更小，能够直接进入到支气管和肺泡，甚至进入血液。这些细颗粒物会氧化、刺激肺部组织和粘膜，导致肺炎和肺纤维化，甚至可进一步诱发肺癌等疾病[6][7]。根据研究报告，我国城市中大部分PM2.5来自煤的燃烧过程，颗粒的排放与锅炉的炉型、功率、主要燃料和除尘分离器装置等因素密切相关。1.2国内外研究现状目前，对大气中细颗粒物的源解析、环境及健康评价的研究一直是热点问题。美国国家环保局1996年开始组织实施了“EMPACT”计划，该计划旨在通过系统研究思路和方案的确立，通过环保立法关注细颗粒物，提高民众的生存质量；美国国家自然科学基金委员会近期立项，对固定源和移动源的PM2.5颗粒的显微结构进行深入研究和源解析工作；美国肯塔基大学、犹他大学、密苏里大学联合对各种不同大小的燃烧源排放的超细颗粒进行多手段的分析工作；我国清华大学、北京大学、中国环境科学研究院大气所、中科院广州地化所、中科院高能物理研究所、中科院生态环境研究中心等单位也分别对细颗粒物的源解析、大气颗粒物显微组分分布与PAHs、大气颗粒物及气溶胶中元素富集因子、颗粒物沉降与降雨等方面开展了大量的研究工作。1999年我国国家环保科技发展指南中将细颗粒对人体的危害及防治列为研究方向之一，同时卫生部也颁布了居住区大气中可吸入颗粒物等14个环境卫生标准。九十年代以来，美英等国家相继开展了大气中PM2.5的物理化学表征、大气化学过程、健康效应及对气候的影响等方面的研究。作为以煤为主要能源的国家--中国的形式更严峻，至今还没有十分具体的细颗粒物排放标准。实际上，控制细颗粒物排放需要对一次颗粒和二次颗粒同时进行控制。在国内，目前对二次颗粒的控制是对通过抑制前期产物的生成，如对燃烧产生的有机物、硫化物、NOX和NH3进行控制，减少其排放量。具体措施有:通过选煤、燃煤工况的调整和尾部烟气处理将SO2和NOX的排放降到很低的水平；FGD系统对SO2的脱除可达到99%，对NOX的附带脱除率也超过70%；而选择性的非催化还原(SCR)可减少NOX达95%。对一次颗粒目前主要是通过尾部的污染控制装置(除尘器和脱硫装置)来脱除的，但由于传统的除尘器基于重力沉积和惯性沉积原理，在技术上有很大的局限性，对小于1Lm的粒子已经没有明显效果，对细颗粒物的捕获效率仅为20～40%，所以研究燃烧释放的一次颗粒物更为重要。二、电厂细颗粒物脱除技术2.1火电厂细颗粒物排放特点燃煤电厂排放的细颗粒物主要分为两类：（1）直接排出的一次细颗粒物，（2）一次细颗粒物通过复杂的大气物理化学过程生成的二次细颗粒物。经过实测表明，燃煤电厂经除尘、脱硫后排放的烟气中的颗粒物几乎全为PM10，其中的PM2.5所占的比重也较大。燃煤电厂排放到大气中的SO2、NOX等发生均相反应和非均相反应生成的硫酸根、硝酸根和铵根离子等形成的水溶性离子气溶胶，是火力发电厂排放的二次细颗粒物的来源。2.2湿式静电除尘器湿式电除尘器的工作原理：将水雾喷向放电极和电晕区、水雾在电极形成的电晕场内荷电后分裂进一步雾化、电场力、荷电水雾的碰撞拦截、吸附凝并、共同对粉尘粒子起捕集作用，最终细颗粒物在电场力的驱动下到达集尘极而被捕集，喷雾形成的连续水膜将捕获的粉尘冲刷到灰斗中排出。湿式电除尘器内由于有水雾液滴的存在，使得电极表面势垒发生了改变，与干式电除尘器相比，湿式电除尘器的电极更易于电子的激发。另外，水中的杂质离子在电场作用下，也易于越过表面势垒而成为发射离子。这些因素综合作用改变了电极放电效果，使之能在低电压下发生电晕放电。同时，由于水的比电阻较小，液滴与粉尘结合以后使得粉尘的比电阻下降，从而提高了湿式电除尘器的除尘效率.此外，湿式静电除尘器采用水流冲洗，不会产生二次扬尘。目前在国外电厂常采用的湿式电除尘器布置形式有以下3种：水平烟气独立布置。垂直烟气独立布置。垂直烟气与WFGD整体式设计。前2种布置方式需要专门的空间，第3种布置方式是近些年来最常用的，同时成本和运行费用也是最低的，占地面积也很小。而且与WFGD整体布置的湿式电除尘器还具有可靠性较高，没有活动内件，简化酸液收集、存储系统、优化清洗水喷雾冲洗且清洗水能直接作为补给水被WFGD所利用等优点。2.3其他复合除尘器2.3.1复合式除尘器目前国内外对可吸入颗粒物的脱除方法主要有静电与其它方式结合的方式，还有一种方式是在常规除尘器之前加上一个凝并器，使较小颗粒凝并成较大的颗粒，以达到常规除尘器的高效除尘范围。2.3.2静电与传统旋风除尘器相结合静电增强旋风分离器的基本思想是在旋风分离器空腔主轴上加入电晕极，在其周围能产生较高的电子密度和较强的电场力。纪万里等的实验显示，当风速为8m·s-1时，1μm粒径的分级效率从不加电时的35.5%上升到90.6%[8]。但是在实践中，这种方式容易出现两种机理的冲突。如入口风速增大，颗粒停留时间变短，静电作用降低，分级效率与旋风分离器的效率相似；风速太小的话，旋风作用减弱，如果风速太低，还会出现类似静电作用下的某段粒径分级效率“低谷”。2.3.3静电与颗粒层除尘器的结合颗粒层除尘器是利用粒状物料(通常是1.5～5mm石英砂)作为过滤介质净化烟气的除尘设备，在水泥、炼焦、化工和冶金业得到广泛运用。静电增强颗粒层除尘器包括粉尘荷电，颗粒层不带电场；粉尘不荷电或荷电较少，颗粒层带外部电场；粉尘预荷电，颗粒层带外部电场三种方式。其中在第三种方式中，粉尘颗粒在颗粒层中受到电场力和镜像电荷吸引力，这种布置对颗粒脱除作用最大。但是这种系统由于压损太大，过滤速度只能控制在较小范围内，所以体积庞大，而且清灰复杂。2.4.3静电与布袋结合的方法静电和布袋除尘是现在电厂利用最多的两种除尘方式。20世纪90年代开始美国电力研究所就开发出紧凑型混合颗粒收集器（COHPAC），即在原有静电除尘器后加一个脉冲布袋除尘器[9]。而且在这种方法中还可以在静电除尘器和布袋除尘器之间注入吸附剂，能协同脱除SO2、汞等污染物，提高吸附剂利用率，减少静电除尘器捕获灰粒的毒物含量，提高其经济价值。在美国能源部的资助下，美国能源环境研究中心又开发了一种结合更为紧凑的系统“先进混合除尘器(AHPC)”[10]。将静电除尘和布袋除尘集于一个腔内，把滤袋置于静电极板和极线之间，实现了真正的混合。这种系统体积更小，极板和滤袋材料的使用成倍减少。但是此技术的难点之一就是滤袋的保护。该系统于1999年7月在美国大石电厂对旋风燃烧锅炉产生的高比电阻飞灰进行了试验，试验测定其对0.01~50μm顺粒的脱除效率达到了99.99%，而且砷、锡、铅、镶已测不到。2.4细颗粒物凝并技术由于传统的除尘技术难以控制细颗粒物的排放，因而研究细颗粒物凝并促进技术具有重要的意义。细颗粒的凝并促进技术主要有：声凝并、电凝并、磁凝并、热凝并、湍流边界层凝并、光凝并和化学凝并。2.4.1电凝并电凝并是通过增加微细顺粒的荷电能力，促进细颗粒物以电泳方式到达飞灰颗粒表面的数量，从而增加颗粒间的凝并效应。微粒在电场中被极化而产生极化电荷，无论在非均匀电场（如电除尘器的电晕板附近），或在均匀电场（如电除尘器的近收尘极区域），粒子的偶极效应将使粒子沿着电力线移动，在很短的时间内就会使许多粒子沿电场方向凝结在一起，形成灰珠串型（亦称链式结构）的粒子集合体。粒子在电场中形成“灰珠串”的现象与粒子是否带电（自由电荷）无关。因为极化产生的电荷起源于原子或分子的极化。因而总是牢固地粘缚在介质上。它与导体上的自由电荷不同，既不可能从介质的一处转移到另一处，也不可能从一个物体传递给另一个物体，即使物质同时具有导电性。情形也是如此。若使介质与导体相接触，极化电荷亦不会与导体上的自由电荷相中合。因此，只要有电场的存在，粒子就会极化，就会有凝并现象发生。而且这种粒子的偶极效应不仅发生在电场空间，形成空间凝并。即使在电除尘器的收尘极板上，已释放电荷的粒子间仍由于极化作用的存在而凝并在一起[11][12]。电凝并理论与实验研究的核心是确定电凝并速率(电凝并系数)的大小，其研究目的是尽可能地提高微细尘粒的电凝并速度，使微细尘粒在较短的时间内尽可能地凝并而增大粒径，从而有利于被捕集。目前，应用电凝并技术收集亚微米粉尘是国内外气溶胶界的一个研究热点。2.4.2声凝并声凝并是指在声场作用下，气固两相物中的固相和气相之间会发生复杂的相互作用。一般来讲各种相互作用是同时进行的，使得微粒相互靠近并且最终凝聚。而多分散系统的气溶胶本身是一种表面能不稳定的体系，有相互凝结成较大颗粒的趋势，声波能加速颗粒的运动速率，增加了粒子的碰撞几率，从而使气体中的微粒聚集成较大的颗粒，易于被捕集。声波的频率和强度对凝并有一定的影响[13]，高频和低频对收尘都有一定的效果。实验室的声波除尘装置由声波发生器、声凝并箱和分离器组成。声凝并方法收集亚微米粉尘是有效的，曾一度引起除尘界的极大关注，但是对于高频来说，为了产生几十甚至十百千赫的声波，需要解决高能耗的问题，同时还需要消除噪声的危害。因此，如何产生低成本的有效声场，也是高频声能消烟除尘技术能得以应用的重要研究课题。也正是因为这个原因，到目前尚来制造出实用的声波除尘器。2.5.3其他凝并技术热凝并又称为热扩散凝并，是指超细颗粒物在没有外力、温度较高的环境下产生明显的成核和凝并的现象。由布朗运动(扩散)导致气溶胶粒子互相接触而合并的过程叫热凝并，也是最常见的一种凝并方式。通常情况下，对于烟尘浓度高，粒径相差较大的颗粒物，热凝并的效果比较明显[14]。Hinds计算了典型的热团聚过程的团聚速率值为10cm3/sec[15]，对于常温下单分散性的球形尘粒，如将其计数浓度为106粒·cm-3降至104粒·cm-3。也就是说让尘粒的体积等效径增2.2倍，忽略重力沉降和边壁效应，按经典的热凝并方程计算，其凝并时间约为9小时以上。由于热团聚过程缓慢，难以到达有效分离细微粉尘的实际要求，因此难于在工业中得到应用。磁凝并指的是强磁性颗粒经磁场作用，即磁选或预磁后，由于其剩磁的相互作用而产生的凝并现象。研究表明，磁凝并除尘对收集亚微米粒子的效率是极高的。而且磁凝并也广泛应用于工业废水的处理当中。湍流凝并是指超细颗粒物在湍流的射流中有明显的成核和凝聚现象，而且成核和凝聚的颗粒将进一步长大。边界层