燃煤烟气污染物脱除技术

燃煤烟气污染物脱除技术研究进展潘卫国中国动力工程学会环保专委会上海发电环保工程技术研究中心2012年3月22日学科简介上海电力学院电站污染物减排方向：行业特色明显，所在学科是上海市重点学科，是上海发电环保工程技术研究中心依托单位，长期从事污染物控制的研究。承担许多与此相关的国家级“973”、“863”和省市科技攻关项目和企业委托项目的支持与国内外科研机构和企业在大气污染物控制方面建立了良好合作关系在节能和燃煤污染物的脱除方面，曾获得10余项省部级科技进步奖。发表与方向有关的论文近二百篇，申请专利50余项。目录1能源与环境形势2烟气脱硫、协同脱硫/脱硝技术3烟气脱硝、除汞技术4结论4一,能源与环境形势5国家能源消费总量（亿吨油当量）占能源的比重%原油天然气原煤核能水力发电再生能源世界总计120.0233.5623.8129.635.226.461.32中国24.3217.624.0370.450.696.710.5美国22.8637.1927.1722.958.412.571.71俄罗斯联邦6.9121.3653.9413.585.575.510.01印度5.2429.6610.6352.960.994.810.95日本5.0140.2516.9924.713.223.851.02德国3.1936.0322.9123.949.951.355.82加拿大3.1732.326.687.396.4126.181.04韩国2.5541.4115.1429.813.10.310.2巴西2.5446.049.374.881.335.293.11法国2.5233.0416.724.7938.395.671.35伊朗2.1340.4757.980.5201.040.05英国2.0935.2540.4114.926.740.382.34沙特阿拉伯2.0162.4437.560000意大利1.7242.539.837.9706.513.26墨西哥1.6951.6936.664.970.774.911.01西班牙1.4949.7720.715.549.296.418.28印度尼西亚1.4042.5725.9328.1401.861.5南非1.2120.932.8173.372.560.250.08澳大利亚1.1836.0423.136.7202.881.27乌克兰1.189.8339.7530.8517.122.460土耳其1.1125.8831.6531.02010.550.9中国台湾1.1141.8111.4936.478.510.810.9泰国1.0846.5237.6313.7201.111.021.1能源形势2010年全世界一次能源消费总量为120.02亿吨油当量。我国一次能源消费总量为24.32亿吨油当量，其消费构成中煤炭占70.45%。6近7年中国发电总装机容量1.1能源形势7近二十年来我国平均供电煤耗变化1.1能源形势81.2环境问题中国以煤为主的能源结构，加之能源效率低，造成了日趋严重的环境问题。二氧化硫的排放90%是由燃煤引起的。历年SO2排放量火电厂排放的NOx占到40％左右1.2环境问题101.2环境问题据美国环保总署研究估计，燃煤烟气汞是人为汞污染物排放的最主要来源，约占三分之一。目前，中国年排放的汞300多吨，其中燃煤电厂约100多吨。图1我国1980-2009年二氧化碳排放量11二,烟气脱硫、协同脱硫/脱硝技术122.1湿法烟气脱硫技术：主要问题主要问题:脱硫效率不稳定石膏品质较差能耗高结垢腐蚀132.1湿法烟气脱硫技术:优化技术22422232221COOHCaSOOHOSOCaCO14塔内喷淋过程模拟塔内烟气流动反应过程模拟2.1湿法烟气脱硫技术:优化技术15塔内流场分布2.1湿法烟气脱硫技术:优化技术16塔内压力场分布2.1湿法烟气脱硫技术:优化技术17吸收塔烟气入口角的优化2.1湿法烟气脱硫技术:优化技术18喷淋层投运方式的优化2.1湿法烟气脱硫技术:优化技术19E-ED-DC-CB-BA-A塔内SO2浓度分布情况2.1湿法烟气脱硫技术:优化技术20亚硫酸钙氧化试验台2.1湿法烟气脱硫技术:优化技术21亚硫酸钙氧化速率随各因素的变化规律2.1湿法烟气脱硫技术:优化技术221.硫酸钠溶液2.连续可调进样器3.搅拌器4.电导率仪5.结晶器6.恒温水浴石膏结晶动力学试验台2.1湿法烟气脱硫技术:优化技术230510152025303540100002000030000400005000060000700008000090000电导率，s/cm反应时间t,min300C400C500C550C600C54321[CaCl2]=0.5mol/L[Na2SO4]=0.5mol/L05010015020025030035040001234567体积分率，%(V)粒径,m400C550C600C不同温度下电导率随时间变化曲线不同温度时石膏晶体的粒度分布2.1湿法烟气脱硫技术:优化技术2430℃下石膏晶体电镜照片50℃下石膏晶体电镜照片电厂现场脱硫石膏2.1湿法烟气脱硫技术:优化技术2505010015020025030035040001234567体积分率，%(V)粒径,m14231-0.01MMgCl2；2–0.01MAlCl3；3-0.01MFeCl3；4-0.01MMgCl2+0.01MAlCl3+0.01MFeCl3不同杂质离子对石膏晶体粒度的影响0102030405060708090100110120130140100002000030000400005000060000700008000090000电导率，s/cm反应时间t,min1-0.01MFeCl3+0.01MMgCl22-0.01MFeCl3+0.01MAlCl33-0.01MAlCl3+0.01MMgCl24-0.01MFeCl3+0.01MMgCl2+0.01MAlCl31243不同混合杂质离子电导率随时间变化曲线比较2.1湿法烟气脱硫技术:优化技术26A.无金属离子；B.0.02M镁离子；C.0.02M铁离子；D.0.02M镁离子+0.02M铁离子2.1湿法烟气脱硫技术:优化技术272.1湿法烟气脱硫技术:城市中水污泥在脱硫系统的应用某城市中水处理系统为两台1000MW机组配套工程，供应1000MW机组用水，设计处理水量4200t/h，每年处理水量可达1000万吨，中水处理采用石灰混凝处理，每年产生的污泥量在9000吨以上，此污泥的主要成分为CaCO3，而CaCO3作为脱硫原料，将中水处理产生污泥用于脱硫，可以降低环境污染，同时降低脱硫成本。28不同石灰石/污泥掺混比例对脱硫效率的影响29利用NaClO2、KMnO4、H2O2、O3、HClO3和自行开发的氧化剂将NO氧化为易溶于水的NO2并利用现在广泛应用的石灰石-石膏湿法烟气脱硫系统进行SO2和NOx的同时脱除对于实现我国火电厂大气污染物排放的综合治理、降低污染物控制系统的投资和运行费用具有重要的现实意义.2.2脱硫/脱硝协同脱除技术：氧化吸收技术302.2脱硫/脱硝协同脱除技术：氧化吸收技术O2N21Vent72NO2+N23456891.质量流量计2.混气箱3.挡板4.搅拌器5.pH计6.双搅拌釜反应器7.搅拌桨8.恒温水浴9.烟气分析仪310.010.111E-101E-91E-8NO=300ppmcB2/mol/LNA2/mol/sec/cm2NO=600ppmcE=0.01mol/LNO=800ppmNO=1000ppm添加剂浓度对吸收速率的影响2.2脱硫/脱硝协同脱除技术:氧化吸收技术300320340360380-500-450-400-350-300-250-200-150-100rHm/kJ·mol-1T/K反应（1）反应（2）.温度对反应焓变的影响计算与实验结果32三,烟气脱硝、除汞技术333.1NOx控制技术:组合式空气分级技术NOx还原燃烧完成高温还原燃烧发热SOFACCOFABurner=0.85～1.0(O2～0.3%)=1.15(O2=2.8%)＜高温＞NOxFuelN+O2NH3,HCN还原氧化氧化NOxCOH2ON2CO2＞1氧化343.1NOx控制技术:组合式空气分级技术强化着火煤粉喷嘴（WR）一次风浓淡分离紧凑燃尽风（CCOFA）偏置二次风燃尽风（SOFA）353.1NOx控制技术:组合式空气分级技术基于风粉闭环控制的低NOx燃烧技术，其基本思路是：以锅炉污染物NOx的排放和锅炉效率η为优化控制目标，通过闭环控制系统确保锅炉在不同工况下各层一次风风粉分配均匀和燃烧器区域二次风量与SOFA、CCOFA风量配比优化。363.1NOx控制技术:再燃技术37CatalystAirheaterEconBypassAIGNH3TankAqueousNH3SystemBlowerVaporizerCleanGasToStackStaticMixer(s)FutureCatalystHOTAIRFROMIDHXCOLDAIR3.1NOx控制技术:选择性催化（SCR)技术SCR烟气脱硝系统关键技术反应温度、空间速度、流场特征等对脱硝效率的影响规律催化剂的关键技术运行状态下对催化剂活性进行状态评估的技术3.1NOx控制技术:选择性催化（SCR)技术SCR烟气脱硝反应器优化设计•反应器设计•结构优化•优化设计软件123目标数值模拟计算物理模型验证系统优化设计3.1NOx控制技术:选择性催化（SCR)技术我国燃煤烟气特点SCR烟气脱硝催化剂研制燃煤电站运行特点消化国外催化剂技术目标•适合我国燃煤特点•具有自主知识产权•投资运行成本低性能测试配方优化化学设计物理设计3.1NOx控制技术:选择性催化（SCR)技术413.2烟气汞控制技术:实验与测试系统423.2烟气汞控制技术:实验与测试系统KCl冰浴箱HNO3/H2O2二价汞元素汞KMnO4/H2SO4硅胶瓶电加热器玻璃过滤器化学试剂瓶组滤桶加热箱内衬石英玻璃管取样枪石英玻璃取样头元素汞出口管热电偶433.2烟气汞控制技术:实验与测试系统多功能吸附实验台443.2烟气汞控制技术:试验研究1．炉膛2.屏式过热器3.低温过热器4.空气预热器5.风机6.取样点17.电除尘器8.取样点29.脱硫塔10.取样点311.烟囱试验电厂结构及烟气取样点示意图453.2烟气汞控制技术:试验研究电厂COG再燃、吸附剂喷射试验工况表工况负荷煤种1满负荷纯烧大同煤2满负荷大同煤：神府煤=3：23满负荷纯烧大同煤+COG再燃4满负荷大同煤:神府煤=3：15满负荷纯烧大同煤+COG再燃，喷射吸附剂量为50kg/h6满负荷纯烧大同煤+COG再燃，喷射吸附剂量为100kg/h7满负荷大同煤：神府煤=3：1，喷射吸附剂量为50kg/h8满负荷大同煤：神府煤=3：1，喷射吸附剂量为100kg/h463.2烟气汞控制技术:再燃试验研究工况1与工况3比较：在无气体再燃与有COG气体再燃的对比实验中,NOX排放浓度从615mg/Nm3降低到196mg/Nm3，再燃脱硝效果明显（达67%）。除尘器进口烟气中汞的形态分布43.29%21.71%35%Hg(0)Hg(2+)Hg(p)除尘器进口烟气中汞的形态分布32.51%12.85%55%Hg(0)Hg(2+)Hg(p)静电除尘器进口烟气中汞的形态分布(无气体再燃）静电除尘器进口烟气中汞的形态分布(COG再燃)47脱硫塔对烟气中汞的形态分布的影响3.2烟气汞控制技术:再燃试验研究483.2烟气汞控制技术:吸附剂喷射试验研究吸附剂现场喷射系统493.2烟气汞控制技术:吸附剂喷射试验研究79.60%87.8%74%76%78%80%82%84%86%88%90%50kg/h100kg/h吸附剂喷射量烟气汞脱除效率大同煤+COG情况下纯烧大同煤+COG下吸附剂喷射量对烟气汞脱除效率的影响70.70%84.5%60%65%70%75%80%85%9