（热能工程专业论文）新型颗粒层除尘脱硫系统的研究.pdf

摘要 颗粒层过滤技术和活性炭脱硫技术在各个方面已经得到了广泛 的应用，在性能上已表现出了优越性，但在机理和结构方面有待进一 步研究。本文从颗粒层除尘和活性炭脱硫的实验和机理方面着手，目 的是在理论上和技术上有所突破，为开发基于颗粒层过滤技术和活性 炭干法脱硫技术的新型除尘脱硫系统奠定基础，开发出能连续稳定运 行、高效率的新型颗粒层除尘脱硫系统。 本文从尘粒在颗粒层流场中的动力学出发，建立了颗粒层过滤机 理的数学描述，揭示了颗粒层过滤过程的菲稳态特性，为颗粒层过滤 的发展提供了一定的理论依据；本文还对活性炭的结构和脱硫机理进 行了分析。以固定床颗粒层为主要研究对象，通过实验研究固定床颗 粒层过滤性能及活性炭脱硫性能的影响因素。 本文对开发能连续稳定高效运行的新型颗粒层除尘脱硫系统提 出构想，并对系统中的核心装置一新型固定床颗粒层除尘器进行了结 构设计和性能分析，为新型颗粒层除尘脱硫系统的工程实验提供理论 和技术依据。 关键词；颗粒层过滤，干法脱硫，除尘技术，固定床除尘器， 活性炭脱硫 a b s t r a c t g r a n u l a rf i l t r a t i o na n da c t i v a t e dc a r b o nd e s u l f u r i z a t i o nh a db e e na p p l i e d e x t e n s i v e l yd u et oi t ss u p e r i o r i t ya tp e r f o r m a n c e ，b u ti t sm e c h a n i s ma n ds t r u c t u r e r e m a i nt ob es t u d i e df u r t h e r s e t t 咄a b o u tf r o mt h ee x p e r i m e n t sa n dm e c h a n i s m so f d u s t - r e m o v a la n dd e s u l f u r i z a t i o n ，t h ea i mo ft h i ss t u d yi st ob r e a kt h r o u g hi nt h e o r y a n dt e c h n o l o g y ，t oe s t a b l i s ht h ef o u n d a t i o nf o rd e v e l o p i n gt h en e w - t y p ed u s t - r e m o v a l a n dd e s l l l f u r i z a t i o ns y s t e mo nt h eb a s i so fg r a n u l a rf i l t r a t i o na n da c t i v a t e dc a r b o n d e s u l f u r i z a t i o nt e c h n o l o g y ，a n dt od e v e l o pn e w - t y p eh i g h - e f f i c i e n c yd u s t - r e m o v a la n d d e s u l f u r i z a t i o ns y s t e mw i t hg r a n u l a rb e d , w h i c hc a nr u ns t e a d i l ya n dc o n t i n u o u s l y o nt h eb a s i so f t h ep a r t i c l ed y n a m i c s ，t h ef i l t e r i n gm e c h a n i s mi nt h eg r a n u l a rb e d f i l t e ri sd e s c r i b e di nm a t h e m a t i c s ，a n dt h ec h a r a c t e r i s t i e so f u n s t e a d i n e s si sd i s c o v e r e d ， w h i c hp r o v i d et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rt h ed e v e l o p m e n to fg r a n u l a rb e df i l t e r t h e t h e s i sh a sa n a l y z e dt h es t r u c t u r ea n dd e s u l f u r i z i n gm e c h a n i s mo fa c t i v a t e dc a r b o n t h ef i x e db e dg r a n u l a rf i l t r a t i o ni st a k e na st h em a i nr e s e a r c ho b j e c t ，a n dt h e i n f l u e n c ef a c t o r so ff i l t e r i n g p e r f o r m a n c ea n da c t i v a t e dc a r b o nd e s u l f a r i z a t i o n c a p a c i t ya l es m d m dt h r o u g he x p e r i m e n t s a ni d e at od e v e l o pan e wk i n do fg r a n u l a rd u s t - r e m o v a la n dd e s u l f u r i z a t i o n s y s t e mi sp u tf o r w a r d ，w h i c hs h o u l db eh i g h - e f f i c i e n ta n ds t e a d y t h ec o r es e t t i n gi n s y s t e mi sn e w - t y p e f i x e db e d g r a n u l a rf i l t r a t i o n ，a n d i t ss t r u c t u r ed e s i g na n d p e r f o r m a n c ea n a l y s i sw e r ed o n e ，w h i c hp r o v i d et h e o r ya n dt e c h n o l o g yt o t h e e n g i n e e r i n gt e s to f n e w k i n do f g r a n u l a rd u s t - r e m o v a la n dd e s u l f u r i z a t i o ns y s t e m k e y w o r d s ：g r a n u l a rf i l t r a t i o n ，d r yd e s u l f u r i z a t i o n ，d u s t - r e m o v a lt e c h n o l o g y f i x e db e df i l t e r ，a c t i v a t e dc a r b o nd e s u l f u r i z a t i o n i i 主要符号表 坎宁汉( c t m n i n g h a m ) 修正系数 入口含尘浓度，k g ，m 3 尘粒扩散系数，m 2 s 颗粒直径，m 尘粒直径，m 尘粒间隔中点粒径，m 颗粒层除尘器运行参数 粉尘尘粒个数频率 重力加速度，m s 2 重力参数 粉尘尘粒质量频率 进口粉尘尘粒质量频率 出口粉尘尘粒质量频率 玻耳兹曼常数，k = 1 3 8 x 1 0 。2 3 ，k 颗粒层厚度，m 气体摩尔质量，k g 介质颗粒层单元层数量 尘粒数目浓度，1 m 气体压力，p a 颗粒层过滤过程总压损，p a 洁净颗粒层压损，p a 颗粒层过滤状态的压损，p a p e c l e t 数 i l i c c d 略以厂正 g g 舒 乱 如 七 三 m m p 廿 艘 廿 只 气体常数，j ( 姆k ) 拦截参数 雷诺数 s t o k e s 数 绝对温度，k 尘粒半径，m 颗粒介质半径，m 表观过滤速度，1 1 1 ，s 颗粒层表面与颗粒层中任意点的距，m 流函数 颗粒层孔隙率 颗粒层过滤器效率 分级过滤效率 扩散效率 重力沉降效率 惯性碰撞效率 拦截效率 单球体捕集效率 气体密度，k g m 3 尘粒密度，k g m 3 流体动力粘度，p a s 分子平均自由程，m 张驰时间，s 磊阻力修正系数 v r 日兄 & r 0 0 z 甲 占 叩 珊 研 仇 p 砟 旯 f 卣 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和 汇编本学位论文。 保密口 本学位论文属于，在年我解密后适用本授权书。 不保密团 一签三戮 po 牛序月、口 ，证日 多 哆月 多 瓦簿 名签师教导指 独创性申明 y 1 0 1 3 8 6 1 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全 意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 月飞日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 前言 能源与环境是当今世界上备受瞩目的两大问题。 能源是创造现代工业文明的动力。，但是，从钻木取火到蒸汽机，再到火力发 电，能源利用过程中的“熊熊烈火”也把数以亿吨计的废气和废物排入大气之中， 从而造成了今天困扰世界的酸雨问题、臭氧层空洞问题、温室效应问题以及烟尘 问题等一系列大气环境问题。这些问题已经严重地破坏了地球的生态系统和人类 的生存条件。 我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国。在能源消费中以煤为主，其中 2 0 0 2 年，煤炭消费占到6 6 5 。燃煤释放的s 0 2 ，占全国排放总量的3 5 ，c 0 2 占3 5 ，n 0 2 占6 0 ，烟尘占7 5 。我国酸雨区由南向北迅速扩大，己超过国 土面积的4 0 。1 9 9 8 年酸雨沉降造成的经济损失约占g n p ( 国民生产总值) 的 2 【l 】。 为了控制s 0 2 及酸雨的污染，1 9 9 8 年1 月经国务院( 国函【1 9 9 s 15 号) 批 准。在全国范围内划定了酸雨控制区( 8 0 1 0 4 k m 2 ) 和s 0 2 控制区( 2 9 x 1 0 4 k m 2 ) c 2 l 。国务院要求两控区的控制目标为：到2 0 1 0 年，二氧化硫捐 放总量控铺在2 0 0 0 年排放水平以内；城市环境空气二氧化硫浓度达到国家环境质量标准，酸雨控制 区降水p h 值小于4 5 的面积比2 0 0 0 年有明显减少。国家环保总局要求两控区所 有电厂安装脱硫设备，同时，对火电厂开征二氧化硫排污费，标准为2 0 0 元t ， 超标另计。 2 0 0 0 年4 月2 9 日通过的中华人民共和国大气污染防治法进一步规定“新 建、扩建排放二氧化硫的火电厂和其他大中型企业超过规定的污染物排放标准 或者总量控制指标的，必须建设配套脱硫、除尘装置或者采取其他控制二氧化硫 排放、除尘的措施。” 为了大幅度减少火电厂大气污染物的排放，我国于2 0 0 3 年1 2 月公布了新修 订的火电厂大气污染物排放标准，新标准中二氧化硫和烟尘的控制限制 已经逐渐接近了发达国家和地区的排放限制。 l 江苏大学硕士学位论文 为了实现能源与环境的协调发展，高效率、低污染的新一代洁净煤发电技术 如煤气化联合循环发电( i n t e g r a t e dg a s i f i c a t i o nc o m b i n e dc y c l e ，i g c c ) 、煤气化 燃料电池( m o l t e nc a r b o n a t ef u e lc e l l ，m c f c ) 和加压流化床燃烧联合循环发电 ( f l u i d i z e db e dc o m b u s t i o n - - c o m b i n e dc y c l e ，p f b c - - c c ) 备受青睐。i g c c 技 术可以把电厂发电效率由原来的不到4 0 提高到4 0 以上，若采用先进的燃气 透平更可将发电效率提高到4 5 ：m c f c 技术效率更高，可以提高到6 0 p 】。 因此，这些技术被称为二十一世纪最有吸引力的发电技术。 1 2 烟尘和二氧化硫的污染状况及其危害 1 2 1 烟尘的污染状况及其危害 颗粒物仍是影响空气质量的首要污染物，但总体比2 0 0 3 年有好转趋势。4 6 8 的城市颗粒物超过二级标准，比2 0 0 3 年增加1 2 个百分点；超过三级标准的城市 占1 4 3 ，比上年减少6 9 个百分点。颗粒物污染较重的城市主要分布在山西、内 蒙古、辽宁、河南、湖南、四川及西北各省( 自治区) 1 4 。 颗粒物的影响，不仅取决于颗粒物的浓度和在其中暴露的时间，还在很大 程度上取决于它的组成成分、理化性质、粒径和生物活性等。 要想获得在不同浓度颗粒物中暴露所产生的对人体健康影响的直接关系是 极其困难的。至今还不得不依赖于对住院、门诊、因病缺工缺课和死亡等数据的 统计分析及有关课题的实验研究数据，研究颗粒物浓度和暴露时间对人体健康的 影响。这些数据确实能表明，因上呼吸道感染、心脏病、支气管炎、气喘、肺炎、 肺气肿等疾病而到医院就诊人数的增加与大气中颗粒物浓度的增加是相关的。患 呼吸道疾病和心脏病老人的死亡率也表明，在颗粒物浓度一连几天异常高的时期 内就有所增加。累积起来的例证表明，大气中的不少颗粒物是致癌性物质，与吸 烟结合在一起时尤其如此。 人们也观察到，暴露在合并有其他污染物( 如s 0 2 ) 的颗粒物中所造成的健 康危害，要比分别暴露在单一污染物中严重得多。 颗粒物的成分和理化性质是对人体危害的重要因素。有毒的金属粉尘和非 金属粉尘( 铬、锰、镉、铅、汞、砷等) 进入人体后，会引起中毒以至死亡。例 如，吸入铬尘能引起鼻中隔膜溃疡和穿孔，肺癌发病率增加；吸入锰尘会引起中 江苏大学硕士学位论文 毒性肺炎；吸入镉尘能引起心肺机能不全。无毒性粉尘对人体亦有危害。例如含 有游离二氧化硅的粉尘吸入人体后，在肺内沉积，能引起纤维性病变，使肺组织 逐渐硬化，严重损害呼吸功能，发生“矽肺”病。 颗粒的粒径大小是危害人体健康的另一重要因素。它主要表现在两个方面： ( 1 ) 粒径越小，越不易沉积，长时间漂浮在大气中容易被吸入体内，且容易深 入肺部。一般，粒径在1 0 01 - tm 以上的尘粒会很快在大气中沉降，1 0u1 1 1 以上的 尘粒可以滞留在呼吸道中；5 1 0l - tm 的尘粒大部分会在呼吸道沉积，被分泌的 粘液吸附，可以随痰排出：小于5i tm 的微粒能深入肺部，o 0 1 t 0 1um 的尘粒， 5 0 以上将沉积在肺腔中，引起各种尘肺病。( 2 ) 粒径越小，粉尘比表面积越大， 物理、化学活性越高，加剧了生理效应的发生与发展。此外，尘粒的表面可以吸 附空气中的各种有害气体及其他污染物，而成为它们的载体，如可以承载强致癌 物质苯并【a 芘及细菌等。特别是含有重金属的可吸入颗粒物能促进大气中的各种 化学反应，形成二次污染物。 1 2 2 二氧化硫的污染状况及其危害 1 2 2 1 二氧化硫的污染状况 二氧化硫( s 0 2 ) 是目前大气污染物中数量较大、影响范围较广的一种气态 污染物。大气中s 0 2 的来源很广，几乎所有工业企业都可能产生。它主要来自化 石燃料的燃烧过程，以及硫化物矿石的焙烧、冶炼等热过程。火力发电厂、有色 金属冶炼厂、硫酸厂、炼油厂以及所有烧煤或油的工业炉窖等都排放s 0 2 烟气。 大气中的s 0 2 在有水雾、含有重金属的悬浮颗粒物或氮氧化物存在时，会发 生一系列化学或光化学反应而生成硫酸雾或硫酸盐气溶胶，称其为硫酸烟雾。硫 酸烟雾引起的刺激作用和生理反应等危害，要比s 0 2 气体大得多。 我国煤炭资源丰富，煤产量居世界第一。但大部分煤炭中含硫量较高，煤中 的硫在燃烧过程中，除部分( 约占5 1 0 ) 残留在灰分中外，绝大部分与氧 化合而首先形成s 0 2 ，部分生成s 0 2 与0 2 结合生成s 0 3 ，s 0 2 污染十分严重。 据环境2 0 0 4 中国环境状况公报报道【4 】，2 0 0 4 年，全国废气中二氧化硫排放总量 达2 2 5 4 9 万吨，全国5 2 7 个市( 县) 降水的年均p h 值范围为3 0 5 ( 湖南省吉首 市) 8 2 0 ( 甘肃省嘉峪关市) 。出现酸雨的城市2 9 8 个，占统计城市的5 6 5 。 江苏大学硕士学位论文 降水年均p h 值小于5 6 的城市2 1 8 个，占统计城市的4 1 4 ，其中湖南省长沙、 常德、吉首，广东省韶关，江西省高安降水年均p h 值小于4 0 ，降水酸度较强； 酸雨频率大于4 0 的城市占统计城市的3 0 1 ，其中湖南常德、江西德兴、浙江 丽水、安吉、开化酸雨频率为1 0 0 。 1 2 2 2 二氧化硫的危害 s 0 2 是一种无色有刺激性气味的气体，密度为1 4 3 3 7 k g m 3 ，熔点为7 6 1 ， 沸点为1 0 c ，易溶于水。在空气中的浓度达到( 0 3 1 0 ) 1 0 6 时，人们就会 闻到一种气味。s 0 2 在大气中经光化学作用或经催化，会部分地变成s 0 3 ，或转 化成硫酸及其盐类。硫氧化物与颗粒物和水分同时存在于受污染的大气中，将会 造成更大的危害，几乎没有流行病学方面的研究能适当地区分开这些污染物的影 响。 包括人类在内的各种动物，对s 0 2 的反应都会表现为支气管收缩。这可从气 管阻力稍有增加判断出来。一般认为，空气中s 0 2 浓度在o 5 1 0 。6 以上，对人 体健康已有某种潜在性影响，( 1 3 ) 1 0 时多数人开始受到刺激，1 0 x 1 0 6 时刺激加剧，个别人还会出现严重的支气管痉挛。许多流行病学的研究分析清楚 地表明，与颗粒物和水分结合的硫氧化物是对人类健康影响非常严重的危害。 当大气中的s 0 2 氧化形成硫酸和硫酸烟雾时，即使其浓度只相当于s 0 2 的 1 1 0 ，其刺激和危害也将更加显著。据动物实验表明，硫酸烟雾引起的生理反应 要比单一s 0 2 气体强4 2 0 倍。 酸雨可使水体、土壤酸化，鱼虾绝迹，树木枯萎死亡，森林大量减少。酸雨 还腐蚀和损害各种露天设备、名胜古迹和建筑物等。酸雨已成为制约地方经济发 展的主要因素之一。削减s 0 2 的排放，控制酸雨污染的发展，已刻不容缓。 1 3 烟尘和二氧化硫污染的控制技术 1 3 1 烟尘污染的控制技术 烟尘污染是视觉可见的，最易引起人们反感，甚至引起纠纷的污染，因而首 先引起人们的重视。自2 0 世纪5 0 年代以来，有些国家通过各种途径包括改变燃 料结构，改进燃烧装置及安装除尘装置，以减小烟尘的污染。特别是近年来，通 江苏大学硕士学位论文 过对城市的能源政策和能源消费结构的调整，使我国城市的烟尘污染状况有所好 转，但总的来说没有得到根本改善。 目前常用的除尘装置主要有：袋式除尘器、电除尘器、旋风除尘器、喷淋塔、 稳丘里洗涤器、冲击式除尘器和水膜除尘器等。 2 0 世纪8 0 年代以后，我国开始在火电厂推广电除尘器，2 0 世纪9 0 年代以 来，不仅新上大型机组都采用电除尘器，而且对一些老的5 0 m w 火电机组的烟 气除尘也都逐渐采用电除尘器。 目前，大多数工业锅炉和采暖锅炉的燃煤烟气除尘仍采用麻石水膜除尘器、 旋风除尘器、多管旋风除尘器等中效除尘器，除尘效果较差。 颗粒层除尘器是利用物理和化学性质非常稳定的固体颗粒( 如砂粒) 组成过 滤层，实现对气体或液体的过滤。它具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损、不燃不爆、 过滤能力不受粉尘比电阻影响、除尘效率高等优点，被认为是一种理想的空气挣 化设各，越来越多地应用于水泥、炼焦、化工、冶金和高温燃气净化等方面。 常见的高温除尘技术主要有旋风除尘、高温静电除尘、陶瓷织状物过滤除尘、 刚性陶瓷过滤除尘、金属毡过滤除尘、颗粒层过滤除尘、液态金属湿法洗涤等技 术。其中，颗粒层过滤除尘技术在高温除尘方面更具发展前途。 1 3 2 二氧化硫污染的控制技术 1 3 2 1 概况 目前，控制燃煤排放二氧化硫的工艺已有几百种，按其在燃烧过程中所处的 位置将其分为燃烧前、燃烧中和燃烧后脱硫三大类。其中技术成熟、运行可靠、 己经实现商业化的脱硫技术主要有：燃用低硫煤、洗煤、煤炭的气化和液化：型 煤、循环流化床燃烧技术；燃烧后烟气脱硫技术。就目前的技术水平和现实能力 来讲，燃烧后脱硫技术( f g d ) 仍是降低二氧化硫排放量的最实用、最有效的手 段，也是世界上唯一大规模的商业化应用的二氧化硫控制技术。 1 3 2 2 燃烧前脱硫技术 煤燃烧前脱硫即“煤脱硫”，是通过各种方法对煤进行净化，去除原煤中所 含的硫分、灰分等杂质。选煤技术有物理法( 应用最广泛的是跳汰选煤，其次是 江苏大学硕士学位论文 重介质选煤和浮选。近期研究较多的技术是高梯度强磁法和微波辐射法选煤技 术) 、化学法( 碱法脱硫、气体脱硫、热解与氢化法脱硫等) 和微生物法三种。 煤的物理法只能从煤炭中分离出物理性质不同的物体，它不能分离以化学状 态存在于煤中的硫，所以燃煤脱硫工艺及其效率取决于硫在煤中的赋存特点。新 型的物理洗选技术首先需要把煤粉磨得更细，使更多的杂质从煤炭中分离，其脱 硫效率可以达到9 0 以上。 1 煤的化学法脱硫可获得超低灰低硫分煤，但由于化学选矿法工艺要求苛刻， 流程复杂，投资和操作费用昂贵，而且发生化学反应后对煤质有一定的影响，在 一定程度上限制了它的推广和应用。 煤炭微生物脱硫是在细菌浸出金属的基础上应用煤炭工业的一项生物工程 新技术。国际上以美国为中心最早开展煤炭微生物脱硫技术研究，美国a r 陋c h 公司研究的c b i 菌株，在实验室可脱去1 8 4 7 的有机硫。而美国煤气技术研 究所筛选的i g t s 7 混合菌，能脱除有机硫达9 1 ，使硫从2 2 5 降至0 2 0 5 。 日本中央电力研究所从土壤中分离出一种铁氧化硫杆菌，能有效除去煤中无机 硫，同时在水煤浆中添加丝状菌霉素成功的脱除煤中硫。美国、荷兰等国均报道 了半工业试验成果，而国内同类研究工作还处于起步阶段。目前我国广泛采用的 是物理选煤方法。 1 3 2 3 燃烧中脱硫 燃烧中脱硫主要是在煤的燃烧过程中加入石灰石或白云石粉做脱硫剂， c a c 0 3 、m g c 0 3 受热分解生成c a o 、m g o ，与烟气中s 0 2 反应生成硫酸盐，随 灰分排出，从而降低s 0 2 的污染。在我国，采用燃烧中脱硫的技术主要有两种一 一型煤固硫和流化床燃烧脱硫。 1 ) 煤固硫技术 固硫型煤是用沥青、石灰、电石渣、无硫纸浆黑液等作粘结剂，将粉煤经机 械加工成一定形状和体积的煤。型煤分为民用型煤和工业型煤两类，后者主要用 于工业锅炉、窑炉等。型煤燃烧时，可固硫5 0 ，减少烟尘6 0 ，并节煤1 0 n 1 5 。我国近十几年来对工业型煤固硫技术开展了研究，相继在重庆、洛阳、贵 阳、北京、太原等地建设了工业型煤厂；在集中成型基础上开发的集中配煤、炉 前成型技术已在兰州、北京、天津等地部分推广。目前工业型煤的年产能力达 6 江苏大学硕士学位论文 5 5 0 万吨，较多地用于中小型锅炉上。 2 ) 流化床燃烧技术 流化燃烧脱硫是把粒径8 m m 以下的碎煤和脱硫剂( 石灰石粉) 加入燃烧 室的床层中，从炉底鼓风使床层处于流化状态进行燃烧和脱硫反应，可获得高的 燃烧效率和高的脱硫率。并且当流化速度一定时，脱硫率随c a s 摩尔比增加而 增加r 当c a s 一定时，脱硫率随流化速度降低而升高。我国自2 0 世纪6 0 年代 t 初开始研究和开发循环流化床燃烧锅炉( c f b ) ，已经历了4 个阶段：第一阶段， 研究开发中小型流化床工业锅炉，目前全国用量达3 0 0 0 多台；第二阶段，研究 开发电站用c f 色锅炉，目前我国已有多于7 0 m w 机组在正常运行；第三阶段， 研制煤气与蒸汽联产的流化床锅炉，1 9 9 4 年投入运行了一台3 5 t h 的示范炉；第 四阶段，研制以流化床气化和燃烧为基础的燃气一蒸汽联合循环发电技术，已在 徐州贾旺电厂安装了示范装置。 1 3 2 4 燃烧后烟气脱硫技术( f g d ) 烟气脱硫按其所用处理烟道气的介质是固态还是液态可以分为干法和湿法。 湿法是用液体吸收剂来洗涤烟气，以吸收废气中的二氧化硫。根据中和产物是否 回收利用，湿法脱硫又可分为抛弃法和再生法。干法是用固态的粉状或粒状的吸 收剂、吸附剂或催化剂来脱除废气中的二氧化硫。目前世界上在烟气脱硫装置的 数量、容量和技术水平上日本和美国居领先地位。这两个国家的烟气脱硫大多采 用湿法烟气脱硫技术，其中石灰或石灰石湿式洗涤法的比例都占一半以上，在美 国甚至达到了8 5 1 s 1 以上。我国对烟气脱硫也进行了大量的研究并取得了相当的 进展，据中国环境报报道【6 1 ，大唐国际陡河发电厂8 号机组( 2 0 万k w ) 石 灰石一石膏湿法烟气脱硫设施顺利完成1 6 8h 试运行，这是国内首次采用具有自 主知识产权的脱硫专利技术，是完全用国产脱硫技术进行工程设计和建设的工 程。但我国目前在电厂烟气脱硫方面有较好效果的仍是引进的国外设备和技术， 并在此基础上发展了烟气脱硫技术。这些烟气脱硫技术中，循环喷雾干燥法系统 简单、设备不易腐蚀、结垢及堵塞，投资费用低，占地面积小等优点。但循环喷 雾干燥法的脱硫效率低、吸收剂利用不完全，且单机容量小，因此，目前主要用 于中小型的烧低硫煤的锅炉。石灰或石灰石湿式洗涤法脱硫效率高、吸收剂成本 低廉易得、所得的产物石膏可以作为建筑材料，且含硫量越高效益越好，但石灰 7 江苏大学硕士学位论文 或石灰石湿式洗涤法需消耗大量的水，且容易造成结垢堵塞，加添加剂( 氯化钙、 镁离子、乙二酸、氨) 等虽能防止结垢，但这又增加成本。石膏若销路不好，仍 旧造成固体排放物的堆积问题，造成二次污染。因此，在我国可用于西南或华南 水量丰富且煤含量高的燃煤电厂的脱硫。循环流化床脱硫的效率高，但目前只开 发出最大3 0 m w 的锅炉，故只能适用于单机容量较小的工业锅炉。海水脱硫的 效率也较高，但其显然只能在沿海使用。活性炭吸附烟气脱硫的效率尽管一级只 能达到7 0 多，但二级能达到9 0 【_ “。活性炭在净化垃圾焚烧尾气的试验中实现 了脱硫的同时还能实现脱硝、脱氯，并且效率分别达到8 3 、8 8 和2 7 i s j 。活 性炭吸附烟气脱硫操作简单，占地面积小，运行费用低，无二次污染，但目前国 内没有大规模应用的例子，其技术运行指标有待考察。电子柬法若仅用于脱硫则 成本太高，且此法技术含量高，关键设备电子加速器和电子束反应器【9 ，l o 】的国产 化还未完全解决。由于烟气脱硫的基建投资巨大，因此，降低脱硫设备的初始投 资及运行费用，使系统结构简化，体积减少，高效节能是目前烟气脱硫技术领域 的主要研究方向。 1 3 3 烟气脱硫技术的比较 表1 - 3 几种主要脱硫工艺的比较1 1 1 石灰石 旋转 海水脱硫电子束 炉内喷钙 循环流 工艺系统厢蕾 喷雾半干法加增湿活化 化床干法 湿法烟气脱硫 适用煤种适用 2 5 ( 成都 含硫量鸬广泛 2 1 2 9 0 8 0 左右 9 0 9 0 左右 6 5 8 08 5 9 0 副产品种类石膏 亚硫酸钙硫酸铵，硝脱硫废渣亚硫 及状态 ( 湿)( 半干)酸铵( 干)( 半干)酸钙 副产品出路用途广可利用难利用可利用可利用 厂用电率 l 1 5 ll 1 , 2 1 3 时，对黏性流，n i e l s e n 和h i l l 给出对球体的惯性碰撞效率经 验式 篙糌 协 2 1 2 2 扩散效应 当尘粒很小( d 。 l k n n ) ，这些粒子在随气流运动时就不再沿流线绕流捕集 体，此时，扩散效应将起作用。 粒子向捕集体的扩散过程十分复杂，其扩散效率通常是捕集体绕流雷诺数 r e 和粒子p e c l e t 数心的函数。p e c l e t 数定义为 亍警 沼1 0 ) 式中，常数d 为扩散系数，i n 2 s 。对于d 。 l l z m 粒子的布朗扩散，斯托克斯一 爱因斯坦公式给出 d = 船，3 州。 ( 2 1 1 ) 当d p 时，l a n g m u i r 给出 。= 嚣( 等) 啦 对球体的扩散效率，在r e l ，p e l 的黏性流中，q 抵d 给出 r d = 4 1 8 r e 班p e 砷 ( 2 - 1 3 ) 当考虑周围有其他球体存在时，p f e f f e r 给出 = 4 a s 邶n 邶 ( 2 一1 4 ) 式中，一。= 兰垒i j 童e ，m = 2 3 伊+ 3 妒5 2 伊6 ，p = 1 - 6 ) 啪 ( 2 1 5 ) 2 1 2 3 拦截效应 拦截机理认为：粒子有大小而无质量，因此，不同大小的粒子都跟着气流的 江苏大学硕士学位论文 流线而流动，如图2 2 所示，当尘粒沿气流流线向介质颗粒运动时，气流流线距 介质颗粒表面的距离在尘粒的半径范围内，则尘粒与介质颗粒接触并被捕集。尘 粒在介质颗粒上的直接拦截，一般刚好发生在颗粒距介质颗粒表面k 的距离内。 当尘粒惯性很大时，即惯性碰撞参数s t k 呻o 。时，尘粒都沿着直线运动，距介质 颗粒表面距离在，n 以内的尘粒将与介质颗粒接触而被捕集；当尘粒的惯性很小 时，即惯性碰撞参数癣 斗0 时，尘粒随着气流沿流线运动，若尘粒的中心距介 质颗粒的距离在l 以内，则尘粒将与介质颗粒接触而被捕集。这根流线就是该粒 子的运动轨迹，在此流线以下范围为，、大d , n 为厶的所有粒子均被拦截。于是， 这根流线是离捕集体最远处能被拦截粒子的运动轨迹，即极限轨迹。 。鲔 li 随 、 一 捕集体 一 图2 2 拦截效应 捕集体为半径0 的球体，其效率为 酽乓(2-16)。1 0 对于绕静止球体的势流，由流函数表达式( 2 2 ) ，得出球体对粒子的拦截效 室 铲( 1 + r i ) 2 一丽1 式中，马一拦截参数，马= 。 对于绕静止球体的黏性流，由流函数表达式( 2 4 ) ， 效率 ”( 1 + 墨) 2 一扣r ) + 丽1 ( 2 1 7 ) 得出球体对粒子的拦截 ( 2 1 8 ) 江苏大学硕士学位论文 2 1 2 4 重力沉降作用 若尘粒的终末重力沉降速度与气流速度相比大得可观的话，则重力沉降可能 成为有效的捕集机制。当含尘气流水平运动时，质量较大的尘粒可能因重力作用 而沉降到捕集体上；当含尘气流垂直向下朝捕集体运动时，重力作用能增强捕集， 反之若向上运动时则会减弱捕集。只有当尘粒质量较大，气流速度较小时，重力 沉降的作用才比较明显。 当气流方向与重力沉降方向一致时，有 = 是= 芝 (219)g v o + 曙 1 + 式中，g 一重力参数，g = 曙。 若是水平流，则 ：善( 2 - 2 0 ) 叩。2 了亏尹 若是上升流，则 ，7 g = 堡墨= g 一1 ( 2 2 1 ) v 0 2 1 2 5 多种机理并存 在颗粒层捕集粉尘时，一般在最开始的，惯性碰撞、直接拦截和扩散沉积是 最重要的捕集机制，随着粉尘在介质颗粒层表面的堆积，粉尘层形成，介质颗粒 层的除尘效率有所提高，此时筛分作用就成了主要捕集机制。 计算多种过滤机理同时并存情况下孤立捕集体的总捕集效率，许多研究者认 为各效应同时作用时可直接用叠加原理，但理论研究发现这种简单的叠加是不合 理的，而且误差很大。于是，近似地把各效应同时作用下的综合效率用串联模式 来处理较符合实际【2 0 】。 玎s = l 一( 1 一r h ) ( 1 一叩r ) ( 1 一) ( 1 一r d ) - - - - ( 2 - 2 2 ) 2 1 3 颗粒层过滤的非稳态过程 颗粒层过滤除尘过程十分复杂。首先，尘粒和介质颗粒的碰撞效率不是理论 上的等于1 ，已沉积下来的尘粒可能会发生二次夹带 2 1 ；其次，介质颗粒上的尘 1 6 江苏大学硕士学位论文 粒沉积会改变颗粒层内部结构，减小颗粒层内部孔隙率。这些作用可能导致床层 内部结构、压力损失、过滤效率随过滤时间的增加而发生变化。所以，在初始过 滤阶段之后的较长一段时间内，颗粒层过滤过程都是非稳态的。 2 1 3 i 床层内部结构的变化 颗粒层过滤的一个重要特征是，随着颗粒层过滤器的运行，粉尘逐渐沉积， 尘粒逐渐深入颗粒层内部，同时在介质颗粒表面形成了一层由已沉积粉尘沉积层 组成的粉尘过滤层。 颗粒层过滤与纤维过滤之间最显著的不同点在于：纤维过滤的尘粒沉积发生 在纤维层的表面，属于表面过滤，纤维层的内部结构不会因为尘粒沉积而发生变 化：而颗粒层过滤属于深层过滤，尘粒沉积不仅发生在颗粒层表面，而且发生在 颗粒层内部，属于深层过滤，已沉积尘粒在颗粒层内部的积灰密度随着颗粒层深 度的不同而不同。有研究幽认为； 仃= 声o e 即咔 ( 2 - 2 3 ) 上式中：厂为颗粒层除尘器运行参数，z 为颗粒层表面与颗粒层中任意点的距离。 上式清楚表明了在颗粒层除尘器运行中积灰密度随床层厚度呈指数衰减的规律。 显然，随着积灰密度在床层中的变化，床层内部结构发生了变化，即孔隙率 减小，这将会增大颗粒层过滤的压力损失，同时由于已沉积尘粒会在介质颗粒表 面形成一个新的由已沉积尘粒组成的过滤层，势必会提高颗粒层过滤的效率。 2 1 3 2 压力损失的非稳态变化 关于压力损失变化的研究对本文研究内容而言有不可忽视的影响，由于新型 颗粒层除尘系统采用的是固定床除尘和旋转式清灰机构，一侧过滤除尘的同时另 一侧流化清灰，设计清灰机构的旋转速度必须将除尘侧的压力损失变化作为一个 重要的设计依据来考虑。 导致压力损失变化的因素有：尘粒的形状：尘粒的大小，细微尘粒比粗 尘粒引起更大的压力损失；尘粒透入颗粒层的深度：过滤器的结构决定了尘 粒是沉积在过滤器中，还是沉积在表面上，它反映了压力损失p 的不同变化方 式；沉积尘粒的数量；过滤气速等。 对于颗粒层过滤而言，尘粒的沉积是发生在颗粒层之中，压力损失的变化是 江苏大学硕士学位论文 由于已沉积尘粒使颗粒层孔隙率变化而引起的。这一点与纤维层过滤的压力损失 变化有很大的不同，纤维层过滤是尘粒沉积在纤维层表面，压力损失是洁净纤维 层和尘粒沉积层压力损失之和。 洁净颗粒层的压力损失可用微观分析法，对过渡区采用层流阻力和紊流阻力 相叠加的办法，这就是有名的尔岗( e r g u n ) 公式 纰= 点学等学譬上 协z 4 ， 袅、乞一阻力修正系数。m a c d o n a l d 得出磊= 1 8 0 ，芭= 1 8 。 文献口3 1 认为过滤状态下的压力损失与初始压力损失只、粉尘在颗粒层中沉 积率b 和除尘效率等因素有关 必：华6 v o c j r l t ( 2 2 5 ) 过滤效率刀可近似取1 ，于是非稳态压力损失的微观表达式为 a p - - 鹋+ 必= 当学等惰1 - , ) z 。0 2j 7 ( l + b v o c j t ) 协：s ， 2 1 3 3 过滤效率的变化 过滤效率与过滤速度有着很重要的关系。根据r l 、r 。、r r 、矗的公式可 知： 扩散沉积的捕集效率随速度的增加而减小； s t k 参数随随尘粒直径、表观过滤速度的增加而上升，因而惯性沉积的捕 集效率随尘粒直径、表观过滤速度的增加而增加； 尽管拦截效率1 7 一与速度无关，但只有当过滤速度很大时才能用势流假设 对应的效率表达式； 重力沉积的捕集效率随表观过滤速度的增大而减小。 文献【2 4 】给出洁净颗粒滤料的过滤效率 叩：1 一【l 一1 2 0 9 s ( 1 一占严r s 】 ( 2 2 7 ) 式中，n 一介质颗粒层单元层数量。 由于尘粒的沉积会增加颗粒层的填充密度、减小孔隙率，同时能缓冲进入颗 粒层的尘粒与介质颗粒的碰撞反弹，所以，尽管会有部分沉积的尘粒被二次夹带， 但总的来说，已沉积尘粒对过滤效率的提高有促进作用【2 5 1 。 江苏大学硕士学位论文 2 2 活性炭性能及脱硫机理 活性炭以其自身的优点被应用在烟气脱硫方面。活性炭法烟气脱硫技术成为 极具前景的烟气脱硫技术，成为各国竟相研究开发的重要烟气脱硫技术。 活性炭用于烟气脱硫的所有优点是由其本身的性能决定的。 2 2 1 活性炭的结构、性能 由于活性炭具有较大的比表面积和丰富的孔隙结构，因此具有很好的吸附性 能。并且活性炭的主要成分是碳，有良好的耐酸耐碱性，能经受水浸、高温，是 多孔的、疏水性优良的吸附剂。活性炭同时还是应用非常广泛的催化剂载体，并 且由于活性炭本身的表面、活性炭表面的官能团以及表面的不对称物质( 灰份) 而具有催化活性 2 6 1 。另外采用不同的制造工艺，可以得到各种形状的活性炭( 如 活性炭纤维、炭分子筛、微球炭、成型活性炭、蜂窝状活性炭、活性炭膜和分子 筛膜、泡沫炭和大颗粒炭等) 鲫，正是因为活性炭具有如此多的优点，活性炭已 被广泛用于国民经济的各个部门。 2 2 1 1 活性炭的微孔结构 活性炭最初被认为是无定形碳，目前活性炭被认为是属于微晶类碳系，单个 微晶阃呈现宽为1 1 0 0 埃的裂缝和微孔，而微粒之间又有相当大的孔径，最初 采用微孔和大孔的分类，如图2 3 。后来杜比宁【2 现提出了下述的孔隙分类：微孔、 过渡孔和大孔，而目前通行的分类法则主要是根据国际纯理论与应用化学联合会 ( i u p a c ) 2 9 】所提出的分析技术观点。直径小于0 4 纳米的孔称为亚微孔，直径 在0 4 2 0 纳米的孔称为微孔，直径为2 5 0 纳米的； l n q 做中孔，直径大于5 0 纳米的孔称为大孔。在某些活性炭中，孔按其半径的分布可能会有较大的不同。 据此人们把活性炭分为大孔型的( 不过，其中还含有某些细孔) 和细孔型的( 除 了微孔之外还可能含有大孔) 。 江苏大学硕士学位论文 徽孔 粒状话性炭 图2 3 活崔炭的微结构模型 2 2 1 2 活性炭的表面官能团 具有孔径分布和比表面积活性炭，因制造工艺和前躯体的不同而表现出明显 不同的吸附特性，这主要是因为它们表面的化学组成不同。表面化学组成的不同 对活性炭的酸碱性【3 吁、润湿性口”、吸附选择性p 2 1 、催化活性【3 3 】、及导电性【3 4 蝽 产生影响，因此可通过对活性炭的表面化学组成进行修饰来提高其在某些方面的 性能。 活性炭的表面化学组成与其表面的官能团有关，而后者主要是含氧官能团和 含氮官能团，尤其是含氧官能团。含氧官能团的形成来自于两方面，一方面上是 活性炭上较多的无序结构和端面部位以及微晶基面上存在着各种缺陷如位错、弯 曲、离位等构成了氧吸附的活性部位【3 5 】，另一方面还可通过与别的氧化性气体( 臭 氧、氮氧化物、二氧化碳等) 或氧化性溶液( 如硝酸、次氯酸、双氧水等) 进行 反应而引入口6 】。有关含氧官能团的确切性质还未完全弄清楚，但是运用不同的实 验技术所得的结果表明有几种形式的含氧官能团存在于活性炭的表面上。 c t 墙m q , t a a l d h - 卧 图2 4 活性炭上含氧官能团的类型p 7 】 2 0 江苏大学硕士学位论文 活性炭表面上除了含氧官能团之外，含氮官能团对活性炭的性能也能产生显 著的影响。 2 2 2 活性炭脱硫的理论 活性炭氧化吸附脱除烟气中的二氧化硫，其主要原理是利用活性炭特有的具 有较大的比表面积，非常丰富的微孔结构及独特的晶体结构以及炭表面丰富的含 氧官能团等，能同时利用活性炭的催化活性和优良的吸附性能，将烟气中的二氧 化硫以硫酸的形式富集下来，并通过多种手段再生，如：水洗得到较纯的硫酸： 用高温下热再生，可得到二氧化硫的富集气；用还原气体如甲烷、硫化氢气体再 生，得到硫元素，从而达到硫元素的回收利用。活性炭催化氧化吸附脱硫烟气中 的二氧化硫是一个相当复杂的过程，事实上每个活性炭颗粒和活性炭床都要经过 相当复杂的过程：活性炭颗粒要经过烟气中各组分气体在活性炭表面的吸附，表 面上的催化氧化，反应产物的脱附：而活性炭床则要经过烟气中气体成分的扩散， 组分气体在活性炭表面的吸附反应，生成物从活性炭表面的脱除等。在活性炭催 化氧化吸附脱除烟气中二氧化硫的过程中其核心是吸附( 包括物理吸附和化学吸 附) 机理和再生。 2 2 2 1 吸附的基础理论 吸附作用是重要的界面现象，在工农业生产、环境保护、科学研究和人们的 日常生活中得到了极为广泛的应用。吸附的现代定义是：“两相界面层中一种或 多种珠峰的浓度与体相中的浓度不同的现象”。因此根据接触两相的不同，通常 把吸附系统分为液，气、固，气、固，液和液液四种。 按照吸附时能力的不同，可将固体表面的吸附作用分为物理吸附和化学吸 附。物理吸附是指吸附剂通过范德华( v a n d e rw 甜l s ) 引力来吸引吸附质分子， 使吸附质分予在两相界面中富集。物理吸附中吸附剂表面与被吸附质之间不产生 电子的共有，只是通过范德华( v a n d e r w a l l s ) 弓l 力来稳定，这种作用力不