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中国工程热物理学会 燃烧污染物控制 学术会议论文 编号144309 燃煤源超细颗粒物泡沫团聚效应的实验 研究 燃煤源超细颗粒物泡沫团聚效应的实验 研究 李刚 狄海生 王旭东 孙德帅 王翠苹 青岛大学能源工程研究所 山东青岛 266071 联系电话0532-85953720,Emailwangcuiping 摘 要 摘 要 针对提高燃煤源超细颗粒物脱除效率的要求，利用化学团聚除尘技术进行超细颗粒物团聚脱 除的实验研究。本文以团聚脱除效率为主要目标，考察了发泡剂种类、浓度、烟气温度、稳定剂等因 素对超细颗粒团聚效率的影响。SDBS 和 SDS 发泡剂溶液的团聚效率随烟气温度的升高规律不同，发 泡剂溶液浓度对团聚脱除效率的影响更大，稳定剂的添加有利于脱除效率的提高。SDS 溶液浓度为 0.5且添加 0.3椰子油酸二乙醇酰胺或三乙醇胺稳定剂时，团聚脱除效率可达 59。 关键字 关键字 超细颗粒物；团聚脱除；脱除效率；发泡剂；稳定剂 0 前言 煤燃烧为人们提供必需的热源和电力资源的同时，会带来严重的颗粒物污染，燃 煤飞灰颗粒已经成为我国大气颗粒物的主要来源之一，成为当今雾霾天气的最大源头 [1]。燃煤排放的可吸入颗粒物（PM 10）和超细颗粒物（PM2.5）表面富集了部分痕量重 金属元素，进入大气后，对环境和人类健康的危害很大[2]。电厂目前应用的静电或水膜 除尘器对大颗粒灰尘除尘效率可达 99.9， 然而对 PM10和 PM2.5的捕获效率却很低。 研究表明，燃煤电厂锅炉除尘设备前 PM10占总颗粒物的质量百分比约＜8，但除尘 设备后的颗粒物几乎全为 PM10，且 PM2.5 占 50以上[3,4]。 目前我国推荐的控制煤燃烧尘排放主流技术是电袋组合形式，实现高脱除率的同 时，增加了引风机能耗；而降低能耗的辅助手段则为通过物理或化学作用将超细颗粒 物团聚成较大颗粒后再予以脱除。物理团聚方法有声、光、电、磁、热、相变等各种 技术对细颗粒的团聚[5]。美国、日本和德国一直热衷的是过饱和蒸汽相变促进燃烧源 PM2.5凝并长大的技术。早在 2001 年，Bologa A.等设计了一套先使亚微米级微粒在饱1 和蒸汽中凝结长大，然后用静电除尘器脱除的工艺，对平均粒径为 66nm、质量浓度 3555 g/m3 的微粒由木材燃烧产生脱除效率可达 9095[6]。化学团聚技术可以在 不影响正常生产也无需更换现有除尘设备的条件下，有效促进燃煤细颗粒团聚，实现 燃煤细颗粒及多种污染物协同脱除。化学团聚技术的核心是在末级除尘设备（也可以 1 基金项目国家自然科学基金（No.21206080） 1 是湿法脱硫的气液分离器）前喷入团聚剂促使细颗粒团聚长大成为大颗粒。喷雾絮凝 后脱除大颗粒的技术在采矿工业中早有应用，即水雾降尘[7,8]。为使固液接触面积增大 和均匀化，团聚剂形成泡状层，或者添加絮凝剂促使细颗粒物附着于细密气泡表面。 国内一些科研单位已经在这个方面开展了前期研究，常用的表面活性剂、絮凝剂均为 高分子化合物，如聚合氧化铝或非离子型聚丙烯酰胺[9,10]。 对于燃煤锅炉，烟气产生量大，物理团聚方法不适合，而化学团聚技术具有运行 成本低、团聚脱除效率高的优势，可用于大的烟气流量。本文针对燃煤飞灰细颗粒与 泡沫碰撞、聚合的特性展开研究，以团聚脱除效率为主要目标，进行系统研究，考察 团聚剂种类、浓度、烟气温度、稳定剂等因素对颗粒团聚效率的影响，以期开发集脱 硫、细颗粒团聚脱除为一体的微细颗粒物治理技术，为化学团聚技术的工业应用提供 参考。 1 实验研究 1.1 燃煤飞灰细颗粒物粒径分析 实验所用细颗粒物来源于本地电厂静电除尘器下收集的飞灰，经过撞击式采样器 及气溶胶粒度分布采样器 FA-3 筛选，选择了 PM10的细颗粒物，其粒径分布测试结果 如图 1 所示，飞灰均为 PM10，较大份额为 5 微米左右。因此，属于普通的除尘装置无 法高效捕集的超细颗粒物。 2.8 8.52 22.5 30.66 2.07 4.99 6.2 14.6 7.66 0.43 0.65 1.1 2.1 3.3 4.7 5.8 9 10 图 1 样品颗粒粒径分布 图 1 中，样品颗粒粒径小于 2.1μm 的百分率为 33.45，而样品粒径大于 2.1μm 的颗粒则占到了 66.55。 1.2 发泡剂选择及溶液配置 实验中采用的十二烷基硫酸钠SDS和十二烷基苯磺酸钠SDBS为发泡剂；椰子油 椰油酸二乙醇酰胺6501和三乙醇胺为稳定剂。 配置的发泡溶液浓度参照文献[7]，溶液的配置条件为十二烷基苯磺酸钠SDBS的 配制浓度为 0.5、0.6、0.7；十二烷基硫酸钠SDS的配制浓度为 0.5、0.6、 0.7；0.5的十二烷基硫酸钠和 0.1的椰油酸二乙醇酰胺6501的复配溶液；0.5的 十二烷基苯磺酸钠和 0.1的三乙醇胺的复配溶液。 2 1.3 实验系统简图 1-溶液瓶；2-小水泵；3-喷头；4-模拟烟道；5-布风板；6-粉尘输送装置；7-鼓风 机；8-收集瓶 图 2 实验系统图 1.4 实验过程 1 取若干张抽滤滤纸，标号并放电热鼓风干燥箱里加热干燥，然后秤取每张滤纸 的质量，记录数据； 2 分别向水槽中加入配好的溶液，向粉尘输送装置加入足量的煤灰颗粒，向容量 瓶加入适量的蒸馏水； 3 给模拟烟道系统加热至已设定的温度，打开风机向模拟烟道系统吹送煤灰颗 粒，风机风速为 0.9m3/h； 4 煤灰颗粒经过模拟烟道系统，由泡沫团聚携带再进入收集瓶中，10 分钟时停 止，将收集瓶中的软管移出水面，停止向模拟烟道系统中吹入煤灰颗粒； 5 取出一张滤纸，将滤纸放到布氏漏斗中，将循环水式真空泵、抽滤瓶、布氏漏 斗连接好，利用抽滤的方式过滤收集瓶中的团聚煤灰； 6 将抽滤收集到的煤灰滤纸放入干燥箱中加热干燥，干燥后用电子天平称取质 量，记录变化数据，即飞灰质量； 7 重复其他工况的以上过程，步骤 4 向模拟烟道系统中喷淋配置好的不同种类的 发泡溶液泡沫；10 分钟后，停止计时，抽滤、干燥并称取质量，记录数据。 8 与仅蒸馏水吸收后抽滤收集的煤灰质量比较，得到泡沫层团聚收集而脱除超细 颗粒的效率。 2 结果与讨论 2.1 模拟烟气温度的影响 因为湿法烟气脱硫后烟气温度在 100℃左右；干法或半干法烟气脱硫后的烟气温度 稍高；因此本文选择的实验烟温为 100℃、120℃和 140℃。 3 对于两种发泡剂溶液，以不同浓度喷淋发泡进入烟气空间，经抽滤测得的对煤灰 的团聚收集效率，如图 3 和图 4 所示。对于超细颗粒物的脱除，泡沫起到了很大作 用。 100120140 0 20 40 60 脱除效 率/％ 温度/℃ 脱除效 率/％ 温度/℃ 0.5 SDBS 0.5 SDS 100110120130140 0 10 20 30 40 脱除效 率/ 温度/℃ 脱除效 率/ 温度/℃ 0.7SDS 0.7SDBS 图 3 喷淋 0.5SDBS溶液和 SDS溶液的脱除效率图 4 喷淋 0.7SDBS溶液和 SDS溶液脱除效率 图 3 中，喷入烟气模拟系统的较低 0.5浓度的两种发泡剂溶液，形成的泡沫层对 超细颗粒物团聚收集效率随温度的变化规律显然不同。SDS 溶液的脱除效率受烟气温 度影响不大，随温度升高稍有降低，一直为 55左右的脱除效率；但 SDBS 溶液的泡 沫对超细颗粒物的团聚却受温度影响很大，SDBS 稀溶液的发泡率及泡沫粒径随温度升 高而变化，SDBS溶液适合于较高温度下的超细颗粒物脱除。 而提高了发泡剂浓度为 0.7时，如图 4，两种溶液的发泡层对于超细颗粒物的脱 除效率均明显降低；SDS 溶液发泡团聚超细颗粒物的效率仍然随温度升高略有降低； SDBS 溶液浓度的增大，发泡率高，对超细颗粒物的团聚效率随温度的升高明显降低。 可见，发泡剂溶液的浓度对于脱除效率的影响大于温度的影响。 2.2 发泡剂浓度的影响 在烟气温度为 100℃时，不同发泡溶液浓度下的脱除效率进行比较，如图 5 所示。 0.50.60.7 28 32 36 40 44 48 52 56 脱除效 率/ 溶液浓 度/ SDS SDBS 0.10.20.3 55 56 57 58 59 60 除尘效 率/ 溶液浓 度 6501 三乙醇胺 图 5 发泡剂浓度对团聚脱除效率的影响 图 6 发泡溶液中加入稳定剂对脱除效率的影响 溶液浓度为 0，即为纯水的时候，溶液脱除效率在 6.23左右，由于其本身不发 泡，所以其脱除效率比较稳定。在大于 0且低于 1的浓度范围中，两种溶液表现出 来的特点是相反的。对超细颗粒物的脱除效率随 SDS 溶液浓度的提高而迅速降低；继 4 续提高溶液浓度，脱除效率变化不再明显；而 SDBS 溶液浓度越高，脱除效率越高， 有的团聚应用中，采用 3的浓度溶液，但是提高了运行成本。由低浓度发泡溶液浓度 对脱除效率的影响可知，SDS 溶液具有更大的优势。但是 0.5的 SDS 溶液脱除效率也 只有 58，因此，还需探讨稳定剂加入的成效。 2.3 稳定剂浓度的影响 为进一步提高发泡剂的团聚脱除效率，本文在发泡溶液中加入了不同浓度的稳定 剂，对团聚脱除效率起到了一定的提高，如图 6 所示。SDS 发泡溶液随着添加稳定剂 浓度的增加而提高了脱除效率。尤其加入了 0.3的三乙醇胺稳定剂溶液后，对超细颗 粒物的团聚脱除达到了最大脱除能力。在本文实验的几种浓度中，最高的团聚脱除效 率可以达到了 59。而 6501 溶液的加入，对发泡团聚效率的增长是缓慢稳定的。这对 于现在电站锅炉尾部除尘器难以脱除的超细颗粒物，在不增加除尘系统复杂性，不影 响引风机电耗的情况下，增加泡沫团聚，可将超细颗粒物的排放降低一半以上。可 见，对于已经达到烟尘排放 50mg/m3标准的机组来说，采用泡沫团聚后脱除的方式降 低超细颗粒物排放，满足环保 30mg/m3的新指标是可行的。 3 结 论 通过实验研究，验证了电厂锅炉机组末级除尘器或气液分离器前，增加泡沫层团 聚超细颗粒物达到更高效减排超细颗粒物方案的可行性。其中， 1 烟气温度对常用的两种发泡剂溶液的团聚脱除效率的影响是不同的，SDBS 溶 液受烟气温度的影响非常明显；SDS 溶液随烟气温度的升高而脱除效率稍有 下降； 2 发泡溶液浓度对脱除效率的影响较大，SDBS 溶液适合采用较高浓度进行超细 颗粒物的团聚；而 SDS 溶液适合低浓度 0.5时进行超细颗粒物的团聚脱除； 3 发泡剂溶液中添加少量稳定剂，则进一步提高了团聚脱除效率，稳定剂 6501 随浓度的增加对团聚脱除效率有缓慢的提高；而三乙醇胺浓度的增加对团聚 脱除效率的提高非常明显，浓度为 0.3时达到了与 6501 相同的 59的脱除 效率。 参考文献 [1] 隋建才, 徐明厚, 杜云贵, 刘艺. 燃煤过程中亚微米颗粒生成及影响因素的研究[J].热能动力工 程,2008,233269--272 [2] 李超, 李兴华, 赵瑜, 段雷. 燃煤电厂可吸入颗粒物中痕量元素的排放规律研究[J].中国科技论文在 线,2008,35334--340 [3] 代旭东,徐晓亮,缪明烽.电厂 PM2.5 排放现状与控制技术[J].能源环境保护,2011,2561--4 [4] 王圣,朱法华,王慧敏,等.基于实测的燃煤电厂细颗粒物排放特性分析与研究[J].环境科学学 报,2011,313630--635 5 6 [5] 陈富华.燃煤超细颗粒物化学团聚理论及系统设计研究[D].华中科技大学,2012 [6] BOLOGA A, PAUR H-R, WASCHER T. 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The reunion and removal efficiency of the solution SDBS or SDS foaming agent was different with the flue gas temperature increasing, and the solution concentration influenced more than the flue gas temperature. And the adding of stabilizer was beneficial to the improvement of the efficiency of removal. The efficiency of the aggregation and removal of the ultrafine particle could be achieved to 59. Key words Ultrafine particle aggregation removal removal efficiency foaming agent stabilizers