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中国环境科学 2000,20149∼53 China Environmental Science 燃煤电厂除灰系统灰浆池中碳酸钙反应预期转化 刘绍银 1,郝吉明2 1.湖北省电力试验研究所,湖北 武汉 4300772.清华大学环境科学与工程系,北京 100084 摘要燃煤电厂粉煤灰浆中碳酸钙的沉淀过程伴随着粉煤灰中游离氧化钙的溶解.为了研究这一多相体系的反应动力学过程,以总无机碳 含量为检测因子,利用批式实验的方法取得了反应的动力学数据.在此基础上,把灰浆池作为一个非理想的反应器,通过对其流动特性的测 试和对反应动力学数据的拟合,预测了反应在灰浆池中的转化率.结果表明,模拟结果与现场实测结果一致.本研究对于燃煤电厂输灰管道 的防垢设计和灰浆池标准化研究具有指导作用. 关键词燃煤电厂水力除灰系统防垢 中图分类号X784 文献标识码A 文章编号1000−6923200001−0054−03 Conversion ratio of CaCO3 ation in ash slurry pond of ash handling system in coal-fired power plant. LIU Shao-yin1, HAO Ji-ming2 1.The Electrical Power Testing and Research Institute of Hubei Province, Wuhan 430077, China2.Department of Environmental Science and Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084,China. China Environmental Science. 2000,20149∼53 AbstractIn this paper, the conversion ratio of CaCO3 ation reaction in the ash slurry pond in coal-fired power plant was studied. The batch test was carried out to obtain the kinetics data of the reaction. To do this, the total inorganic carbon content in aqueous phase was selected as a monitoring parameter representing the reaction kinetics, because of the CaCO3 ation accompanied with the dissolution of the free-CaO of the ash particles in this system. After that, the conversion ratio was predicted by the combination of testing the effluent characteristic of the pond and simulating the kinetic data of the reaction, based on considering the slurry pond as a nonideal reactor. The predicted result is in accordance with the test data on site. An instructive role in the standardization of the slurry pond and the scale prevention design of the ash han- dling system will be played. Key wordscoal-fired power plantash hydraulic transport systemscale prevention 在燃煤火力发电厂中,除灰系统是一个重要 的环境保护设施[1].该设施中的干收尘湿排灰水 力除灰系统,存在着严重的结垢问题[2].这种结垢 是由灰浆中碳酸钙沉淀反应引起的[3].由于灰浆 在灰浆池中有较长的滞留时间,碳酸钙沉淀反应 大部分可完成,完成的程度直接影响着冲灰管道 结垢的严重程度[4].灰浆池相当于灰浆管前预 处理法[3]中的反应池.有鉴于此,研究灰浆池中 碳酸钙的预期转化对于防治电厂输灰管结垢有 重要意义. 本研究中运用化学反应器理论,通过一个现 场实例研究了在非理想反应器条件下粉煤灰浆 中碳酸钙沉淀反应转化率的预测方法.该研究对 于预测新建电厂输灰管结垢程度以及灰浆池的 标准化研究具有指导意义.类似研究,未见报道. 1 研究方法 为了便于研究,将灰浆池抽象为一个反应器, 从而可以利用反应器的一些基本概念对其进行 研究.最常遇到的灰浆池可以认为是一个非理想 流动型反应器.为了阐述对这一问题的处理方法, 本文利用了作者在山东石横电厂的试验实例. 山东石横电厂一期工程 2300MW 机组是 我国较早引进的机组,其除灰系统如图 1 所示. 从电除尘器灰斗排出的干灰,经负压集灰至 1和 2灰库.灰库中的干灰再经给料机和水力射水器 与冲灰水混合制成灰浆进入灰浆池.灰浆在灰浆 池中适当停留后, 再由给浆泵将浓浆供给柱塞 收稿日期1999-06-07 基金项目电力部重点科研项目 50 中 国 环 境 科 学 20 卷 泵的入口,这样灰浆由柱塞泵升压后经灰管将灰 浆送至灰场.经测定灰浆的灰水比约为 12. 石横电厂除灰系统中的制浆过程是典型的 从飞灰一次制成灰浆的系统,因此研究它有着特 别的代表意义.下面是作者利用反应器理论研究 碳酸钙预期转化问题的方法. 1 . 1 批式试验 根据反应器理论,为得到一个非理想流动型 反应器的预期转化,需要知道反应器的水力流动 特性和其中化学反应的动力学资料.根据这些资 料即可求得反应器的预期转化.为此,在石横电 厂对其 1和 2灰浆池的流动特性进行了测试,并 现场测定了冲灰用水的水质.为了获取该厂灰浆 中碳酸钙沉淀反应的动力学资料,试验期间,在 现场采集了飞灰样品,在试验室中对配制的灰浆 样品进行了动力学数据测定. 根据现场测试,在批式试验中采用了 3 个条 件灰水比 12;总无机碳含量 160 mg/L以 CO2 计;钙离子含量 200 mg/L. 由于灰浆体系中碳酸钙沉淀过程伴随着粉 煤灰游离氧化钙的溶出,体系的水相钙离子含量 不能代表碳酸钙的沉淀规律,为此,作者选择了 测定水相的总无机碳含量[5]来指示系统中碳酸 钙沉淀过程. 1 . 2 测试灰浆池的流动特性 从防止输灰管结垢意义上讲, 灰浆池是作 为反应器来看待的, 因此为了研究灰浆池的转 化特性, 需要测试灰浆池的流动特性. 由于石横 电厂并未将灰浆池作为反应器来设计,其流动特 性偏离理想状态反应器特性较远.为了知道灰浆 池的流动特性,需确定其出流的分布函数.本研 究通过示踪技术[6,7]确定反应器的分布函数.通常 做法是在反应器输入流中投加示踪剂,并且观察 反应器出流中示踪剂浓度的时间响应.两种最适 于使用的示踪剂输入是阶跃信号和脉冲信号.也 可以使用正弦曲线输入,但是分析起来比较复杂. 在石横电厂的现场测试中,作者采用脉冲信号输 入方式.这种方法可选择罗丹明 B 作为示踪剂, 将一定的罗丹明 B用水溶解成浓溶液.在设定的 时刻全部投入灰浆池射水器的灰浆出口处灰浆 池入口,并在投入示踪剂的同时,在灰浆池出口 管的采样口取水样.取得的混合水样品是经自然 澄清后,取上清液进行分析的.分析采用分光光 度计法.事实上,人们所关心的是脉冲输入信号 的时间响应问题,因此出流响应浓度的单位无关 紧要.又由于郎伯-比尔Lambert-beer定律的缘 故,吸光度与浓度存在正比关系[8],所以在记录信 号的响应浓度时,直接以吸光度数值记录.根据 测得的试验数据,可得到灰浆池的出流分布函数. 该分布函数反映了灰浆池的流动特性. 1 . 3 计算机模拟计算预期转化 选择合适的数学表达式, 对反应的动力学 数据进行拟合, 从而得到反应的动力学表达式. 利用非理想流反应器理论, 对灰浆池中碳酸钙 沉淀反应的预期转化进行模拟计算, 从而得出 反应转化率. 将此预测结果与现场测得的转化 率进行对比, 以证明方法的有效性. 2 结果与讨论 2 . 1 动力学数据拟合 表 1 是取两次试验均值后的批式试验结果. 可以按下式对表 1 中数据进行拟合. CA t B D t C 1 1 式中Ct为 t 时刻灰浆水中的总无机碳含量 mg/L;ABCD 为常数.设 C0C∞分别表 图 1 石横电厂除灰系统示意 Fig.1 The schematic diagram of ash handling system in Shiheng power plant 水泵 灰斗 灰库 给料机 灰浆池 冲灰水池 去灰场 冲灰水 浆泵 射水器 1 期 刘绍银等燃煤电厂除灰系统灰浆池中碳酸钙反应预期转化 51 示灰浆混合反应开始和灰浆反应终止时,灰浆水 的总无机碳含量mg/L,C0可由尚未混合时的水 测得;C∞可由灰浆反应到总无机碳随时间变化趋 于稳定后的数值代替.这样可得到 A C0− C∞,D C∞;BC 两个待定常数可由实验数据拟合得到. 用式1对表 1 数据进行处理可得 A141,B 0.10,C 0.6350,D 22.0. 表 1 灰浆中碳酸钙沉淀反应动力学数据 Table 1 The kinetics data of CaCO3 ation reaction in coal ash slurry 取样时间 min 总碳含量 mg/L 取样时间 min 总碳含量 mg/L 0163 523 0.5 55 623 1 61 716 2 65 831 3 291017 4 32 注总碳含量以CO2计 2 . 2 灰浆池的流动特性 表 2 列出了该厂两个灰浆池对于脉冲输入 的响应情况.将表 2 中的数据,绘制成浓度响应 曲线如图 2 所示.根据脉冲信号的时间响应可以 求得停留时间的点分布函数 Et.可以证明,点分 布函数的值与示踪剂的响应值 Ctp之间存在着 下述关系[6],即dt E t C t C tdt p p ∞ ∫0 2 式中分母的积分采用数值积分法求取.表 2 也 列出了相应的计算结果. 对于非理想流动型反应器,可以根据 Et函 数用式3对反应器的平均停留时间进行计算. R tE t dt E t dt t ∞ ∞ ∫ ∫ 0 0 3 表 2 的最后一行给出了两个灰浆池的平均 停留时间,分别为 8.248.59 min. dt dt 2 . 3 灰浆池的预期转化 对式1两边求 t 的导数可得下式 dC dt A C B t B t C ⋅ − 1 1 4 利用表 2 中的拟合参数和式14可以计 算出 dC dt t 与 Ct的关系,并绘制成 dC dt t 对 Ct曲线, 如图 3 所示. dCt dCt dCt dt dt dt 表 2 12灰浆池的时间响应 Table 2 The time respone of ash slurry pond 1 and pond 2 1灰浆池2灰浆池 tmin Ctp Et tmin Ctp Et 0.000.00000.000 0.000.00000.000 0.500.00000.000 0.500.00000.000 1.000.00000.000 1.000.00000.000 1.250.00000.000 1.250.00000.000 1.500.00000.000 1.500.03180.015 1.750.00000.000 1.750.05300.025 2.000.02920.015 2.000.05720.027 2.250.03890.200 2.250.06360.030 2.500.04860.025 2.500.07840.037 2.750.05840.030 2.750.11650.055 3.000.06230.032 3.000.10590.050 3.500.09730.050 3.500.10590.050 4.000.10700.055 4.000.09960.047 5.000.10120.052 5.000.08470.040 7.000.10120.052 7.000.05720.270 10.000.06230.032 10.000.05720.027 15.000.03110.016 15.000.04030.019 20.000.00000.000 20.000.01060.005 Rt8.24 Rt8.59 注t 取样时间CtP响应值 Et点分布函数 图 2 1和 2池响应曲线 Fig.2 The response of pond 1 and 2 由图 3 可以看出,灰浆中碳酸钙沉淀反应可 以近似地看作线性过程,可采用有隔离流的模 型对其预期转化进行处理.据此,可以用式5 52 中 国 环 境 科 学 20 卷 求得灰浆池出口的平均出流浓度Ct. dt CCE t dt tt ⋅ ∞ ∫ 0 5 预期转化率α可由式6求得 α − − ∞ CC CC t0 0 100 6 图 3 石横电厂 dC dt t ∼TCO2曲线 Fig.3 The relation between dC dt t and TCO2 in Shiheng power plant 对于石横电厂,利用前面已经测得的各种信 息,根据式5,式6,可计算得到两座灰浆池的出 流平均浓度和预期转化率分别为 32 mg/L以 CO2计和 93,预期的出流浓度值与现场实测 值 23∼60mg/L以 CO2计相符.预期转化率高达 93,可以预计输灰管路系统不会产生严重结垢, 这与石横电厂多年的运行状况相符.证明了这种 处理方法的有效性. 2 . 4 灰浆池的选取与设置 在现有试验条件下, 石横电厂灰浆池的试 验带有示范性, 主要在于演示这种处理问题的 方法. 对于设计中如何选取非理想的反应器代 替灰浆池这仍是一个很现实的问题. 由前面的 处理方法可知, 要在设计中选取合适的灰浆池, 除了提供灰浆池的结构尺寸及形状外, 尚需对 池子的流动特性进行研究, 以提供池子停留时 间分布曲线的有关信息. 因此有必要对灰浆池 作为反应器的系列化和标准化进行研究, 以便 供设计部门选取使用. 在本文中, 主要是将冲灰系统的灰浆池当 作灰浆反应器来研究. 目的是在防垢处理时, 不 要在现有冲灰系统之外, 再设一个用于灰浆反 应的池子, 这样在工程实施和运行操作上都可 能很方便. 在过去的研究中, 由于研究的对象是 稀灰浆, 其中碳酸钙沉淀反应的速率很慢, 整个 沉淀过程持续的时间很长, 所以需要停留时间 很长的池子. 但根据研究发现, 在干收湿排浓灰 浆条件下, 完成其中的碳酸钙沉淀反应所需灰 浆池的停留时间很短, 这就为在原有冲灰系统 中实现灰浆管前预处理防垢技术, 提供了便利. 当然, 值得指出的是, 对灰浆进行这样的处 理是希望尽量减轻灰管的结垢并不期望由此完 全解决灰管的结垢问题. 作者认为, 为了经济 有效地解决灰管结垢问题, 应首先通过一些简 单方便的处理方法来大大减轻灰管结垢的程度, 然后再施之以定期清理. 这很可能会成为今后 处理灰管结垢问题的基本思路. 3 结论 通过对石横电厂灰浆中碳酸钙沉淀反应动 力学和灰浆池的流动特性测试, 运用反应器的 理论研究了灰浆池中碳酸钙沉淀反应的预期转 化问题. 将计算值和实测数据进行对比, 证明了 本文中所采用的处理问题的方法是合理有效的. 它为进一步研究用于防垢目的灰浆池的标准化 奠定了理论基础, 对该系统的防垢设计具有指 导作用. 参考文献 [1] Brown J,Ray N J. The handling and disposal of coal ash in the CEGB in relation to the aqueous environment [J]. Water Science and Technology, 1983,15 11−24. [2] Owen M L,Jones A F. Assessment of ash-sluice-system operating problems [R]. EPRI CS-3923, Project1260-44, Final Report, March 1985. [3] 杨 璋. 火电厂水力除灰管道防垢除垢 [J]. 江 苏 电 力,1982,2 11−27. [4] 刘绍银. 干收湿排灰浆碳酸钙沉淀动力学影响因素研究 [J]. 湖北电力,1997,4 41−43. [5] ASTM D513-82, Annual book of ASTM Standards [S]. 1984. 1 期 刘绍银等燃煤电厂除灰系统灰浆池中碳酸钙反应预期转化 53 11.01371−393. [6] [美] C.P.小莱斯利.格雷迪, 李献文,杨西 ,张玉贵等译.废水 生物处理理论与应用 [M]. 北京中国建筑工业出版社,1989. 114. [7] [比] G F. 弗罗门特,[美] K.B.比肖夫,邹仁 . 反应器分析与 设计 [M]. 北京化学工业出版社,1985. 630. [8] 莫天麟. 大气化学基础 [M]. 北京气象出版社,1988,145−148. 作者简介刘绍银1961-,男,河北魏县人,硕士,湖北省电力试验 研究所环境保护研究室主任,兼任湖北省电机工程学会环保分专业 委员会副主任委员.长期从事电力环境保护工作,主持过多项电力重 点科研项目的研究工作,发表论文 16 篇. 中国环境科学 环境学科高影响因子期刊 据中华人民共和国科学技术部 1999 年公布的 1998年中国科技论文统计结果,中国环境科学属环境学科 高影响因子刊物.总被引频次 3881997 年为 341,影响因子 0.4451997 年为 0.417. 目前,中国环境科学已被国外数据库 EI Page OneCAPЖ日本科技文献速报AGRISGeoRef ASFA 等 17 个检索系统收录,SCI 1999 年也收录中国环境科学论文 14 篇.中国环境科学是中国自然科学 重点核心期刊,并被纳入全国检索刊物体系的 25 个数据库文摘刊物收录.中国环境科学在全国各高等院校和 科研机构包括国家重点实验室均被列为 A类核心刊物,也是各高校环境科学和相关学科硕士博士生发表论文 的指定重点核心期刊. 中国环境科学 中国科协19971998 1999年度择优支持专项资助期刊 中国科协本着择优支持的原则,自 1997 年决定对中国科协所属全国性学会协会研究会主办的优秀基础性 和高科技学术期刊给予专项经费资助重点资助那些能够代表我国基础研究学术水平与国民经济发展战略密切 相关在国内外有较大影响的基础性和高科技的学术期刊. 中国环境科学继获中国科协 19971998 年度择优支持专项资助经费后,1999 年再度成为中国科协择优支 持的基础性和高科技学术期刊之一.2000 年,中国环境科学编辑部将更好地利用中国科协 1999 年度择优支持 经费,在广大科技人员的大力支持下,把中国环境科学办得更好,使中国环境科学在促进环境科学的学科发 展,环境保护科研成果的推广和国内外学术交流中发挥更大的作用. 中国环境科学编辑部