燃煤电厂锅炉中颗粒物在选择性催化还原、静电除尘器和烟气脱硫入口处的分布特性.pdf

第 34 卷 第 32 期 中 国 电 机 工 程 学 报 Vol.34 No.32 Nov.15, 2014 5728 2014 年 11 月 15 日 Proceedings of the CSEE 2014 Chin.Soc.for Elec.Eng. DOI10.13334/j.0258-8013.pcsee.2014.32.005 文章编号0258-8013 2014 32-5728-06 中图分类号X 513 燃煤电厂锅炉中颗粒物在选择性催化还原、 静电除尘器和烟气脱硫入口处的分布特性 潘凤萍 1，陈华忠1，庞志强1，王超2，斯俊平2，刘小伟2 1．广东电网公司电力科学研究院，广东省 广州市 510080； 2．煤燃烧国家重点实验室华中科技大学，湖北省 武汉市 430074 Distribution Characteristics of Particulate Matter at the Inlet of SCR, ESP and FGD in a Coal-fired Power Plant Boiler PAN Fengping1, CHEN Huazhong1, PANG Zhiqiang1, WANG Chao2, SI Junping2, LIU Xiaowei2 1. The Electric Power Research Institute of Guangdong Grid Co, Guangzhou 510080, Guangdong Provence, China; 2. State Key Laboratory of Coal Combustion Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, Hubei Provence, China ABSTRACT The gravimetric impacter DGI sampling system was applied to particulate matter PM sampling in the 4 boiler of a coal-fired power plant in China. The sampling sites include the inlet of selective catalytic reduction SCR, the inlet of electrostatic precipitatorESP and the inlet of flue gas desulphurization FGD. The mass particle size distribution characteristics and the composition of PM were analyzed, and the results indicate that comparing to the inlet of SCR, the amount of PM decreases by 24.45 at the inlet of ESP, and the effect is mainly on supermicron PM. The efficiency of ESP of this boiler is very high, and the collection efficiencies of PM0.21.0, PM0.22.5 and PM0.210 are 99.52 , 99.64 and 99.79 respectively. The concentration of S varies significantly at different sampling sites, and that of Al or Si only change in submicron PM. The concentrations of Na and Ca nearly exhibit no change. The emissions of Na, Ca, Al, Si and S in PM0.21.0 at the inlet of FGD are 0.03 mg/m3, 0.19 mg/m3, 0.11 mg/m3, 0.26 mg/m3 and 0.08 mg/m3 respectively. KEY WORDS coal-fired boiler; particulate matter; selective catalytic reduction SCR; electrostatic precipitatorESP; flue gas desulphurization FGD; distribution characteristics 摘要采用承重撞击器颗粒物采样系统在国内某燃煤电厂 4锅炉进行颗粒物采集，采样点包括选择性催化还原SCR 入口、静电除尘器ESP入口和烟气脱硫FGD入口。对采 基金项目国家自然科学基金51276072；国家重点基础研究发展 计划项目2013CB228501；煤炭联合基金重点项目U1261204。 Project Supported by National Natural Science Foundation of China 51276072,U1261204; The National Basic Research Program of China 2013CB228501. 集的颗粒物的质量粒径分布特性和无机成分分布特性进行 研究，结果表明相较于 SCR 入口，ESP 入口处 PM0.210的 量减少 24.45，但主要减少超微米颗粒物；该锅炉 ESP 的 效率很高，对 PM0.21.0、PM0.22.5和 PM0.210的脱除率分别 达到 99.52、99.64和 99.79；S 在各采样点浓度差异明 显，Al、Si 的差异主要体现在亚微米颗粒物，Na、Ca 浓度 几乎不变；FGD 入口，PM0.21.0中各无机元素的排放总量分 别为Na 0.03 mg/m3、Ca 0.19 mg/m3、Al 0.11 mg/m3、 Si 0.26 mg/m3和 S 0.08 mg/m3。 关键词燃煤锅炉；颗粒物；选择性催化还原SCR；静电 除尘器ESP；烟气脱硫FGD；分布特性 0 引言 基于我国的能源结构，燃煤火力发电将在今后 很长一段时间内占据我国发电领域的主导地位[1]。 煤的大量应用，尤其是用于燃烧将产生诸多污染 物，比如气态的 SOx、NOx以及固态的颗粒物。其 中，颗粒物是危害较大的一种污染物，并且备受国 内外学者的关注。究其原因是由于细微颗粒物难以 被燃煤电厂的常规污染物控制设备脱除，并且这类 难以脱除的颗粒物中富含大量有毒的次量与痕量 元素[2-4]。这些细微颗粒物通过电厂排放进入大气， 其可长期悬浮在空气中，并极易被人体呼入，进而 对人体造成伤害。 目前，国内外学者已进行了大量针对燃煤颗粒 物的研究， 包括颗粒物的生成机制[5-7]、 颗粒物的分 布特性[2-3,8]、颗粒物的排放特性[9]、颗粒物的形貌 与成分[4,10-11]以及颗粒物控制方法[12-13]等。在这些 第 32 期 潘凤萍等燃煤电厂锅炉中颗粒物在选择性催化还原、静电除尘器和烟气脱硫入口处的分布特性 5729 研究中，基于实验室台架的研究占多数，而基于现 场采样实验的研究则相对较少。Wang[14]等对一座 100 MW 的燃煤锅炉进行颗粒物采样，研究了 ESP 出口处 0.0310 m 粒径段颗粒物的数量与质量粒 径分布，并报道了颗粒物上主要无机元素的分布特 性； Goodarzi[9]根据 EPA 201A 方法采集了 3 座加拿大电厂排放的颗粒物，详细分析了 PM10、 PM10和PM2.5的排放特性， 经过统计所有采样结果， 其发现 PM10的排放量占总的颗粒排放量的 5671；同年，Goodarzi[4]又应用 SEM/EDX 分 析了 PM10、PM10和 PM2.5的形貌特征，以及采用 INAA 和 ICP-MS 测试了部分次量元素和痕量元素 的含量，其基于颗粒的形貌及成分将颗粒分为以下 几类未燃尽碳，燃烧中未转化矿物，煤中矿物分 解、气化以及聚合形成的产物；Zhang[11]采集了国 内 4 座典型燃煤电厂的静电除尘器electrostatic precipitator，ESP飞灰，对其粒径分布、颗粒形貌 及颗粒成分都进行了深入分析，在对颗粒的形貌进 行分析时，其将颗粒分为 3 类球形颗粒，不规则 颗粒以及一种内部包裹着许多细颗粒的灰胞颗粒； 王超[15]和 Yi[3]分别采用低压撞击器DGI和 LPI 深 入研究了国内燃煤电厂颗粒物中痕量元素的浓度 分布、富集和排放特性；Qi[16]在国内某电厂研究了 SO3-flue gas conditioning FGC对各级飞灰包括颗 粒物比电阻、 粒径分布、 成分以及比表面积的影响， 并证明 SO3-FGC 能有效提升 ESP 的工作效率。 鉴于细微颗粒物的巨大危害，国内外出台了一 系列相关的法案。近两年国内许多燃煤电站都对颗 粒物减排设备进行了大幅改进，因此电厂颗粒物采 样数据可以更新和完善我国的固定源颗粒物排放 数据库，为颗粒物相关政策的制定和减排技术的改 进提供科学依据。 现今， 涉及 SCR 前颗粒物的采样 结果还未见报道， 颗粒物在 SCR 前的质量粒径分布 和无机元素成分分布还不清楚，因此这一块内容还 有待完善。本研究采用低压撞击器DGI在国内某 燃煤电厂进行颗粒物采集实验，采样点包括 SCR 前、ESP 前、FGD 前，并对颗粒物的质量粒径分布 和主要无机元素的分布特性进行了研究。 1 实验 1.1 锅炉运行工况与原煤参数 本次采样在国内某电厂 4锅炉上进行， 该锅炉 的满负荷为 220 MW，采样期间锅炉运行负荷在满 负荷的 8892 之间波动，锅炉耗煤量为 95 t/h 左右。该锅炉所用燃煤为一种以神府煤为主的混 煤，其工业分析、元素分析以及煤灰的 XRF 分析 结果见表 1。 1.2 采样点分布及采样方法 如图 1 为锅炉系统及采样点分布图，该锅炉采 用 W 型炉膛以及液态排渣技术，锅炉的烟气净化 设备包括 SCR、 ESP 及 FGD。 颗粒物采样点分别位 于 SCR 前、ESP 前和 FGD 前，采样期间，这 3 个 采样点的温度分别为 360380 ℃、155165 ℃和 135140 ℃。 表 1 燃煤基础数据 Tab. 1 Basic data of raw coal 工业分析空气干燥基 元素分析干燥无灰基 M A V FC C H O N S 8.04 11.46 34.72 45.78 64.18 4.34 30.22 0.82 0.44 主要矿物成分 Na2O MgO Al2O3 SiO2 SO3 K2O CaO TiO2 Fe2O3 1.06 0.92 22.66 51.56 2.34 0.99 6.14 1.84 11.83 图 1 锅炉系统及采样点分布图 Fig. 1 Illustration of boiler system and the distribution of sampling sites 5730 中 国 电 机 工 程 学 报 第 34 卷 本次颗粒物采样的整个过程遵循国际标准 ISO23210-2009 以及固定污染源烟气中颗粒物测 定与气态污染物采样方法 CB/T161571996， 所 采用的仪器为 DGI，其配合旋风分离器cyclone可 实现对飞灰的分级收集。 当工作流量为 10 l/min 时， Cyclone 可截留 D5010 m 的粗飞灰，此后将烟气 稀释至 70 L/min 并送入 DGI， 便可将 PM10分割成 5 个粒径段2.510 m、12.5 m、0.51 m、0.2 0.5 m 和CaNaS， 而 对于 ESP 入口和 FGD 入口则为 SiCaAlSNa。 对比同一元素在不同采样点的总量可知， SCR 入口 处 PM0.21.0 中 Na 和 Ca 这两种元素的总量和 ESP 入口几乎一样，而 Al 和 Si 的总量则是 SCR 入 口ESP 入口，但是差别不明显。对于 S，SCR 入 口处 PM0.21.0量略大于 ESP 入口， 然而 S 的总量却 是 ESP 入口SCR 入口， 这主要是由于 ESP 入口处 S 的浓度明显高于 SCR 入口。FGD 入口处各元素 总量最接近电厂的实际元素排放总量，各元素排放 总量分别为Na 0.03 mg/m3、Ca 0.19 mg/m3、 Al 0.11 mg/m3、Si 0.26 mg/m3和 S 0.08 mg/m3。 无机元素总量/mg/m3 1 000 100 10 0.1 0.01 元素 SCR 入口 ESP 入口 FGD 入口 Na Ca Al S Si 图 5 各采样点 PM0.21.0中无机元素的总量 Fig. 5 Amount of inorganic elements in PM0.21.0 3 结论 本文采样实验在国内某燃煤热电厂完成，采样 点包括 SCR 入口、ESP 入口和 FGD 入口，该实验 完善了现有的电厂采样研究成果，阐释了燃煤颗粒 物自 SCR 入口到 FGD 入口的质量粒径分布和无机 元素成分变化过程，主要结论如下 1）烟气从 SCR 入口到 ESP 入口的过程中，亚 微米颗粒物的量几乎没有变化，但超微米颗粒物的 量明显减少，且 PM0.210的减少量达到 24.45。 2） 该锅炉 ESP 对于颗粒物的脱除效率相当高， 其中对 PM0.21.0、PM0.22.5和 PM0.210的脱除率分别 达到 99.52、99.64和 99.79，这与我国近几年 来对于燃煤电厂除尘设备的大幅改进密不可分。 3）由于 SOx在烟道沿程中向颗粒物上迁移， 致使 S 在 3 个取样点的浓度存在以下关系 SCR 入 口FGD 入口的规律， 尤其是 Al； Na 和 Ca 在各级颗粒物上没有明显的变 化趋势。 4）在 FGD 入口，各无机元素的总量最接近实 际的排放总量， 且其总量存在以下规律 Si 0.26 mg/ m3Ca 0.19 mg/m3Al 0.11 mg/m3S 0.08 mg/ m3Na 0.03 mg/m3。 参考文献 [1] 曾真，王为国．先进燃煤发电技术的综合比较[J]．江西 能源，200831-4． Zeng Zhen，Wang Weiguo．A comprehensive comparison of advanced coal-fired power generation technology[J]．. Jiangxi Energy，200831-4in Chinese． [2] 刘小伟，姚洪，乔瑜，等．燃煤电站锅炉颗粒物排放特 性的实验研究[J]．工程热物理学报，2008，296 1055-1058． Liu Xiaowei，Yao Hong，Qiao Yu，et al．Characteristics and composition of particulate matter from coal-fired power plants[J]．Journal of Engineering Thermophysics， 2008，2961055-1058in Chinese． [3] Yi H H，Hao J M，Duan L，et al．Fine particle and trace element emissions from an anthracite coal-fired power plant equipped with a bag-house in China[J]． Fuel， 2008， 8710-112050-2057． [4] Goodarzi F．Morphology and chemistry of fine particles emitted from a Canadian coal-fired power plant[J]．Fuel， 2006，853273-280． [5] Linak W P，Wendt J O L．Trace metal transation mechanisms during coal combustion[J]．Fuel Processing Technology，1994，391-3173-198． [6] 温昶，徐明厚，于敦喜，等．煤焦破碎及颗粒物形成的 逾渗模拟[J]． 中国电机工程学报， 2011， 3111 45-50． Wen Chang，Xu Minghou，Yu Dunxi，et al．Percolation modeling of char fragmentation and particulate matter ation[J]．Proceedings of the CSEE，2011，3111 45-50in Chinese． [7] 周科，徐明厚，于敦喜，等．黄铁矿燃烧时亚微米颗粒 物的生成特性[J]．中国电机工程学报，2009，2923 68-72． Zhou Ke，Xu Minghou，Yu Dunxi，et al．ation and properties of submicron particles generated during pyrite combustion[J]．Proceedings of the CSEE，2009，2923 68-72in Chinese． [8] Zhang L A，Ninomiya Y．Emission of suspended PM10 from laboratory-scale coal combustion and its correlation with coal mineral properties[J]．Fuel，2006，852 194-203． 第 32 期 潘凤萍等燃煤电厂锅炉中颗粒物在选择性催化还原、静电除尘器和烟气脱硫入口处的分布特性 5733 [9] Goodarzi F．The rates of emissions of fine particles from Canadian coal-fired power plants[J]．Fuel，2006，854 425-433． [10] Fisher G F， Prentice B A， Sliberman D， et al． Physical and morphological studies of size-classified coal fly ash[J]．Environmental Science and Thechnology，1978， 124447-451． [11] Zhang C F， Yao Q， Sun J M． Characteristics of particulate matter from emissions of four typical coal-fired power plants in China[J]．Fuel Processing Technology，2005， 867757-768． [12] Zhou J K，Li S Q，Duan L．Effect of phosphorus transation on the reduction of particulate matter ation during co-combustion of coal and sewage sludge[J]．Environmental Science and Thechnology， 2012，2663162-3166． [13] Wang Q Y，Zhang L A，Sato A，et al．Effects of coal blending on the reduction of PM10 during high- temperature combustion 1. Mineral transations [J]．Fuel，2008，8713-142997-3005． [14] Wang H L， Hao Z P， Zhuang Y H， et al． Characterization of inorganic components of size-segregated particles in the flue gas of a coal-fired power plant[J]．Energy Fuels， 2008，2231636-1640． [15] 王超，刘小伟，徐义书，等．660MW 燃煤锅炉细微颗 粒物中次量与痕量元素的分布特性[J]． 化工学报， 2013， 6482975-2981． Wang Chao，Liu Xiaowei，Xu Yishu，et al．Distribution characteristics of minor and trace elements in fine particulate matters from a 660MW coal-fired boiler [J]． CIESC Journal， 2013， 648 2975-2981in Chinese． [16] Qi L Q，Yuan Y T．Influence of SO3 in flue gas on electrostatic precipitability of high-alumina coal fly ash from a power plant in China[J]．Powder Technology， 2013，2459163-167． [17] Ninomiya Y，Zhang L，Sato A，et al．Influence of coal particle size on particulate matter emission and its chemical species produced during coal combustion[J]. Fuel Processing Technology8-10， 2004， 85 1065-1088． [18] Sathe C，Pang Y，Li C Z．Effects of heating rate and ion-exchangeable cations on the pyrolysis yields from a Victorian brown coal[J]. Energy Fuels，1999，131 748-755． [19] 刘小伟，徐明厚，于敦喜，等．煤粉粒径对燃烧过程中 可吸入颗粒物排放特性的影响[J]．动力工程，2005， 254593-598． Liu Xiaowei， Xu Minghou， Yu Dunxi， et al． Study on the influence of coal granule size on emission of inhalable particles during combustion[J]． Power Engineering， 2005， 254593-598in Chinese． [20] Liu X W，Xu M H，Yao H，et al．Characteristics and composition of particulate matter from coal-fired power plants[J]．Science in China，Series ETechnological Sciences，2009，8561521-1526in Chinese． [21] 岳勇，陈雷，姚强，等．燃煤锅炉颗粒物粒径分布和痕 量元素富集特性实验研究[J]． 中国电机工程学报， 2005， 251874-79． Yue Yong，Chen Lei，Yao Qiang，et al．Experimental study on characteristics of particulate matter size distribution and trace elements enrichment in emission from a pulverized coal-fired boiler[J]．Proceedings of the CSEE，2005，251874-79in Chinese． [22] 高翔鹏，徐明厚，姚洪，等．燃煤锅炉可吸入颗粒物排 放特性及其形成机理的试验研究[J]．中国电机工程学 报，2007，271711-17． Gao Xiangpeng ， Xu Minghou ， Yao Hong ， et al．Experimental study on emission characteristics and ation mechanism of PM10 from a coal-fired boiler [J]．Proceedings of the CSEE，2007，271711-17in Chinese． [23] Yao Q，Li S Q，Xu H W，et al．Reprint of Studies on ation and control of combustion particulate matter in ChinaA review[J]．Energy，2010，35114480-4493． 收稿日期2014-05-31。 作者简介 潘凤萍1967，女，博士，教授级高级 工程师，研究方向为锅炉燃烧控制技术及 火电机组协调控制技术等，panfpwxh ； 刘小伟1981，男，副教授，研究方向 为新型氧/燃料燃烧技术以及 PM、重金属 生成与联合控制等，xwliu。 潘凤萍 责任编辑 王庆霞