金属纤维毡在燃煤锅炉烟气除尘中的应用研究.pdf

、 7 b 卜2 天津大学硕士学位论文 Y 847 7 53 金属纤维毡 在燃煤锅炉烟气除尘中的应用研究 T h e S t u d Y o nM e t a lF i b e rF e l t i nD u s tR e m o v a Io fC o a I - - f i r e dB o i l e r 【申请硕士学位】 学科专业 研究生 指导教师 热能工程 赵赫 朱能教授 天津大学环境科学与工程学院 二零零五年二月 中文摘要 为了寻求解决燃煤锅炉尾部高温烟气净化的新途径以及针对允许锅炉尾部 烟气排放浓度和控制粒径日益减小的趋势，本课题尝试把金属纤维毡运用到了中 小型燃煤锅炉除尘器中。金属纤维毡在水处理领域的应用较普遍，而在烟气净化 中的应用还很少见，因此需要对其在这方面的适应性进行研究和探讨。 通过在实验室自行搭建小试实验台，对这种金属毡的除尘性能进行了初步测 定，为后面的应用研究提供基础性的资料。实验室的研究表明金属纤维毡的纤维 特性基本符合锅炉除尘过滤的要求，加上它耐高温、耐腐蚀的金属特性，完全有 可能成为高温烟气净化的好材料。 根据以往的工程经验和现有条件，制作加工了一台适用于处理燃煤锅炉尾部 烟气的金属毡除尘器。处于一站式环保的考虑，同时加工了容量匹配的碱性水脱 硫喷淋室，实现了除尘脱硫模块一体化。所研究使用的这种金属毡除尘器从过滤 机理上属于纤维滤料过滤器，但与一般的纤维袋式除尘器有很大的不同它的过 滤迎风面是在运动中工作的，当运动到底部时刚刚受尘的金属毡会进入一个带喷 管的水槽，从而实现迅速和连续再生。这种再生方式有效的解决了一般袋式除尘 器不能处理粘结性强的粉尘的问题；还可以通过改变金属毡的转动速度以及再生 强度来适应不同的烟气参数。本课题把这台金属毡除尘器安装到供暖锅炉尾部烟 道中进行热态试验研究，得出了大量的实验数据，证明了金属纤维毡适合中小型 锅炉的烟气处理，水洗再生方法也取得了一定的效果。 最后提出了个人的几点建议，包括对金属毡除尘器的样机形式和再生方式的 改进意见等等。 关键词除尘技术纤维过滤高温除尘金属纤维毡 A B S T R A C T H i g h - - t e m p e r a t u r ed u s tr e m o v a lt e c h n o l o g yf u rt h ec o a l - f i r e d b o i l e rn e e d sa s u i t a b l em e t h o d ，a n dt h ea l l o w a b l eE m i s s i o ns t a n d a r do fs o o ti sl o w e rt h a ne v e r b e f o r e ．N o w a d a y sf i n ep a r t i c l e se s p e c i a l l yP M I Of r o mc o a l f i r e db o i l e ra r ec o n t r o l l e d b ye n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nd e p a r t m e n t i nm a n yc o u n t r i e s ．M e t a lf i b e rf e l ti s g e n e r a l l ya p p l i e d i nw a t e rd i s p o s a lf i e l d ，b u ti n f r e q u e n t l yi nd u s tr e m o v a lf i e l d T h e r e f o r er e q u i r e m e n t so fm e t a lf i b e rf e l tn e e dt ob ed e t e r m i n e di nd u s tr e m o v a lf i e l d ． W i t ht h ea d v a n t a g e so fm e t a la n df i b r o u st e x t i l e ．m e t a lf i b e rf e l ti So fo b v i o u s f u n c t i o no f r e m o v i n gd u s tf r o mh i g ht e m p e r a t u r es o o to f c o a l - f i r e db o i l e r ．F i r s t ，A l a b o r a t o r yt e s ts y s t e mw a se s t a b l i s h e d ．T h i sl a b o r a t o r yt e s tw o r ks h o w st h a tm e t a l f i b e rf e l tg e n e r a l l ys a r i s r yt h er e q u i r e m e n t so f d u s tr e m o v a li nc o a l f i r e db o i l e r ． N e x t ，a c c o r d i n g t ot h ee x p e r i e n c eo f p r a c t i c a le n g i n e e r i n ga n de x i s t i n gc o n d i t i o n s ， as e to fm e t a lf i b e rc o l l e c t o rw a sm a d e ．F u r t h e r m o r es p r a yt o w e rw a sm a d et o g e t h e r f o re n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nT h e r ei Sg r e a td i f f e r e n c eb e t w e e nt h i sk i n do fm e t a l f i b e rc o l l e c t o ra n do t h e rf i b e rc o l l e c t o r s m e t a lf i b e rf e l t i sm o v i n g ，a n dw a t e r c l e a n i n gi nf l u m ei su s e da sr e g e n e r a t i o n T h i sk i n do fr e g e n e r a t i o nm a yc h a n g et h e s p e e do fm e t a lf i b e rf e l tm o v i n ga n dw a t e rf l o ww i t hd i f f e r e n tf l o wo rc o n c e n t r a t i o n o fs o o t ．T h i sm e t a lf i b e rc o l l e c t o rw a so p e r a t e di nt h ef l u eo fh e a t - s p a c eb o i l e ri n s o m ed i s t r i c to fc i t y T h r o u g han u m b e ro fs p o te x p e r i m e n t s ，s o m ei n f o r m a t i o n a b o u ti t sc h a r a c t e r si nd u s tr e m o v a li sg o t t e n ．F i n a l l y , t h ee x p e r i m e n t sd r a wt h e c o n c l u s i o nt h a tm e t a lf i b e rf e l ti sg o o da tt h e s eo c c a s i o n s ，a n dt h i sr e g e n e r a t i o n m e t h o db a s i c a l l yg e te x p e c t e dr e s u l t s A tl a s t ，s e v e r a ls u g g e s t i o n sa b o u tt h i sk i n do fn e wm e t h o dw i t hm e t a lf i b e rf e l t a r ep r o v i d e d K E YW O R D S D u s tr e m o v a lt e c h n o l o g y F i b r o u sf l l t r a t i o n H i g h t e m p e r a t u r ed u s tr e m o v a l M e t a lf i b e rf e I t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导F 进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘茎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名参掰签字日期加。蛑胡堪日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫壅叁芏有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤燮盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 保密的学位论文在解密后适用本授权说明 学位论文作者签名 签字日期≥一声 ，b I p 乡“玉白 汕蝎 导师签名缉／坞 签字日期哆∥ 7 年z 月郁日 第一章绪论 第一章绪论 1 ．1 我国的能源消费状况和大气污染问题 1 ．1 ．1 以煤为主的能源结构五十年不会变 中国是一个能源大国，但又是一个能源贫国。中国的人均能源占有量约为全 世界人均水平的1 ／2 ，仅为美国入均水平的l ／1 0 。而日，能源结构的组成7 5 ％以上是煤，从传统的能源消费与开采情况看，中国是世界上最人的煤炭生产国 和消费国，占全世界煤产量的1 ／4 。中国的煤炭资源保有量超过l 万亿吨，居 世界第三位，再加上地下1 5 0 0 m 以内的深层资源，总量估计可达5 万亿吨。因 此，煤_ 嶷是我国分布最广，最为丰富的矿物能源。预计到本世纪中叶，甚至到本 世纪末，我国以煤为主的能源结构将不会改变，煤炭仍然是当今和今后中国能源 的一个最重要的组成部分。 1 ．1 ．2 煤炭燃烧是破坏我国生态环境的最大污染源 大气环境污染是我国能源消费对环境影响的主要表现。由于煤炭在我国能源 消费中占有很大比重，燃煤型污染成为我国大气环境破坏的首要因素。特别是我 国北方城市的人气污染以燃煤型污染为主。在我国大气中，约6 0 ％的T S P 总悬 浮颗粒物 、8 7 ％的s 0 2 、6 7 ％的N O x 和7 1 ％的C 0 2 均来自煤炭的燃烧。燃煤排 放的大量S O 和N O 。也是我国酸雨形成的主要原因，l 巾且燃煤排放的S 0 2 等气 态污染物在大气中经反成后也会形成细微颗粒，加重可吸入颗粒物P M l 0 的产 生，这种颗粒我们称为二次颗粒。北京市环保监测中心监测结果显d j ，市区范围 2 0 0 0 2 0 0 2 年P M l 0 的年日均质量浓度依次为1 6 2 ，1 6 5 ，1 6 6 p g ／m s ，均超出国家 二级标准 年均值为1 0 0 ；_ t g ／m ’ 6 0 ％以上I l J 。 T S P 特别是P M l 0 对人类健康和生态环境的不良影响是众所周知的，而大气 中的这些凼体颗粒物主要来自人造排放源，其中燃煤 包括电厂锅炉，供暖锅炉， l 业锅炉等 和汽车尾气佯} 别是以柴油为动力的大型汽车 对P M l 0 的贡献率很 高。，北京地区P M l 0 整年平均浓度监测数据表明除，春季H 、5 月份 北京| 夭】受 大风干旱的气候影响，P M l 0 的浓度最高以外，冬季采暖期的P M l 0 日均浓度均 高于非采暖期。从对近年北京冬季和夏季的P M l 0 中的元素总质量浓度利主要元 高于非采暖期。从对近年北京冬季干H 夏季的P M l 0 中的元素总质量浓度和主要元 第一章绪论 第一章绪论 1 ．1 我国的能源消费状况和大气污染问题 1 ．1 ．1 以煤为主的能源结构五十年不会变 中国是一个能源大国，但又是一个能源贫国。中国的人均能源占有量约为全 世界人均水平的1 ／2 ，仅为美国人均水平的l ／1 0 。而且，能源结构的组成7 5 ％以上是煤，从传统的能源消费与开采情况看，中国是世界上最大的煤炭生产国 和消费国，占全世界煤产量的1 ／4 。中国的煤炭资源保有量超过1 万亿吨，居 世界第三位，再加上地下1 5 0 0 m 以内的深层资源，总量估计可达5 万亿吨。因 此，煤炭是我国分布最广，最为丰富的矿物能源。预计到本世纪中叶，甚至到本 世纪末，我国以煤为主的能源结构将不会改变，煤炭仍然是当今和今后中国能源 的一个最重要的组成部分。 1 ．1 ．2 煤炭燃烧是破坏我国生态环境的最大污染源 大气环境污染是我国能源消费对环境影响的主要表现。由于煤炭在我国能源 消费巾占有很大比重，燃煤型污染成为我国大气环境破坏的首要因素。特别是我 国北方城市的人气污染以燃煤型污染为主。在我国大气中，约6 0 ％的T S P 总悬 浮颗粒物 、8 7 ％的S 0 2 、6 7 ％的N O x 和7 l ％的C 0 5 均来自煤炭的燃烧。燃煤排 放的大量S 0 2 和N O x 也是我陶酸雨形成的主要原因，而且燃煤排放的S 0 2 等气 态污染物在大气中经反应后也会形成细微颗粒，加重可吸入颗粒物P M l 0 的产 生，这种颗粒我们称为二次颗粒。北京市环保监测中心监测结果显示，市区范围 2 0 0 0 2 0 0 2 年P M I O 的年日均质量浓度依次为1 6 2 ，1 6 5 ，1 6 6 9 9 ／m 3 ，均超出国家 二级标准 年均值为1 0 0 1 ．t g ／m 3 6 0 ％以上川。 T S P 特别是P M l 0 对人类健康和生态环境的不良影响是众所周知的，而大气 中的这些固体颗粒物主耍来自人造排放源，其中燃煤 包括电厂锅炉，供暖锅炉， 工业锅炉等 和汽车尾气 特别是以柴油为动力的大型汽车 对P M l 0 的贡献率很 高。北京地区P M ] 0 整年平均浓度监测数据表明除了春季 4 、5 月份 北京因受 大风干旱的气候影响，P M l 0 的浓度最高以外，冬季采暖期的P M l 0 日均浓度均 高于非采暖期。从对近年北京冬季和夏季的P M l 0 中的元素总质量浓度和主要元 第一章绪论 素排序的数据可知，不仅冬季采暖期的P M I O 的日均浓度明显高于非采暖期，而 且春季和夏季均以地壳元素C a 等矿物元素为主，而冬季则以S 为主要污染元素。 这种元素排序的变化反映了不同季节空气中P M l 0 来源的差异，更进一步证明了 燃煤锅炉的污染物排放对P M l 0 污染水平有很大影响I ”。 表1 ．1 是根据相关文献1 3 】【4 牺习纳的天津和太原两个北方主要城市采暖期和非 采暖期P M l 0 和T S P 日均浓度值的对比情况表，可以明显的看出采暖期燃煤锅 炉的运行对P M I O 的污染水平起了重大影响。 国家二级空气质量标准中规定 P M l 0 和T S P 的目均浓度分别为0 ．1 5 m g ／m 3 和O ．3 0 m g ／m 3 表1 - 1采暖期和非采暖期P M l 0 和T S P 日均值对比情况 天津太原 单位 m g ／m 3 口均值超标值日均值超标值 采暖期02 0 23 5 ％ 06 9 5 3 6 3 ．3 3 ％ P M l 0 非采暖期 01 6 07 ％0 ．2 8 59 0 ．0 0 ％ 倍数1 ．2 6 02 ．4 4 0 采暖期04 3 94 6 ％08 0 21 6 73 3 ％ T S P非采暖期03 1 86 ％0 ．3 8 22 7 ．3 3 ％ 倍数0 7 2 021 0 0 1 ．1 ．3 大气颗粒物的危害及相关标准和法规 P M p a r t i c u l a t em a t t e r 在这里是指大气中悬浮的微小固体或液体颗粒物。一般 来说大于5 0 B m 的微粒通常很快就从空气中沉淀下来，不会对人体造成很大危害。 由于人类活动而产生的颗粒物大多是空气动力学当量直径在l O B m 头发丝直径 的f ’七分之一 以下的颗粒，而且它是一一种可被人体吸入的微粒物，习惯上称为 可吸入颗粒物 即P M l o 。室外空气中，按颗粒数量计9 9 ．9 ％的悬浮颗粒物粒径 小于1 u m ，若按重餐计，占总重量5 0 ％一9 5 ％的悬浮颗粒物小于l O I _ t m l 7 1 。由于P M l 0 在T S P 中的比例很大，且它富集了大约4 ／5 的有害物质，所以如果人类生活的大 气环境中的P M l 0 浓度过高，带来的危害是多方面的，特别是对人类健康的影响。 其主要表现在1 6 】 1 粉尘对人类健康的威胁首先是对呼吸系统的威胁 见表1 ．2 [ 7 t 。有大量资 料证明空7 ‘污染，特别是颗粒物P M l 0 和P M 2 ．5 的污染与人群的呼吸系统病 症和慢性阻塞性肺部疾病的发生率呈正比关系。除此之外，细小颗粒物还可引起 眼睛及皮肤的病变。 第一章绪论 2 粉尘对能见度的影响。当光线通过含尘介质时，由于尘粒对光的吸收、 散射作用，光强会减弱，出现能见度降低的情况。在一些严重污染的城市和工业 区这种现象将会“显而易见”。能见度的降低无疑会对我们的生产生活带来不便 甚至危险。 3 粉尘对建筑物、动植物有一定的影响。空气中的粉尘本身可能是化学惰 性的或是活性的。它们如果是惰性的，也可从大气中吸收化学活性物质，或者它 们会化合成多种化学活性物质。所以每年对建筑物和构筑物内外的重新涂装和清 洗费用相当可观。还有报道，大气中的粉尘和有害气体，对文物腐蚀的速度也在 加快。此外，含有氧化镁的粉尘落在农田上会使植物生长不良；动物吃了沾有有 毒尘粒的植物时，健康就会受到损害。 4 粉尘对设备、产品的影响。含尘气流在运动时与设备的壁面冲撞，产生 切削和摩擦，引起摩损和腐蚀。在以电子产业为代表的高精尖的产业技术中，落 入一个粉尘就可能使整个产品报废，甚至造成重大失误。 表1 ．2可吸入颗粒物与健康效应 浓度 m g ／m 3 健康效应 T S PP M l 0 O ．2 9 02 0免疫功能改变的阈浓度，居民呼吸道疾病患病率开始增加 O ．2 lO ．1 5居住区空气日平均最高允许浓度 不引起小学生免疫功能改变的闽下浓度，不引起人群呼吸 1 ，P e 1 这属于势流范围。S t a i r m e n d 给出 ％ 层 2 - 1 2 粒子间的相互扩散和粒子向捕集体的扩散行为是极为复杂的物理现象，直到 现在仍是气溶胶的重要研究内容之一。特别是表面有相互作用力存在时，其扩散 机理更加复杂。但有一点必须明确当粉尘直径小于等于1 l a m 时，可忽略扩散 效应。 重力沉降作用和静电力作用常常被忽略，这里不再论述。 2 ．1 ．4 综合过滤效率 上面较系统地讨论了各种过滤机理的捕集效率。为对各机理捕集作用的大小 有一个宏观认识，现将效率随粒径的变化关系定性地绘于图2 - 4 。从图中可以看 出，粒径在O ．5 9 m 左右，综合过滤效率最低。粒径在O ．0 1 9 m - 1 ．0 9 m 之间的颗粒 物称为亚微米粒子，关r 亚微米粒子收集是气溶胶科学领域的一个重要研究方 向。 众多的研究者对孤立捕集体对粒子的拦截、惯性碰撞、扩散、静电力、重力 等各效应同时作』{ J 时的捕集机理，进行大量的理论研究和试验，建立了许多繁难 的数理模型。但到目前为止，还没有得到较普遍认可的令人满意的理论结果。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 有的计算结果会大到难以置信的程度，如效率 接近1 ，甚至高于1 。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。 第二章纤维过滤理论的研究和探讨 7 7 。 1 一 1 一r ／Rx 1 7 7 ，x 1 一叩Dx l 一叩。 2 - 1 3 式中‰一拦截效率 仇一惯性碰撞效率 r ／。一扩散效率 ％一静电捕尘效率 粒径 u m 圈} 4 备机理的捕集效率随粒径的变化关系 2 ．2 非稳态过滤理论【9 上文描述了孤立捕集体对粒子的收集机理，但在实际中过滤层的收集效率是 多个孤立捕尘体的群体贡献。 纤维层 许多孤立捕尘体的集合体 过滤分两种方式内部过滤和表面过滤。 内部过滤又称深层过滤，首先是含尘气体通过洁净滤料，这时，起过滤作用的主 要是纤维，因而符合纤维过滤的机理。然后，阻留在纤维问的粉尘和纤维一起参 与过滤过