燃煤飞灰细颗粒物化学团聚强化除尘机制的研究

摘要

煤炭燃烧会产生大量飞灰颗粒物，其造成的空气污染给人类健康及生存环境带来了巨大影响。中国在控制颗粒物排放，尤其是细颗粒物PM2.5的排放上正面临着巨大的压力。针对上述问题，本文深入研究了一种新技术——化学团聚技术,在除尘器前将细颗粒物通过化学团聚形成大颗粒团，强化除尘器对细颗粒物的捕捉，提高除尘效率。 本文首先选取了中国各地12个典型燃煤电厂的飞灰样品，考察了飞灰元素含量对飞灰比电阻及溶液zeta电位的影响，以及重金属元素富集规律，从而对燃煤飞灰颗粒物的排放控制提供了基本的参考依据。实验结果显示，飞灰中Si、Al元素含量与飞灰比电阻呈正相关性，与溶液zeta电位呈负相关性；Ca、S元素含量与飞灰比电阻呈负相关性，与溶液zeta电位呈正相关性。各种重金属元素在不同粒径的飞灰颗粒物中含量不同，且随着颗粒物粒径减小，重金属元素含量显著增加。 接着进行了化学团聚强化细颗粒物排放控制的实验研究。实验结果显示，当喷入化学团聚剂多糖类硫酸酯钙盐（KC）溶液后，细颗粒物脱除效率最高可达47.1%。在相同溶液浓度条件下，相同质量的KC与葡甘露聚糖（KGM）的混合溶液对细颗粒物的脱除效率高达59.3%。在喷入化学团聚剂KC后，随着溶液中K+离子浓度增大，脱除效率最高可达57.6%。阳离子表面活性剂十六烷基三甲基氯化铵（CTAB）和非离子表面活性剂聚乙二醇辛基苯基醚（TX100）可分别将脱除效率平均提高9.0%和3.7%，而阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠（SDS）则会使之降低5.6%。当KC溶液浓度由0.01%提高至2%时，细颗粒物脱除效率提高了28.1%。当烟气温度由105℃增至140℃时，细颗粒物脱除效率平均提高了11.4%。 对飞灰颗粒物悬浮液zeta电位的研究，有助于深入了解化学团聚机理。实验结果表明，随着溶液pH值增加，悬浮液zeta电位逐渐下降。在等电位点，即pH=4.3时，获得细颗粒脱除效率最大值为25.9%。随着Al3+离子浓度由0.1%增至1%，悬浮液zeta电位由-32.1mV增至-11.2mV。添加质量浓度为1%的Al3+离子后，细颗粒物脱除效率最高达9.2%。添加质量浓度为1%的CTAB和TX100后，悬浮液zeta电位分别增至-6.4mV和-14.4mV。而当添加1%的SDS后，悬浮液zeta电位降至-60.4mV。且添加CTAB和TX100后，细颗粒物脱除效率分别提高了22.5%和15.6%。而当添加1%的SDS后，细颗粒物脱除效率降低了19.8%。当添加0.5%的KC后，细颗粒物脱除效率最高可达41.8%。当添加团聚剂KC/CTAB的质量浓度为1%时，悬浮液zeta电位的绝对值最低（1.3mV），其细颗粒物脱除效率则最高，为38.9%。综上实验结果，发现悬浮液的zeta电位值可被视为细颗粒物团聚效率的指示标志之一。 细颗粒物与化学团聚剂雾化液滴团聚过程数值模拟结果显示，颗粒物团聚后的速度、质量、直径和数目受化学团聚剂的物理化学参数影响较大，适当提高化学团聚剂的密度和粘度，能使颗粒物各特征量的变化趋势增大；一定范围内，团聚剂流量越大、雾化液滴直径越大，其与颗粒物碰撞几率更高，团聚效果更好。随着颗粒物逐渐团聚，其质量和直径增大，运动速度逐渐变小，其与化学团聚剂碰撞团聚几率也随之减小，最终各特征量达到稳定值。 在实验和理论研究的基础上，继续研究了化学团聚技术在江西某电厂2×340MW燃煤机组上进行工业应用的情况。试验结果显示，4#机组连续喷入化学团聚剂约180分钟后，ESP后颗粒物平均浓度由未喷团聚剂时的60mg·m-3降至23mg·m-3，颗粒物浓度下降了约61.7%。脱硫后颗粒物浓度亦下降了约50%，最低降至8.4mg·m-3。4#机组全年运行数据显示，喷入团聚剂后，ESP后颗粒物浓度由34.3mg·m-3降至16.6mg·m-3，下降了约51.6%；SO2浓度由2217mg·m-3降至1890mg·m-3，下降了约14.7%；烟气平均温度下降了8.2℃。以300MW燃煤机组为例，化学团聚技术一次工程投资不及湿式静电除尘技术投资额的1/2，且二者运行费用基本相当，其经济性良好，适合工业应用推广。

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