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先导式湿式电除尘器在硫酸雾控制中的性能研究
Jiayu Huang1 amp; Hongmei Wang1 amp; Yingjie Shi1 amp; Fan Zhang1 amp; Xiaoqing Dang2 amp; Hui Zhang2 amp; Yun Shu1 amp; Shuang Deng1 amp; Yu Liu1
Received: 17 January 2016 /Accepted: 23 June 2016 /Published online: 29 June 2016
# Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2016
摘要 使用湿式静电除尘器 (WESP) 通常被认为是减少燃煤电厂湿法烟气脱硫 (WFGD) 塔排出的硫酸雾的可行选择。本文从模拟 WFGD 系统研究了一种装有冷壁采集电极的试验型湿电除尘器, 用于控制硫酸雾。结果表明, 由于局部充电效应, 当气溶胶尺寸降低到几纳米时, 硫酸气溶胶的去除效率降低。此外, 由于等离子体诱导的效果, WESP中大量低于50毫微米的超细硫酸气溶胶形成的电压高于 24 kV。亚微米级气溶胶的百分率与电压有显著的增加。为了尽量减少不良的等离子体诱发效应, WESP 应以高气速运行, 以具有最佳的高压。即使2.3米每秒在高烟气流速下,未捕集硫酸气溶胶的质量浓度和总数量集中在 WESP 出口处, 分别为0.6毫克每立方米和10000每立方厘米。相应的去除效率分别高于99.4 和 99.9%, 并且接近1.1和 1.6米每秒。此外, 冷凝引起的气溶胶生长增强了 WESP 内硫酸雾的去除, 并使0.65 毫克每立方米的低排放浓度的去除效率优于 99.4%。即使在低电压21伏,和 0.35毫克每立方米情况下, 其相应的去除效率依然优于26伏高电压情况下99.6%。
hongmei.wang@hotmail.com
shiaei@sina.com 1 中国空气污染控制技术研究中心 中国环境科学研究院, 北京100012 2西安市环境与市政工程学院 建筑与技术大学, 西安'710055, 中国 关键字 湿式电除尘器 (WESP)。硫酸雾。冷壁采集电极。超细气溶胶。等离子体诱导的效果。凝结引起的气溶胶生长 |
介绍
燃煤电厂排放的硫酸雾问题引起了研究人员的注意, 因为它对羽流不透明度和酸性沉积的不可忽略贡献。众所周知, 气体, 所以主要来源于燃烧的含硫燃料。含硫量在 0.5-5％的范围内的煤可以产生三氧化硫浓度约 10 ppm。此外, 额外的三氧化硫气体可以通过选择性催化还原装置 (SCR) 减排氮氧化物并催化氧化二氧化硫。硫酸雾最终形成于湿法烟气脱硫 (WFGD) 过程中, 其中过饱和条件盛行。这种过饱和导致一个均匀的成核,从而导致在硫酸气溶胶形成与相当一亿每立方厘米非常小(亚微米大小)的高浓度气溶胶可能导致问题例如腐蚀设备,同时增加堆栈不透明度,并造成负健康影响。(Brachert 等。2013, 2014) 此外,最近的证据表明,硫酸气溶胶可能导致在经过燃烧后碳捕集技术(PCC)后依然由溶剂排放,位于 WFGD 塔下游 (Khakharia 等 2013;Mertens 等 2013, 2014a, b)。Khakaria 等人 (2013) 确认, 以 一亿每立方厘米的数量浓度为顺序的硫酸气溶胶 可能导致单乙醇胺 (多边环境协定) 排放量在 600- 1100 mg mminus;3 (标准温度和压力 (STP))的范围内。
目前, 使用湿式静电除尘器 (WESP) 已被证明是控制硫酸雾的有效措施。由jeong等人 (2013) 和chang 等人 (2011) 提出, 研究的 WESP 可以根据质量浓度去除超过95% 的硫酸雾。他们还研究了 WESP 高压电场对硫酸气溶胶数量浓度和粒径分布的影响。Brachert 等人 (2014) 根据冷凝粒子计数器 (CPC) 或电低压冲击器 (ELPI ) 评估硫酸浓度的两种不同测量方法湿法烟气净化过程中形成的气溶胶。结果表明, 硫酸的 ELPI 的测量精度较高, (gt; 14 毫克 m), 并在尽可能低的稀释, 由 ELPI 测量的水滴大小尽可能接近其原始大小。Anderlohr 等 (2015) 研究了一种基于 CPC 的硫酸气溶胶液滴去除实验室尺度 WESP 的性能, 结果表明, 在总浓度下, 最大去除效率为99.97%。可以达到最佳电压。但是, 结果还显示, 由于等离子效应，这种类型的 WESP 实际上可能在二氧化硫存在的情况下产生硫酸气溶胶。Mertens et. (2014a) 进一步报告说, 这一实验室规模的 WESP 也非常有效的硫酸气溶胶去除的气溶胶数字集中在整个大小范围内的6纳米和 10 微米 在低 硫酸和二氧化硫级别下, 确认了 WESP 的负面影响, 它可能产生的反应物种从日冕放电导致二氧化硫中形成纳米尺寸的硫酸气溶胶。以低烟流速 (约0.48 米 sminus;1) 和硫酸雾 (15 毫克 mminus;3) 的质量浓度水平为研究对象, 对 WESP超细气溶胶生成的不良影响与WFGD 塔下游实际 WESP 的条件进行了实验比较。
在此基础上, 通过对气溶胶数量浓度和粒径分布的分析, 确定了浓度水平、烟气流速等关键参数对气雾剂排放的影响。此外, 根据我们的了解, 没有文献报告从 WESP 排放研究硫酸气溶胶的质量浓度和浓度的关系,。本文研究了在较广的烟气流速和质量浓度范围内进行硫酸雾控制的 WESP 试验研究。通过对质量浓度、数量浓度、气溶胶粒径分布的同时分析, 对研究系统的性能进行了评价。同时, 采用冷凝诱导的气溶胶生长方法, 提高了硫酸雾的去除效果。
实验设置
实验系统
实验设置显示在图中.1。空气加热器提供了一个热风流 (温度 190–210 °c), 其流量范围介于180和 490 立方米每小时 (STP)之间。在空气加热器和 WESP 之间的喷雾洗涤器 (直径300毫米, 高度1770毫米) 用于模拟一个真正的 WFGD 塔并提供湿的烟气流。在空气加热器和喷雾洗涤器之间, 气体三氧化硫被注射了通过热催化反应器, 二氧化硫在450°c 被转换了到三氧化硫在450摄氏度在存在 V 2 O 5 催化剂, 产生硫酸 雾与喷雾洗涤器中的水蒸气反应。关于催化反应器, 填料柱的内径为5.5 厘米, 填料高度为42厘米气态, 二氧化硫在六种不同流速下连同固定流速的氧气一起发送到催化反应器中 (见表 1)。二氧化硫或三氧化硫测量表明, 催化效率在 82-91% 的范围内。在喷雾洗涤器中, 热模拟烟气通过循环水系统快速冷却, 接近饱和温度 (约41°c), 通过喷雾洗涤器中的同时传热和传质, 使水蒸气饱和。根据美国环境保护署 (EPA) 的方法 4, 喷雾洗涤器下游的水汽含量为 81.2-89.4 g (H2O) mminus;3,明显高于41°c时饱和空气含水量 (约45.9 克 (H2O) mminus;3)。管道和 WESP 的表面与隔热材料隔离。由于外源核的总数量很小, 异质核的影响被认为是微不足道的.
湿式静电除尘器
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Fig. 1 Experimental setup of the pilot-scale wet electrostatic precipitator (WESP) system |
用金属丝柱式 WESP 进行实验。一种水冷式采集电极, 实际上是换热器, 如图中所示.1, 安装在 WESP 中。WESP 的采集电极共由12个1米长和70mm 内径的集热管组成。放电电极由不锈钢丝 (直径1.2 毫米) 制成。WESP 是由直流负高压电源供电, 电压变化范围高达70伏, 最大电流为50毫安。WESP 的电流-电压特性在烟气中有或没有硫酸雾, 如图所示.2。可见, 在硫酸雾的存在下, 电晕电流显著降低.
在实验中, WESP 的运行速度为四种烟气流速为1.1、1.6、2.3 和2.9 米每秒 ,分别与相应的烟气率为180、270、380和 490 m3 (STP) h minus;1 。在 WESP 的操作过程中, 不连续用水膜灌溉采集电极。放电电极和收集电极通过安装在 WESP 顶部的喷嘴定期清洗.
众所周知, 真正的 WFGD 塔下游的大部分湿式烟气是饱和的水蒸气或非常接近饱和的状态, 从而可以使用过饱和冷凝方法。研究表明, 用冷凝诱导的气溶胶生长方法, 纳米和亚微米气溶胶可以生长到微米大小, 并能有效地收集 WESP。实验过程中, 采用冷壁采集电极进一步凝结 WESP 内的湿烟气, 达到过饱和状态。采用引风机, 在采集管外表面与收集盒内表面之间流动, 实现了 WESP 内热烟气与室外冷空气之间的热交换, 作为如图所示1。通过控制换热器风机的流量, 降低了烟气的温度。室外气温约为 0-2 °c, 烟气温度可减少约 3- 7.5 °c (T)。在该研究中, 只有在冷凝引起的气溶胶生长方法应用时, 换热器风扇才可运行。
二氧化硫和硫酸气溶胶的调查技术
在实验中, 二氧化硫WESP 的下游浓度由烟气分析仪 (3012H、Laoying) 在线测量, 检测限为1.0 毫克每立方米。采用过滤阶段的电低压冲击器 (ELPI、Dekati等) 测量了 WESP 出口处硫酸气溶胶的数量浓度和大小分布, 从气动直径 22 nm 到 6.4 mu;m. 可以找到更精确的 ELPI 与过滤器阶段的描述在琳达 等(2011), Held 等 (2008) 和 Ivleva 等 (2007) 中。
引用 Anderlohr 等 (2015)、Brachert 等 (2014)和 Mertens 等 (2014b), 采用等温稀释法测量在研究。为了尽量减少稀释对实际气溶胶分布的影响, 在同一温度下, 取样的气溶胶流以干燥无微粒空气稀释, 在本研究中使用了8.0 的最小稀释因子。dilutor (DI-1000, Dekati有限公司) 的稀释系数由 Dekati 公司的流量校准和压力传感器校准。测量硫酸气溶胶的数量浓度和粒度分布的取样走势如图1所示。Brachert 等 (2014) 和 Mertens 等 (2014b) 详细讨论了稀释对硫酸气溶胶分布的影响。
用控制冷凝法 (CCM) 测定了湿法烟气中三氧化硫的质量浓度, 并在图中说明了取样1。取样的气流通过加热管 (280 °c), 然后被一个气体泵引入冷凝单元中, 在17L minminus;1条件下运行。冷凝单元, 由螺旋管和硅胶毛带组成, 放在水浴中 (T = 95 °c)。取样后, 加热管、螺旋管和二氧化硅羊毛用去离子水冲洗。 用离子色谱法测定了洗涤液中的硫酸根的浓度。在实验中, 上述方法的量化限制的确定三氧化硫是 0.005mg m minus; 3, 并且空白值在0.0011 sim;0.0014 mg mminus;3的范围内。WESP 的质量浓度和硫酸气溶胶的数量浓度分别由 CCM 和 ELPI 同时测量。此外, 每个实验条件下, 每种测量都重复了三次。每个实验条件的标准偏差低于 10% (5.6-9.2%), 除非在烟气中平均三氧化硫质量浓度小于2.0 mg m minus; 3 , 在这种情况下, 标准偏差为9.4-25.2%, 远低于报告的值 (约 40%, 三氧化硫浓度低于 2.0 ppmv) 由 Cao等 (2010) 使用类似的三氧化硫取样方法。当低电压被应用到 WESP (21 伏) 时, 主要发生了较大的标准偏差, 这可能是由于 WESP 内的放电状态不稳定.
去除效率评估
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表1 通过催化反应器和不同的催化效率, 可以在不同位置的不同 SO2 容积的 1 SO2 和 SO3 浓度 180 130.0 4.0 89 10.0–13.0 – 100.3 180 180.0 4.0 88 18.0–21.0 – 139.6 270 190.0 4.0 87 13.0–15.0 – 99.5 380 270.0 4.0 85 15.0–18.0 – 100.4 490 350.0 4.0 82 19.0–21.0 – 99.9 – the concentration was lower than the detection limit of 1.0 mg mminus;3 of flue gas analyzer a The SO2 feeding to the catalytic reactor was ca. 100 % pure |
Fig. 2 Current-voltage characteristics of the WESP
去除效率评估
基于质量浓度和数字浓度的 WESP 的去除效率 (eta;) 由以下等式计算为硫酸气溶胶.
三氧化硫, 根据现场测试报告 (斯利瓦斯塔瓦等), 燃煤发电厂排放的浓度一般低于 50 ppm.（2004;曹等2010)。在我们的实验中,三氧化硫质量集中范围从39
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