燃水煤浆工业锅炉除尘的初步研究

水煤浆工业锅炉除尘的初步研究

问题探讨 煤 炭 工 程 2003年第4期

燃水煤浆工业锅炉除尘的初步研究

高明峰 王祖讷 聂丽君 柴保明

(中国矿业大学北京校区化学与环境工程学院 北京 100083)

摘 要:水煤浆是一种新型煤基代油清洁燃料,将广泛应用在工业和电站锅炉,其燃烧产生的飞灰的化学成分与燃煤成分相同。由于水煤浆及燃烧的自身特点,其飞灰和烟气的特性指标同比燃煤存在一定的差异,其可收集性要优于燃煤飞灰。阐明采用干法而避开湿法收集,优先选用脉冲布袋除尘器和电除尘器。为降低电除尘器的设备成本和使之高效、安全、可靠地运行,提出了在设计中注意把握的几个方面,对于烟气量小的工业锅炉,采用组合式电除尘器。

关键词:水煤浆;工业锅炉;脉冲布袋除尘器;电除尘器

中图分类号:TD98 文献标识码:B 文章编号:1671-0959(2003)04-0054-03

AnExplorationofCleaningtheAshFromSmokeofIndustryCoalSlurrvBoiler

GAOMing-feng,WANGZu-ne,NIELi-jun,CHAIBao-ming(CollegeofChemicalandEnvironmentEngineering,CUMT,Beiingl00083,China)

Abstract:Asanewtypecleanfuel.Coalslurrywillbewidelyusedintheindustryboilerorpowerstationboiler.Althoughtheashfromthecoalslurryboilerhasthesamechimicalconslituentcomparedwiththeashfromcoalboiler.Duetothecombustionofcoalslurryhassomespecialcharacteristic.Therearesomedifferencebetweenthecharacteristicindexofcoalslurrysmokeashandthatofcoalsmokeash.Thecollectabilityofthecoalslurrysmokeashisbetterthanthatofcoalsmokeash.CycloneSodrycy cloneisbetterthanwet.Thepulseclothbagandelectrostaticprecipitatorhaveadvantageinthecleaninginordertogethighefficientsafetystandardandreliabilitysomeitemsthatshouldpayattentiontoarepro posed.Itisrecommendedthatthecombinedelectrostaticprecipitatorshouldbeusedinthecleaningsmokeashofsmallcapacityboiler.

Keywords:coalslurry;industryboiler;pulseclothbag;electrostaticprecipitator0 引 言

水煤浆作为一种低污染、高效率、流动性强的新型煤基代油清洁燃料,近年来在国内外得以迅速发展。普通水煤浆是由70%的煤、30%的水和少量添加剂组成,通过物理加工和处理制成一种类似流体的燃料,具有像燃料油那样贮存、输送、雾化、燃烧等特点。现在我国燃水煤浆的工业锅炉大部分是由燃煤、燃油的炉子改造的,而且数量极为有限。随着人们对环境意识的不断增强和国家对环境保护的日益重视,可以预见,水煤浆将广泛应用在电站锅炉、工业锅炉、工

业窑炉等,成为替代燃料油和煤的低污染的经济燃料。水煤浆根据制浆用煤的灰分的高低,可分为超低灰水煤

浆(Ad 1%)、低灰水煤浆(Ad=1~3%)、中灰水煤浆(Ad=4~15%)和高灰水煤浆(Ad=25~30%),目前锅炉一般采用的是中灰水煤浆,也就是所谓的普通水煤浆。本文主要探讨的是燃普通水煤浆的中小锅炉。

虽然水煤浆为低灰分、低污染燃料,但其燃烧过程有其自身的特点,其产生的飞灰对大气产生的污染也不容忽视。笔者认为:应该从水煤浆本身及燃烧过程的特点出发,对飞灰和烟气的特性指标做定性和定量分析,结合锅炉的工况条

收稿日期:2002-09-19

作者简介:高明峰(1964!),男,辽宁海城人,博士生,高级工程师,主要从事洁净煤技术烟气净化方面的研究,在国内外

刊物曾公开发表过8篇学术论文。

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2003年第4期 煤 炭 工 程

件,找出合理的除尘方法,力求经济、适用、可靠。

问题探讨

1 水煤浆燃烧及燃烧产生的飞灰特点1 1 产生污染物的种类

煤是水煤浆的主要成分,所以水煤浆在燃烧过程中与燃烧煤一样会产生烟尘等污染物,其污染物的种类及化学成分与燃煤相同,水煤浆燃烧产生的主要污染物有:飞灰、硫的氧化物和氮的氧化物。飞灰的主要成分有SiO2、Al2O3、Fe2O3、CaO、K2O、Na2O等氧化物,表1为新汶矿物局良庄煤矿的6t/h燃水煤浆锅炉灰成分分析结果。

表1 水煤浆灰样化学成分组成

灰样水煤浆飞灰

SiO2A12O3Fe2O349 4433 12

5 59

飞灰的化学成分组成/%CaO2 8l

MgO1 13

SO30 86

TiO22 10

Na2O1 92

K2O1 33

P2O50 68

量。表3为实验室实测的不同温度下的比电阻的值,并绘出了比电阻-温度变化曲线,如图1。工况比电阻比此要低1~2个数量级。

表3 水煤浆灰样比电阻实测值

温度/ 比电阻/ cm实验条件

室温1 0%1010

352 5%1011

556 0%1011

751 0%1012

957 5%1011

1153 8%1011

1351 7%1011

1557 0%1010

1753 2%1010

1951 4%1010

2153 5%109

实验室室温:15 相对湿度:20% 粉尘过60目筛

硫的氧化物主要是S02、S03气体;氮的氧化物主要是N0、NO2气体,这些飞灰和有害气体排放到大气中,给我们的生态环境造成严重危害。

图1 比电阻!温度变化曲线

1 2 水煤浆燃烧方式及飞灰的产生特点

水煤浆具有液体燃料的特性,所以它采用的是液体燃料喷射雾化的方式燃烧,目前国内应用在锅炉上,都是采用以压缩空气为介质的空气雾化燃烧。水煤浆的制备通常是以洗选精煤为原料加工而成,燃烧过程中必产生一定量的飞灰,其灰分含量比原煤要低得多,所以就飞灰的生成源本身而言,水煤浆燃烧产生的飞灰会大大少于直接燃烧粉碎后的煤粉。而燃烧后通过对流受热面的飞灰排放量却高于同比燃煤的链条炉的飞灰排放量。

水煤浆煤颗粒的平均粒度为38~45 m,雾化燃烧的同时采用炉底吹风清灰,即可清灰又可提高燃烧效率。一般普通水煤浆含灰分小于10%,燃烧后通过沉降在灰斗和尾部烟道中的灰占10~20%,而80~90%的灰以飞灰形式随烟气排走,实际有8~9%灰分从烟道排走。如果链条炉燃煤的灰分为30%,其中大约10%的灰分以飞灰形式随烟气排走,实际大约有3%的灰分从烟道排走。也就是说,在此相同条件下,燃水煤浆的排尘量是燃煤排尘量的近3倍。

1 5 烟气温度与湿度

燃水煤浆的锅炉的排烟温度一般在145~175 之间。由于燃烧时,普通水煤浆中含有30%的水分要蒸发,所以同比燃煤锅炉的烟气温度要低一些,而烟气湿度要比燃煤锅炉的烟气湿度高得多,燃水煤浆烟气湿度为13 9~21 3%,燃煤粉为5 8~8 1%。

1 6 烟气的含尘浓度

笔者曾去过胜利油田热电厂实地考察,其10t/h水煤浆锅炉的排烟浓度为5g/m3,新汶良庄矿6t/h水煤浆锅炉的排烟浓度为6g/m3,这与理论计算的数值大体相符,当然烟气浓度与燃烧方式、雾化细度、煤质、燃烧过程的结团情况有关,不同的条件,其烟气含尘浓度不同。从各方面掌握的资料来看,水煤浆锅炉的烟气含尘浓度大致在4~15g/m3之间,应该说含尘浓度不是太高。

1 7 飞灰在电场中的有效驱进速度

笔者在实验室冷态条件下做了模拟静电收尘实验。粉尘浓度的测定采用等速采样滤膜称重法测出,仪器采用自动烟尘测试仪,按下式可记算出除尘效率( ):

=[(Qi Ci-Qo Co)/Qi Ci]%100%

Qi、Qo为进出口得实测风量m3/min,Ci、Co为进出口粉尘浓度mg/m3。

集尘面积A(m2)和单位时间烟气处理量Q(m3/s)为已知,则根据Deustch效率方程式 =1-exp(-A!/Q)可以求出有效驱进速度!=-Q/A1n(1- ),计算结果!=9 35cm/s,这是在实验室冷态条件下做的结果,工况条件下粉尘比电阻要小,由于极距的加宽而使电源二次电压要比实验高出许多,所以工况条件下的有效驱进速度!>11cm/s,这个值近于燃煤飞灰的有效驱进速度的上限。

从上面对水煤浆飞灰的成分、粒度分布、比电阻、有效驱进速度等综合分析,得出结论:水煤浆飞灰的可收集性要优于燃煤飞灰。

1 3 飞灰的粒度分布

水煤浆燃烧产生的飞灰的平均粒径通常大于制浆煤粉。

原因是水煤浆雾化后,每个浆滴包含多个煤粒;另外浆滴经雾化干燥后,随着挥发分的析出,相邻煤颗粒之间粘附在一起,发生 结团#现象,而煤粉却是单颗粒燃烧。

水煤浆飞灰的粒度大致分布在1~100 m之间,它与燃烧方式、雾化细度、煤质、燃烧过程结团情况有关。表2为新汶良庄煤矿6t/h锅炉燃水煤浆的飞灰粒度分布。

表2 水煤浆灰样粒度分布

原炉型(改造前)链条炉

粒度分布/%

燃料

<1 m<15 m<30 m<45 m<60 m<75 m<90 m>90 m

水煤浆

0 1

12 6013 3125 2818 7613 3611,325 27

1 4 飞灰的比电阻

水煤浆飞尘的比电阻较燃煤飞灰要小。其原因有二:一

是水煤浆中含水30%左右,其湿度要大于燃煤飞灰;二是制浆时使用了含钠的添加剂,氧化钠的含量大于煤灰中的含

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高,一般在4~15g/m3;烟气温度在145~175 之间,所以燃水煤浆工业锅炉完全可以采用电除尘器作为除尘设备。

由于我们面对的是中小锅炉,烟气量每小时从几千到几万立方米,如要选用电除尘器,一定要考虑设备的投资成本。选用经济可靠型电除尘器的设计应考虑下面几个方面:

1)对于烟气量40000m3/h以上的,可考虑用卧板式电除尘器,同极间距可放宽400~500mm,这可以降低钢耗量;对于放电极,一律采用芒刺线。

2)由于烟气浓度不高,可采用单室二电场,减少供电区,可以减少供电电源套数,同样可以降低投资。

3)尽可能采用顶部电磁振打,这样可以使电除尘器结构紧凑,占地面积小,维修方便,同样降低钢耗量。

4)对于烟气量在30000m3/h以下的,可考虑用立管式组合式电除尘器。比如旋风除尘器与管式电除尘器的组合,增加烟气在器内的处理时间,这样可降低设备的自重,但要注意清灰效果,减少粉尘的二次飞扬。

5)对于立管式电除尘器,在保证烟气和灰尘能顺利排出的条件下,可考虑将除尘器放在锅炉房的顶部,不仅不用风机,而且省去烟囱和管道。

6)对同一锅炉房中多台小锅炉,要考虑采用一台除尘器集中处理。

7)由于水煤浆飞灰的比电阻在3%1010 cm左右,比电阻偏高,所以采用脉冲供电为佳,可以有效地抑制反电晕发生。为降低电源成本,可以用一套电源实现脉冲供电,即在变压器低压端产生脉冲,然后通过升压整流后形成脉冲供电。

2 对燃水煤浆工业锅炉除尘的探讨2 1 燃水煤浆工业锅炉的除尘设备的选用

中小工业锅炉大部分为燃煤型,燃水煤浆是由燃煤或燃油改造的,目前采用的除尘设备大部分为机械力(重力、惯性力、离心力)除尘器和湿式除尘器,采用布袋除尘器和电除尘器占少数。普遍存在的问题是:&设备老化,除尘效率低,不能达到环保排放要求; 由于设计不合理和使用不当,导致设备故障频发;(对于湿法除尘,形成的废液泥浆不采取处理措施,乱排乱放,带来了新的二次污染。

采用机械式除尘装置,具有结构简单、投资少、运行维护费用低、耐高温的优点,但除尘效率低,只适用于捕集粒径大于15 m的尘粒,所以不能满足排放要求,一般可作为粗净化或一级除尘使用。湿式除尘器有水膜除尘器、文氏管除尘器、泡沫除尘器等,它们具有除尘效率高、结构简单、造价低的优点,但存在最大的缺点是:&会带来二次污染,要考虑对废液和泥浆的处理; 飞灰中的金属与非金属的氧化物遇水后,其活化性大大降低,失去所利用的价值。综合评价上面两种类型的除尘设备是不可取的。

中国环境法暂定燃煤电站锅炉的烟气排放粒子浓度不超过80mg/Nm3,而欧洲与美国已经使用的更加严格的粒子排放要求,即每1000MW/h的电能不超过0 15kg粒子,这个数值相当于7~10mg/Nm3。对于这种对环境要求愈加严格的条件下,笔者认为,对于燃水煤浆工业锅炉的除尘,应优先选用布袋除尘器和电除尘器。

2 2 布袋除尘器

布袋除尘器也称为过滤式除尘器,其特点是应用广泛,除尘效率高,一般可达99%以上,可实现近于零排放;可捕集亚微米粒径颗粒;不受粉尘的比电阻影响;处理烟气量的范围大;并可处理高浓度的含尘气体,选择合适的滤料,可处理200 左右的高温气体。在保证相同的除尘效率的前提下,其造价和运行费用低于电除尘器;另外对于燃煤质燃料的锅炉,还具有脱硫作用。

九十年代初,国际流行一种先进低压脉冲反吹式布袋除尘器,喷吹实现了低压力、短脉冲、离线清灰、长滤袋,具有过滤风速大、重量轻、占地少、投资省、高效率低能耗的优点。

对燃水煤浆中小工业锅炉,烟气量小的每小时几千立方米,大到几万立方米,烟气温度一般小于200 ,且粉尘的比电阻偏高,适合选用脉冲反吹式布袋除尘器作为除尘设备,它与电除尘器相比,可降低投资成本和运行费用,同样达到较高的除尘效率。

3 结 语

燃水煤浆工业锅炉的飞灰与燃煤锅炉的飞灰的化学成分相同,由于水煤浆本身的特点及燃烧方式的不同,其粒度分布、比电阻、有效驱进速度有所不同;工况条件下的烟尘浓度、烟气温度、湿度也存在一定的差异,通过定量与定性分析得出:燃水煤浆工业锅炉的飞灰的可收集性要优于燃煤的工业锅炉。

除尘应采用干法方式,并优先选用脉冲布袋除尘器和电除尘器;针对烟气量小的,如用电除尘器,应选用立管组合式电除尘器;为使电除尘器高效率、安全、可靠运行的同时,降低设备的投资成本和运行成本,注意把握设计中的各个环节。参考文献:

[1] 毛健雄,等.煤的清洁燃烧.科学出版社,2000.

[2] 郝吉明,等.大气污染控制工程.高等教育出版社,1999.[3] 岑可法,姚强,等.煤浆燃烧、流动、传热和汽化的理论

与应用技术.浙江大学出版社,1997.

[4] 王锡高.脉冲袋式除尘技术在燃煤锅炉中的应用.锅炉

技术.2002,8.

2 3 电除尘器

电除尘器特点是:除尘效率高,可达99%以上;阻力小,能耗低;处理烟气量大;可处理高温气体;捕集亚微米级的粒子。前面分析了水煤浆飞灰的成分,实测粒度分布在1~100 m之间,在工况条件下,比电阻在1 4~7%1010 cm之间,并推断其驱进速度!>11cm/s;烟气的含尘浓度不是很

(责任编辑 郑燕凌)

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