國(guó)標(biāo)一維爐煤燃燒汞排放特性試驗(yàn)研究

1、中國(guó)工程熱物理學(xué)會(huì) 燃燒學(xué) 第十屆年會(huì) 論文編號(hào)：034052一維爐煤燃燒汞排放特性試驗(yàn)研究王泉海1張軍營(yíng)劉晶1邱建榮1楊劍峰1張建鋒2(1湖北武漢華中科技大學(xué)煤燃燒國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室430074：2湖北武漢武漢都市環(huán)保工程技術(shù)股份430077)(聯(lián)系 ：02787545526 Email：wangqh298(魚(yú),sohucom)摘要：在一維煤粉燃燒爐上進(jìn)行煤燃燒后汞形態(tài)轉(zhuǎn)化的試驗(yàn)研究。采樣過(guò)程中利用了美國(guó)EPA推薦使 用的Ontario Hydro方法進(jìn)行煤樣燃燒產(chǎn)物的取樣。研究說(shuō)明，由于取樣煙氣中的高灰含量，煤樣燃燒 后煙氣中的汞主要以顆粒形態(tài)出現(xiàn)，而以氣態(tài)王含量較少，其O-價(jià)汞在1748。顆

2、粒態(tài)汞在飛灰中富集，在底灰被分散，此現(xiàn)象隨燃燒溫度的增加而增強(qiáng)。 關(guān)鍵詞：汞：燃燒：煤1前言 近年來(lái)燃煤鍋爐產(chǎn)生的有毒痕元素對(duì)環(huán)境的危害越來(lái)越被人們所關(guān)注吐其中，汞是煤中最易揮發(fā)的有毒痕量元素之一，其 主要賦存于黃鐵礦中H。汞元素具有很強(qiáng) 的揮發(fā)性，在燃煤過(guò)程中煤中各種形態(tài)的 汞幾乎全部以氣態(tài)形式進(jìn)入煙氣p J。隨著 溫度的降低，煙氣中的汞將經(jīng)歷一系列物 理變化和化學(xué)變化，局部凝結(jié)在亞微米尺 寸的飛灰顆粒外表上，但絕大局部仍以氣相存在】。因此，雖然電站鍋爐的除塵效率很高(99)，仍有相當(dāng)局部的汞或以嘎 微米顆粒形式或以氣相形式隨煙氣排出進(jìn) 入大氣環(huán)境，給環(huán)境造成很大的危害。盡管汞在煤中的濃度很

3、低，但是由于 其劇毒性、生物積累性、捕獲難、大氣停 留時(shí)間長(zhǎng)以及煤消耗量巨大等多種原因， 目前對(duì)它的研究十分重視。有關(guān)汞元素的排放及控制已經(jīng)成為燃燒污染防治中的一1風(fēng)機(jī)2閥門3流量計(jì)4一次風(fēng)管5振動(dòng)個(gè)新興而前沿的領(lǐng)域。為預(yù)測(cè)和有效控制、給粉器6漸擴(kuò)管7電阻絲8爐管9測(cè)孔并減少汞向環(huán)境的直接排放，需要了解燃lO上層分級(jí)風(fēng)管11中層分級(jí)風(fēng)管12下層煤過(guò)程集各種燃燒產(chǎn)物中汞的遷移、轉(zhuǎn)化分級(jí)風(fēng)管13分級(jí)風(fēng)管14除塵器15取樣點(diǎn)和排放規(guī)律，作為建立和完善治汞方法的圖1一維煤粉燃燒爐示意圖理論根底。本文在一維煤粉燃燒爐上進(jìn)行Fig1 The schematic diagram ofOBll!order了煤

4、中汞在燃燒中析出規(guī)律的研究。pulverized coal furnace2試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法實(shí)驗(yàn)在一維煤粉燃燒爐上進(jìn)行，如圖1所示。爐膛采用積木式結(jié)構(gòu)，總高度達(dá)35ITI，其中反響段內(nèi)徑為0175m。高度為193m，分為結(jié)構(gòu)相同的6級(jí)。每一級(jí)由電阻 絲加熱，加熱功率為6kW。給粉系統(tǒng)采用微型電磁振動(dòng)給料器。一次風(fēng)和煤粉由爐頂噴 入爐內(nèi)，垂直向下流動(dòng)。分級(jí)的二次風(fēng)由分級(jí)風(fēng)管從爐膛四周均勻噴入，其高度位置分 上、中、下3層。爐膛內(nèi)的沿程溫度由熱電耦測(cè)定。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，保持總的空氣過(guò)剩 系數(shù)Q為120。給粉量為5kgh。實(shí)驗(yàn)采用云南小龍?zhí)稛o(wú)煙煤、河南焦作無(wú)煙煤和河南平頂山煙煤，煤的工業(yè)、元素及汞分

5、析結(jié)果如表1所示。煤燃燒過(guò)程產(chǎn)生的底灰、飛灰分別用取樣管從爐膛底部和尾 部煙道采集。燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的煙氣由取樣探槍采集，根據(jù)美國(guó)EPA推薦使用的 OntarioHydro方法捕捉煤燃燒之后煙氣中的汞形態(tài)(包括元素汞H文g)、二價(jià)汞H92+(g)、 顆粒汞Hg(s)。采集到的吸收液、灰樣或殘?jiān)謩e進(jìn)行處理后，用XYG-I型CVAFS汞分析儀測(cè)定其中Hg元素含量。表1實(shí)驗(yàn)用煤的工業(yè)分析、元素分析和汞元素含量Tab1 Coal ultimate，proximate and mercury analysis results注：Mt：煤樣的收到基水份；Asr；煤樣的收到基灰份：Vat：煤樣的收到基揮發(fā)份

6、；FCat：煤樣的收到基 固定碳質(zhì)量百分比數(shù)；Nat：煤樣的收到基灰份；Cat：煤樣的收到基灰份；Sat：煤樣的收到基灰份；Hat：煤樣 的收到基灰份：Oar：煤樣的收到基灰份；3實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析31不同燃燒溫度下底灰和飛灰中汞的分布情況言00tle 0010 毽 避00M譬n嚴(yán)nn艙“o“?！岸?囂圈2不同溫度下底灰中汞Hg(n)含量 圖3不同溫度下飛灰中汞Hg(10音量Fig1 The Hg(B)content at different temperature Fig2 The ng(10 content at different temperature圖2、3分別示出了爐溫分別為650C、

7、800C、950C和1100C的工況下小龍?zhí)睹骸⒔棺髅汉推巾斏矫旱牡谆覙雍惋w灰樣中汞含量的定量測(cè)量結(jié)果。盡管在高溫燃燒條件 下，汞元素易于揮發(fā)汽化，但煤粉顆粒在一維煤粉燃燒爐內(nèi)停留時(shí)間較短，因此由于慣 性作用落下的底灰以及隨煙氣流到尾部煙道的飛灰中仍然殘留局部汞。此外，隨著煙氣 的逐漸冷卻，氣相中的汞元素通過(guò)汽化凝聚作用以及飛灰殘?zhí)嫉奈阶饔酶患陲w灰顆 粒上，從而導(dǎo)致在飛灰顆粒中有較高的汞含量。如圖2、3所示，三種實(shí)驗(yàn)用煤在不同 燃燒溫度下汞的析出情況根本類似：燃燒溫度越高，殘留在底灰的汞越少，而富集在飛 灰中的汞越多。Meii嗍在荷蘭電站進(jìn)行的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)研究說(shuō)明，殘留在底灰中的汞含量小于2，

8、其低 于本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這主要是由于屯站鍋爐燃燒溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于本文實(shí)驗(yàn)中的燃燒溫度：一 般電站爐膛燃燒溫度可達(dá)1600，煤粉顆粒燃燒比擬完全，燃燼率在99以上，煤中 汞元素幾乎全部蒸發(fā)進(jìn)入氣相；而在本文燃燒實(shí)驗(yàn)中，爐膛最高溫度僅為1000-1 120 且煙氣停留時(shí)間短煤粉顆粒燃燒不完全，底灰中仍存有大量殘?zhí)?，因此底灰中的汞?量也高于電站鍋爐的底灰汞排放。 馳32氣態(tài)汞和顆粒汞的分布情況 80實(shí)驗(yàn)中，1100工礦下煙氣中的汞主要以顆粒態(tài)H甙S)的形式存在，而以氣態(tài) 童70蚤60形式存在的汞Hg(G)較少，如圖4。氣態(tài) 求50汞占總汞的比例在11-48之間，而大局部 妞 糕40的汞那么以顆粒態(tài)形式存

9、在。這與其他研究 囂30者的結(jié)果相比，顆粒態(tài)形式存在的汞偏高。20分析其原因，可歸咎于取樣槍和過(guò)濾器中10飛灰殘?zhí)肌５悄壳斑€不能確定導(dǎo)致顆粒態(tài)汞增加的吸附主要是由于煙氣流經(jīng)過(guò)濾圈4 1100下氣態(tài)汞和顆粒態(tài)汞的分布器過(guò)濾形成的灰堆，還是由于煙氣的冷卻。Fig4g(G)and Hg(s)rates during par6culate煙氣中以顆粒形式存在的汞大多數(shù)存coal combustion at 1100在于亞微米顆粒中，一般除塵器對(duì)這局部粒徑范圍的脫除效率很低。大局部汞存在 于氣相中，它們更難于被控制。因此，煤 主70 燃燒過(guò)程中汞排放的研究應(yīng)該以煙氣中氣 墨態(tài)汞的形態(tài)轉(zhuǎn)化遷移規(guī)律為重點(diǎn)

10、。 求5032不同氣態(tài)汞的分布情況|115 拍柏實(shí)驗(yàn)中，1100工礦下煙氣中的單質(zhì) 曠如30汞(Hg沁)和二價(jià)汞gQ)占?xì)鈶B(tài)汞總量的比例如圖5所示。 20從圖5可以看出，煙氣中的汞主要以 單質(zhì)汞的形式存在，單質(zhì)汞在氣態(tài)汞總景圖5 1100(2下氣卷汞分布的5283，而二價(jià)汞僅占17-48。而F嘻5 H窖(G)and H喜(S)speciution during根據(jù)熱力學(xué)平衡計(jì)算，大量的單質(zhì)汞在400particulate coal combustion at 1100左右開(kāi)始向二價(jià)汞轉(zhuǎn)化，煙氣中大約有75的二價(jià)汞(其中主要是氯化汞)和25的單質(zhì)汞。熱力學(xué)平衡計(jì)算和實(shí)驗(yàn)之間的差341別，主要是因

11、為在400C左右進(jìn)行的汞的氧化化學(xué)反響主要由動(dòng)力學(xué)因素所控制，而煙 氣在煙道的停留時(shí)間短，氧化化學(xué)反響還沒(méi)有到達(dá)平衡狀態(tài)。同時(shí)，實(shí)際煙氣中元素汞 和二價(jià)汞的形態(tài)分布還受到其它多種因素的影響，如煤種、煙氣溫度、反響條件、氣體 成分、飛灰成分等。因此，煙氣中的單質(zhì)汞轉(zhuǎn)化為二價(jià)汞的比例比熱力學(xué)模型預(yù)報(bào)的結(jié) 果要低。4結(jié)論 本文在一維煤粉燃燒爐上研究了煤燃燒過(guò)程中的汞排放以及燃煤煙氣中汞的化學(xué)形態(tài)分布，并得出如下幾點(diǎn)結(jié)論：1在一維爐小型實(shí)驗(yàn)爐的燃燒過(guò)程中，煤中絕大部允的汞揮發(fā)進(jìn)入氣相，殘留在底 灰中的汞的比例那么相當(dāng)小，燃燒溫度及煙氣停留時(shí)間是影響煤中汞元素?fù)]發(fā)釋放的主要 因素。2煤燃燒過(guò)程產(chǎn)生的固體

12、排放物中，汞在飛灰中被富集，在底灰中被分散，此現(xiàn)象 隨著燃燒溫度的增加而強(qiáng)。3實(shí)驗(yàn)測(cè)量中，煙氣測(cè)量中的汞主要以顆粒態(tài)的形式存在，而以氣態(tài)形式存在的汞較少，這主要是由于飛灰殘?zhí)康奈阶饔谩钨|(zhì)汞是氣態(tài)汞的主要形式，單質(zhì)汞在氣態(tài) 汞總量的5200-83，而二價(jià)汞僅占1748。4在鍋爐的尾部煙道區(qū)域，動(dòng)力學(xué)因素是汞氧化的主要控制因素，同時(shí)煙氣中汞的 遷移轉(zhuǎn)化還受其它諸多因素的影響。因此，還需要對(duì)這些因素進(jìn)行深入研究，才能正確 描述并預(yù)報(bào)在煤燃燒過(guò)程中煤中汞的排放及其控制。參考文獻(xiàn)：【11 王起超，馬如龍煤及其灰渣中的汞【J1中國(guó)環(huán)境科學(xué)，1997，17(1)：7678【2】 馮新斌，洪業(yè)湯，洪冰等煤

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