燃煤电厂超低排放系统多种污染物脱除的全局优化研究
发布时间：2021-02-14 18:04
煤炭是我国能源生产消费的主力,燃煤发电发挥了不可替代的作用。2018年我国火力发电量约占发电总量的70%,其中煤电装机容量占火电装机总量的88.6%。然而煤炭燃烧产生的大量污染物如粉尘、氮氧化物、硫氧化物和重金属等随燃煤烟气排放,会破坏大气资源,危害生物健康。因此,我国政府不断提高对燃煤大气污染的排放要求,加大监管力度。目前燃煤电厂超低排放系统中的烟气净化设备之间大多独立运行,针对污染物协同脱除的研究也以针对单装置或单种污染物为主。由于传统控制水平有限,受到锅炉侧的负荷波动和煤质变化影响,各污染物脱除装备运行不稳定,易导致投入成本过高或污染物排放超标。为解决这些问题,需要对超低排放系统的运行全流程进行统筹优化,从而指导各装备的运行调控,在保证排放达标的同时最大限度地降低能源和物料的投入。本文以燃煤锅炉产生的主要污染物NOx、SO2、PM、SO3和Hg,以及典型超低排放系统配套的选择性催化还原脱硝装备、静电除尘装备、烟气湿法脱硫装备和湿式电除尘装置为研究对象,围绕超低排放系统多种污染物全流程脱除的全局优化问题开展了以下研究...
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：94 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
罚函数实现约束转化流程示意图[61]
浙江大学硕士学位论文2超低排放系统对污染物的协同控制特性研究222超低排放系统对污染物的协同控制特性研究2.1引言一套典型的燃煤电厂超低排放系统配备包括选择性催化还原脱硝装置（SCR）、静电除尘装置（ESP）、湿法烟气脱硫装置（WFGD）以及湿式电除尘装置（WESP），在运行过程中每个系统分别对NOx、SO2、PM、SO3和Hg这五种污染物具有不同程度上的协同作用，具体对应关系如图2-1所示。图2-1超低排放系统各装置对多种污染物的协同脱除概况超低排放系统内各环保装备对多种污染物协同脱除的研究能够帮助解决环保装备和污染物一对一的控制技术投入成本高、占地空间大的问题，从而提升经济效益和环保效益。因此，本章结合课题组现有研究成果和其他文献成果，研究了烟气在流经每个环保装备时，各装备对NOx、SO2、PM、SO3和Hg这五种污染物的协同作用机理和影响脱除效果的主要因素，为后文超低排放系统全流程的全局优化提供基矗本章中提到的脱除效率都以下述公式计算：=×100%（2-1）式中，为污染物在某脱除装置的入口浓度，为其在该脱除装置的出口浓度。
浙江大学硕士学位论文2超低排放系统对污染物的协同控制特性研究232.2脱硝装置对污染物的协同作用研究2.2.1脱硝装置对Hg的协同氧化作用图2-2燃煤烟气中汞控制路径图燃煤烟气中的汞主要以零价汞（Hg0）、氧化汞（Hg2+）和颗粒态汞（Hgp）这三种形态存在。随着温度的升高，则汞从煤中析出的比例就越高[140,141]。在实际燃煤电厂锅炉的炉膛高温条件下，煤中的汞基本上全部析出；在炉内燃烧温度大于800K的环境条件下,99%以上的汞都会以单质形式存在。单质汞是在该温度条件下唯一的热力稳定形式，其具有不易溶于水的特性和较强的挥发性，基本以蒸汽形态存在，不易被环保装备脱除，因此单质汞的高效脱除是燃煤电厂汞控制的关键点[142-144]。烟气从锅炉出口进入尾部烟道后，温度有所降低，相应条件下的汞控制路径主要有两种：第一种是单质汞Hg0(g)与烟气中的物质发生均相氧化反应后，被氧化产生气态的二价汞Hg2+(g)；第二种是没有被氧化的单质汞Hg0(g)与二价汞Hg2+(g)和烟气中其他固态产物在固态吸附作用下形成粒子吸附态汞Hgp，及颗粒态汞。绝大部分的二价汞Hg2+(g)和颗粒态汞Hgp可以被后续超低排放系统中的脱硫装置和除尘装置高效脱除。相比较来说，SCR脱硝装置对汞的脱除效果比较微弱，主要以固体催化剂表面吸附作用为主，协同脱除效率一般在5%到10%左右。烟气中的氯化氢本身不具备很强的氧化能力，但烟气进入SCR后，脱硝催化剂能够促进氯化氢和氧气反应，从而将单质汞氧化为氯化汞，这也是SCR脱硝装置对协同控制汞的主要贡献。SCR催化剂（V2O5-WO3/TiO2）能够使烟气中的HCl和O2发生迪肯（Deacon）反应生成Cl2，Cl2及相关联的Cl原子具有强氧化性，可以将烟气中大部分单质汞Hg0氧化为二价汞Hg2+，如下式所示：2+122
【参考文献】：
期刊论文
[1]煤粉炉和循环流化床锅炉飞灰吸附汞动力学及其吸附机制[J]. 李晓航,刘红刚,路建洲,滕阳,张锴. 化工学报. 2019(11)
[2]WO3-MnOx/TiO2-ZrO2催化剂脱汞性能研究[J]. 郭会宾,刘海刚,唐宏学. 环境污染与防治. 2019(06)
[3]2018年全国全社会用电量[J]. 能源与环境. 2019(02)
[4]SCR气氛下Ce-W/TiO2催化剂的脱硝协同脱汞特性[J]. 耿新泽,段钰锋,胡鹏,柳帅,梁财. 中国环境科学. 2019(04)
[5]推动煤电产业转型升级 促进电力清洁低碳高质量发展[J]. 汪建平. 中国电力企业管理. 2019(10)
[6]电袋复合除尘器协同脱除SO3和Hg[J]. 陈奎续. 中国电力. 2019(03)
[7]一种基于进化的自适应卡尔曼修正粒子群优化算法[J]. 李才发,侯森. 东莞理工学院学报. 2019(01)
[8]湿法脱硫喷淋除尘过程的数值模拟[J]. 李晨朗,冀秉强,宋蔷,姚强. 中国电机工程学报. 2019(04)
[9]《2018～2019年度全国电力供需形势分析预测报告》速览[J]. 中国电力企业管理. 2019(03)
[10]2019年电力发展预测与热点问题解析[J]. 本刊编辑部. 中国电力企业管理. 2019(01)
博士论文
[1]基于形态调控的燃煤烟气中零价汞的脱除研究[D]. 杨阳.中国科学院大学(中国科学院过程工程研究所) 2019
[2]超低排放的湿法高效脱硫协同除尘的机理及模型研究[D]. 张军.浙江大学 2018
[3]脉冲电晕放电烟气中细微颗粒物协同氮氧化物脱除研究[D]. 赵磊.浙江大学 2013
硕士论文
[1]燃煤电厂脱硝系统入口NOx浓度测量修正及喷氨量优化控制研究[D]. 刘博文.浙江大学 2019
[2]SCR催化法中SO2/SO3转化率的影响因素研究[D]. 张瀚之.华北电力大学 2018
[3]燃煤机组超低排放环保岛协同运行优化研究[D]. 徐哲炜.浙江大学 2018
[4]改进的骨干粒子群优化算法及应用研究[D]. 陈健.安徽工业大学 2017
[5]湿式电除尘增强PM2.5/SO3酸雾脱除的研究[D]. 雒飞.东南大学 2017
[6]多学科设计优化在风电运维船的研究与应用[D]. 姚壮乐.华南理工大学 2015
[7]多学科协同优化算法及其在船舶概念优化设计中的应用[D]. 周奇.中国舰船研究院 2014
[8]湿式静电除雾器脱除烟气中酸雾的试验研究[D]. 闫君.山东大学 2010
[9]筛板式喷淋塔脱硫脱硝性能试验研究[D]. 陈湘文.浙江大学 2008
本文编号：3033622
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：94 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
罚函数实现约束转化流程示意图[61]
浙江大学硕士学位论文2超低排放系统对污染物的协同控制特性研究222超低排放系统对污染物的协同控制特性研究2.1引言一套典型的燃煤电厂超低排放系统配备包括选择性催化还原脱硝装置（SCR）、静电除尘装置（ESP）、湿法烟气脱硫装置（WFGD）以及湿式电除尘装置（WESP），在运行过程中每个系统分别对NOx、SO2、PM、SO3和Hg这五种污染物具有不同程度上的协同作用，具体对应关系如图2-1所示。图2-1超低排放系统各装置对多种污染物的协同脱除概况超低排放系统内各环保装备对多种污染物协同脱除的研究能够帮助解决环保装备和污染物一对一的控制技术投入成本高、占地空间大的问题，从而提升经济效益和环保效益。因此，本章结合课题组现有研究成果和其他文献成果，研究了烟气在流经每个环保装备时，各装备对NOx、SO2、PM、SO3和Hg这五种污染物的协同作用机理和影响脱除效果的主要因素，为后文超低排放系统全流程的全局优化提供基矗本章中提到的脱除效率都以下述公式计算：=×100%（2-1）式中，为污染物在某脱除装置的入口浓度，为其在该脱除装置的出口浓度。
浙江大学硕士学位论文2超低排放系统对污染物的协同控制特性研究232.2脱硝装置对污染物的协同作用研究2.2.1脱硝装置对Hg的协同氧化作用图2-2燃煤烟气中汞控制路径图燃煤烟气中的汞主要以零价汞（Hg0）、氧化汞（Hg2+）和颗粒态汞（Hgp）这三种形态存在。随着温度的升高，则汞从煤中析出的比例就越高[140,141]。在实际燃煤电厂锅炉的炉膛高温条件下，煤中的汞基本上全部析出；在炉内燃烧温度大于800K的环境条件下,99%以上的汞都会以单质形式存在。单质汞是在该温度条件下唯一的热力稳定形式，其具有不易溶于水的特性和较强的挥发性，基本以蒸汽形态存在，不易被环保装备脱除，因此单质汞的高效脱除是燃煤电厂汞控制的关键点[142-144]。烟气从锅炉出口进入尾部烟道后，温度有所降低，相应条件下的汞控制路径主要有两种：第一种是单质汞Hg0(g)与烟气中的物质发生均相氧化反应后，被氧化产生气态的二价汞Hg2+(g)；第二种是没有被氧化的单质汞Hg0(g)与二价汞Hg2+(g)和烟气中其他固态产物在固态吸附作用下形成粒子吸附态汞Hgp，及颗粒态汞。绝大部分的二价汞Hg2+(g)和颗粒态汞Hgp可以被后续超低排放系统中的脱硫装置和除尘装置高效脱除。相比较来说，SCR脱硝装置对汞的脱除效果比较微弱，主要以固体催化剂表面吸附作用为主，协同脱除效率一般在5%到10%左右。烟气中的氯化氢本身不具备很强的氧化能力，但烟气进入SCR后，脱硝催化剂能够促进氯化氢和氧气反应，从而将单质汞氧化为氯化汞，这也是SCR脱硝装置对协同控制汞的主要贡献。SCR催化剂（V2O5-WO3/TiO2）能够使烟气中的HCl和O2发生迪肯（Deacon）反应生成Cl2，Cl2及相关联的Cl原子具有强氧化性，可以将烟气中大部分单质汞Hg0氧化为二价汞Hg2+，如下式所示：2+122
【参考文献】：
期刊论文
[1]煤粉炉和循环流化床锅炉飞灰吸附汞动力学及其吸附机制[J]. 李晓航,刘红刚,路建洲,滕阳,张锴. 化工学报. 2019(11)
[2]WO3-MnOx/TiO2-ZrO2催化剂脱汞性能研究[J]. 郭会宾,刘海刚,唐宏学. 环境污染与防治. 2019(06)
[3]2018年全国全社会用电量[J]. 能源与环境. 2019(02)
[4]SCR气氛下Ce-W/TiO2催化剂的脱硝协同脱汞特性[J]. 耿新泽,段钰锋,胡鹏,柳帅,梁财. 中国环境科学. 2019(04)
[5]推动煤电产业转型升级 促进电力清洁低碳高质量发展[J]. 汪建平. 中国电力企业管理. 2019(10)
[6]电袋复合除尘器协同脱除SO3和Hg[J]. 陈奎续. 中国电力. 2019(03)
[7]一种基于进化的自适应卡尔曼修正粒子群优化算法[J]. 李才发,侯森. 东莞理工学院学报. 2019(01)
[8]湿法脱硫喷淋除尘过程的数值模拟[J]. 李晨朗,冀秉强,宋蔷,姚强. 中国电机工程学报. 2019(04)
[9]《2018～2019年度全国电力供需形势分析预测报告》速览[J]. 中国电力企业管理. 2019(03)
[10]2019年电力发展预测与热点问题解析[J]. 本刊编辑部. 中国电力企业管理. 2019(01)
博士论文
[1]基于形态调控的燃煤烟气中零价汞的脱除研究[D]. 杨阳.中国科学院大学(中国科学院过程工程研究所) 2019
[2]超低排放的湿法高效脱硫协同除尘的机理及模型研究[D]. 张军.浙江大学 2018
[3]脉冲电晕放电烟气中细微颗粒物协同氮氧化物脱除研究[D]. 赵磊.浙江大学 2013
硕士论文
[1]燃煤电厂脱硝系统入口NOx浓度测量修正及喷氨量优化控制研究[D]. 刘博文.浙江大学 2019
[2]SCR催化法中SO2/SO3转化率的影响因素研究[D]. 张瀚之.华北电力大学 2018
[3]燃煤机组超低排放环保岛协同运行优化研究[D]. 徐哲炜.浙江大学 2018
[4]改进的骨干粒子群优化算法及应用研究[D]. 陈健.安徽工业大学 2017
[5]湿式电除尘增强PM2.5/SO3酸雾脱除的研究[D]. 雒飞.东南大学 2017
[6]多学科设计优化在风电运维船的研究与应用[D]. 姚壮乐.华南理工大学 2015
[7]多学科协同优化算法及其在船舶概念优化设计中的应用[D]. 周奇.中国舰船研究院 2014
[8]湿式静电除雾器脱除烟气中酸雾的试验研究[D]. 闫君.山东大学 2010
[9]筛板式喷淋塔脱硫脱硝性能试验研究[D]. 陈湘文.浙江大学 2008
本文编号：3033622
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