WFGD协同脱除燃煤烟气中SO2、NO和有机污染物的实验与模拟研究
作者单位:华中科技大学
学位级别:硕士
导师姓名:张世红;张雄
授予年度:2021年
学科分类:083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程(可授工学、理学、农学学位)] 08[工学]
主 题:燃煤烟气 WFGD SO2 NO 有机污染物 协同脱除
摘 要:煤炭燃烧会产生SO、NO、颗粒物(PM)、痕量重金属(THM)和以挥发性有机化合物(VOCs)为典型代表的有机化合物等污染物,对自然环境和人类健康的危害巨大。因而,燃煤污染物的排放控制一直是环保领域的重点研究课题。当前分段的污染物处理方式存在投资建设成本高,占地面积大,系统复杂度高,运行维护成本高、难度大等缺陷。本文通过实验和模拟相结合的方式,探究了在现有成熟的WFGD工艺基础上,利用气相氧化吸收技术协同脱除燃煤烟气中SO、NO和典型有机化合物等多种污染物的可行性,以期为工业应用提供参考。首先,搭建了一套小型的WFGD实验系统,研究了液气比、浆液p H值、SO浓度和含氧量等关键操作参数对SO脱除效率的影响。结果发现:脱硫效率随着液气比的增大而提高。当液气比为18L/m时,脱硫效率最高达到约99.8%。过高或过低的浆液p H值均不利于石灰石/石灰-石膏烟气湿法脱硫过程,当浆液p H值在约5.3~5.8的范围内,脱硫效率可以保持在99.2%以上。烟气中SO浓度过高会降低脱硫效率,烟气含氧量的适当增大可以提高脱硫效率。然后,搭建了一套气相氧化吸收实验系统,探究了氧化剂配比、氧化剂p H值、氧化温度、液气比、浆液p H值和共存气体等操作参数对脱硫脱硝效率的影响。结果表明:当无氧化剂注入时,脱硫效率为99.1%,而脱硝效率仅为5.2%。当注入氧化剂后,在氧化剂配比为HO浓度6.0mol/l,Fe SO浓度5.0mmol/l时,脱硫脱硝效率最高分别达到99.9%和83.4%。氧化剂p H值过高会降低氧化剂的氧化活性。在约120℃的氧化温度时,脱硫脱硝效率都能保持在较高的水平上。液气比的增大对脱硫效率和脱硝效率的提升都很明显,考虑到经济性的因素,液气比一般在16L/m较为适宜。浆液p H值过高或过低都会导致脱硫效率下降,当浆液p H值在5.4~5.6之间时,脱硫效率可以达到99.8%以上,而脱硝效率随着浆液p H值的提高一直在缓慢地上升。在共存气体中,随着SO浓度和NO浓度的提高,脱硫效率和脱硝效率均有所降低,说明SO和NO在氧化体系中存在对氧化剂的竞争关系。随着O含量的增加,脱硝效率得到提高,而脱硫效率却出现下降。CO含量的变化对脱硫脱硝效率没有明显的影响。推测了气相氧化吸收协同脱除SO和NO的反应路径,当NO被氧化为高价态NO后会和SO一起在Ca CO浆液中被吸收脱除,最终的反应产物主要为Ca(NO)、Ca(NO)、Ca SO和Ca SO等。在实验研究的基础上,本文借助Aspen Plus模拟软件,以某燃煤电厂630MW机组的石灰石/石灰-石膏湿法脱硫设备(WFGD)为对象,建立了以HO/Fe SO为复合氧化剂的气相氧化吸收脱硫脱硝工艺流程,探究了HO/NO摩尔比、SO浓度和氧化温度对NO转化率的影响。结果发现:在设计工况SO浓度为4458mg/m,NO浓度为400mg/m下,HO/NO摩尔比为1.0时,气相氧化吸收工艺的脱硫脱硝效率分别为99.52%和89.63%。当HO/NO摩尔比在1.2~1.4之间时,具有较高的经济性。SO浓度对NO的转化率影响不大。氧化温度过高或过低均会造成NO的转化率下降,在115~130℃的区间范围内,NO转化率可以达到96%以上。最后,基于某燃煤电厂630MW机组WFGD的完整工艺流程,通过Aspen Plus软件模拟,考察了烟气温度、烟气流速、浆液温度、浆液p H值、SO浓度和NO浓度等工艺参数对脱硫反应过程中典型燃煤有机污染物脱除的影响。结果表明:在设计工况下,WFGD的总体脱硫效率高达99.41%,同时可以协同脱除大约10.87%的NO。此外,WFGD对苯、甲苯、二甲苯、苯酚和萘的协同脱除效率分别可以达到约70.56%,88.63%,93.24%,93.68%和67.53%,表明WFGD对典型燃煤有机污染物的协同脱除具有较好潜力。