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脱硝伴生硫酸氢铵与飞灰相互作用机制及对空预器堵塞影响的研究

脱硝伴生硫酸氢铵与飞灰相互作用机制及对空预器堵塞影响的研究

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作者：颜鲁山东大学

学位级别：硕士

SCR脱硝系统是一种高效的脱硝技术,虽然有效缓解了环保压力,但也为燃煤电厂的安全经济运行带来了诸多问题。在脱硝过程中,催化剂使得烟气中的SO2氧化为S03的机率增高,SO3与逃逸NH3反应生成硫酸氢铵（ABS）,其粘附在换热设备表面,使得积... 详细信息

SCR脱硝系统是一种高效的脱硝技术,虽然有效缓解了环保压力,但也为燃煤电厂的安全经济运行带来了诸多问题。在脱硝过程中,催化剂使得烟气中的SO2氧化为S03的机率增高,SO3与逃逸NH3反应生成硫酸氢铵（ABS）,其粘附在换热设备表面,使得积灰层增厚。硫酸氢铵造成的空预器堵塞问题一直是学者们研究的重点,黏性强的液态硫酸氢铵粘附在壁面上吸附大量的飞灰,减少了空预器烟气侧壁面间的流通截面积,形成堵塞,导致机组的运行阻力增加。因此,探究硫酸氢铵与飞灰颗粒在空预器壁面的粘附作用机制,对有效预防和减轻燃煤锅炉空预器堵塞具有重要意义。本文研究了燃煤锅炉脱硝伴生硫酸氢铵与飞灰颗粒在空预器壁面的粘附作用机制,设计了金属壁面飞灰粘附性能试验台,实验研究了不同温度、不同粒径范围和不同硫酸氢铵-灰质量比（R）下硫酸氢铵与飞灰颗粒在金属壁面的粘附规律。由于烟温与壁温之间存在温差,造成了不同区域硫酸氢铵凝结方式的不同,因此本文从硫酸氢铵直接冷凝在壁面吸附飞灰颗粒（记为未混样品）和硫酸氢铵冷凝在飞灰颗粒表面两者混合物粘附在壁面（记为预混样品）两方面研究了壁面飞灰粘附率规律。实验发现预混样品和未混样品的粘附率都是先随着温度的升高而增加,当到达某一温度后,温度继续升高粘附率会下降,两种样品的飞灰粘附率最大的温度点不同（预混220℃,未混180℃）,预混样品的粘附率始终高于未混样品,但粘附强度前者小于后者。研究表明,液态硫酸氢铵的生成是造成空预器严重堵塞的根本原因,空预器某一段区域处纯硫酸氢铵凝结后吸附飞灰（未混样品）继而形成的积灰层粘结力相对较大,造成积灰层的不断增厚;而经过这一区域后飞灰颗粒与硫酸氢铵混合物（预混样品）在壁面的粘附率较高,积灰层厚度短时间内增加明显,该结论为空预器不同区域处吹灰方式的选择提供指导。为了分析不同温度下硫酸氢铵与飞灰颗粒耦合作用机制,将吹扫过后粘附在壁面的灰样进行取样,分别采用扫描电子显微镜（SEM）、能谱分析（EDS）以及X射线衍射（XRD）对不同温度（160、200、220、280℃）的样品进行形貌、元素分布以及成分晶体分析。研究发现,硫酸氢铵与飞灰颗粒在一定温度下发生化学反应,温度的升高促进了化学反应的进行。并且硫酸氢铵的存在改变了飞灰颗粒原始形貌,不同温度下其颗粒团聚形态不同,其中预混样品220℃下颗粒团聚最为剧烈,形成了黏结形态很强的絮状物。飞灰成分主要有C、O、Al、Si、Fe、Ca等元素,大多以氧化物的形式存在,与硫酸氢铵之间会存在化学反应。同时,粘附积灰层整体以及飞灰颗粒自身都含有孔隙结构,存在物理吸附作用。因此,为探究粘附积灰层中飞灰颗粒与硫酸氢铵在不同温度下发生的物理吸附和化学反应程度以及不同氧化物对飞灰颗粒粘附的影响规律,设计了不同成分积灰与硫酸氢铵相互作用的实验。采用标准粒径的纯氧化物CaO、A1203、Si02代表飞灰中的碱金属氧化物和普通氧化物,模拟与硫酸氢铵的耦合作用实验,并选取电厂飞灰作为对比实验。分别对不同温度下CaO、A1203、Si02和飞灰颗粒与硫酸氢铵的作用产物,进行pH、电导率和XRD测试。实验发现,各成分颗粒物与硫酸氢铵混合物的pH随着温度的增加而增大,但CaO和飞灰颗粒的pH随温度的变化相对较小,Si02的变化趋势次之,A1203的pH趋势随温度的变化最为显著。其中,CaO与硫酸氢铵发生了强烈的化学中和反应,消耗了硫酸氢铵,反应产物呈碱性,粘结作用不明显。而A1203与硫酸氢铵发生少许反应,200℃后反应加剧。Si02与硫酸氢铵无化学反应发生,只存在物理吸附。并且Si02,A1203和飞灰颗粒与硫酸氢铵混合物呈酸性,颗粒间粘附明显。结果表明:飞灰颗粒与硫酸氢铵在不同温度下存在不同程度的物理吸附和化学反应,使得积灰粘附物在不同温度下呈现不同的粘性。为进一步探究硫酸氢铵与飞灰颗粒发生的物理吸附作用,对原灰样和200℃实验灰样进行了 BET测试,测试表明,实验前后飞灰颗粒孔径分布发生了较大的改变（平均孔径由9.4561nm变为了 29.8231nm）,颗粒孔隙的总孔容积减少,比表面积从1.3050m2/g减少到了 0.3127m2/g,证实了飞灰颗粒孔隙对液态硫酸氢铵的物理吸附能力。最后,在理论和试验研究的结果基础上,结合电厂运行数据,主要从粘附作用机制和硫酸氢铵生成源头两个方面探寻减轻液态硫酸氢铵造成空预器堵塞的方法。其中,缩短硫酸氢铵液化区间、空预器处进行连续吹灰、在锅炉中合理添加碱性物质和改变飞灰颗粒孔隙度等方式都能有效减少液态硫酸氢铵的量,从而减轻空预器的堵塞现象。本研究为工程上治理硫酸氢铵堵塞奠定了理论基础。

关键词：硫酸氢铵飞灰颗粒粘附作用机制空预器堵塞脱硝

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