高校化学工程学报    2018, Vol. 32 Issue (3): 675-682  DOI: 10.3969/j.issn.1003-9015.2018.03.024
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引用本文 

骆律源, 程滕, 杨林军, 袁竹林, 范红梅. 空预器中硫酸氢铵形成特性及其对颗粒物排放的影响[J]. 高校化学工程学报, 2018, 32(3): 675-682. DOI: 10.3969/j.issn.1003-9015.2018.03.024.
LUO Lü-yuan, CHENG Teng, YANG Lin-jun, YUAN Zhu-lin, FAN Hong-mei. Formation of Ammonium Bisulfate in Air Preheater and its Effect on Particle Emission[J]. Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities, 2018, 32(3): 675-682. DOI: 10.3969/j.issn.1003-9015.2018.03.024.

基金项目

国家自然科学基金(51576039)。

通讯联系人

杨林军, E-mail:ylj@seu.edu.cn

作者简介

骆律源(1993-), 男, 湖北宜昌人, 东南大学硕士生。

文章历史

收稿日期:2017-12-09;
修订日期:2018-02-28。
空预器中硫酸氢铵形成特性及其对颗粒物排放的影响
骆律源 , 程滕 , 杨林军 , 袁竹林 , 范红梅     
东南大学 能源热转换及其过程测控教育部重点试验室,江苏 南京 210096
摘要:NH4HSO4生成是造成空预器堵塞的主要原因之一,其生成特性与逃逸氨及烟气中SO3浓度有着直接关联。研究利用空预器模拟试验平台,探讨了NH4HSO4形成温度及其与烟气中NH3、SO3浓度的关系,并对空预器出口颗粒物物性进行了测试分析。结果表明:NH4HSO4形成温度在235~260℃,并与NH3、SO3浓度乘积的对数值呈正相关函数关系。因NH4HSO4生成而产生的颗粒物主要为粒径小于0.2 μm的亚微米级颗粒。由于空预器中的逃逸氨浓度通常低于SO3的浓度,因此空预器出口颗粒物的数量浓度及粒径分布与NH3浓度存在明显正相关关系,提高NH3浓度会明显增加NH4HSO4的生成量,使空预器出口处粒径小于0.1 μm的颗粒物数量浓度升高,相比之下,增加SO3浓度对颗粒物数量浓度的影响较小,但会使颗粒物粒径出现小幅度增大。
关键词空预器    硫酸氢铵    颗粒物    氨逃逸    形成温度    
Formation of Ammonium Bisulfate in Air Preheater and its Effect on Particle Emission
LUO Lü-yuan, CHENG Teng, YANG Lin-jun, YUAN Zhu-lin, FAN Hong-mei    
Key Laboratory for Energy Thermal Conversion and Control of Ministry of Education, Southeast University, Nanjing 210096, China
Abstract: Formation of ammonium bisulfate in air preheater is an important clogging factor, and the formation process is directly related to NH3 and SO3 concentrations. A model device was used to explore the formation temperature of ammonium sulfate and its relationship with NH3 and SO3 concentrations, and particles from the outlet was analyzed. The results show that the formation temperature is in the range of 235~260℃, and it has a positive correlation with the logarithm of the product of NH3 and SO3 concentrations. Particles generated due to the formation of NH4HSO4 are mainly submicron particles < 0.2 μm. Ammonia concentration in air preheater is usually lower than the concentration of SO3. Therefore, particle concentration is related to NH3 concentration at the outlet of the air preheater. Increasing NH3 concentration can increase NH4HSO4 formation and particle concentration (< 0.1 μm) at the outlet of air preheater. Meanwhile, increasing SO3 concentration has few effects on the concentration of particles, but slightly increases particle size.
Key words: air preheater    ammonium bisulfate    PM2.5    ammonia escape    formation temperature    
1 前言

NOx是燃煤电厂的主要烟气污染物之一。目前,最广泛应用的燃煤电站烟气脱硝技术是选择性催化还原法(SCR)[1],通过加入还原剂NH3,在催化剂的催化作用下将NOx转化为N2;且SCR脱硝装置大多布置在省煤器与空预器之间(高尘布置方式)。作为SCR核心的催化剂,商业中广泛采用的是V2O5-WO3 (或MoO3)/TiO2催化剂[2, 3],其中的钒氧化物是主要催化活性组分,它不仅能催化脱硝反应,同时还会将烟气中的部分SO2催化氧化为SO3[4, 5]并随烟气进入后续设备。此外,还原剂NH3在SCR脱硝设备中无法全部与NOx反应,未反应部分NH3 (逃逸氨)会随烟气进入到空预器中,并与SO3、H2O发生以下反应,生成(NH4)2SO4、NH4HSO4等硫酸铵盐。

$ {\rm{N}}{{\rm{H}}_{\rm{3}}}{\rm{ + S}}{{\rm{O}}_{\rm{3}}}{\rm{ + }}{{\rm{H}}_{\rm{2}}}{\rm{O}} \to {\rm{ N}}{{\rm{H}}_{\rm{4}}}{\rm{HS}}{{\rm{O}}_{\rm{4}}} $ (1)
$ {\rm{2N}}{{\rm{H}}_{\rm{3}}}{\rm{ + S}}{{\rm{O}}_{\rm{3}}}{\rm{ + }}{{\rm{H}}_{\rm{2}}}{\rm{O}} \to {\left( {{\rm{N}}{{\rm{H}}_{\rm{4}}}} \right)_{\rm{2}}}{\rm{S}}{{\rm{O}}_{\rm{4}}} $ (2)

而空预器的中低温段区域的温度范围正好处于硫酸铵盐的凝结温度区间,在此区间内硫酸铵盐会大量凝结生成,其中黏性的NH4HSO4是导致空预器堵塞的主要原因之一[6~8]

关于NH4HSO4的形成已有部分研究。Saleem等[9]研究表明NH4HSO4与(NH4)2SO4两种铵盐的形成取决于温度和反应物体积分数。Radian公司建立了空预器中NH4HSO4生成的动力学方程[10],并定性说明了NH4HSO4的形成与温度和反应物体积分数呈正相关。之后Matsuda[11]、Wei[12]、Menasha[13]和马双忱[14]通过实验方法不断缩小了NH4HSO4形成温度区间,但在某些反应物浓度下不同研究者所得到的NH4HSO4形成温度仍相差很大,且缺少针对国内常见SO3浓度下NH4HSO4形成温度的研究。而国内的研究主要关注NH4HSO4造成的空预器堵塞问题及其防治措施,但对空预器中NH4HSO4的形成特性还缺乏详尽认识。马大卫等[15]通过对垢样与飞灰的成分分析发现,空预器结垢主要是由黏性的NH4HSO4造成,并提出通过定期喷氨优化解决;刘海啸[16]通过分析氨逃逸导致的空预器堵塞问题,提出采用空预器在线升温的办法进行防治。此外,有关SCR脱硝造成细颗粒物物性变化的研究也在近几年逐渐展开。李振[17]对比两家典型燃煤电厂SCR脱硝系统前后的测试结果发现,脱硝后粒径大小为0.1~1 μm的细颗粒明显增多,且随喷氨量的增加而增加,并估计燃煤电厂安装SCR脱硝装置都会导致一次PM2.5排放量增长,表明只要脱硝反应存在,就可能对电厂PM2.5排放产生影响[18]。同时,张玉华,史雅娟[19~21]等针对商用V2O5-WO3/TiO2催化剂,开展了脱硝前后PM2.5物性变化的试验室研究并发现,经SCR脱硝后,亚微米级细颗粒数量浓度(颗粒个数/标准立方米烟气)明显上升,且形貌特征及元素组成发生了变化,形成的细颗粒主要为硫酸铵盐,形成量与NH3、SO2、O2、H2O浓度及运行温度有关。束航等[22, 23]通过原位红外试验证明烟气中的NH3能同时参与硫酸铵盐生成与脱硝反应。但已有研究主要针对SCR脱销反应器中的细颗粒物变化,对空预器中NH4HSO4生成对颗粒物排放特性的影响缺乏关注。因此,充分了解空预器中NH4HSO4的形成特性及其对颗粒物排放特性的影响具有重要意义。

研究通过自制模拟空预器试验平台,探究了NH4HSO4的生成对颗粒物排放造成的影响,进一步确定试验气氛下NH4HSO4的形成温度并与已有研究进行对比。

2 试验系统与方法 2.1 实验装置

模拟空预器试验平台如图 1所示,主要由气体配制系统、空预器模拟系统及测量系统组成。反应气体由NH3/N2钢瓶气、空气、SO3和水蒸气组成。模拟气体各组分体积分数分别为φ(NH3) = (2~10)× 10-6φ(SO3) = (20~75)×10-6φ(H2O) = 0.08,洁净空气作平衡气,反应气体总流量为3 m3·h-1。SO3由SO3发生装置利用催化剂催化氧化SO2产生,并经伴热管线加热后进入静态混合器出口端。水蒸气则通过微量注射泵将去离子水注入加热管路中气化来实现。NH3于模拟空预器入口处加入。

图 1 试验系统示意图 Fig.1 Schematic diagram of the experimental setup 1. blower 2. purifier 3. pre-heater 4. mixer 5. micro-injection pump 6. SO3 generation 7. temperature controller 8. simulated air pre-heater 9. ELPI 10. particle

模拟空预器的主体是一个尺寸为0.65 cm×2.58 cm×100 cm的扁平通道。通道的上下表面为碳钢材质并铺设加热带及14个热电偶。左右两侧表面采用透明石英玻璃并利用高温密封胶进行密封,可观察玻璃上是否有颗粒物沉积。

2.2 试验方法

试验前期先针对模拟空预器通道进行温度与通道长度关系的校准。向模拟空预器中通入总流量为3 m3·h-1的洁净空气并进行加热使空预器入口处温度达到320℃,同时记录布设的14个热电偶对应温度,由此得到模拟空预器的通道长度与温度的关系曲线。正式试验时,首先通过观察模拟空预器两侧玻璃窗口上是否有颗粒物沉积确定NH4HSO4的形成位置,进一步利用通道长度与温度的关系曲线来确定NH4HSO4的形成温度。文中描述的NH4HSO4形成温度是指在模拟空预器壁面上最早形成沉积时所对应的温度。

细颗粒物浓度及粒径分布利用芬兰Dekati公司生产的电称低压冲击器(electrical low pressure impactor,ELPI)进行实时在线监测,同时需要采样枪、旋风分离器、稀释器、真空泵等相关辅助设备。颗粒物样品由芬兰Dekati公司生产的PM10/PM2.5采样器进行采集,并利用分光光度法与离子色谱对采集到的样品分别进行NH4+与SO42-的离子测试。

3 结果与讨论 3.1 NH4HSO4形成温度的研究

图 2φ(NH3) = 2×10-6φ(SO3) = 50×10-6时的NH4HSO4生成情况,其中上图为未开始试验时观察窗口的情况,下图为试验开始后观察窗口的变化。从图中可以对比发现,当试验开始后,于标识处观察到一条白色颗粒状固体的沉积带。图 3为当空预器入口达到320℃,φ(NH3) = 2×10-6φ(SO3) = 50×10-6时NH4HSO4的形成温度与热电偶到空预器入口的距离之间的关系。试验时,首先在第四个热电偶所对应的2#观察窗口的中段观察到有白色沉积出现,此位置距空预器入口39 cm,并由此得到该浓度下NH4HSO4的形成温度为241℃。

图 2 硫酸氢铵试验生成情况 Fig.2 Formation of ammonium bisulfate (ABS)
图 3 φ(NH3) = 2×10-6φ(SO3) = 50×10-6时的硫酸氢铵形成温度 Fig.3 ABS formation temperatures under conditions of φ(NH3) = 2×10-6, φ(SO3) = 50×10-6

图 4为不同NH3、SO3浓度下NH4HSO4的形成温度,为保证生成物为NH4HSO4而使NH3和SO3物质的量之比小于1。根据Saleem[9]的研究,在试验气氛条件下,生成物只可能是NH4HSO4而不会有(NH4)2SO4产生。

图 4 不同NH3和SO3浓度时硫酸氢铵的形成温度 Fig.4 ABS formation temperatures under different NH3 and SO3 concentrations

图 4可观察到,NH4HSO4的形成温度在235~260℃,且与烟气中NH3、SO3浓度有着直接关联,随着NH3、SO3浓度的增大而升高。此外,从图 4还可发现,NH3浓度对NH4HSO4形成温度的影响比SO3浓度的影响更加明显。当φ(NH3)固定时(如2×10-6、8×10-6、10×10-6),增加φ(SO3),NH4HSO4的形成温度最大可升高9℃;而当φ(SO3)固定(如20×10-6、75×10-6)时,增加φ(NH3),NH4HSO4的形成温度最大可升高16℃。这可能是因为试验气氛中SO3一直处于过量的状态,从化学平衡角度来看,增加SO3浓度对反应的促进效果并没有增加NH3浓度明显。

图 5综合了四个团队[11~14]对NH4HSO4形成温度与反应物浓度乘积之间关系的研究结果,并与本文结果进行了对比。表 1为对五组数据拟合后得到的函数关系。综合图 5表 1可知,NH4HSO4的形成温度与两种反应物浓度乘积的对数值呈正相关的函数关系,NH3和SO3浓度乘积越大,NH4HSO4的形成温度越高,但具体的形成温度仍取决于两种反应物的具体浓度。

图 5 硫酸氢铵形成曲线 Fig.5 ABS formation profiles under different conditions
表 1 NH4HSO4形成曲线拟合结果 Table 1 Fitting results of NH4HSO4 formation process
3.2 空预器中NH4HSO4形成对颗粒物排放的影响 3.2.1 NH3浓度对颗粒物排放的影响

试验工况:模拟空预器的入口温度320℃,φ(NH3) = 2×10-6、5×10--6、8×10-6、10×10-6φ(SO3) = 50×10-6

NH3对模拟空预器出口颗粒物数量浓度的影响如图 6所示。从图 6中可以观察到,φ(NH3)从2×10-6升至5×10-6时,模拟空预器出口的颗粒物数量浓度有小幅度上升,数量浓度均值从7.79×107上升至1.03×108个·cm-3,增加了31.8%。当NH3浓度继续增加,达8×10-6时,颗粒物数量浓度有大幅度的提高,均值增加到1.76×108个·cm-3,升高了71.6%,而继续提高NH3浓度,颗粒物数量浓度虽有提高但幅度不大,仅增加了18.1%。这可能是由于反应气体中生成的NH4HSO4在经过模拟空预器通道的降温之后会凝结成固态颗粒物,而NH3作为生成NH4HSO4的主要反应物之一,提高NH3浓度能促使更多的NH4HSO4生成,导致模拟空预器出口处产生更多的由NH4HSO4凝结而成的固态颗粒物,使测得的数量浓度升高。

图 6 NH3浓度对空预器出口颗粒物数量浓度的影响 Fig.6 Effects of NH3 concentrations on particle number concentration in air preheater

图 7为NH3对模拟空预器出口颗粒物粒径分布的影响。结果表明,所测到的颗粒物粒径基本都小于0.3 μm,特别是从图 7(a)中可以发现,细颗粒物的粒径分布大致呈双峰分布,两个波峰分别位于0.01与0.1 μm。一般而言,颗粒物呈三模态分布,即粒径小于0.2 μm的超细模态、粒径在0.2~3 μm的中间模态和粒径大于3 μm的粗模态,其中超细模态的颗粒物是由气化-凝结机理形成的[24]。从图 7(a)(b)可以看出,当NH3浓度增大,粒径小于0.1 μm的颗粒物数量浓度明显升高,且占比均在70%以上,结合张玉华[20]的研究结果可以判断,模拟空预器出口处因NH4HSO4的形成而增加的细颗粒物主要为粒径小于0.2 μm的超细模态颗粒物。因此,NH4HSO4应该是先于气相中通过化学反应形成气溶胶,之后凝结于空预器壁面上。

图 7 NH3浓度对空预器出口颗粒物粒径的影响 Fig.7 Effects of NH3 concentrations on particle diameter distribution

此外,从图 7(a)中还能发现,当φ(NH3)从5×10-6升至8×10-6时,图 7(a)中的曲线出现较大变化,粒径小于0.1 μm的颗粒物的数量浓度迅速升高,特别是粒径为0.01 μm的颗粒物,其数量浓度从5.49×105升至1.01×106个·cm-3,甚至超过了其他粒径的颗粒物数量。由于NH3作为NH4HSO4生成的主要反应物之一,在电厂实际中,应采取例如优化喷氨等措施,保证空预器入口处逃逸氨浓度低于φ(NH3) = 5×10-6,从而尽量减少空预器中可能生成的二次颗粒物。

将PM10/PM2.5采样器中采集了颗粒物的铝箔与滤膜进行超声波提取,并对NH4+和SO42-进行浓度分析,得到NH3浓度对空预器出口的颗粒物化学组分的影响,如图 8所示。从图 8中可以看出,试验条件下颗粒物中SO42-浓度始终大于NH4+浓度,这可能是由于试验气氛一直保持SO3浓度过量,当颗粒物一旦形成,反应气氛中过量的SO3则会吸附在颗粒物上,导致采集到的颗粒物中SO42-浓度明显高于NH4+浓度。当NH3浓度增大,出口颗粒物中的NH4+明显增多,从1.575增加到2.7 mg·m-3。与此同时,SO42-浓度的变化并不明显,仅从15.6增大到16.56 mg·m-3。从化学平衡角度来说,当试验气氛中SO3浓度一定时,作为反应物之一的NH3浓度增加会促使反应向生成NH4HSO4方向移动,生成更多的NH4HSO4,使模拟空预器出口处颗粒物的数量浓度与粒径分布及组成成分均出现差异。

图 8 NH3浓度对空预器出口颗粒物成分的影响 Fig.8 Effects of NH3 concentrations on particle composition
3.2.2 SO3浓度对颗粒物排放的影响

试验工况:模拟空预器入口温度320℃,φ(SO3) = 20×10-6、35×10-6、50×10-6、75×10-6φ(NH3) = 5×10-6。不同浓度的SO3对模拟空预器出口颗粒物的影响试验结果如图 9所示。可以看出,当φ(SO3)从20×10-6增大到35×10-6时,模拟空预器出口颗粒物的数量浓度均值从6.52×107增大至8.93×107个·cm-3,增加了36.8%。而继续增大SO3浓度,颗粒物数量浓度变化不大,基本维持在9×107个·cm-3,这说明SO3浓度对颗粒物数量浓度的影响不大。造成这种现象的原因可能是,SO3浓度相对NH3浓度过量,增加SO3浓度虽可能使更多的NH3参与反应,增加NH4HSO4的生成量,但效果并无直接增加NH3明显。

图 9 SO3浓度对空预器出口颗粒物数量浓度的影响 Fig.9 Effects of SO3 concentrations on particle number concentration in air preheater

SO3对颗粒物粒径分布的影响则如图 10所示。从图 10(a)中可以发现,所测到的颗粒物的粒径基本小于0.3 μm,其粒径分布大致呈单峰分布,峰值随SO3浓度的增大而向右有小幅度偏移,这可能是由于试验气氛中NH3保持恒定,增加SO3浓度对NH4HSO4的生成影响不大,但气相中过量的SO3会更多的吸附于颗粒物上,使其粒径增大。此外,对比图 7(a)图 10(a)也可以观察到,因SO3浓度变化所造成的颗粒物数量浓度变化明显小于因NH3浓度变化而出现的颗粒物数量浓度变化。

图 10 SO3浓度对空预器出口颗粒物粒径的影响 Fig.10 Effects of SO3 concentrations on particle diameter distribution

图 11表示了SO3浓度对空预器出口颗粒物化学组分的影响。从图 11中可以看出,随着SO3浓度的升高,出口颗粒物中的SO42-含量明显增大,从9.84增大到24.72 mg·m-3,而NH4+浓度的变化并不明显,仅从1.665增加到1.935 mg·m-3。这可能是由于相对NH3浓度而言,SO3浓度过量,NH4HSO4的生成量主要由NH3浓度决定[25]。提高SO3的浓度虽会使反应平衡向生成NH4HSO4方向移动但由于NH3浓度固定,限制了NH4HSO4的生成量,提高SO3浓度对NH4HSO4生成量的影响并没有提高NH3浓度的影响显著,因此采集到的颗粒物中NH4+浓度仅增长了16.2%。而随着SO3浓度的升高,气氛中SO3增多,会有更多的SO3吸附到已经生成的颗粒物上,使得颗粒物中SO42-离子浓度增长了151.2%,因此出现了NH4+浓度基本不变而SO42-浓度不断升高的现象。

图 11 SO3浓度对空预器出口颗粒物成分的影响 Fig.11 Effects of SO3 concentrations on particle composition
4 结论

(1) NH4HSO4的形成温度在235~260℃,是反应物浓度乘积的函数,随反应物浓度乘积的增大而升高;

(2) 空预器出口因NH4HSO4生成而产生的颗粒物主要为粒径小于0.2 μm的亚微米级颗粒,且颗粒物中SO42-浓度远高于NH4+。升高NH3浓度会明显增加颗粒物中NH4+浓度,说明有更多NH4HSO4生成,而升高SO3浓度不会明显增加NH4+浓度。

(3) NH3和SO3浓度升高均会使空预器出口颗粒物数量浓度增大,NH3浓度的增加会明显增加空预器出口处粒径小于0.1 μm的颗粒物数量浓度,相比之下,增加SO3浓度对颗粒物数量浓度的影响较小,但会使颗粒物粒径出现小幅度增大。

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