CN103728432A

CN103728432A - 燃煤烟气汞均、异相反应形态转化机理装置及利用该装置检测汞形态的方法

Info

Publication number: CN103728432A
Application number: CN201310755320.3A
Authority: CN
Inventors: 华晓宇; 沈佩华; 滕敏华; 吴剑波
Original assignee: ZHEJIANG CLEAN COAL TECHNOLOGY RESEARCH DEVELOPMENT CENTER
Current assignee: ZHEJIANG CLEAN COAL TECHNOLOGY RESEARCH DEVELOPMENT CENTER
Priority date: 2013-12-31
Filing date: 2013-12-31
Publication date: 2014-04-16
Anticipated expiration: 2033-12-31
Also published as: CN103728432B

Abstract

本发明公开一种燃煤烟气汞均、异相反应形态转化机理装置及利用该装置检测汞形态的方法，该装置包括：进料装置，包括沉降炉的燃烧装置；冷却装置，冷却装置包括烟气水冷管，烟气水冷管包括石英管芯和包覆于石英管芯外的有进水口和出水口的水冷管；所述的烟气水冷管上端与沉降炉的下端出口连接；除尘过滤器，除尘过滤器上端与烟气水冷管的下端出口连接；检测装置，包括温度检测器、烟气组分检测器和汞形态检测器。本发明具有能减少或避免采样过程中飞灰对Hg形态的影响，实现在同样的实验设置条件下均、异相研究的相互切换，方便进行对比实验，利于更加清晰的理解异相过程中飞灰等颗粒物在Hg氧化过程中的作用的优点。

Description

燃煤烟气汞均、异相反应形态转化机理装置及利用该装置检测汞形态的方法

技术领域

本发明涉及燃煤烟气组分对Hg形态氧化影响分析的技术领域，具体涉及一种燃煤烟气汞均、异相反应形态转化机理装置及利用该装置检测汞形态的方法，也可称之为燃煤烟气汞均或异相反应形态转化机理装置及检测方法。

背景技术

燃煤烟气组分对Hg形态氧化的研究一直是Hg控制领域研究的重点，实验室机理研究多以模拟烟气Hg均相反应研究为主，或采用一般燃烧实验台，如固定床、普通沉降炉，进行燃烧烟气中Hg的异相反应研究。无论在均相、还是异相研究中，飞灰颗粒对Hg形态的影响问题一直存在，处于两难的困境。

如在模拟烟气Hg均相反应研究中不考虑飞灰的组分，这对Hg采样过程非常有利，不会因采集过程中由于飞灰的吸附或氧化，而引起Hg形态改变；但是飞灰等颗粒物对Hg催化作用在烟气Hg形态转化中占有重要的地位，均相反应的结论在一定程度上会“负偏离”实际状态（即Hg氧化占比小于实际Hg氧化过程，反之称为“正偏离”）。

另外，在研究飞灰对Hg形态转化的异相作用过程时，不少研究者采用了固定床的模式，少数也有直接采用普通沉降炉进行流动状态下Hg形态氧化的研究。采用固定床模式其好处在于飞灰是固定的（如固定于特定的过滤网上，烟气流动过程穿过过滤网上的飞灰，实现烟气与飞灰的接触），在其之后对Hg形态进行采样分析，不会在采样过程中引起Hg形态的改变；但是固定床模式，飞灰与烟气采用过滤模式，进行了“更加亲密的接触”，不能体现实际烟气过程中飞灰与烟气的接触模式，无法将气体扩散、气固接触时间和接触形式等因素考虑在内，实验结果也往往“正偏离”与实际的异相过程。普通沉降炉进行流动状态下Hg形态氧化的研究能较好的模拟烟气中飞灰与烟气组分间的异相作用过程，但通常无法同均相反应进行很好的对比研究；另外由于烟气中含有飞灰颗粒，一般过滤采样过程会引起Hg形态的转变，使实验结果“正偏离”于实际结果。

发明内容

本发明针对现有技术的上述不足，提供一种能减少或避免采样过程中飞灰对Hg形态的影响，实现在同样的实验设置条件下均、异相研究的相互切换，方便进行对比实验，利于更加清晰的理解异相过程中飞灰等颗粒物在Hg氧化过程中的作用的燃煤烟气Hg均、异相反应形态转化机理装置。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种燃煤烟气Hg均、异相反应形态转化机理装置，该装置包括：

进料装置，所述的进料装置包括多个与气源一一对应连接的质量流量控制器，流化床煤粉给料器和气体电预热管；所述的多个质量流量控制器并联连接后与流化床煤粉给料器入口通过控制阀连接，所述的气体电预热管通过控制阀与质量流量控制器相连；所述的流化床煤粉给料器的出口端与气体电预热管相连；

燃烧装置，所述的燃烧装置包括沉降炉，沉降炉的上端进口与气体电预热管相连接；

冷却装置，所述的冷却装置包括烟气水冷管，所述的烟气水冷管包括石英管芯和包覆于石英管芯外周面的设有进水口和出水口的水冷管；所述的烟气水冷管上端与沉降炉的下端出口连接；

除尘过滤器，所述的除尘过滤器上端与烟气水冷管的下端出口连接；

检测装置，所述的检测装置包括温度检测器、烟气组分检测器和汞形态检测器；所述的温度检测器设置于沉降炉的进口处、出口处和烟气水冷管的出口处；所述的烟气组分检测器设置于沉降炉的出口处和烟气水冷管的出口处；所述的汞形态检测器设置于沉降炉的出口处和烟气水冷管的出口处。

包含气源、质量流量控制器、流化床煤粉给料器和气体电预热等部分组成的进料装置；主要功能：调节和控制燃烧气氛及均相模拟气氛的构成，以及进入沉降炉前的气体温度控制。

主要为沉降炉的燃烧装置，主要功能：1）提供煤粉燃烧的场所，通过调节沉降炉的电加热管温度来控制和改变煤粉燃烧时的炉膛温度；2）均相实验时，提供实验温度下模拟烟气混合反应的场所。

冷却装置和除尘过滤器，主要由烟气水冷、除尘及尾气处理排空三部分构成；主要功能：通过控制水冷部分冷却水的流量，调节烟气的冷却速率，捕获煤燃烧形成的飞灰和尾气清洁处理，排空。

检测装置：主要由温度监测器、烟气组分检测器和汞形态检测器三部分构成。主要功能：沉降炉的进口处、出口处和水冷管的出口处对应的T₁，T₂，T₃三个温度的检测温度监测器，用于分别监测燃烧入口、燃烧出口以及烟气冷却后三处的温度，可获得烟气温度和冷却速率相关数据；

常规烟气监测器位于燃烧出口和烟气冷却出口两处，可进行常规烟气组分如SO₂，NO_x，CO，CO₂，O₂，Cl₂，HCl等组分的浓度采样分析。常规烟气监测器即主要采用在线烟气分析仪进行监测，部分采样分析检测等手段实现对烟气组分进行采用分析。

Hg形态监测点位于燃烧出口和烟气冷却出口两处，进行Hg⁰，Hg²⁺和Hg_p三种Hg形态的采样分析。

作为优选，所述的汞形态检测器是在采样口设置有双变径快速烟尘分离采样器，该结构可以进行快速的颗粒与烟气的分离与收集，能避免烟气中飞灰颗粒对Hg形态的影响，使样气中Hg形态分布更加接近烟气中的真实状态。

本发明上述的双变径快速烟尘分离采样器，该结构包括采样嘴、烟尘快速分离器和颗粒收集器；所述的采样嘴设置于烟气管道(即沉降炉的出口处管道和水冷管的出口处管道)内部，采样嘴下部出口通过管道与烟尘快速分离器连通；所述的烟尘快速分离器下方设有汞采样口，汞采样口直接与汞形态分析仪连接；所述的烟尘快速分离器后部与颗粒收集器的入口连通。

作为优选，所述的采样嘴直径D1为8mm-40mm，管道内径D2为4mm，颗粒收集器：入口直径D3为10mm。采用上述结构，采样嘴通过管道变径连接与烟尘快速分离器相连，烟尘快速分离器内径D2为4mm，可将等速取样获得烟尘流速放大4-100倍，使得烟尘快速分离器内的烟尘流速保持在每秒30m以上；烟尘快速分离器的烟道管壁上一层特殊的多孔结构材料即特氟龙多孔材料，该材料能实现使气体能够以小于每秒0.002m的速度透过该材料，达到烟尘分离的目的；颗粒收集器入口直径D3为10mm，通过变径连接与烟尘快速分离器相连；颗粒通过旋风分离和过滤装置进行收集。

作为优选，本发明所述的气源与对应连接的质量流量控制器之间设有控制阀，从而根据烟气模拟形态的需要，灵活控制气源种类和进料量。

本发明还提供一种利用上述燃煤烟气Hg均、异相反应形态转化机理装置检测汞形态的方法，步骤包括：

（1）首先打开沉降炉和电预热管，升温并通过温度监测器控制沉降炉的进口处、出口处和水冷管的出口处对应的T₁，T₂，T₃三个温度；以实现分别监测燃烧入口、燃烧出口以及烟气冷却后三处的温度，可获得烟气温度和冷却速率相关数据；

（2）打开进料装置，通过质量流量控制器和控制阀控制气源流量，以模拟燃煤烟气组分和含量；气源经过控制阀、电预热管进入沉降炉；根据均、异相反应需要开启流化床煤粉给料器向电预热管中输送煤粉；上述气源和煤粉在沉降炉中燃烧形成烟气；

（3）通过冷却装置的冷却水流量，来调节烟气的冷却速率，捕获煤燃烧形成的飞灰，通过除尘过滤器对尾气清洁处理排空；

（5）打开烟气组分检测器和汞形态检测器；进行常规烟气组分如SO₂，NO_x，CO，CO₂，O₂，Cl₂，HCl等组分的浓度采样分析；Hg形态监测点位于燃烧出口和烟气冷却出口两处，进行Hg⁰，Hg²⁺和Hg_p三种Hg形态的采样分析，从而获得均、异相反应过程中汞形态检测。本发明的优点和有益效果：

1.本发明为了解决异相研究过程中飞灰对采样过程的影响，根据机理实验台Hg的采样烟气流量和温度，本发明的双变径快速烟尘分离采样器，通过变径通道实现烟气快速流动，在快速流动过程中垂直方向（沿着烟尘快速分离器管道的径向）通过专门的多孔结构以缓慢的气流速度，实现含颗粒的快速烟气组分分离，减少或避免采样过程中飞灰对Hg形态的影响。

2.本发明为了更准确研究飞灰在异相反应中作用，将普通形式燃烧沉降炉设计成燃煤烟气Hg均、异相反应形态转化机理实验装置（如图1）,沉降炉主体及水冷部分内壁全部采用耐高温的石英管材质；可以方便的实现在同样的实验设置条件下均、异相研究的相互切换，进行对比实验，利于更加清晰的理解异相过程中，飞灰等颗粒物在Hg氧化过程中作用。在进行异相反应实验时，可进行煤粉燃烧实验，可方便的通过控制沉降炉电加热温度实现煤粉燃烧温度改变。在进行均相反应时，通过模拟烟气配置通过电预热管路与沉降炉主体加热，达到实验温度；采用石英管壁避免了均相模拟烟气实验过程中普通材料在低温区域对Hg的吸附。

3.设计了与实验台配套的一套双变径快速旋风分离烟气采样器，解决了飞灰在采样过程中干扰Hg形态的不利因素。提供了一套建立O₂/CO₂燃煤烟气Hg均、异相反应形态转化机理实验装置的设计，能够方便实现均、异相并行比较研究：1）含飞灰颗粒真实烟气组分下Hg的异相反应过程；与2）模拟烟气组分下Hg的均相相反应过程，充分理解飞灰在异相过程中作用，能更好的解决O₂/CO₂燃烧气氛下高H₂O含量对Hg氧化转变的抑制规律问题。

附图说明

图1燃煤烟气Hg均、异相反应形态转化机理装置结构示意图。

图2双变径快速烟尘分离采样器结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施例进一步详细描述本发明，但本发明不仅仅局限于以下实施例。

如附图1所示：本发明的燃煤烟气Hg均、异相反应形态转化机理装置，该装置该装置包括：

进料装置，所述的进料装置包括多个与气源一一对应连接的质量流量控制器1，流化床煤粉给料器2和气体电预热管3；所述的多个质量流量控制器1并联连接后与流化床煤粉给料器2入口通过控制阀连接，所述的气体电预热管3通过控制阀与质量流量控制器1相连；所述的流化床煤粉给料器2的出口端与气体电预热管3相连；

燃烧装置，所述的燃烧装置包括沉降炉4，沉降炉4的上端进口与气体电预热管3相连接；

冷却装置，所述的冷却装置包括烟气水冷管，所述的烟气水冷管包括石英管芯5和包覆于石英管芯外周面的设有进水口和出水口的水冷管6；所述的烟气水冷管上端与沉降炉的下端出口连接；

除尘过滤器7，所述的除尘过滤器上端与烟气水冷管的下端出口连接；

检测装置，所述的检测装置包括温度检测器8、烟气组分检测器9和汞形态检测器10；所述的温度检测器8设置于沉降炉4的进口处、出口处和烟气水冷管的出口处各一个；所述的烟气组分检测器9设置于沉降炉的出口处和烟气水冷管的出口处各一个；所述的汞形态检测器10设置于沉降炉的出口处和烟气水冷管的出口处各一个。

如图1所示：上述的的进料装置中的质量流量控制器1与流化床煤粉给料器2之间的控制阀为一种三通阀，可同时与质量流量控制器1、流化床煤粉给料器2和气体电预热管3实现相互连接。

本发明包含气源、质量流量控制器、流化床煤粉给料器和气体电预热等部分组成的进料装置；主要功能：调节和控制燃烧气氛及均相模拟气氛的构成，以及进入沉降炉前的气体温度控制。

本发明主要为沉降炉的燃烧装置，主要功能：1）提供煤粉燃烧的场所，通过调节电加热管温度来控制和改变煤粉燃烧时的炉膛温度；2）均相实验时，提供实验温度下模拟烟气混合反应的场所；

本发明的冷却装置和除尘过滤器，主要由烟气水冷、除尘及尾气处理排空三部分构成；主要功能：通过控制水冷部分的流量，调节烟气的冷却速率，捕获煤燃烧形成的飞灰和尾气清洁处理，排空。

常规烟气监测器位于燃烧出口即沉降炉出口和烟气冷却出口即水冷管的出口处两处，可进行常规烟气组分如SO₂，NO_x，CO，CO₂，O₂，Cl₂，HCl等组分的浓度采样分析。主要采用在线烟气分析仪进行监测，部分采样分析检测等。

Hg形态监测点位于燃烧出口即沉降炉出口和烟气冷却出口即水冷管的出口处两处，进行Hg⁰，Hg²⁺和Hg_p三种Hg形态的采样分析。

本发明所述的汞形态检测器是在采样口设置有双变径快速烟尘分离采样器，该结构可以进行快速的颗粒与烟气的分离与收集，能避免烟气中飞灰颗粒对Hg形态的影响，使样气中Hg形态分布更加接近烟气中的真实状态；如图2所示：该结构包括采样嘴10.1、烟尘快速分离器10.2和颗粒收集器10.3；所述的采样嘴设置于烟气管道内部（即沉降炉出口），采样嘴下部出口通过管道与烟尘快速分离器连通；所述的烟尘快速分离器下方设有汞采样口10.4，汞采样口直接与汞形态分析仪连接（图中未示出），用来分析各种形态汞的含量；所述的烟尘快速分离器后部与颗粒收集器的入口连通。

本发明所述的采样嘴直径D1为8mm-40mm，管道内径D2为4mm，颗粒收集器：入口直径D3为10mm。采用上述结构，采样嘴通过管道变径连接与烟尘快速分离器（如旋风烟尘分离器、直流式烟尘分离器等市售产品）相连，烟尘快速分离器内径D2为4mm，可将等速取样获得烟尘流速放大4-100倍，使得烟尘快速分离器内的烟尘流速保持在每秒30m以上；烟尘快速分离器的烟道管壁上一层特殊的多孔结构材料——特氟龙多孔材料，气体能够以小于每秒0.002m的速度透过该材料，达到烟尘分离的目的；颗粒收集器入口直径D3为10mm，通过变径连接与烟尘快速分离器相连；颗粒通过旋风分离和过滤装置进行收集。

如图1所示：本发明所述的气源与对应连接的质量流量控制器之间设有控制阀与上述三通阀不同，此处的控制阀主要实现质量流量控制器与气源之间的连通和流量控制，从而根据烟气模拟形态的需要，灵活控制气源种类和进料量。

采用上述结构检测燃煤烟气Hg均、异相反应形态转化的方法，具体例子如下：

实施例1异相反应（气态汞和颗粒态汞同时存在的反应）——煤粉燃烧实验

1、实验过程中主要的控制参数包括：实验设置和T3温度控置。具体如下

1.1、设定值如表1所示。

表1实验条件设置

1.2、T3温度控制在200℃

2、汞形态分析实验结果见表2：

表2汞采样口形态含量

采样口位置	Hg⁰(μg/m³)	Hg²⁺(μg/m³)	Hg_p（μg/m³)	总Hg	平衡误差
						汞采样口1	15.3	2.7	1.9	19.9	-0.5%
汞采样口2	4.9	11.9	3.9	19.7	-1.5%

注：Hg_p即颗粒态汞。

实施例2异相反应—含灰烟气模拟

1、实验过程中主要的控制参数包括：模拟烟气设置和T1、T2、T3温度设置。具体如下

1.1、模拟烟气浓度设定值如表3所示。

表3模拟烟气浓度设定值

1.2、T1、T2、T3温度分别控制在150℃，500℃和200℃

2、汞形态分析实验结果见表4

表4汞采样口形态含量

采样口位置	Hg⁰(μg/m³)	Hg²⁺(μg/m³)	Hg_p（μg/m³)	总Hg	平衡误差
						汞采样口1	16.0	1.7	2.1	19.8	-1%
汞采样口2	5.6	9.1	4.9	19.6	-2.0%

实施例3均相反应（全部为气态汞）——无灰模拟烟气

1.1、模拟烟气浓度设定值如表5所示。

表5模拟烟气浓度设定值

1.2、T1、T2、T3温度分别控制在150℃，500℃和200℃；

2、汞形态分析实验结果见表6：

表6汞采样口形态含量

采样口位置

Hg⁰(μg/m³)

Hg²⁺(μg/m³)

Hg_p（μg/m³)

总Hg

平衡误差

汞采样口1	18.3	1.6	0	19.9	-1%
						汞采样口2	14.6	5.1	0	19.7	-1.5%

从上述检测结果可知，本发明的检测装置和方法能够完全模拟燃煤烟气Hg均、异相反应形态转化过程，解决了飞灰在采样过程中干扰Hg形态的不利因素，能够方便实现均、异相并行比较研究，误差小。

Claims

1.一种燃煤烟气汞均、异相反应形态转化机理装置，其特征在于：该装置包括：

进料装置，所述的进料装置包括多个与气源一一对应连接的质量流量控制器（1），流化床煤粉给料器（2）和气体电预热管（3）；所述的多个质量流量控制器（1）并联连接后与流化床煤粉给料器（2）入口通过控制阀连接，所述的气体电预热管（3）通过控制阀与质量流量控制器（1）相连；所述的流化床煤粉给料器（2）的出口端与气体电预热管（3）相连；

燃烧装置，所述的燃烧装置包括沉降炉（4）,沉降炉（4）的上端进口与气体电预热管（3）相连接；

冷却装置，所述的冷却装置包括烟气水冷管，所述的烟气水冷管包括石英管芯（5）和包覆于石英管芯（5）外周面的设有进水口和出水口的水冷管（6）；所述的烟气水冷管上端与沉降炉的下端出口连接；

除尘过滤器（7），所述的除尘过滤器上端与烟气水冷管的下端出口连接；

检测装置，所述的检测装置包括温度检测器(8)、烟气组分检测器（9）和汞形态检测器（10）；所述的温度检测器（8）设置于沉降炉（4）的进口处、出口处和烟气水冷管的出口处各一个；所述的烟气组分检测器（9）设置于沉降炉的出口处和烟气水冷管的出口处各一个；所述的汞形态检测器（10）设置于沉降炉的出口处和烟气水冷管的出口处各一个。

2.根据权利要求1所述的燃煤烟气汞均、异相反应形态转化机理装置，其特征在于：所述的汞形态检测器（10）的采样口设置有双变径快速烟尘分离采样器。

3.根据权利要求2所述的燃煤烟气汞均、异相反应形态转化机理装置，其特征在于：所述的双变径快速烟尘分离采样器，该结构包括采样嘴（10.1）、烟尘快速分离器（10.2）和颗粒收集器（10.3）；所述的采样嘴（10.1）设置于烟气管道内部，采样嘴（10.1）下部出口通过管道与烟尘快速分离器连通；所述的烟尘快速分离器（10.2）下方设有汞采样口（10.4），汞采样口（10.4）直接与汞形态分析仪连接；所述的烟尘快速分离器（10.2）后部与颗粒收集器（10.3）的入口连通。

4.根据权利要求3所述的燃煤烟气汞均、异相反应形态转化机理装置，其特征在于：所述的采样嘴（10.1）直径D1为8mm-40mm，采样嘴下部出口与烟尘快速分离器连通的管道内径D2为4mm，颗粒收集器的入口直径D3为10mm。

5.根据权利要求3所述的述的燃煤烟气汞均、异相反应形态转化机理装置，其特征在于：所述的烟尘快速分离器的管壁上设有一层供烟尘分离的特氟龙多孔材料。

6.根据权利要求1所述的燃煤烟气汞均、异相反应形态转化机理装置，其特征在于：所述的气源包括HCl、O₂、CO₂、N_2；SO₂，NO、CO，H₂O和Hg⁰源。

7.根据权利要求1所述的燃煤烟气汞均、异相反应形态转化机理装置，其特征在于：所述的气源与对应连接的质量流量控制器之间设有控制阀。

8.一种利用燃煤烟气汞均、异相反应形态转化机理装置检测汞形态的方法，步骤包括：

（1）首先打开沉降炉和电预热管，升温并通过温度监测器控制沉降炉的进口处、出口处和水冷管的出口处对应的T₁，T₂，T₃三个温度；以实现分别监测燃烧入口、燃烧出口以及烟气冷却后三处的温度；

（3）通过冷却装置的冷却水流量控制来调节烟气的冷却速率，捕获煤燃烧形成的飞灰；通过除尘过滤器对尾气清洁处理排空；

（4）打开烟气组分检测器和汞形态检测器；进行常规烟气组分浓度采样分析；汞形态监测点位于燃烧出口和烟气冷却出口两处，进行Hg⁰，Hg²⁺和Hg_p三种汞形态的采样分析，从而获得均、异相反应过程中汞形态检测。