一种锅炉烟气处理装置及其监测方法与流程

1.本发明涉及锅炉烟气监测领域，特别涉及一种锅炉烟气处理装置及其监测方法。


背景技术：

2.我国的能源消费结构中煤炭长期占据主导地位，2019年煤炭占一次能源消费总量的比例为57.7％，且在短期内这种状况无法改变。电力行业是煤炭消耗的主体，2019年其占煤炭消耗总量的比例为 55.3％。
3.为了适应严格的排放标准，燃煤机组相继进行了环保设施升级改造。三大污染物大幅减排的同时也产生了新的问题，其中，三氧化硫就是其中最为突出的问题之一，三氧化硫的排放造成了“有色烟羽”、烟气拖尾等环境问题，并导致了空预器堵塞、设备腐蚀等运行问题。
4.目前市场亟需监测方法，用来对现有的锅炉烟气进行监测，从而有效的解决空预器堵塞、设备腐蚀等问题。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术中存在的问题，发明人根据自己在锅炉烟气监测领域积累的丰富经验，研发出了一种锅炉烟气处理装置及其监测方法。
6.本发明的技术方案如下：一种锅炉烟气处理装置，包括：锅炉，所述锅炉设置有一个膜式水冷壁炉膛，所述炉膛上方安装有三台旋风分离器，所述旋风分离器连接有尾部竖井，所述尾部竖井由汽冷包墙包覆；
7.脱硝装置，所述脱硝装置连接于旋风分离器尾部，所述脱硝装置包括由尿素溶解系统，尿素溶液储存、输送系统，稀释水系统，尿素溶液稀释、计量与分配系统和尿素溶液喷射系统；空预器，所述空预器设置在脱销装置下方，所述空预器通过管道连接有除尘器，所述除尘器通过管道连接有脱硫装置，所述脱硫装置通过管道与烟囱连接。
8.进一步的，所述锅炉炉前共布置10个给煤口，在水冷壁下部收缩段沿宽度方向均匀布置，所述炉膛后水冷壁下部设置有5个排渣口，所述旋风分离器均连接有一台“u”阀回料器。
9.进一步的，所述脱硫装置包括吸收剂制备供应系统、烟气系统、二氧化硫吸收系统、石膏脱水系统、工艺水系统、事故浆液系统、压缩空气系统。
10.进一步的，所述空预器与脱硝装置之间设有第一监测点，所述空预器与除尘器之间设有第二监测点，所述除尘器与脱硫装置之间设有第三监测点，所述脱硫装置上设有第四监测点，所述脱硫装置与烟囱之间设有第五监测点。
11.本发明还提供了一种锅炉烟气监测方法，所述监测方法适用于权利要求1—4所述的锅炉烟气处理装置，其包括以下步骤：
12.(1)锅炉烟气监测采样仪器为等速采样控制台及配套三氧化硫采样装置；
13.(2)取样前的准备：用丙酮清洗采样管、蛇形冷凝管以及冲击瓶等采样管路，在空
气中干燥；
14.(3)将采样设备连接，接通电路，设定泵为恒速采样且设定采样速率小于12l/min，将采样嘴塞住，启动采样泵进行压力测试检查气密性，流量如小于4％采样流量，则表示气密性良好，若未通过，检查漏气位置，重新进行气密性测试；
15.(4)将采样枪预热至260℃，调节冷凝管电伴热带使冷凝管水浴温度为60℃—72℃；
16.(5)吸收瓶中吸收液为体积分数3％的过氧化氢溶液；
17.(6)将采样枪插入测孔，打开采样泵分别对权利要求4中设置的五个监测点进行采样，每个监测点的采样时间为45min；
18.(7)采样完成后，用80％异丙醇溶液冲洗蛇形冷凝管，将洗液混合后定容于250ml容量瓶中；
19.(8)每个监测点每次测量共采集4组样品，密封妥善保存样品。
20.其中，锅炉的主要指标如表1所示
[0021][0022][0023]
表1
[0024]
与现有技术相比，本发明的优点是：本发明在现有的技术基础上增加了五个监测点，可以很好的多现有锅炉尾气进行监测，通过对尾气结果的分析，及时的调整脱销装置、空预器装置和脱硫装置的工作状况，从而解决空预器堵塞、设备腐蚀等问题。
附图说明
[0025]
图1为本发明的设备流程图。
[0026]
图2为氨氮摩尔比对空预器入口so3浓度的影响示意图。
[0027]
附图标记：1、锅炉，2、脱销装置，3、空预器，4、除尘器，5、脱硫置装，6、烟囱，7、第一监测点，8、第二监测点，9、第三监测点，10、第四监测点，11、第五监测点，12、旋风分离器。
具体实施方式
[0028]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完
整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0029]
一种锅炉烟气处理装置，包括：锅炉1，所述锅炉1设置有一个膜式水冷壁炉膛，所述炉膛上方安装有三台旋风分离器12，所述旋风分离器12连接有尾部竖井，所述尾部竖井由汽冷包墙包覆；脱硝装置2，所述脱硝装置2连接于旋风分离器12尾部，所述脱硝装置2 包括由尿素溶解系统，尿素溶液储存、输送系统，稀释水系统，尿素溶液稀释、计量与分配系统和尿素溶液喷射系统；空预器3，所述空预器3设置在脱销装置2下方，所述空预器3通过管道连接有除尘器 4，所述除尘器4通过管道连接有脱硫装置5，所述脱硫装置5通过管道与烟囱6连接。
[0030]
本实施例中，所述锅炉1炉前共布置10个给煤口，在水冷壁下部收缩段沿宽度方向均匀布置，所述炉膛后水冷壁下部设置有5个排渣口，所述旋风分离器12均连接有一台“u”阀回料器。
[0031]
本实施例中，所述脱硫装置5包括吸收剂制备供应系统、烟气系统、二氧化硫吸收系统、石膏脱水系统、工艺水系统、事故浆液系统、压缩空气系统。
[0032]
本实施例中，所述空预器3与脱硝装置2之间设有第一监测点7，所述空预器3与除尘器4之间设有第二监测点8，所述除尘器4与脱硫装置5之间设有第三监测点9，所述脱硫装置5上设有第四监测点 10，所述脱硫装置5与烟囱6之间设有第五监测点11。
[0033]
本发明还提供了一种锅炉烟气监测方法，所述监测方法适用于前述的锅炉烟气处理装置，其包括以下步骤：
[0034]
(1)锅炉烟气监测采样仪器为等速采样控制台及配套三氧化硫采样装置；
[0035]
(2)取样前的准备：用丙酮清洗采样管、蛇形冷凝管以及冲击瓶等采样管路，在空气中干燥；
[0036]
(3)将采样设备连接，接通电路，设定泵为恒速采样且设定采样速率小于12l/min，将采样嘴塞住，启动采样泵进行压力测试检查气密性，流量如小于4％采样流量，则表示气密性良好，若未通过，检查漏气位置，重新进行气密性测试；
[0037]
(4)将采样枪预热至260℃，调节冷凝管电伴热带使冷凝管水浴温度为60℃—72℃；
[0038]
(5)吸收瓶中吸收液为体积分数3％的过氧化氢溶液；
[0039]
(6)将采样枪插入测孔，打开采样泵分别对权利要求4中设置的五个监测点进行采样，每个监测点的采样时间为45min；
[0040]
(7)采样完成后，用80％异丙醇溶液冲洗蛇形冷凝管，将洗液混合后定容于250ml容量瓶中；
[0041]
(8)每个监测点每次测量共采集4组样品，密封妥善保存样品。
[0042]
实施例1
[0043]
采用控制冷凝法测试三氧化硫含量。
[0044]
首先加热石英内衬采样枪升至260℃，加热过滤器温度为 260℃，按照dl/t1990—2019《火电厂烟气中so3测试方法控制冷凝法》技术要求定制的蛇形冷凝管水浴温度、采样速度12l/min；气体撞击瓶内为空放置在冰浴中；采样时间为45min，采样后，用少量80％异丙醇冲洗蛇形冷凝管，冲洗三遍，将洗液转移至250ml容量瓶中并以80％异丙醇溶液定容至250ml。将容量瓶中溶液移至500ml 锥形瓶中，加入4滴钍指示剂，用盐酸调节溶液ph为3.5，
进行滴定分析，重复滴定2组样品取平均值。每次采样都应带250ml异丙醇溶液至采样现场作为全程序空白样品，与采集样品一同存放并带回实验室分析。
[0045]
本次采样设备为apexxd-502等速采样控制台及配套so3采样装置。
[0046]
采样步骤如下：
[0047]
(1)锅炉烟气监测采样仪器为等速采样控制台及配套三氧化硫采样装置；
[0048]
(2)取样前的准备：用丙酮清洗采样管、蛇形冷凝管以及冲击瓶等采样管路，在空气中干燥；
[0049]
(3)将采样设备连接，接通电路，设定泵为恒速采样且设定采样速率小于12l/min，将采样嘴塞住，启动采样泵进行压力测试检查气密性，流量如小于4％采样流量，则表示气密性良好，若未通过，检查漏气位置，重新进行气密性测试；
[0050]
(4)将采样枪预热至260℃，调节冷凝管电伴热带使冷凝管水浴温度为60℃—72℃；
[0051]
(5)吸收瓶中吸收液为体积分数3％的过氧化氢溶液；
[0052]
(6)将采样枪插入测孔，打开采样泵分别对权利要求4中设置的五个监测点进行采样，每个监测点的采样时间为45min；
[0053]
(7)采样完成后，用80％异丙醇溶液冲洗蛇形冷凝管，将洗液混合后定容于250ml容量瓶中；
[0054]
(8)每个监测点每次测量共采集4组样品，密封妥善保存样品。
[0055]
实施例2
[0056]
采取化学定量计算方法测试硫酸氢氨含量
[0057]
(1)准确称取5g垢样(精确至0.0002g)，溶于200ml纯水中，在常温下磁力搅拌2.5h后，移入250ml容量瓶中，用水稀释至刻度摇匀，完全沉淀后取上清液。
[0058]
(2)取一定量样品溶液(吸取量视样品浓度而定)于10ml比色管中，用水释至10ml。加入0.50ml体积500g/l的酒石酸钾钠溶液，摇匀，再加入0.50ml纳氏试剂，摇匀，放置10min后，在波长420nm，用 10mm比色皿，以水作参比，测定吸光度，同时做空白试验。
[0059]
硫酸氢氨的含量计算公式：
[0060]
硫酸氢氨的含量计算公式：
[0061][0062]
式中w
nh4hso4
—硫酸氢氨的百分含量，％；
[0063]m测
—分光光度计测得数值，mg/l；
[0064]
0.01—定容体积，ml；
[0065]m试样
—称取垢样的质量，g。
[0066]
试验例
[0067]
试验期间，机组电负荷为350mw，负荷波动＜5％，每个采样点采 3组平行样，以算数平均值作为最后测试结果。试验按照湿法脱硫吸收塔浆液ph不同分为4个工况。
[0068]
采样点设置试验采样点布置依照gb/t16157—1996《固定污染源排气中颗粒物测定与污染物采样方法》选取，单台机组设置a—e 五个采样点。
[0069]
根据燃煤全硫和a点的实测值，可以对三氧化硫原始值做估计，见下表：
[0070]
so3原始值
[0071][0072]
已知空预器后so3与烟气中的水蒸气结合，主要以硫酸(h2so4) 气溶胶形式存在。
[0073]
有研究表明，硫酸气溶胶颗粒为pm1.0亚微米级超细颗粒，粒径主要介于0.1μm—0.6μm，是烟囱形成“蓝烟”的主要原因。当硫酸气溶胶浓度超过21.88mg/m3时，烟囱将出现明显“蓝烟”，因此由以上估值可以看出如果不做任何减排处理，烟囱排烟将会发生“蓝烟”现象。
[0074]
sncr脱硝系统对so3产生量的影响
[0075]
燃煤锅炉so3的生成可以分为异相反应生成和均相反应生成两种模式。前者主要是含氧情况下通过scr脱硝中的金属氧化物及其煤灰中的碱土金属氧化物及fe2o3等将so2催化转化为so3，与所使用的燃料密切相关。而后者又可分为炉内燃烧生成、烟气中so2氧化等。研究表明，富氧燃烧条件下烟气so3生成量急剧增加，而随着过量空气系数的增加，烟气中so3生成量增加，此外在烟气中加入的含nh3还原剂(sncr脱硝)改变了烟气成分，可能促进so3的均相生成。因此，结合上述研究结论，依据现场试验条件，考察了4 组不同的sncr氨氮摩尔比对so3产生量(采样点a)和氨逃逸量(采样点b)的影响。
[0076]
由数据可以看出空预器入口so3浓度在2.3.2的估值范围内。随着氨氮摩尔比的增加，三氧化硫浓度呈现先上升后下降的趋势，在氨氮摩尔比为1.5时达到峰值。研究表明，sncr会促进so2向so3 的氧化。so3的主要生成路径是so2和o2反应，其次是so2和no2 反应。scnr投入时，o2浓度和no2浓度增加，是促进so3生成的主要机理。另外随着氨氮摩尔比的增加，空预器出口氨逃逸量在氨氮摩尔比1.2之后出现跃升，因此综合考虑氨逃逸量和还原剂耗量，认为氨氮摩尔比设置在0.8—1.2之间较为合理。
[0077]
空预器对so3脱除率的影响
[0078]
nh3与三氧化硫反应将生成硫酸铵和硫酸氢氨。硫酸氢氨熔点较低，在空预器的中低温段，硫酸氢氨处于液态，液态的硫酸氢氨具有极强的粘性，会附着在空预器蓄热板上，并吸附大量飞灰，造成堵塞和腐蚀。与传统的松散型积灰不同，硫酸氢氨造成的粘性积灰极难被一般的吹灰器清除。一旦在空预器中发生堵塞，空预器中的流动横截面积将减小，导致内部通道的阻力增加，引风机的压头不够而导致停机；硫酸氢氨对传热部件的腐蚀有研究表明，硫酸氢氨首先在227 —247℃的较高温度生成，然后发生凝结并向下游输运，最后沉积在空预器蓄热板上。在工况条件改变时，硫酸氢氨生成温度也会发生变化，实际运行中，应该具体问题具体分析。硫酸氢氨生成温度受工况影响较大，计算复杂，为求简便，实际应用中根据运行实践经验取一个定值，比如西门子公司根据实际运行情况，将硫酸氢氨的生成温度取为190.5℃，并以这个温度作为参考进行后续系统的设计。
[0079]
下表为不同工况下空预器的so3脱除率。
[0080]
空预器的so3脱除率
[0081][0082]
由测试结果可以看到，空预器对so3的脱除率基本在25％—40％之间，因为进入空预器的so3少部分沉积在空预器内部，其余大部分随飞灰和烟气进入除尘器，所以对空预器来说，so3脱除率即为so3 沉积率。空预器入口so3浓度越高，沉积在其内部的so3就越多，生成硫酸氢氨的风险就越高。
[0083]
电袋除尘器对so3脱除率的影响
[0084]
电袋除尘器对so3的脱除率见下表。在除尘器的工作温度范围内，so3主要以气态so3和h2so4气溶胶形式存在。由试验数据可知电袋除尘器对so3的脱除率在40％以上，除尘器对so3的脱除可能是因为在除尘器内同时存在物理吸附和化学吸附气态so3及h2so4 气溶胶由于物理吸附的作用被吸附在除尘器滤袋表面的粉饼层中，此外还与飞灰中的金属氧化物反应，生成较为稳定的硫酸盐。由于目前专门针对电袋除尘器脱除so3的机理研究较为缺乏(推测可能与飞灰中碱含量、硫酸气溶胶颗粒大小、烟气温度等因素相关。
[0085]
除尘器的so3脱除率
[0086][0087]
湿法脱硫对so3脱除率的影响
[0088]
当烟气进入湿法脱硫系统后，烟气温度降低到酸露点以下，气态硫酸分子转化成硫酸小液滴。脱硫系统对于so3的脱除主要依靠气
‑ꢀ
液传质过程完成。有研究表明湿法脱硫so3脱除率受到入口烟温、液气比、烟气流速、喷淋层覆盖面积、浆液ph值等多种因素影响。结合现场实际情况，试验依靠调整浆液ph的手段来改变so3的脱除率。
[0089]
脱硫设施的so3脱除率
[0090][0091]
由上表可以看出，脱硫设施总的so3脱除率在40.1％—65.3％之间。二级塔的so3脱除率在33.3％—49.2％之间，高于一级塔的so3脱除率(10.2％—41.4％)，一级塔和二级塔的so3脱除率基本都呈现随着ph升高而增大的趋势，这可能是以下几方面原因共同作用的结果：首先，液气比是影响气-液传质性能的重要参数之一，由表2可知一级塔液气比略高于二级塔(是二级塔的1.08倍)，液气比越高，气
‑ꢀ
液两相相对速度越高，气体对液滴的破碎作用越强，随着蒸发作用排出系统的脱硫浆液液滴就越多，随烟气夹带出的雾滴就越多，该效应结果就表现为二级塔的so3脱除率高于一级塔。第二，二级塔的除雾器级数、烟气在吸收塔内停留时间均高于一级塔，延长了硫酸气溶胶与浆液的接触时间，为塔内气-液传质提供了有利条件。最后，二级塔浆液ph高于一级塔，更有利于浆液对酸性气体的吸收。工况2 的so3脱除率明显优于其他三个工况，因此可以认为靠适当提高浆液 ph值来提升so3脱除率是可行的。
[0092]
飞灰中硫酸氢氨分析
[0093]
通常情况硫酸氢氨露点为147℃，当环境温度达到此温度时，硫酸氢氨以液体形式在物体表面聚集或以液滴形式分散在烟气中，硫酸氢氨是一种粘性很强的物质，极易粘附在物体上难以去除，而且有较强的吸潮性，当温度继续升高至250℃以上，硫酸硫酸氢氨由液态升华为气态。锅炉空预器运行温度梯度一般在120—300℃，硫酸氢氨的物理性质和决定随着烟气温度在空预器中大幅降低在空预器中低温区域沉积，未沉积的硫酸氢氨吸附在烟气中烟尘转换为固态，在电除尘中进行除去。由于机组始终在运行状态，无法直接取得空预器中垢样，因此采用检测空预器出口飞灰的方式进行硫酸氢氨定性和定量分析。
[0094]
空预器出口飞灰成分检测结果
[0095]
[0096][0097]
由以上检测结果可以看出，飞灰中同时含有so42-、nh4+且浸出液ph值在2—4之间，据此可判定飞灰中含有硫酸氢氨。计算出飞灰中硫酸氢氨含量。见下表
[0098]
飞灰中硫酸氢氨百分含量
[0099]
序号硫酸氢氨(质量)百分含量/％1工况10.552工况20.543工况30.614工况40.83
[0100]
由上述计算结果可以看出，四种工况飞灰中硫酸氢氨含量都比较低且差距不大。可以认为采用工况2并没有明显增加硫酸氢氨的生成量。
[0101]
空预器运行防腐及防堵建议
[0102]
根据so3-h2o-h2so4共存的气态混合体系平衡理论，在烟气降温的过程中，so3转变为h2so4的比例不断提高。当烟温降到110℃以下时，烟气中的so3将全部转变为h2so4蒸汽，
[0103]
而这一温度点恰好与空预期出口烟温基本一致，从而导致烟气中的h2so4冷凝并附着在飞灰和空预器换热元件表面。此外根据空预器出口温度不同，三氧化硫在空预器中的沉积率在0％—40％之间，具体取决于烟气温度、燃料类型、飞灰特征、空预期冷端温度等。试验表明由酸露点降低烟温22℃可提高25％的so3沉积率，且烟气降温越快，空预器出口温度越低，so3的沉积率越高。
[0104]
结合以上结论和本项目各项检测及调整测试结果，对机组空预器防腐及防垢作出以下优化
[0105]
(1)源头控制
[0106]
燃煤硫分与三氧化硫生成直接相关，因此最直接有效的控制手段是采取源头控制的方式，控制燃煤硫分，从而减少在炉膛内生成的 so3量，但掺烧低硫煤的可行性取决于电厂的具体情况，如长期的低硫煤供应、炉内结渣倾向、脱硝与除尘设施的适应能力等。有研究表明在合理控制锅炉燃烧效率的前提下，降低燃烧温度与过量空气系数也有利于抑制so3的生成。目前燃煤锅炉为抑制nox生成而采用的低过量空气系数燃烧或浓淡燃烧法等低氮燃烧技术，可形成炉内富燃料燃烧的还原性气氛，也有助于降低炉膛中so3的生成。
[0107]
(2)降低氨逃逸量和so3量
[0108]
据日本akk测试结果表明，氨逃逸率(体积分数)为1
×
10-6以下时，nh4hso4生成量很少，堵塞不明显，若氨逃逸率增加到2
×
10-6 时，空预器运行半年后其阻力增加约30％，若氨逃逸率增加到3
×ꢀ
10-6时，空预器运行半年后阻力增加约50％。因此通过运行调节 sncr的运行参数，降低进入空预器的系统的氨逃逸量和so3能够降低硫酸氢氨生成的可能性，以本项目为例，350mw时，sncr的氨氮摩尔比为0.8—1.2时，进入空预器的三氧化硫量较少。
[0109]
(3)改进吹灰方式
[0110]
锅炉吹灰可以降低对流受热面上积灰的平均厚度，使飞灰层的表面温度降低，也可减少飞灰对so2的催化氧化作用。
[0111]
①
按照运行规程进行空预器吹灰，当空预器差压出现上升趋势时，应增加吹灰次数，必要时需进行高压水冲洗。
[0112]
②
防止吹灰蒸汽带水，在空预器蒸汽吹灰前需进行充分疏水，使蒸汽温度达到吹灰器要求方可进行吹扫。空预器吹灰压力要在设计范围内。一般保持在0.8mpa—1.5mpa之间。吹灰压力过低，吹灰效果差；吹灰压力过高容易损坏空预器本体。
[0113]
③
通过试验将空预器吹灰蒸汽提高至合理范围内，，确保空预器冷端吹灰效果。
[0114]
④
对冷端吹灰器进退步序进行优化。修改进退的程序，使进退暂停点不在同一区域，确保吹灰范围覆盖整个空预器区域。
[0115]
⑤
严格控制压差，当空预器进出口压差超过设计值时，冷端吹灰均改为连续吹灰，
[0116]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。