燃煤煙氣污染物脫除技術(shù)研究進(jìn)展

吳 江, MUZVIDZIWA Humphroy, 關(guān) 昱, 張文博, 徐 凱

(上海電力學(xué)院 能源與機(jī)械工程學(xué)院, 上海 200090)

中國是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國,也是最大的煤炭消費(fèi)國,目前煤在我國的能源結(jié)構(gòu)中約占70%。預(yù)測到2050年,我國火電的發(fā)電量仍占全國發(fā)電總量的50%以上[1]。因此,煤炭在我國能源框架中的主體地位,在相當(dāng)長的一段時間內(nèi)是難以改變的。燃煤過程伴隨著大量污染物的生成,為了嚴(yán)控燃煤電廠煙氣污染物的排放,我國規(guī)定了電廠煙氣的排放標(biāo)準(zhǔn),煙塵,SO2,NOx的排放濃度(標(biāo)準(zhǔn)容積)分別不高于10 mg/m3,35 mg/m3,50 mg/m3。由于汞的劇毒性,2011年發(fā)布的GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》,增加了汞的排放標(biāo)準(zhǔn)[2],要求燃煤鍋爐汞及其化合物的排放限值為0.03 mg/m3,而且這一標(biāo)準(zhǔn)將更為嚴(yán)格。

電廠煙氣凈化技術(shù)是指燃煤電廠中根據(jù)煙氣中污染物的物理、化學(xué)性質(zhì),通過吸附劑、催化劑以及其他凈化設(shè)備等,對煙氣中的有害氣體、煙塵以及重金屬污染物等進(jìn)行脫除凈化的技術(shù)。目前,應(yīng)用較為成熟的有燃煤煙氣除塵、脫硫、脫硝和脫汞等技術(shù),主要用于脫除煙氣中的粉塵,SOx,NOx,Hg等。

1 除塵技術(shù)

電廠煙氣除塵技術(shù)是指根據(jù)煙氣中粉塵、飛灰等顆粒性質(zhì)、煙氣密度及電性質(zhì)進(jìn)行粉塵脫除減排的技術(shù)。電廠應(yīng)用較多的除塵技術(shù)包括靜電除塵、袋式除塵和電袋復(fù)合除塵等技術(shù)。

1.1 靜電除塵技術(shù)

電除塵技術(shù)設(shè)備一般是指靜電除塵器。它是一種干式高效除塵器,通過利用外加強(qiáng)電場使粉塵荷電分離,在電場力的作用下使粉塵沉積在集塵極的平板或圓管上,從而脫除煙氣中的粉塵。靜電除塵器是電廠廣泛應(yīng)用的傳統(tǒng)型除塵器,但粉塵顆粒度、電阻率等粉塵特性對除塵效率影響較大,且靜電除塵器對超細(xì)粉塵和重金屬的捕集效果較差,已不能達(dá)到越來越嚴(yán)格的粉塵排放限值要求,因此對細(xì)顆粒物脫除效果明顯的布袋除塵器或電袋復(fù)合除塵器得到了更多的關(guān)注。

1.2 袋式除塵器

袋式除塵器也是一種干式高效除塵器,即利用袋式過濾元件對煙氣中的粉塵進(jìn)行捕集的技術(shù)。該除塵器主要有過濾裝置和清灰裝置兩部分。當(dāng)煙氣中的粉塵通過濾料時,經(jīng)由纖維的篩濾、粉塵的碰撞以及靜電的吸引效應(yīng),在濾料表面形成一層穩(wěn)定的初層,多孔的初層具有很好的過濾作用,極大地提高了除塵效率。

1.3 電袋復(fù)合式除塵器

為達(dá)到超低排放的要求,電除塵器的改造及運(yùn)行優(yōu)化研究越來越受到關(guān)注。電袋復(fù)合式除塵器結(jié)合了電除塵器和袋式除塵器的優(yōu)點(diǎn),用靜電增強(qiáng)袋式除塵器。目前相關(guān)研究應(yīng)用已較為成熟,并顯示了其優(yōu)越的性能:一是對微細(xì)粒子(特別是0.01～0.1 μm的粒子)有很好的捕集性;二是與電除塵器相比,有較寬的粉塵比電阻適用范圍;三是與袋式除塵器相比,其濾袋表面沉積的粉塵層較為松散,降低了阻力,從而減少了運(yùn)行費(fèi)用。

2 脫硫技術(shù)

燃煤電廠排放的SOx,是大氣污染主要的排放源之一。煤在燃燒過程中,約有95%的硫與氧反應(yīng)生成SOx,其中以SO2為主,還有少量的SO3。電廠煙氣脫硫技術(shù)可分為燃燒前、燃煤中和燃燒后3個脫硫階段,煙氣脫硫?qū)儆谌紵竺摿颉?/p>

2.1 燃燒前脫硫

燃燒前脫硫即煤中脫硫,一方面,可通過洗選、型煤加工和水煤漿方法去除煤中的硫分和灰分等;另一方面,可通過煤氣化技術(shù)得到粗煤氣,再對其進(jìn)行脫硫凈化。整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)就是典型的低排放清潔發(fā)電技術(shù)。在燃燒前,將高溫粗煤氣中的硫脫除,主要有H2S和少量的COS等。

2.2 燃燒中脫硫

燃燒中脫硫,是在燃燒過程中加入石灰石粉作脫硫劑,CaCO3受熱分解成CaO,CaO與SO2在O2氣氛中生成CaSO4,從而將SO2脫除。

2.3 燃燒后脫硫

燃燒后脫硫即煙氣脫硫(Flue Gas Desulfurization,FGD),利用SO2易溶于水或易被吸附的性質(zhì),對其進(jìn)行凈化處理。煙氣脫硫通常按照脫除過程是否有水以及反應(yīng)產(chǎn)物的干濕狀態(tài),可分為濕法、半干法和干法脫硫3類工藝。

濕法煙氣脫硫可分為石灰石/石膏法[3-4]、雙堿法[5]、海水法[6]等。石灰石/石膏法煙氣脫硫技術(shù)是目前應(yīng)用最成熟、最廣泛的技術(shù)。

干法煙氣脫硫的脫硫過程和脫硫產(chǎn)物皆是干燥的,因此不會發(fā)生腐蝕、結(jié)露等問題,無廢液等二次污染,但其脫硫效率較低,適用于含硫量較低的環(huán)境。主要有活性炭吸附法[7]、爐內(nèi)噴鈣法[8]以及爐內(nèi)噴鈣尾部煙氣增濕活化法[9]等。半干法煙氣脫硫是利用石灰漿液吸收SO2,最終產(chǎn)物為干粉。其工藝較簡單、成本低,但脫硫效率較低。主要有噴霧干燥法、循環(huán)流化床煙氣脫硫技術(shù)[10]以及增濕灰技術(shù)[11]等。段守保[12]在對300 MW循環(huán)流化床鍋爐機(jī)組超低排放設(shè)計改造中,經(jīng)過技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)性等分析,推薦選用循環(huán)流化床半干法脫硫,效率可達(dá)96.59%。

煙氣脫硫技術(shù)有很多,不少已實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化應(yīng)用。在實(shí)現(xiàn)電廠煙氣SO2超低排放的進(jìn)程中,對新建機(jī)組或現(xiàn)役機(jī)組進(jìn)行SO2吸收塔的優(yōu)化設(shè)計及改造,建議采用較為成熟的石灰石/石膏法煙氣脫硫技術(shù),選擇采用單塔雙循環(huán)或雙塔雙循環(huán)等高效脫硫設(shè)施,優(yōu)化噴淋層結(jié)構(gòu),增加吸收塔漿液循環(huán)量,以提高煙氣的脫硫效率。

3 脫硝技術(shù)

燃煤電廠煙氣中排放的氮氧化物主要是NO和NO2,其中絕大多數(shù)是NO。脫硝技術(shù)就是脫除煙氣中NOx的過程。由于NO不易被水吸收,目前煙氣脫硝技術(shù)多為干法和半干法脫硝技術(shù),通過在煙氣中噴入氨和尿素等,將NOx還原成N2和水,主要有選擇性催化還原法(Selective Catalytic Reduction,SCR)、選擇性非催化還原法(Selective Non-Catalytic Reduction,SNCR)等。

3.1 SCR脫硝技術(shù)

SCR脫硝技術(shù)是在200～400 ℃的較低溫度范圍內(nèi),向煙氣中噴入氨或尿素等含氮化合物,在催化劑作用下脫除NOx。目前,應(yīng)用較為廣泛的釩基催化劑的溫度窗口為300～400 ℃,脫硝效率可達(dá)80%～90%。

SCR脫硝技術(shù)是目前應(yīng)用最廣泛的煙氣脫硝技術(shù)。其脫硝效率高、設(shè)備簡單,且凈化溫度較低,無副產(chǎn)物[13]。但催化劑的燒結(jié)、磨損、腐蝕等,易使催化劑中毒,活性降低;而且SCR脫硝設(shè)備長時間運(yùn)行的壽命,以及鍋爐啟動、低負(fù)荷運(yùn)行時煙氣尚未達(dá)到SCR催化劑工作溫度窗口,容易造成NO瞬時超標(biāo)。目前,為了實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格控制氮氧化物的排放,往往需要結(jié)合低氮燃燒技術(shù),以降低燃燒過程中NO的生成。

3.2 SNCR脫硝技術(shù)

SNCR脫硝技術(shù)是指在870～1 100 ℃高溫區(qū),在不利用催化劑的情況下,噴入氨等還原劑與煙氣中的NOx發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的脫硝技術(shù)。其脫硝效率一般為30%～60%。SNCR脫硝技術(shù)對反應(yīng)空間和時間均有較高的要求,且大多與其他脫硝技術(shù)協(xié)同工作。SNCR脫硝技術(shù)的主要影響因素有反應(yīng)溫度、空間速度、混合程度、氨逃逸等。SNCR脫硝技術(shù)投資少、運(yùn)行費(fèi)用低,若與低NOx燃燒技術(shù)[14]、SCR技術(shù)、再燃燒技術(shù)等聯(lián)合使用,可進(jìn)一步提高脫硝效率,將NOx的排放濃度控制在限值以下。段守保[12]在對300 MW循環(huán)流化床鍋爐機(jī)組超低排放設(shè)計改造中,采用SNCR協(xié)同降低NOx,爐外脫硝效率達(dá)到了75%。

在電廠煙氣脫硝技術(shù)的開發(fā)與推廣中,可以通過SCR和SNCR與低NOx燃燒技術(shù)的有效結(jié)合,實(shí)現(xiàn)NOx的超低排放;在有效控制氨逃逸的基礎(chǔ)上,通過增加催化劑層數(shù)、增加噴氨量等措施,達(dá)到NOx的限排標(biāo)準(zhǔn)。

4 脫汞技術(shù)

汞是煤中一種劇毒微量元素,伴隨煤的燃燒過程排入大氣。汞具有低熔點(diǎn)、低沸點(diǎn)、高揮發(fā)性等物理性質(zhì),對環(huán)境、人體產(chǎn)生極大的危害。燃煤煙氣所產(chǎn)生的汞通常有單質(zhì)汞(Hg0)、二價汞(Hg2+)和顆粒汞(Hgp)3種形態(tài)[15-17]。煙氣中汞的脫除很大程度上取決于汞的形態(tài)。二價汞具有水溶性,故可以通過濕式靜電除塵器脫除,效率可達(dá)90%[18]。顆粒汞可以很容易通過電廠現(xiàn)有的除塵裝置進(jìn)行脫除[19]。但由于單質(zhì)汞的揮發(fā)性、不溶于水和化學(xué)穩(wěn)定性,不容易通過電廠現(xiàn)有的空氣污染物脫除設(shè)備將其脫除,因此在燃煤電廠脫除單質(zhì)汞是一個巨大的挑戰(zhàn)。其關(guān)鍵點(diǎn)是將單質(zhì)汞轉(zhuǎn)化為二價汞。

為此,要有效脫除煙氣中的汞,最主要的是降低單質(zhì)汞的含量,主要采用以下兩種方法:一是吸附方法,主要的煙氣汞吸附劑有活性炭、飛灰以及鈣基吸附劑等;二是將單質(zhì)汞氧化成易脫除的二價汞的新型脫汞技術(shù),如等離子體脫汞技術(shù)、催化氧化技術(shù)等。此外,還有在燃燒過程中添加添加劑脫汞等技術(shù)。

4.1 碳基吸附劑吸附脫汞技術(shù)

活性炭的研究較為成熟,其比表面積大,空隙較為發(fā)達(dá),具有很強(qiáng)的吸附能力[20]。研究發(fā)現(xiàn),單純的活性炭對汞的脫除效率并不高,通過摻雜改性可以提高其脫除效率。常采用鹵元素[21-22]和硫單質(zhì)等方法來提高活性炭的脫汞能力。此外,通過摻雜飛灰等也可提高脫汞效果。

ZHAO Z等人[23]利用浸漬法制備了Ce-Mn共改性活性炭催化劑。研究表明,經(jīng)摻雜改性的活性炭有著較好的脫汞能力。摻雜CeO2的活性炭催化脫汞能力最高達(dá)到70%,再摻入Mn之后脫汞效率達(dá)90%左右。究其原因,主要是Ce-Mn固溶體的形成促進(jìn)了氧化反應(yīng)的發(fā)生。

4.2 新型脫汞技術(shù)

一是低溫等離子體脫汞技術(shù),其重粒子溫度只有室溫左右,而電子溫度可達(dá)上千萬度,反應(yīng)條件溫和,有利于工藝操作和防止高溫副反應(yīng)的發(fā)生[16]。主要有電暈放電技術(shù)和介質(zhì)阻擋放電技術(shù)。

二是催化氧化脫汞技術(shù)。利用催化劑的光催化氧化性,在光照的條件下,產(chǎn)生強(qiáng)氧化性的自由基,氧化脫除污染物。具有光催化作用的半導(dǎo)體催化劑,在用能量大于禁帶寬度的光照射時,電子從充滿的價帶被激發(fā)躍遷到空的導(dǎo)帶,在價帶上產(chǎn)生帶正電的空穴(h+),并在催化劑表面形成電子-空穴對。光生空穴具有極強(qiáng)的氧化性,能將其表面吸附的OH-和H2O氧化成·OH-。·OH-具有強(qiáng)氧化性,幾乎可以氧化大多數(shù)的污染物。光催化氧化脫汞技術(shù)的催化效率高,環(huán)境友好無污染,并能充分利用紫外光或可見光,成本低,具有其他傳統(tǒng)煙氣脫汞技術(shù)不可比擬的優(yōu)點(diǎn),已逐步成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn),擁有廣闊的應(yīng)用前景。常用的催化劑一般可分為SCR催化劑、金屬和金屬氧化物催化劑以及光催化劑等。

SCR催化劑和V2O5/WO3體系對Hg都有催化氧化作用,但當(dāng)煙氣中HCl的濃度較低時,其氧化催化效果較差[19]。因此,研究者利用現(xiàn)有的SCR催化劑負(fù)載其他金屬活性組分,來進(jìn)一步提高其催化效率[24-25]。

貴金屬具有很好的氧化催化性能,但其價格昂貴不利于應(yīng)用發(fā)展;經(jīng)濟(jì)性較好的金屬及其氧化物如Mn,Fe,Cu等則更有研究價值[26]。LIU D J等人[27]研究了摻雜Ce和La的CuO/ZSM-5或MnOx/ZSM-5催化劑,在120～240 ℃溫度下進(jìn)行了脫汞試驗(yàn),結(jié)果表明,其脫汞效率較高。

JIANG Z F等人[28]通過溶膠熱法制備的TiO2/In2O3@g-C3N4能夠有效地降解煙氣污染物。研究發(fā)現(xiàn),通過氧化銦與二氧化鈦形成的異質(zhì)結(jié)化合物,具有抑制電子空穴對復(fù)合的能力,由于其比表面積較小,利用石墨相-氮化碳修飾(為載體),使復(fù)合物的比表面積增大,提高了在可見光范圍內(nèi)的催化和抑制電子-空穴對的復(fù)合,從而提升了光催化能力。

傳統(tǒng)的TiO2,由于其較大的帶隙寬度(銳鈦礦3.20 eV,金紅石3.02 eV)僅能在紫外光照射下具有活性[29],同時,激發(fā)的電子-空穴對極易復(fù)合,且難以轉(zhuǎn)移到催化劑表面進(jìn)行下一步反應(yīng),嚴(yán)重導(dǎo)致量子化產(chǎn)率較低和氧化能力不足,從而阻礙了TiO2光催化劑的廣泛應(yīng)用。因此,開發(fā)新型的、在可見光下可被激發(fā)的光催化劑已成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。其中,鉍基光催化劑由于其奧利維里斯層狀結(jié)構(gòu)受到了越來越多學(xué)者的關(guān)注[30]。

目前,Bi2WO6[30],Bi2MoO6[31],BiVO4[32],BiOIO3[33]等鉍基化合物已經(jīng)應(yīng)用在有機(jī)污染物的降解上。研究發(fā)現(xiàn),BiOIO3在紫外線的照射下,其光催化效率高于同等條件下TiO2的效率;在LED燈光下,Hg0的移除效率接近100%,充分顯示了其杰出的光催化性能。通過對鉍基物質(zhì)的分析,發(fā)現(xiàn)BiOI與BiOIO3擁有相似的晶體結(jié)構(gòu),而且BiOI的禁帶寬度更窄,可以在波長λ<700 nm時被激發(fā),使用窄帶隙的BiOI(1.75 eV)摻雜BiOIO3,可以縮小BiOI/BiOIO3化合物的帶隙,增加對可見光的響應(yīng),也可分離光生電子-空穴對。

通過水熱法可以制備BiOIO3[34],在室溫下通過化學(xué)沉淀法合成BiOI/BiOIO3異質(zhì)結(jié)納米復(fù)合材料。通過紫外線和可見光照射氧化汞的試驗(yàn)表明,BiOI/BiOIO3異質(zhì)結(jié)材料對去除Hg0具有顯著的光催化活性:隨著BiOI含量的增加,Hg0的去除率有所增加,然后隨著BiOI含量的加大,Hg0去除率反而下降;當(dāng)BiOI/BiOIO3化合物的摩爾比為3∶1時,Hg0的去除效率最高,約達(dá)到98.53%。研究表明,該化合物的光催化活性高于其單一組分,p型半導(dǎo)體BiOI的費(fèi)米能級接近于價帶,而n型半導(dǎo)體BiOIO3的費(fèi)米能級接近導(dǎo)帶。當(dāng)BiOIO3和BiOI之間形成p-n結(jié)時,p型半導(dǎo)體BiOI和n型半導(dǎo)體BiOIO3的費(fèi)米能級達(dá)到平衡,同時BiOI的價帶和導(dǎo)帶位置向更負(fù)的電負(fù)性移動,BiOIO3的價帶和導(dǎo)帶位置向更正的電負(fù)性移動。

因此,開發(fā)表面積大、光生空穴率高、固化性能高的光催化劑,使其在可見光范圍內(nèi)發(fā)生氧化還原反應(yīng),進(jìn)一步研究光催化脫汞反應(yīng)機(jī)理,將成為光催化氧化脫汞領(lǐng)域的發(fā)展方向。

5 多種污染物聯(lián)合脫除技術(shù)

聯(lián)合脫除污染物技術(shù)是聯(lián)合除塵、脫硫以及脫硝技術(shù),通過優(yōu)化燃燒,結(jié)合電廠現(xiàn)有脫除設(shè)備,適當(dāng)增加脫汞設(shè)備等達(dá)到協(xié)同脫除污染物目的的一種技術(shù)。目前,國內(nèi)除塵、脫硫、脫硝技術(shù)系統(tǒng)大多單獨(dú)運(yùn)行,單獨(dú)控制,分級處理,系統(tǒng)占地面積大且費(fèi)用昂貴,很少有一體化的脫除技術(shù)。脫硫脫硝協(xié)同脫除技術(shù)是將單獨(dú)脫硫、脫硝系統(tǒng)整合而成的一體化技術(shù)。其方法有固相吸附/再生脫硫脫硝工藝、氣/固催化脫硫脫硝工藝、液相脫硫脫硝工藝、高能電子活化氧化工藝等。姜未汀等人[35]將KMnO4-H2SO4溶液作為吸收液,研究了KMnO4濃度、H2SO4濃度、NO濃度對脫除NOx和Hg效果的影響。結(jié)果表明,其脫除效率分別為43.33%和98.95%。

脫硫脫汞協(xié)同技術(shù)是利用現(xiàn)有的濕式煙氣脫硫設(shè)備脫除煙氣中的二價汞,經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),其脫除效率可達(dá)90%[36]。趙毅等人[37]通過濕式脫硫系統(tǒng)同時進(jìn)行脫汞,其脫除汞的效率達(dá)87%。

利用活性炭吸附煙氣污染物,是脫除多種污染物技術(shù)手段之一?；钚蕴课絼┰谖綗煔夤耐瑫r,也能吸附脫除一定的NO和SO2。在活性炭的表面化學(xué)研究中,活性炭表面的官能團(tuán)在吸附和催化性能中發(fā)揮著極為重要的作用。施雪等人[38]采用氯化鋅作為活化劑制備了生物質(zhì)活性炭,研究表明,所制備的活性炭對汞具有良好的吸附性能。

6 結(jié) 語

綜合比較上述各凈化技術(shù),建議在對電廠煙氣多種污染物進(jìn)行控制時,利用電廠現(xiàn)有設(shè)備或在現(xiàn)有設(shè)備的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造,在滿足污染物排放限值的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)多污染物的協(xié)同脫除。特別是對電廠煙氣中氨、細(xì)顆粒物、汞和SO3等污染物,應(yīng)加強(qiáng)排放檢測技術(shù)和在線監(jiān)測技術(shù)的研發(fā)與推廣;加強(qiáng)脫硝設(shè)施運(yùn)行管理,開發(fā)經(jīng)濟(jì)高效的催化劑,在脫除硫、硝的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)汞的脫除;注重低低溫電除塵器、電袋復(fù)合除塵器以及濕法脫硫等措施對SO3和汞的協(xié)同脫除作用,從而實(shí)現(xiàn)電廠尾氣的超低排放,全面落實(shí)“節(jié)約、清潔、安全”的能源戰(zhàn)略方針,促進(jìn)電力行業(yè)的高效、清潔、可持續(xù)發(fā)展。

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