燃煤煙氣多污染物協(xié)同治理試驗(yàn)研究

婁 彤，方曉東，陸明智，許仁發(fā)

(1.福建龍凈環(huán)保股份有限公司 國(guó)家環(huán)境保護(hù)電力工業(yè)煙塵治理工程技術(shù)中心,福建 龍巖 364000;2.安徽淮南平圩發(fā)電有限責(zé)任公司,安徽 淮南 232000)

0 引 言

我國(guó)一次能源以煤為主，決定了以燃煤發(fā)電為主的發(fā)電格局，燃煤發(fā)電裝機(jī)容量占總裝機(jī)容量的75%左右，發(fā)電量占總發(fā)電量的80%左右，且長(zhǎng)期難以改變[1]。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，對(duì)能源的需求量不斷增長(zhǎng)，燃煤污染物對(duì)環(huán)境污染和生態(tài)破壞日趨嚴(yán)重。提高燃煤發(fā)電效率、降低污染物排放是電力科技進(jìn)步的主題，通過(guò)關(guān)停效率低、污染嚴(yán)重的小火電機(jī)組，加快發(fā)展大容量、高參數(shù)機(jī)組，燃煤發(fā)電效率得到較大提高;脫硫、脫硝、除塵工藝，如一體化脫硫脫硝技術(shù)[2-3]、濕法脫硫[4]、SNCRSCR低氮燃燒技術(shù)[5]、煙氣再循環(huán)[6]、靜電除塵/布袋除塵[7]等的應(yīng)用，煤燃燒過(guò)程中排放的主要污染物得到了有效脫除，且與國(guó)外水平基本相當(dāng)。付振華等[8]在空氣分級(jí)的基礎(chǔ)上，采用富燃料區(qū)噴氨技術(shù)，對(duì)鍋爐正常運(yùn)行及效率未產(chǎn)生不利影響，通過(guò)耦合優(yōu)化，脫硝效率約為80%，NOx的排放濃度約為165 mg/Nm3，達(dá)到了國(guó)家限排環(huán)保要求。張忠梅等[9]研究了KMnO4/NaOH氧化吸收NO和SO2過(guò)程，結(jié)果表明，同時(shí)脫硫脫硝的脫硫效果與單獨(dú)脫硫的脫硫效果相當(dāng)，脫硫率達(dá)98%以上，但脫硝效果好于單獨(dú)脫硝，脫硝率約70%;但由于污染物形態(tài)差異大、粒徑小及濃度低等原因，這些常規(guī)技術(shù)無(wú)法解決PM2.5[10]、SO3[11]和Hg[12]等的排放問(wèn)題，而其是形成霧霾、酸雨和影響人體健康的主要污染物[13]。因此，迫切需要研發(fā)適于我國(guó)燃煤電站的SO3、PM2.5、Hg等污染物深度協(xié)同脫除技術(shù)。

在某1 000 MW火電機(jī)組上搭建多功能煙氣治理中試裝置，采用電袋除塵及吸附劑吸附轉(zhuǎn)化協(xié)同脫除方式，考察不同工況條件下多功能煙氣治理中試裝置對(duì)粉塵、SO3和Hg等污染物捕捉效率的影響，為高效、低成本煙氣多污染物協(xié)同脫除裝備的開(kāi)發(fā)提供參考。

1 試驗(yàn)工況及測(cè)試方法

在某1 000 MW火電機(jī)組電袋復(fù)合除塵器入口安裝一臺(tái)多功能煙氣治理中試裝置(10 000 m3/h中試規(guī)模電袋復(fù)合除塵裝置)，對(duì)電袋復(fù)合除塵器入口進(jìn)入中試裝置的煙氣污染物進(jìn)行試驗(yàn)研究。為評(píng)價(jià)中試裝置對(duì)煙氣中的煙塵、PM2.5、SO3等污染物的脫除性能，裝置內(nèi)設(shè)有煙氣采樣孔，吸附劑噴入點(diǎn)為靜電除塵和布袋除塵結(jié)合部位。為了保證機(jī)組運(yùn)行正常，煙氣從取樣點(diǎn)出來(lái)經(jīng)由中試裝置送回取樣點(diǎn)附近。風(fēng)機(jī)采用變頻電機(jī)調(diào)節(jié)煙氣量，風(fēng)機(jī)壓頭6 000 Pa、最大設(shè)計(jì)煙氣流量10 000 m3/h、電場(chǎng)斷面6.72 m2、袋區(qū)過(guò)濾風(fēng)速1.02 m/min、煙氣溫度100～140 ℃，工藝流程如圖1所示。試驗(yàn)采用的吸附劑包括無(wú)水碳酸鈉(99.8%)、氧化鎂(98%)、氧化鈣(98%)和氫氧化鈣(95%)。

圖1 多功能煙氣治理中試試驗(yàn)裝置工藝流程Fig.1 Process flow chart of pilot test device for flue gas treatment

為了對(duì)進(jìn)出口煙氣中各污染物組分含量進(jìn)行測(cè)試，分別采用TH-880FⅣ型微電腦煙塵平行采樣儀、DPI細(xì)顆粒物(PM10、PM2.5、PM1)采樣儀、伴熱采樣槍和煙氣SO3采樣系統(tǒng)，對(duì)煙氣中煙塵、PM2.5和SO3等污染物進(jìn)行收集，并采用嶗應(yīng)3012H型自動(dòng)煙塵測(cè)試儀、Testo 350-Pro煙氣分析儀和鉻酸鋇分光光度法對(duì)其濃度進(jìn)行檢測(cè)。根據(jù)美國(guó)EPA 30B煙氣汞采樣方法，采用OLM 30B煙氣Hg采樣儀和活性炭吸附管進(jìn)行雙路平行恒流采樣，采樣流量0.4 L/min，采集樣品利用Lumex汞分析儀分析兩段活性炭中吸附的Hg含量，并基于煙氣體積計(jì)算煙氣中的Hg濃度。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 除塵特性

風(fēng)機(jī)流量分別為5 275(28.2 Hz)和6 386 m3/h(32.3 Hz)時(shí)(dry normal)，各污染物濃度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1?？梢钥闯?，多功能煙氣治理裝置進(jìn)口PM10占比小于10%，PM2.5占比小于4.5%，PM1占比約為1.5%。電袋復(fù)合除塵對(duì)煙塵、PM10、PM2.5及PM1的脫除效果非常明顯，試驗(yàn)工況條件下，其脫除效率均高于99.3%，煙塵排放量均<5 mg/m3(dry normal)，實(shí)現(xiàn)煙塵的超低排放;此外，對(duì)比2種風(fēng)機(jī)負(fù)荷條件下煙塵的脫除效率可以看出，隨風(fēng)機(jī)流量的減小，電袋除塵器的煙塵脫除效率略有升高，約0.1%，說(shuō)明風(fēng)機(jī)流量的影響不大。

表1風(fēng)量對(duì)煙塵顆粒脫除效率的影響
Table1Effectofgascapacityontheremovalefficiencyofdustparticles

項(xiàng)目風(fēng)機(jī)流量(dry normal)/(m3·h-1)5 275煙塵PM10PM2.5PM16 386煙塵PM10PM2.5PM1進(jìn)口質(zhì)量濃度(dry normal)/(mg·m-3)12 161.801 453.33560.66206.7513 368.201 597.50616.27227.26出口質(zhì)量濃度(dry normal)/(mg·m-3)4.713.282.211.373.402.151.471.09脫除率/%99.96199.77499.60599.33799.97599.86599.76199.520

2.2 SO3脫除特性

圖2為風(fēng)機(jī)頻率為28.2 Hz、堿酸比為1時(shí)，在電區(qū)和袋區(qū)之間噴入不同吸附劑,研究其對(duì)SO3脫除效率的影響。可以看出，當(dāng)中試裝置正常運(yùn)行且無(wú)吸附劑噴入時(shí)，進(jìn)出口SO3質(zhì)量濃度(6%O2)分別為8.64、3.00 mg/m3(dry normal)，SO3脫除效率約為65.28%，這主要是因?yàn)榧?xì)小的煙塵顆粒在布袋表面形成密實(shí)的過(guò)濾層，煙氣通過(guò)時(shí)與顆粒接觸。除塵器內(nèi)部SO3主要以H2SO4蒸汽形式存在，經(jīng)該過(guò)濾層時(shí)，H2SO4蒸汽與顆?？紫秲?nèi)堿金屬化合物發(fā)生反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)SO3的捕捉脫除。噴入不同吸附劑后，SO3的脫除效率比未噴吸附劑時(shí)提高，其脫除效果依次為Ca(OH)2>MgO>CaO>Na2CO3;當(dāng)噴入Na2CO3時(shí)，SO3的進(jìn)出口濃度約為9.17和1.87 mg/m3(dry normal)，SO3脫除效率約為79.58%，當(dāng)噴入Ca(OH)2時(shí)，SO3的進(jìn)出口濃度約為6.86和0.77 mg/m3(dry normal)，SO3脫除效率達(dá)88.78%。

圖2 吸附劑種類對(duì)SO3脫除效率的影響Fig.2 Effect of different adsorbents on removal efficiency of SO3

吸附劑對(duì)SO3吸附強(qiáng)弱的主要影響因素有:比表面積、堿性、煙氣溫度及反應(yīng)時(shí)間[14]。在試驗(yàn)工況下，由于吸附區(qū)溫度、吸附反應(yīng)時(shí)間基本不變，而且整個(gè)過(guò)程受低溫干法吸收的約束，因此，吸附反應(yīng)主要受內(nèi)擴(kuò)散控制，吸收劑比表面積為主要影響因素，即吸收劑比表面積越大，微孔越多，擴(kuò)散速度越快，SO3吸附率越高;通過(guò)對(duì)4種吸收劑進(jìn)行BET測(cè)試，Ca(OH)2、MgO、CaO和Na2CO3的比表面積分別為12.136 3、8.520 6、5.932 8和0.685 4 cm2/g，與測(cè)試結(jié)果一致。

此外，由于多功能煙氣治理裝置的特殊吸附捕捉結(jié)構(gòu)，其表現(xiàn)出較好的SO3脫附效率;隨著國(guó)家對(duì)環(huán)境治理力度的加大，燃煤煙氣排放指標(biāo)越趨嚴(yán)苛，目前堿酸比較高的常規(guī)吸附脫除技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)深度脫除，在本試驗(yàn)允許范圍內(nèi)，通過(guò)適當(dāng)增加堿酸比，可實(shí)現(xiàn)更高的SO3脫附效率。

2.3 Hg脫除特性

燃煤煙氣中的汞主要以3種形式存在，即單質(zhì)汞(Hg0)、二價(jià)汞化合物(HgCl2、HgO等)和顆粒汞。布袋除塵和濕法洗滌可分別將大部分顆粒汞和二價(jià)汞化合物去除，但由于單質(zhì)Hg不易溶于水，大部分隨尾部煙氣排入大氣，是大氣中Hg污染的主要來(lái)源之一[15]。對(duì)進(jìn)口煙氣和粉塵進(jìn)行測(cè)試，煙氣中的氣態(tài)Hg約占總Hg的25%左右，基于多功能煙氣裝置對(duì)粉塵的高效脫除作用，氣態(tài)Hg是燃煤鍋爐汞排放治理的主要對(duì)象。表2為風(fēng)機(jī)頻率為28.2 Hz、堿酸比為1時(shí)，多功能煙氣治理裝置對(duì)Hg脫除效率的影響。燃煤飛灰尤其是飛灰中未燃碳具有較大的比表面積和較強(qiáng)的活性，對(duì)Hg具有較強(qiáng)的吸附能力，對(duì)Hg的氧化也有一定作用。布袋表面形成的顆粒過(guò)濾層，有利于Hg的吸附及氧化，因此，從表2可以看出，未噴入吸附劑時(shí)，多功能煙氣治理中試裝置具有較好的Hg脫除效果，其進(jìn)出口煙氣中Hg濃度(6%O2)分別為7 253.4、2 953.6 ng/m3(dry normal)，氣態(tài)Hg脫除效率為59.280%，總Hg脫除效率約為92.096%。

表2中，3個(gè)測(cè)試工況下汞的質(zhì)量平衡分別為78.410%、84.173%和81.222%，通常認(rèn)為，汞的質(zhì)量平衡在70%～130%即可認(rèn)為測(cè)試結(jié)果可靠。測(cè)試結(jié)果說(shuō)明，本文樣品及分析方法可信，測(cè)試結(jié)果可靠。

從表2可以看出，當(dāng)電區(qū)和袋區(qū)間噴入CaO和Ca(OH)2吸附劑時(shí)，煙氣脫汞效率提高，分別為68.879%和75.883%，總汞脫除效率分別為92.475%和94.272%。鈣基物質(zhì)本身即為一種脫汞吸附劑，其對(duì)二價(jià)汞有較強(qiáng)的吸附能力，同時(shí)，飛灰與鈣基吸附劑混合后，可通過(guò)自身的微孔和表面結(jié)構(gòu)對(duì)煙氣中的汞進(jìn)行物理吸附，因此，噴入鈣基吸附劑后，脫汞效率增加。

研究表明，即使在濃度較低的情況下，SO3仍能與Hg競(jìng)爭(zhēng)活性吸附位，對(duì)Hg的捕獲具有強(qiáng)烈的抑制作用。噴入堿性吸附劑可吸收SO3生成CaSO4，降低了煙氣中SO3的濃度，間接提高了飛灰及吸附劑對(duì)氣態(tài)Hg的吸附氧化作用。由于煙氣中SO2濃度相對(duì)較高，對(duì)Hg的吸附作用較為復(fù)雜:一方面，SO2的存在，增加了飛灰顆粒表面的含硫活性吸附點(diǎn)位，有利于 Hg0在顆粒表面及微孔內(nèi)的吸附氧化作用;另一方面，SO2與Ca(OH)2等吸附劑反應(yīng)生成CaSO3和 CaSO4，其附著在吸附劑的表面，逐漸將吸附劑的活性吸附區(qū)域與氣相中的SO3隔離開(kāi),在一定程度上減少了含硫吸附活性位點(diǎn),從而抑制了Hg的吸附,使吸附能力受到限制。但多功能煙氣裝置通過(guò)定時(shí)清灰等方式，降低了CaSO3和CaSO4在顆粒表面的富集程度，解決了由于含硫吸附活性位點(diǎn)減少而帶來(lái)的抑制Hg吸附過(guò)程問(wèn)題，可保持飛灰及吸附劑顆粒對(duì)Hg0的有效吸收。

表2多功能煙氣治理裝置的脫除Hg特性
Table2Hgremovalcharacteristicsofmulti-functionfluegastreatmentdevice

吸附劑Hg輸入/(ng·m-3)進(jìn)口粉塵進(jìn)口煙氣Hg輸出/(ng·m-3)灰斗出口煙氣出口粉塵質(zhì)量平衡/%煙氣汞脫除效率/%總汞脫除效率/%無(wú)吸附劑30 212.27 253.426 415.62 953.67.878.41059.27989.919Ca(OH)231 634.27 856.328 336.51 894.79.284.17375.88394.272CaO29 489.47 172.927 537.22 232.38.581.22268.87992.475

綜上，鈣基吸附劑可作為脫汞吸附劑使用。在應(yīng)用昂貴的傳統(tǒng)活性炭進(jìn)行脫汞時(shí)，SO3與Hg存在吸附競(jìng)爭(zhēng)，影響Hg的脫除。在脫汞的過(guò)程中，可使用廉價(jià)的鈣基吸附劑替代部分活性炭脫除SO3，從而提高脫汞效率，降低脫汞成本。

3 結(jié) 論

1)通過(guò)將靜電除塵和布袋除塵工藝進(jìn)行耦合，大幅降低運(yùn)行成本的基礎(chǔ)上，可有效提高除塵效率。試驗(yàn)工況下，電袋復(fù)合除塵對(duì)煙塵、PM10、PM2.5及PM1的脫除效率均高于99.3%，總排放量均小于5 mg/m3(dry normal)，實(shí)現(xiàn)了煙塵的超低排放。

2)基于污染物治理工藝特點(diǎn)，低溫干態(tài)條件下，比表面積為影響吸附劑對(duì)SO3吸附強(qiáng)弱的主要因素。試驗(yàn)工況下，吸附劑對(duì)SO3脫除效果依次為Ca(OH)2>MgO>CaO>Na2CO3，當(dāng)噴入Ca(OH)2，且Ca/SO3為1時(shí)，SO3脫除效率約為88.78%。

3)多功能煙氣治理裝置通過(guò)定時(shí)清灰，在一定程度上降低了CaSO3和CaSO4在顆粒表面的富集程度，解決了由于含硫吸附活性位點(diǎn)減少而帶來(lái)的抑制Hg吸附過(guò)程問(wèn)題，保持了飛灰及吸附劑顆粒對(duì)Hg0的有效吸收。