燃煤煙氣多污染物協同治理試驗研究

婁 彤，方曉東，陸明智，許仁發

(1.福建龍凈環保股份有限公司 國家環境保護電力工業煙塵治理工程技術中心,福建 龍巖 364000;2.安徽淮南平圩發電有限責任公司,安徽 淮南 232000)

0 引 言

我國一次能源以煤為主，決定了以燃煤發電為主的發電格局，燃煤發電裝機容量占總裝機容量的75%左右，發電量占總發電量的80%左右，且長期難以改變[1]。隨著社會經濟的高速發展，對能源的需求量不斷增長，燃煤污染物對環境污染和生態破壞日趨嚴重。提高燃煤發電效率、降低污染物排放是電力科技進步的主題，通過關停效率低、污染嚴重的小火電機組，加快發展大容量、高參數機組，燃煤發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[2-3]、濕法脫硫[4]、SNCRSCR低氮燃燒技術[5]、煙氣再循環[6]、靜電除塵/布袋除塵[7]等的應用，煤燃燒過程中排放的主要污染物得到了有效脫除，且與國外水平基本相當。付振華等[8]在空氣分級的基礎上，采用富燃料區噴氨技術，對鍋爐正常運行及效率未產生不利影響，通過耦合優化，脫硝效率約為80%，NOx的排放濃度約為165 mg/Nm3，達到了國家限排環保要求。張忠梅等[9]研究了KMnO4/NaOH氧化吸收NO和SO2過程，結果表明，同時脫硫脫硝的脫硫效果與單獨脫硫的脫硫效果相當，脫硫率達98%以上，但脫硝效果好于單獨脫硝，脫硝率約70%;但由于污染物形態差異大、粒徑小及濃度低等原因，這些常規技術無法解決PM2.5[10]、SO3[11]和Hg[12]等的排放問題，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，迫切需要研發適于我國燃煤電站的SO3、PM2.5、Hg等污染物深度協同脫除技術。

在某1 000 MW火電機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化協同脫除方式，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同脫除裝備的開發提供參考。

1 試驗工況及測試方法

在某1 000 MW火電機組電袋復合除塵器入口安裝一臺多功能煙氣治理中試裝置(10 000 m3/h中試規模電袋復合除塵裝置)，對電袋復合除塵器入口進入中試裝置的煙氣污染物進行試驗研究。為評價中試裝置對煙氣中的煙塵、PM2.5、SO3等污染物的脫除性能，裝置內設有煙氣采樣孔，吸附劑噴入點為靜電除塵和布袋除塵結合部位。為了保證機組運行正常，煙氣從取樣點出來經由中試裝置送回取樣點附近。風機采用變頻電機調節煙氣量，風機壓頭6 000 Pa、最大設計煙氣流量10 000 m3/h、電場斷面6.72 m2、袋區過濾風速1.02 m/min、煙氣溫度100～140 ℃，工藝流程如圖1所示。試驗采用的吸附劑包括無水碳酸鈉(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裝置工藝流程Fig.1 Process flow chart of pilot test device for flue gas treatment

為了對進出口煙氣中各污染物組分含量進行測試，分別采用TH-880FⅣ型微電腦煙塵平行采樣儀、DPI細顆粒物(PM10、PM2.5、PM1)采樣儀、伴熱采樣槍和煙氣SO3采樣系統，對煙氣中煙塵、PM2.5和SO3等污染物進行收集，并采用嶗應3012H型自動煙塵測試儀、Testo 350-Pro煙氣分析儀和鉻酸鋇分光光度法對其濃度進行檢測。根據美國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，并基于煙氣體積計算煙氣中的Hg濃度。

2 試驗結果及討論

2.1 除塵特性

風機流量分別為5 275(28.2 Hz)和6 386 m3/h(32.3 Hz)時(dry normal)，各污染物濃度測試結果見表1。可以看出，多功能煙氣治理裝置進口PM10占比小于10%，PM2.5占比小于4.5%，PM1占比約為1.5%。電袋復合除塵對煙塵、PM10、PM2.5及PM1的脫除效果非常明顯，試驗工況條件下，其脫除效率均高于99.3%，煙塵排放量均<5 mg/m3(dry normal)，實現煙塵的超低排放;此外，對比2種風機負荷條件下煙塵的脫除效率可以看出，隨風機流量的減小，電袋除塵器的煙塵脫除效率略有升高，約0.1%，說明風機流量的影響不大。

表1風量對煙塵顆粒脫除效率的影響
Table1Effectofgascapacityontheremovalefficiencyofdustparticles

項目風機流量(dry normal)/(m3·h-1)5 275煙塵PM10PM2.5PM16 386煙塵PM10PM2.5PM1進口質量濃度(dry normal)/(mg·m-3)12 161.801 453.33560.66206.7513 368.201 597.50616.27227.26出口質量濃度(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為風機頻率為28.2 Hz、堿酸比為1時，在電區和袋區之間噴入不同吸附劑,研究其對SO3脫除效率的影響。可以看出，當中試裝置正常運行且無吸附劑噴入時，進出口SO3質量濃度(6%O2)分別為8.64、3.00 mg/m3(dry normal)，SO3脫除效率約為65.28%，這主要是因為細小的煙塵顆粒在布袋表面形成密實的過濾層，煙氣通過時與顆粒接觸。除塵器內部SO3主要以H2SO4蒸汽形式存在，經該過濾層時，H2SO4蒸汽與顆粒孔隙內堿金屬化合物發生反應，實現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提高，其脫除效果依次為Ca(OH)2>MgO>CaO>Na2CO3;當噴入Na2CO3時，SO3的進出口濃度約為9.17和1.87 mg/m3(dry normal)，SO3脫除效率約為79.58%，當噴入Ca(OH)2時，SO3的進出口濃度約為6.86和0.77 mg/m3(dry normal)，SO3脫除效率達88.78%。

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

吸附劑對SO3吸附強弱的主要影響因素有:比表面積、堿性、煙氣溫度及反應時間[14]。在試驗工況下，由于吸附區溫度、吸附反應時間基本不變，而且整個過程受低溫干法吸收的約束，因此，吸附反應主要受內擴散控制，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，擴散速度越快，SO3吸附率越高;通過對4種吸收劑進行BET測試，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，與測試結果一致。

此外，由于多功能煙氣治理裝置的特殊吸附捕捉結構，其表現出較好的SO3脫附效率;隨著國家對環境治理力度的加大，燃煤煙氣排放指標越趨嚴苛，目前堿酸比較高的常規吸附脫除技術難以實現深度脫除，在本試驗允許范圍內，通過適當增加堿酸比，可實現更高的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，即單質汞(Hg0)、二價汞化合物(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汞化合物去除，但由于單質Hg不易溶于水，大部分隨尾部煙氣排入大氣，是大氣中Hg污染的主要來源之一[15]。對進口煙氣和粉塵進行測試，煙氣中的氣態Hg約占總Hg的25%左右，基于多功能煙氣裝置對粉塵的高效脫除作用，氣態Hg是燃煤鍋爐汞排放治理的主要對象。表2為風機頻率為28.2 Hz、堿酸比為1時，多功能煙氣治理裝置對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的活性，對Hg具有較強的吸附能力，對Hg的氧化也有一定作用。布袋表面形成的顆粒過濾層，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，多功能煙氣治理中試裝置具有較好的Hg脫除效果，其進出口煙氣中Hg濃度(6%O2)分別為7 253.4、2 953.6 ng/m3(dry normal)，氣態Hg脫除效率為59.280%，總Hg脫除效率約為92.096%。

表2中，3個測試工況下汞的質量平衡分別為78.410%、84.173%和81.222%，通常認為，汞的質量平衡在70%～130%即可認為測試結果可靠。測試結果說明，本文樣品及分析方法可信，測試結果可靠。

從表2可以看出，當電區和袋區間噴入CaO和Ca(OH)2吸附劑時，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%。鈣基物質本身即為一種脫汞吸附劑，其對二價汞有較強的吸附能力，同時，飛灰與鈣基吸附劑混合后，可通過自身的微孔和表面結構對煙氣中的汞進行物理吸附，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競爭活性吸附位，對Hg的捕獲具有強烈的抑制作用。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氣態Hg的吸附氧化作用。由于煙氣中SO2濃度相對較高，對Hg的吸附作用較為復雜:一方面，SO2的存在，增加了飛灰顆粒表面的含硫活性吸附點位，有利于 Hg0在顆粒表面及微孔內的吸附氧化作用;另一方面，SO2與Ca(OH)2等吸附劑反應生成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域與氣相中的SO3隔離開,在一定程度上減少了含硫吸附活性位點,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定時清灰等方式，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減少而帶來的抑制Hg吸附過程問題，可保持飛灰及吸附劑顆粒對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)進口粉塵進口煙氣Hg輸出/(ng·m-3)灰斗出口煙氣出口粉塵質量平衡/%煙氣汞脫除效率/%總汞脫除效率/%無吸附劑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。在應用昂貴的傳統活性炭進行脫汞時，SO3與Hg存在吸附競爭，影響Hg的脫除。在脫汞的過程中，可使用廉價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 論

1)通過將靜電除塵和布袋除塵工藝進行耦合，大幅降低運行成本的基礎上，可有效提高除塵效率。試驗工況下，電袋復合除塵對煙塵、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)，實現了煙塵的超低排放。

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

3)多功能煙氣治理裝置通過定時清灰，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減少而帶來的抑制Hg吸附過程問題，保持了飛灰及吸附劑顆粒對Hg0的有效吸收。