化學(xué)團(tuán)聚協(xié)同多污染物治理技術(shù)

張軍營，王志康，崔向崢，王建豪，李湧，趙永椿

（1.華中科技大學(xué)煤燃燒國家重點實驗室，武漢 430074;2.國家能源集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司武漢分公司，武漢 430070;3.武漢天空藍(lán)環(huán)?？萍加邢薰?，武漢 430070）

在清潔能源持續(xù)推進(jìn)的背景下，2022年我國煤炭總產(chǎn)量仍達(dá)44.5 億噸，煤炭產(chǎn)量與消費(fèi)量逐年上升，燃煤發(fā)電將會持續(xù)發(fā)揮托底保供作用。經(jīng)過超低排放改造后，我國常規(guī)污染物的排放處于國際最嚴(yán)格的排放控制水平。但對非常規(guī)污染物細(xì)顆粒物、三氧化硫、重金屬的滯后控制以及脫硫廢水治理制約了燃煤的清潔化利用。

對于燃煤產(chǎn)生的顆粒物，傳統(tǒng)除塵器能夠有效捕獲PM2.5以上的大顆粒物，但對PM2.5以下的細(xì)顆粒物捕獲效率較低；煤中硫分燃燒生成SO2，0.2%—1.0%的SO2在鍋爐中直接被氧化成SO3，大多數(shù)電廠安裝選擇性催化脫硝裝置，脫硝催化劑中的釩系組分對SO2氧化具有催化作用，SO2氧化率為1%—2%。自2014年實施超低排放改造后，部分電廠為滿足NOx超低排放限值要求，進(jìn)一步提升了SCR 中SO2氧化率，加劇了SO3引起的空預(yù)器硫酸氫銨堵塞、煙道酸腐蝕、“藍(lán)色煙羽”等問題。石灰石-石膏脫硫法是目前使用最廣泛的脫硫技術(shù)，產(chǎn)生的脫硫廢水成分復(fù)雜、氯離子濃度高、腐蝕性強(qiáng)、重金屬離子眾多，難以處理；煤燃燒產(chǎn)生的重金屬排入大氣后會對人體健康和生態(tài)環(huán)境造成影響。

PM2.5團(tuán)聚協(xié)同多污染物治理技術(shù)可實現(xiàn)一套裝置系統(tǒng)同時對PM2.5、三氧化硫、重金屬、脫硫廢水等多污染物的協(xié)同治理，突破了業(yè)內(nèi)多污染物協(xié)同治理的壁壘。該技術(shù)根據(jù)煤電靈活調(diào)峰需求，達(dá)到不同的SO3脫除率，切斷硫酸氫氨形成條件，降低了空預(yù)器堵塞風(fēng)險，從而提高了機(jī)組負(fù)荷的適應(yīng)性，同時還降低了空預(yù)器出口煙氣酸露點，提高了爐效，真正實現(xiàn)節(jié)能減排增效的目標(biāo)。工藝流程見圖1。

圖1 團(tuán)聚協(xié)同多污染物治理技術(shù)工藝流程

1 細(xì)顆粒物團(tuán)聚強(qiáng)化除塵

化學(xué)團(tuán)聚是一項有效控制細(xì)顆粒物排放的技術(shù)。細(xì)顆粒物化學(xué)團(tuán)聚機(jī)理見圖2，細(xì)顆粒物在絮凝作用和范德華力等作用下吸附在團(tuán)聚復(fù)合劑液滴高分子鏈上，團(tuán)聚復(fù)合劑液滴通過液橋力作用團(tuán)聚成一體，在煙道環(huán)境下水分蒸發(fā)，液橋力轉(zhuǎn)變?yōu)楣虡蛄Γ辜?xì)顆粒物形成大的團(tuán)聚顆粒。在燃后區(qū)煙道內(nèi)注入團(tuán)聚復(fù)合劑可大幅提高細(xì)顆粒物的脫除效率，使煙塵排放達(dá)到超低排放標(biāo)準(zhǔn)，在不引入其他環(huán)保設(shè)備的情況下即能與原有的環(huán)保設(shè)備耦合實現(xiàn)煙塵的近零排放，而且團(tuán)聚系統(tǒng)的引入不影響機(jī)組正常運(yùn)行。

圖2 細(xì)顆粒物化學(xué)團(tuán)聚機(jī)理

2006年華中科技大學(xué)煤燃燒國家重點實驗室非常規(guī)污染物排放控制團(tuán)隊在自建實驗臺架篩選發(fā)明了團(tuán)聚復(fù)合劑，研究了團(tuán)聚復(fù)合劑濃度、煙氣溫度、溶液酸性對細(xì)顆粒物團(tuán)聚的影響，提出了燃煤細(xì)顆粒物化學(xué)團(tuán)聚理論[1]。在50MW 燃煤電廠進(jìn)行了示范試驗，在除塵器前煙道噴入0.1%濃度的團(tuán)聚復(fù)合劑溶液后，除塵器后粉塵濃度由33mg/m3降至19—22mg/m3，除塵效率提升40%左右，煙氣溫度下降8℃左右[2]。在300MW 燃煤電廠進(jìn)行了工業(yè)應(yīng)用試驗，連續(xù)噴入團(tuán)聚復(fù)合劑溶液，靜電除塵器后粉塵濃度下降61.7%，脫硫出口排放濃度下降77.9%；連續(xù)運(yùn)行168h，脫硫出口平均粉塵濃度為5.7mg/m3；全年運(yùn)行結(jié)果表明靜電除塵器后粉塵濃度平均下降51.6%，脫硫出口粉塵濃度平均下降44.7%[3]。在300MW 燃煤電廠進(jìn)行化學(xué)團(tuán)聚耦合低溫省煤器耦合強(qiáng)化除塵試驗，168h連續(xù)運(yùn)行脫硫出口平均粉塵濃度為2.66mg/m3，實現(xiàn)了煙塵的近零排放。對濕式靜電除塵器與化學(xué)團(tuán)聚系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)型分析，300MW 化學(xué)團(tuán)聚系統(tǒng)工程投資不到濕式靜電除塵器的一半，后期運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用相當(dāng)，具有良好的經(jīng)濟(jì)性[4]。

2 脫硫廢水煙道蒸發(fā)“零排放”

脫硫廢水緩蝕蒸發(fā)技術(shù)是實現(xiàn)脫硫廢水“零排放”的有效手段。脫硫廢水中加入的團(tuán)聚復(fù)合劑能夠通過氯化反應(yīng)吸附脫硫廢水中的氯離子，使氯離子失活，脫硫廢水腐蝕性降低，鈍化阻隔氯離子與金屬反應(yīng)，起到緩蝕效果。

實驗室團(tuán)聚復(fù)合劑對低碳鋼的鈍化緩蝕實驗效果見圖3，測試結(jié)果表明0.3‰濃度的團(tuán)聚復(fù)合劑溶液對低碳鋼的緩蝕效率接近80%[5]。在300MW 燃煤電廠進(jìn)行示范試驗，在空預(yù)器前后布置噴槍噴入團(tuán)聚復(fù)合劑的脫硫廢水，靜電除塵器前脫硫廢水消納量達(dá)到2.5m3/h，空預(yù)器脫硫廢水消納量為1.25m3/h，連續(xù)2×168h 噴入脫硫廢水，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)任何腐蝕現(xiàn)象，同時空預(yù)器壓差和煙氣溫度變化穩(wěn)定，對化學(xué)團(tuán)聚強(qiáng)化除塵無影響，滿足超低排放要求，實現(xiàn)了全廠脫硫廢水“零排放”[6]。

3 三氧化硫脫除

常規(guī)煙氣凈化系統(tǒng)協(xié)同控制無法解決SO3引起的前端問題，需獨立安裝高溫堿基吸附劑脫除SO3，增加一套煙氣凈化設(shè)備，導(dǎo)致運(yùn)行成本增加?；瘜W(xué)團(tuán)聚多污染物協(xié)同治理技術(shù)不需要增加設(shè)備和投資就可以實現(xiàn)SO3的協(xié)同脫除。非堿基團(tuán)聚復(fù)合劑高溫磺化技術(shù)基于磺化反應(yīng)實現(xiàn)微量高效控制三氧化硫，作為親電試劑，SO3能夠與團(tuán)聚復(fù)合劑發(fā)生親電取代反應(yīng)，生成化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的高分子有機(jī)磺酸鹽，切斷了硫酸氫銨生成的條件，降低了空預(yù)器堵塞風(fēng)險，適應(yīng)機(jī)組的靈活調(diào)峰。SO3在低溫下轉(zhuǎn)變?yōu)闅馊苣z，在團(tuán)聚復(fù)合劑作用下長大，與煙塵一起實現(xiàn)高效協(xié)同脫除。

在300MW 燃煤電廠中進(jìn)行工業(yè)示范試驗的結(jié)果表明，在靜電除塵器前煙道噴入團(tuán)聚復(fù)合劑后，50%負(fù)荷條件下，靜電除塵器SO3脫除率由19.3%—41.7%提升至70.7%，70%負(fù)荷條件下，SO3脫除率由56.9%—61.8%提升至75.2%，100%負(fù)荷下，SO3脫除率由48.7%—62.3%提升至63.8%，各負(fù)荷條件下協(xié)同WFGD 均實現(xiàn)了90%左右的SO3脫除率，負(fù)荷適應(yīng)性良好。不同測點SO3濃度變化曲線見圖4，在不同負(fù)荷下脫硫出口SO3排放濃度為5.7—9.0mg/m3[7]。在另一個300MW 燃煤電廠加裝協(xié)同控制裝置后，空預(yù)器前SO3含量降低38%以上[8]。

圖4 300MW 燃煤電廠示范試驗沿程測點SO3 濃度分布

4 異相凝并強(qiáng)化脫除重金屬

細(xì)顆粒態(tài)重金屬反應(yīng)機(jī)理與細(xì)顆粒物團(tuán)聚機(jī)理一致，細(xì)顆粒態(tài)重金屬吸附在團(tuán)聚復(fù)合劑液滴上，在液橋力和固橋力作用下團(tuán)聚成大顆粒被除塵器捕獲。同時團(tuán)聚復(fù)合劑溶液促進(jìn)氣態(tài)重金屬與液滴發(fā)生異相凝并和吸附，強(qiáng)化脫除效率。

圖5 為100m3模擬煙氣異相凝并實驗裝置，通過在該裝置的小試實驗證明了異相凝并技術(shù)的脫除性能。模擬煙道出口煙氣中的氣態(tài)砷元素濃度降低67.0%，氣態(tài)硒元素濃度降低81.5%[9]。

圖5 重金屬異相凝并實驗裝置

在330MW 燃煤機(jī)組中進(jìn)行工業(yè)應(yīng)用試驗，靜電除塵器前煙道噴入團(tuán)聚復(fù)合劑溶液后，因氣態(tài)砷、硒、鉛被團(tuán)聚復(fù)合劑異相凝并至飛灰顆粒上，除塵器入口氣態(tài)砷、硒、鉛濃度顯著降低。顆粒態(tài)砷、硒、鉛含量上升，隨著細(xì)顆粒物的團(tuán)聚而被固定在更大粒徑的顆粒上，進(jìn)入除塵器被捕獲至飛灰中，石膏中砷、硒、鉛含量相應(yīng)減少。與未噴入團(tuán)聚復(fù)合劑相比，濕法脫硫系統(tǒng)后煙氣中砷元素含量降低99.4%、硒元素含量降低90.0%、鉛元素含量將低99.6%[10]。

在435m2鋼鐵燒結(jié)機(jī)機(jī)頭進(jìn)行工業(yè)應(yīng)用試驗，異相凝并系統(tǒng)投運(yùn)后，靜電除塵器后砷元素濃度下降29.44%、鉻元素濃度下降39.22%，鎘、鎳、銅、鉛、鋅元素濃度降低45%以上[11]。

5 結(jié)語

化學(xué)團(tuán)聚多污染物協(xié)同治理技術(shù)不論是在實驗室還是在工程應(yīng)用中都體現(xiàn)出了良好的效果。通過細(xì)顆粒物團(tuán)聚強(qiáng)化除塵技術(shù)實現(xiàn)煙塵的超低排放；通過磺化技術(shù)脫除SO3解決空預(yù)器堵塞問題；通過煙道蒸發(fā)緩蝕技術(shù)解決了燃煤電廠末端高鹽廢水治理難題，解決了煙道蒸發(fā)技術(shù)腐蝕煙道的問題，實現(xiàn)脫硫廢水“零排放”；通過異相凝并技術(shù)強(qiáng)化脫除重金屬，達(dá)到多污染物、多介質(zhì)協(xié)同治理的效果，展現(xiàn)出良好的經(jīng)濟(jì)性，對改善生態(tài)環(huán)境起到積極作用，給燃煤電廠及其他非電行業(yè)高效、低成本實現(xiàn)多污染物協(xié)同治理起到良好的示范引領(lǐng)作用。