超低排放电厂非常规污染物排放特性及协同脱除机理研究

摘要

煤作为中国的主要一次能源，在燃烧过程中释放的粉尘、硫氧化物、氮氧化物以及重金属等污染物对人类健康和生态环境造成严重危害。目前，中国大部分大型燃煤电厂已完成超低排放改造，常规污染物如粉尘、硫氧化物、氮氧化物等都得到有效控制；但是对于非常规污染物如SO3、PM及重金属等的排放控制和交互作用机制尚不明晰。如能掌握非常规污染物在整个电厂中的分布、迁移、转化规律和协同脱除机制，将会进一步促进燃煤污染物超低排放技术的发展，并为非常规污染物控制的相关标准的制定提供依据。 本文结合国内某燃煤电厂四台超低排放机组改造情况，对各机组的超低排放技术路线和污染物控制装置（APCDs）进行了详细调研和分析总结：机组超低排放改造措施主要包括低氮燃烧器改造、加装选择性催化还原（SCR）脱硝装置、加装低温省煤器（LTE）、电除尘器（ESP）高频电源改造、湿法脱硫系统（WFGD）增容提效改造、加装湿式电除尘器（WESP）等；各台机组所采用的装置和组合各不相同。对于非常规污染物的测量，烟气中SO3采样异丙醇法测量，汞采用EPA30B法，其它重金属采用EPA29方法；固、液体废弃物中汞采用冷蒸气原子吸收分光光度法，其它重金属采用采用电感耦合等离子质谱仪（ICP-MS）测量。采用质量平衡法和相对富集系数法对重金属的分布规律进行了分析和评价。 为了深入分析SOx、NOx及PM的超低排放特性及交互影响，本文详细研究了超低排放燃煤电厂APCDs对各种污染物的脱除性能及机理。研究表明：烟气经过SCR脱硝催化剂后，一部分SO2转化为SO3，其转化率随温度的升高而增加，随负荷升高略有降低；低低温电除尘技术可降低飞灰比电阻、减小烟气流速、增加飞灰驱进速度，提高ESP除尘效率，同时可以使烟气温度降低至酸露点以下，促进SO3的在飞灰表面的吸附凝结；WESP可实现PM2.5的深度脱除，其清灰水膜也可进一步脱除SO3；脱硫除尘一体化技术可促进气液固三相充分接触，改善脱硫塔均气效果，降低气液膜传质阻力，提高传质速率和降温速率，在高效脱除SO2的同时实现了对SO3及颗粒物的协同控制。阐述了喷淋塔除尘机理并进行了模拟研究，结果表明#1、#2机组WFGD除尘效率由超低排放改造前66.5%增加至69.7%，计算结果与实测数据较为吻合。 对不同超低排放机组中汞的排放与分布特性进行了详细研究，分析了各种APCDs对汞形态转化的影响与协同脱除性能。锅炉出口和烟囱入口烟气中汞的浓度范围分别为4.46-5.17μg/m3和0.51-1.22μg/m3。超低排放机组中SCR+LTE+ESP+WFGD+WESP等装置可以脱除约88.5%-89.6%的汞。其中，SCR系统可氧化41.4%-51.6%的Hg0；加装LTE后烟气温度降低，烟气中更多的HCl以及SO3冷凝在飞灰表面形成活性吸附位对气态汞进行吸附/氧化，生成HgCl2、Hg2Cl2、HgSO4等物质，促进了气态汞向颗粒态汞的转化，进而有利于ESP和WFGD对Hgp和Hg2+的深度脱除；另外，WESP电晕放电产生大量的氧化性自由基将Hg0氧化并吸附，通过集尘极上的连续水膜将其高效清除，进一步提高了APCDs的协同脱汞能力。超低排放改造前电厂的大气排放因子在2.18-2.34g/TJ之间，与部分美国燃煤电厂汞排放的结果相当。改造后排放因子降低到0.39-0.81g/TJ，表明超低排放改造非常有利于燃煤烟气中汞的控制。 研究了重金属As、Se、Cr、Cd、Pb在超低排放电厂的排放特性，掌握了重金属的分布规律和演化行为。超低排放机组APCDs可实现燃煤烟气中As、Se、Pb、Cd、Cr的高效脱除。气相中重金属As、Se、Pb、Cd和Cr主要通过冷凝吸附在飞灰表面被ESP高效脱除。Se会与SCR催化剂反应并吸附在其上，经过SCR后烟气中Se浓度降低约55%。Pb、Cd、Cr易于富集在小粒径的飞灰颗粒上，Cr与铁氧化物有明显的亲和性。WFGD系统对As、Se、Pb、Cd、Cr均有一定的脱除作用。石灰石是As、Cd、Pb在WFGD系统中的主要来源；浆液的循环利用会导致重金属累积；旋流分离器的分筛选作用，降低了石膏形成过程中重金属的含量；脱硫浆液中重金属富集程度较高，而废水处理系统中三联箱可高效脱除废水中大部分重金属。WESP主要通过脱除烟气中超细颗粒物实现协同脱除重金属，其内部碱性循环环境是关键，在避免设备腐蚀的同时抑制了已吸附重金属的二次析出，而WESP冲洗水则对重金属的脱除作用不大。APCDs协同配合是超低排放机组控制重金属大气排放因子的重要原因。

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