基于脱硫废水烟道蒸发的燃煤烟气PM2.5/SO3/Hg协同脱除研究

摘要

燃煤烟气粉尘、SO2、NOx排放控制己达到较高水平,但对于PM2.5、SO3、Hg的控制相对滞后.单独设立处理单元控制PM2.5、SO3、Hg占用空间且成本大.燃煤锅炉采用湿法烟气脱硫(WFGD)系统脱除SO2过程中产生脱硫废水,其中烟道蒸发技术是一种具有良好应用前景的脱硫废水零排放处理技术.为此,本文提出在脱硫废水烟道蒸发过程中协同增强现有污染物处理设备脱除PM2.5、SO3、Hg.从宏观脱除性能和微观脱除机理两个尺度,以脱硫废水烟道蒸发技术为基础,结合化学和湍流团聚技术,增强电除尘脱除PM2.5;结合碱性吸收剂喷射脱除SO3技术,增强SO3的脱除;利用脱硫废水中的氯离子促进HgO的氧化和脱除;最后采用量子化学密度泛函理论揭示PM2.5、SO3、Hg的脱除机理.实现脱硫废水零排放的同时协同增强PM2.5/SO3/Hg脱除,达到"以废治废"的目的. 首先基于液滴传热传质方程,建立液滴烟道蒸发数学模型,分析液滴蒸发过程中热量、质量传递规律,得到液滴蒸发过程中粒径随时间变化规律.针对典型300MW燃煤机组烟道参数,利用建立的数学模型计算不同粒径的液滴在不同烟气温度下的蒸发时间.研究发现:平均粒径为40μm的液滴在150℃和350℃温度下的蒸发时间分别为0.44s和0.15s.利用搭建的燃煤热态试验平台,采用荧光示踪可视化方法,研究液滴在实际烟道中蒸发特性;结果表明:烟气温度与液滴粒径对液滴蒸发时间的影响与模型计算结果相同,烟气中颗粒物浓度对液滴烟道蒸发影响较小. 基于燃煤热态试验平台,研究了脱硫废水蒸发所导致的烟气温湿度变化对电除尘脱除PM2.5性能的影响.在此基础上,开展了脱硫废水烟道蒸发促进PM2.5脱除的试验研究,分析了脱硫废水蒸发前后烟气中细颗粒物的物性变化特性,以及增强电除尘脱除PM2.5的规律.此外,结合化学和湍流团聚技术,研究了单独化学团聚以及化学耦合湍流团聚增强电除尘脱除PM2.5的规律.结果表明:脱硫废水烟道蒸发能够提高电除尘的击穿电压,有利于细颗粒物的荷电,提高电除尘器的除尘效率;脱硫废水蒸发促进细颗粒物团聚长大,蒸发过程中析出物质能够降低飞灰比电阻,典型工况下PM2.5脱除效率可提高15%左右,且脱硫废水蒸发量越多,脱除效率提高越明显;脱硫废水中添加化学团聚剂细颗粒物数浓度峰值粒径增大,化学团聚剂卷曲的柔性分子链吸附固体颗粒物形成大的凝聚体,0.1-1μm粒径段的颗粒数量脱除效率可提高20-30%;化学团聚耦合湍流团聚可进一步提高烟气中细颗粒数浓度峰值粒径,团聚效果依次为化学团聚耦合湍流团聚>化学团聚>湍流团聚.烟气流速增大、烟气中细颗粒浓度提高有利于团聚发生.典型工况下,湍流团聚、化学团聚、两种技术耦合可使电除尘数量脱除效率分别提高10-20%、20-30%、40-50%左右. 在此基础上,开展了脱硫废水中添加碱性吸收剂脱除SO3及不同氯离子浓度脱硫废水蒸发对烟气中Hg形态分布的影响,分析了SO3二元成核机理.结果表明:实际燃煤烟气中,SO3以二元成核快速形成硫酸蒸汽,烟气湿度和SO3浓度越大,烟气酸露点温度越高;当烟温降至酸露点以下时,烟气中H2SO4凝结吸附在飞灰表面,凝结吸附量符合Weber-Morris经验公式,内部扩散是影响H2SO4雾滴在飞灰上的冷凝吸附速率的主要因素;脱硫废水中添加碱性吸收剂,SO3脱除效率依次为NaOH>Na2CO3>NaHCO3,增加碱性吸收剂添加量、脱硫废水喷入量以及降低雾化液滴粒径均有利于SO3脱除效率的提高.n(Na/S)为2时,三种碱性吸收剂SO3脱除效率均大于70%.脱硫废水在SCR和ESP前蒸发均可降低WFGD出口烟气中Hg浓度,SCR前蒸发脱硫废水可显著提高SCR对Hgo的氧化效率;ESP前蒸发脱硫废水,ESP中Hgo的氧化率可提高15%左右;WFGD中Hg2+的脱除效率可达80%以上. 基于上述宏观试验结果,采用量子化学密度泛函理论探讨了PM2.5、SO3、Hg的协同脱除机理,以SiO2作为模拟粉尘颗粒,分析了化学团聚剂与SiO2吸附絮凝过程中的振动频率、反应能、自然键轨道;建立了SO3与化学团聚剂、SiO2共存体系,分析了SO3均相成核的过渡态(TS)以及化学团聚剂、SiO2吸附SO3的过程;最后建立V2O5和Hg模型,研究了V2O5对HgO的氧化机理.结果表明:化学团聚剂通过与SiO2形成的氢键(O-H…O)吸附SiO2,分子链越长的团聚剂分子,对SiO2的吸附能越高,促进了烟气中细颗粒物团聚;SO3、H2O、团聚剂、SiO2共存体系中,SO3首先与H2O结合形成H2SO4,化学团聚剂和SiO2均能吸附SO3,化学团聚剂吸附效果优于SiO2;V2O5分子中不同位置上的氧原子对HgO均有氧化作用,氯离子可增强V2O5对HgO的氧化,并生成中间产物HgCl,最终转化为HgC12.

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