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教你一种除尘脱汞协同技术

日期:2016-10-28    来源:龙净环保  作者:尤燕青

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2016
10/28
10:17
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关键词: 脱贡 除尘器 电袋脱汞

煤在燃烧过程中产生的汞大部分随着烟气排入大气,成为环境汞污染的主要来源。目前,燃煤电厂烟气脱汞技术尚未成熟,仍处于试验研究阶段。电袋复合除尘器作为燃煤电站的主要除尘设备,其脱汞性能备受关注。本文在介绍汞控制技术概况及现有烟气处理设备脱汞效果的基础上,探讨了电袋复合除尘脱汞协同技术,并分析电袋脱汞亟需解决的技术问题。

汞是一种有毒的重金属元素,汞污染对人类及生物环境造成的危害极大。全球每年排放到大气中的汞总量约为5000t,其中4000t是人为的结果[1],而燃煤导致的汞污染是最为严重的。据2002年UNEP(United Nations Environment Programme)的评估报告表明,中国是全球范围内汞污染最严重的地区之一[2],这主要是因为中国是煤炭消费大国,煤在燃烧过程中产生的汞大部分随着烟气排入大气,成为环境汞污染的主要来源。

烟气中的汞主要以两种相对稳定的形态存在:气态汞(Hg, g)和颗粒态汞(Hg, p)。气态汞又分为单质汞(Hg0)和氧化态汞(Hg2+)。二价汞化合物比较稳定,易溶于水,易脱除;单质汞挥发性较高、水溶性较低,是最难控制的形态之一。由于汞在大气中的停留时间很长,毒性也大,因此对于汞的排放控制研究已成为研究热点。

1、 汞控制技术研究现状

有关汞排放控制技术的研究主要有三种:燃烧前脱汞、燃烧中脱汞和燃烧后脱汞。目前,研究较多的是燃烧后脱汞。燃烧后脱汞(即烟气脱汞)是未来电厂汞污染控制的主要方式,其脱汞方法主要有以下几种:吸附剂法、化学沉淀法和化学氧化法[3]。

1.1 吸附剂法

吸附法主要是利用多孔性固态物质的吸附作用来处理污染物的一种常用方法,包括物理吸附和化学吸附两种方式。一般吸附都兼有物理吸附、化学吸附功能,两种吸附过程可以同时进行。目前,用于烟气脱汞的吸附剂主要有:活性炭、飞灰和金属吸收剂。

1.1.1 活性炭

在烟气中喷入活性炭是烟气脱汞技术最为集中且较成熟的一种方法,脱汞率可达96%。胡长兴等人[4]在模拟燃煤烟气流动反应试验台上,对喷射吸附脱汞过程中影响活性炭喷射量的汞浓度、停留时间、温度、除尘设备等因素进行了试验研究。虽然活性炭吸附剂在脱除汞方面有着很高的效率,但仍然存在价格昂贵,经济可行性不高等问题,并且还存在很多技术难题。

1.1.2 飞灰

燃煤过程中产生的飞灰作为一种廉价的吸附剂受到越来越多人的关注。飞灰对汞的吸附主要通过物理吸附、化学吸附、化学反应以及三者结合的方式。飞灰吸附主要受到温度、飞灰粒径、碳含量、烟气气体成分以及飞灰中无机成分对汞的催化等因素的影响。利用飞灰吸附方法脱汞可减少80%的活性炭使用量,但是碳含量过高(大于1%)会限制飞灰作为混凝土添加剂的商业应用,这一点不利于飞灰的再利用。

1.1.3 金属吸收剂

金属吸收剂[5]是利用特定的金属与汞形成合金来除去烟气中的汞,这种新形成的合金在提高温度的情况下能进行可逆反应,实现汞的回收以及金属的循环利用。并且,金属吸收率与汞的化学形态无关,这样采用金属吸收剂就可很好的去除单质汞。由于金属吸收剂大多采用贵金属(如金、钛等),工程应用还有待进一步深入研究。

1.2 化学沉淀法

化学沉淀法是通过化学试剂与汞发生化学反应生成沉淀,从而将汞除去。目前,应用比较多的方法主要有:碘化钾溶液洗涤法、氯化法除汞、硫化钠法[6]。

1.3 化学氧化法

烟气中的Hg2+化合物较易溶于水,在湿法烟气脱硫系统(WFGD)中,无论是用石灰或石灰石或是活性炭作为吸收剂,均可除去约90%的Hg2+,而对Hg0没有明显的脱除作用。通过某些物质的催化作用将Hg0氧化成Hg2+化合物,然后再采用常规的方法去除Hg2+,将单质汞转变成二价汞就比较容易去除了。

1.4 其它方法

美国能源部国家能源技术实验室采用模拟燃煤烟气,在实验室内研究了紫外线照射烟气脱汞技术。在536℃--662℃下,采用波长为253.7nm的紫外线进行照射,这种波长的紫外光能促进汞与烟气中的其它组分发生反应,生成硫酸亚汞和氧化汞,然后通过除尘设备除去。在实验室试验中,汞的脱除率达70%。但是,紫外线除汞技术的投资比活性炭喷射法还要高,这给该技术的推广带来困难。

2、 现有烟气处理设备脱汞效果

2.1 除尘设备脱汞效果

运行良好的电除尘器和布袋除尘器能有效地捕获烟气中的颗粒物能够高效的去除Hg(p)。气态汞能被吸附在飞灰上,并在电除尘或布袋除尘中被捕获。王运军、段钰锋等[7]研究了燃煤电站布袋除尘器和静电除尘器脱汞性能,得出袋式除尘器具有优良的脱汞性能。Rid Miller等[8]研究了COHPAC(一种电袋复合除尘器)结合TOXECON技术在燃煤锅炉颗粒物控制和脱汞上的协同作用,具体工艺如下图所示。燃煤锅炉产生的烟气先经过电除尘,除掉99%的粉尘,然后经过预热器,在预热器与袋除尘器之间喷射活性炭,使活性炭均匀混入烟气,同时吸附烟气中的汞,并在袋除尘器收集活性炭及余下的粉尘。该工艺已在Presque Isle电厂试用,测试结果显示其在多污染物(SO2、NOx等)控制及脱汞上均有很好的效果。

2.2 脱硫装置脱汞效果

2.2.1 干法脱硫装置对汞脱除的效果

在干法脱硫系统中,颗粒态汞Hg(p)很容易被除去,Hg0 和Hg2+能潜在地被吸附在飞灰、硫酸钙或亚硫酸钙颗粒表面。当烟气通过电除尘器(ESP)或袋式除尘器(FF)时,颗粒汞能很容易被吸附和捕获。

2.2.2 湿法脱硫装置脱汞效果

Hg2+易溶于水,能被湿法烟气脱硫(WFGD)循环液吸收,吸收效率可达69%[9]。 然而气态单质汞Hg0难溶于水,不能被循环液吸收。值得注意的是在通常的WFGD 系统中,Hg0 不但不会被吸收,还略微有所增加,增加的原因是部分Hg2+被还原。

2.3 脱硝设备脱汞效果

选择性催化还原(SCR)装置在还原NOx的同时能够将Hg0氧化成Hg2+。Hg2+相对更易被湿式喷淋装置脱除。Hg0被SCR装置催化氧化效率的高低受催化反应器的空塔速度、反应的温度、氨的浓度、催化剂的寿命、气流中氯的浓度等[10]因素影响。

3、 电袋脱汞技术探讨

在利用现有烟气净化装置除汞的研究中,最值得关注的是目前国内正在推广使用的电袋复合除尘器的除汞研究。电袋复合式除尘器是一种兼具电除尘和袋式除尘技术优点的全新除尘技术,是国际除尘环保技术重要发展方向,可以实现烟尘排放长期稳定控制在30mg/Nm3以下,是高效收尘与低成本运行有机结合的新一代环境保护除尘产品。因此,研究电袋脱汞对于实现多污染物协同脱除具有重大意义。

3.1 电袋脱汞技术优势

目前,烟气脱汞还没有一种成熟的技术,开发有发展前景的汞控制技术是很有必要的,活性炭喷射吸附方法(Activated Carbon Injection, ACI)是研究较多的汞控制技术之一。该方法在除尘器上游位置将活性炭粉喷入烟气中,使其在流动过程中吸附烟气中的汞,活性炭粉吸附汞之后,经过下游的除尘装置时与飞灰一起被收集,从而实现烟气中汞的去除。目前该技术在美国已进入工业化示范阶段。然而,在常规的单级烟气除尘系统中使用ACI技术,尚存在许多问题。首先是活性炭的消耗量很大,导致运行成本很高;其次,混入飞灰中的活性炭会影响飞灰利用价值;另外,最关键的问题是,一般的ACI技术对零价汞去除效果较差。

为此,也有研究采用尘、碳分级收集的组合方法(如TOXECON工艺),使活性炭的循环及飞灰的利用等问题得到解决,但由于该技术采用了两套除尘系统,工艺复杂、设备投资过高。电袋复合的除尘形式,可望为ACI技术的使用提供契机,若能对其微小改造,则可一定程度地达到尘、碳分离目的,并实现活性炭等吸附材料的循环利用,为活性炭除汞技术的使用带来新的活力。初步评估电袋复合除尘器,其具有如下优点:

(1)电袋复合除尘器除尘效率高,可以满足长中期粉尘标准排放要求;

(2)电袋复合除尘器具有更高的捕集微细粉尘PM2.5效率,对极细的颗粒汞也有良好的捕集效果;

(3)电袋复合除尘器清灰周期长,延长了吸附剂和汞的作用时间,提高汞的捕集效率;

(4)荷电粉尘和荷电吸附剂的气溶胶效应,有利于颗粒汞和单质汞的吸附,提高汞的捕集效率;

(5)前级电场收集绝大部分粉尘使得后级滤袋的粉尘少,喷入的吸附剂受到粉尘污染(中毒)小,可以提高吸附剂的效果,提高汞的吸附效果,同时减少吸附剂的喷入量;

(6)美国能源与环境研究中心(EERC)已经进行电袋脱汞测试,结果脱汞效率达到90%以上。

3.2 电袋脱汞技术探讨

结合电袋除尘特点,在有效脱除细颗粒物的同时脱除汞,做到除尘脱汞协同进行,同时使协同控制具有设备投资和运行费用低、脱汞效率高、设备简单等优点。为此,电袋脱汞技术可从以下几点进行探讨:

(1)吸附剂的喷射位置

吸附剂的喷射是一项关键技术。烟气中的汞的浓度很低,吸附剂喷射进入烟气中时,要保证吸附剂能够充分、均匀地与烟气接触,从而吸附烟气中的汞,同时要求吸附剂尽可能少混入飞灰中,因此吸附剂的喷射位置对电袋脱汞影响很大。

传统的活性炭喷射都在除尘器上游,即在ESP前喷射活性炭,活性炭吸附汞之后与飞灰一同被ESP收集。该方法存在活性炭再生困难、费用高,飞灰再利用难等问题,难以推广应用。电袋复合除尘器采用前电后袋的模式,烟气中80%以上的粉尘在电场区被除去,袋区收集的飞灰较少。利用电袋除尘特点,在电区后、袋区前进行活性炭喷射,这样只有少量飞灰与活性炭混合,可以避免活性炭对大部分飞灰的二次污染,同时有利于活性炭的再生。

(2)吸附剂的改性

吸附剂的吸附效率是吸附脱汞系统运行的关键参数,如何对活性碳进行物理、化学处理,提高吸附效率,是一个研究热点。由于活性炭价格高昂,为了降低活性炭脱汞成本,需对活性炭进行改性,提高活性碳的吸附能力,减少活性碳用量,节省成本。

Michael等[11]研究表明通过混合烟煤和亚烟煤,用卤素处理活性碳以及加入E-3型添加剂等方式可以达到提高活性碳吸附能力的目的。Korpiel JA [12]等研究了不同掺硫方法得到的改性活性炭对汞吸附效果的差异,并和未掺硫活性炭进行对比,发现所有掺硫的改性活性炭对汞的吸附效率都比未经改性处理的活性炭要高。活性炭以外的新型吸附剂,如掺有少量HgO 和TiO2 的硅胶[13]、沸石、硅藻土、白垩土等在烟气脱汞方面效率非常高,但大多处于试验研究阶段。

(3)吸附剂的再生

吸附剂的再生是一项关键技术,同时也是一大技术难点。烟气中汞浓度很低,要达到高的脱汞效率,吸附剂的相对消耗量较大。为了减少消耗,在吸附剂吸附汞之后,应该进行解吸附工艺脱附所吸收的汞,然后将脱汞后的吸附剂循环利用起来,以减少吸附剂的消耗,降低脱汞成本。

要完成吸附剂的再生,首先要将活性炭与飞灰分离,即尘炭分离。采用电袋脱汞,在电区与袋区之间喷射活性炭,活性炭吸附汞后与袋区的飞灰一同进入灰斗。此时飞灰中活性炭浓度较高,有利于尘炭分离。因此,对于吸附剂的再生,采用电袋脱汞更有优势。为便于将袋式除尘收集下来的吸附剂与少量飞灰分离开,可将吸附剂赋予一定的磁性,利用磁分离的方法实现飞灰与吸附剂的分离,为吸附剂的循环利用提供保证。

(4)烟气调质剂的开发

在不采用任何固体吸附剂的情况下,在烟气进入除尘器之前,加入微量的烟气调质剂(0.1ppm以内),通过ESP弱电场以及飞灰与调质剂间的协同作用,促使烟气中的零价汞氧化并转化为颗粒汞,显著提高电袋装置的除汞作用。

选择合适的调质剂,可将所捕集的汞转化为低毒稳定的化合物。上海交通大学所开发的调质剂与常规的卤素分子相比,具有更低的腐蚀性,加上其极低的使用量,对滤料或附件的腐蚀影响远低于SO3,并能一定程度清除ESP所产生的臭氧,缓解其对滤料的影响。晏乃强等[14]提出了一种氯化溴复配液及用其进行烟气除汞的方法,在不增加主要设备的情况下,实现烟气中汞及其它污染物的综合控制。

4、 烟气脱汞发展趋势

汞污染控制是未来烟气治理技术的研究热点。结合目前烟气脱汞研究现状,在利用国内外研究成果的基础上,以下几方面将成为未来烟气汞控制技术的发展方向:

1) 通过吸附剂改性等新技术来提高常见吸附剂的脱汞效率,并结合我国丰富的地矿资源来开发新型高效的吸附剂和新工艺;

2) 提高现有烟气控制设备的脱汞效率,尤其是提高除尘、脱硫和脱硝装置的脱汞效率,包括高效廉价脱汞添加剂的开发应用等;

3) 利用电袋复合除尘器在燃煤电厂烟气除尘上的优势,结合其特点,开发相应的脱汞技术,达到除尘脱汞一体化。

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