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湿法脱硫协同去除细颗粒物的研究进展

北极星大气网  来源:化工进展  作者:王军锋 李金等  2019/7/23 11:32:48  我要投稿  
所属频道: 大气治理  关键词:湿法脱硫 细颗粒物 除尘

北极星大气网讯:摘要:石灰石-石膏湿法烟气脱硫 (wet flue gas desulfurization,WFGD) 工艺具有吸收剂来源广、成本低、脱硫 效率高等优点,成为应用最广泛的烟气脱硫工艺。湿法脱硫过程中,燃煤烟气在喷淋浆液的洗涤作用下不仅能 高效脱除SO2而且可以协同去除细颗粒物,但同时存在石灰浆液夹带导致出口颗粒物浓度增加的问题。本文首先综 述了湿法脱硫的应用现状,对比了湿法脱硫系统前后细颗粒物物性变化,然后概述了应用于湿法脱硫协同去除 细颗粒物的新方法,包括脱硫塔内部结构调整以及促进细颗粒物凝聚长大,同时分析了湿法脱硫工艺中采用荷 电细水雾吸附细颗粒物并增益脱除SO2的可行性,以期为燃煤电厂细颗粒物排放控制提供借鉴。最后指出未来湿 法脱硫技术不仅要实现高脱硫效率,而且能有效脱除未被静电除尘器脱除的细颗粒物,湿法脱硫技术的发展趋 势是多种技术耦合实现多污染物的协同脱除。

细颗粒物 (空气动力学直径小于 2.5μm 的颗 粒,通常用 PM2.5表示) 是影响我国城市空气质量 的主要污染物之一,具有很大的比表面积,能长期 悬浮于大气环境中且易于富集多环芳烃、重金属、 细菌和病毒等有毒有害物质,通过呼吸进入人体, 与呼吸系统疾病、心血管疾病、心脏病等疾病的发 病率有密切联系[1] ,是导致人类死亡率上升的重要 原因[2] 。煤炭是我国能源消费中最主要的组成部 分[3] ,我国煤炭消费量的80%直接用于燃烧,煤炭 等化石燃料的燃烧是大气细颗粒物的主要来源,其 中燃煤电厂细颗粒物排放占很大比重[4] ,因此,控 制燃煤电厂细颗粒物排放是迫切需要解决的问题。 

燃煤电厂烟气处理的工艺流程一般为选择性催 化还原(SCR)脱硝+电除尘+脱硫,处理后的净烟气 经烟囱排放到大气中。传统静电除尘器对粗颗粒物 有很好的去除效果,除尘效率可以达到99%以上, 但对粉尘比电阻较大的细颗粒物难以有效荷电,去 除效果较差[5] 。燃煤电厂静电除尘器后普遍安装烟 气脱硫装置去除燃煤烟气中的二氧化硫,其中以石 灰石-石膏湿法脱硫工艺为主[6] 。湿法脱硫一方面 可以通过脱硫浆液的洗涤作用去除颗粒物,另一方 面脱硫浆液在高温烟气的作用下蒸发结晶形成新的 颗粒物,使烟气经湿法脱硫洗涤后细颗粒物的排放 浓度反而会增加[7] 。国内部分燃煤电厂在湿法脱硫 装置后增设湿式静电除尘器去除脱硫塔后细颗粒 物、硫酸雾滴以及逃逸的石灰石浆液小液滴[8-9] , 但湿式静电除尘器存在运行费用高、占地面积大等 不足。湿法脱硫通常作为烟气处理的末端设备,烟 气经过湿法脱硫装置后经烟囱直接排放到大气中, 其对细颗粒物的脱除效果直接影响大气环境空气质 量,因此研究湿法脱硫协同控制细颗粒物排放对于 研发新型高效脱硫除尘技术,控制大气污染具有重 要意义。 

本文就国内外湿法脱硫协同去除细颗粒物的研 究现状给出评述,介绍国内外湿法脱硫协同除尘的 新进展,进一步分析了荷电细水雾用于湿法脱硫装 置高效脱除SO2的同时协同去除细颗粒物的可行性, 并指出湿法脱硫未来的发展趋势是多种技术联合实 现多种污染物的协同治理。

1 湿法脱硫工艺应用现状 

烟气脱硫工艺在燃煤电厂尾气处理中广泛应 用,根据脱硫剂的干湿状态可以将其分为干法、半 干法和湿法,其优缺点对比如表1所示。湿法脱硫 通过液体或浆液吸收剂在湿态下脱硫和对脱硫产物 进行处理,虽然存在初期投资大、脱硫废水难处理 等缺点,但其脱硫效率高(>90%)、反应速率快、 技术成熟,适合大型燃煤电厂脱硫,大型燃煤电厂 广泛采用湿法脱硫技术。根据所用脱硫剂种类的不 同,湿法脱硫工艺又可以分为石灰石-石膏法、钠 碱法、氨法、镁法、有机胺法、海水法等[10] ,表2 总结对比了几种常见湿法脱硫技术的特点及适用 性。与其他湿法脱硫技术相比,石灰石-石膏湿法 烟气脱硫技术由于具有脱硫效率高 (通常超过 95%)、吸收剂来源广、成本低以及煤种适用性强 等优点而得以普遍应用,市场占有率超过 90%[2] , 本文湿法脱硫工艺主要指石灰石-石膏湿法脱硫。 

石灰石-石膏湿法脱硫工艺的工作原理是用石 灰石或石灰石浆液作为吸收剂,在喷淋塔内雾化成 小液滴,与燃煤烟气进行逆流接触,与SO2发生化 学反应生成亚硫酸钙,随后向浆池区通入空气使亚 硫酸钙氧化为硫酸钙 (石膏),脱硫后净烟气通过烟囱排出。以往研究多是实现脱硫塔高脱硫效率, 忽略了脱硫塔喷淋洗涤过程中细颗粒物的变化,在 喷淋洗涤过程中,雾化形成的细小石灰石浆液在高 速烟气作用下容易随烟气运动带出脱硫塔,这部分 石灰浆液蒸发形成的颗粒物以 PM2.5为主,对人体 和环境的危害尤为严重。随着国家排放要求越来越 严格,工业脱硫塔增益除尘能力也引起众多研究人 员的关注,实验研究了一系列降低脱硫塔出口细颗 粒物浓度的方法,包括增加塔内构件、设计高效除 雾器、强化蒸汽相变凝结等,并在实验室条件下取 得了良好的效果,有望进一步应用到工业湿法脱硫 过程中,实现超低量排放的要求。

2 WFGD系统前后颗粒物物性变化 

近几年,国内外众多学者开展了 WFGD 系统 前后颗粒物物性变化的研究分析,研究表明[11-19] , 经过 WFGD 后,粗颗粒物有较稳定的去除效果, 分级去除效率随粒径的减小而下降,颗粒粒径在 0.1~1μm之间去除效果较差,颗粒间的团聚形态发 生改变,同时颗粒物上 Ca 和 S 元素含量增加,通 过优化脱硫工艺抑制细小石膏晶体的形成可以降低 WFGD后细颗粒物的排放浓度。王珲等[7] 实测发现 石灰石-石膏湿法脱硫工艺对颗粒物总质量脱除效 率为74.5%,喷淋过程虽然可以有效脱除粗颗粒物 但对细颗粒物去除效果较差,随粒径的减小颗粒分 级脱除效率明显下降,并且出口烟气细颗粒物中 Ca和S元素含量增加,脱硫塔出口烟气中除未被洗 涤脱除的燃煤飞灰外,还含有约7.9%的石膏颗粒 和47.5%的石灰石颗粒。Meji等[11] 对荷兰WFGD系 统前后颗粒物分析发现,脱硫后燃煤飞灰约占 40%,10%为石膏颗粒,其余为脱硫浆液蒸发后形 成的溶解化合物。王东歌等[12] 对我国燃煤电厂的实 测结果显示湿法脱硫对总颗粒物的平均脱除效率为 55.5%,对PM10的去除效率在50%左右,但对PM2.5 以及PM1的去除作用有限,甚至出现出口排放浓度 增加的现象。朱杰等[13] 对超低排放项目的湿法脱硫 系统颗粒物实测发现旋汇耦合、双托盘等强化气液 传质技术有效提高了粉尘脱除效率,远超过传统空 塔湿法脱硫工艺。随后,潘丹萍等[14] 利用石灰石- 石膏湿法脱硫试验装置研究发现湿法脱硫后细颗粒 物物性与脱硫浆液中固体晶粒有一定关联,脱硫后 烟气中细颗粒物主要源自脱硫浆液蒸发夹带,并通 过优化脱硫工艺参数降低了脱硫过程细颗粒物的形 成。颜金培等[15] 采用4种不同的脱硫洗涤剂分析湿 法脱硫对细颗粒物的影响,发现脱硫后细颗粒物的 形态与所用脱硫洗涤剂密切相关,但不论采用何种 洗涤剂,脱硫后颗粒物中的 S 元素含量均明显 增大。 

表3总结归纳了研究人员对湿法脱硫系统除尘 作用分析。可见,经过WFGD洗涤后,颗粒粒径、 形态以及组分均发生变化,其变化与脱硫浆液的洗 涤作用密切相关,研究湿法脱硫协同控制细颗粒物 的关键在于强化脱硫浆液与燃煤烟气细颗粒物接触 吸收,降低烟气中粉尘含量,同时要抑制脱硫浆液 蒸发析出石灰石颗粒。 

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