湿式相变凝聚器协同多污染物脱除研究

北极星环保网讯:燃煤发电机组多污染物协同脱除技术将是未来火电领域的研究热点,为此研发并设计了一种高湿烟气环境中实现细颗粒凝聚和多污染物协同脱除的新型装置——湿式相变凝聚器（WetPhaseTransitionAgglomerator,WPTA）。该装置经过实验室实验、中试实验和某660MW燃煤机组全烟气工况工程实验研究,发现其具有优良的细颗粒物凝聚能力和多种污染物协同脱除性能。

中试实验结果表明,经过WPTA后,烟气中颗粒物的粒度分布曲线由单峰分布演变为双峰分布,且粒径在2μm左右颗粒的峰值明显降低,粒径大于10μm颗粒的峰值呈增加趋势。660MW机组全烟气试验结果显示,满负荷下WPTA投运,PM2.5、PM1.0脱除效率分别比不投运提高约5个百分点、15个百分点;同时实现了烟气中Hg、As、Ba、Ga、Li、Mn、Sr和Ti元素的高效脱除,其中Hg与As的脱除能力分别提高了4.18倍和2.82倍。

研究结果表明,该湿式相变凝聚协同多污染物脱除技术能很好地实现燃煤机组污染物超低排放。

关键词:湿式相变凝聚器;燃煤电厂;粉尘;细颗粒物;多污染物;协同脱除

近年来中国部分城市雾霾天气骤增,严重时城市能见度不足百米,这与各种污染源排入大气的PM2.5（即空气动力学直径≤2.5μm的颗粒物）密切相关。其中,燃煤颗粒物排放是造成大气雾霾的重要诱因之一。虽然煤燃烧过程中生成的亚微米颗粒质量仅占飞灰总量的0.2%~2.2%[1],但其颗粒数量巨大,排放到大气后将严重影响当地气候与环境,危害人体健康。

当前中国已经实施了世界上最严格的火电机组空气污染物排放标准,规定燃煤火电机组空气污染物超低排放限值为NOx≤50mg/m3（标准状态,下文与体积相关的数值均已换算至标准状态）,SO2≤35mg/m3,粉尘≤5mg/m3或≤10mg/m3）[2]。虽然很多污染物脱除技术均能使排放物达到排放标准,但各污染物脱除技术的协同脱除能力较弱,脱除成本相对较高,因此研究多污染物协同高效脱除技术具有重要意义。

实现细颗粒物超低排放,主要研究方向仍在于高效促进亚微米颗粒凝聚长大。只有对亚微米颗粒实现凝聚,才能在后续除尘设备中将其有效脱除。目前细颗粒物凝聚技术主要包括化学团聚、声波团聚、磁团聚、相变凝聚、湍流聚并等[3,4,5,6,7,8]。研究不同细颗粒凝聚技术旨在掌握细颗粒物凝聚机理以及开发能够应用于工业生产且达到PM2.5排放限值的装置。

但上述颗粒物凝聚技术由于存在成本过高、噪声污染、效果不佳等问题,尚未见大型工业应用报道。文献[7]所进行的相变凝聚试验,主要采用蒸汽喷入烟气方式,喷射蒸汽温度远高于烟气中微细颗粒温度,由于热泳力的作用方向与温度梯度方向相反,细颗粒不会在热泳力作用下向热蒸汽表面移动,热泳力的作用反而会使微细颗粒离开热蒸汽表面。

只有造成比微细颗粒温度更低的雾滴,才有利于亚微米颗粒在热泳力作用下向雾滴表面移动。本文提出的湿式相变凝聚技术正是基于此原理,在烟道中加装冷却换热管束,使烟气温度降低,实现水蒸气过饱和相变凝结而产生大量冷雾。冷雾及冷却管束表面温度低于微细颗粒温度,有利于亚微米细颗粒在热泳力作用下团聚并向冷雾和冷却管束表面移动,因而可在回收烟气水分的同时协同脱除其他多种污染物。

下文详细介绍湿式相变凝聚技术的关键设计思路,以及颗粒物凝聚和多污染物脱除原理。此外,通过局部烟气与全烟气现场测试数据,分析所研发设计的WPTA对不同粒径颗粒物以及多种痕量元素的脱除效果。

1、湿式相变凝聚技术研究

1.1、WPTA研发

从2009年开始,笔者研究团队进行了湿式相变凝聚技术的实验测试与探索,历经长达6年时间。采用在烟气中布置低温换热管束的方法,实现烟气中水蒸气的过饱和相变凝结,过程中产生的微小雾滴可在管壁表面撞击粘附,细颗粒物在热泳力作用下向管壁移动,凝结雾滴可形成较大液膜流下,细颗粒物被壁面液膜或凝结雾滴捕获,从而实现微细粉尘及其他污染物的协同高效脱除。

WPTA主要研发时段及研发内容如下。

（1）2010—2011年,搭建了小型实验装置,实验烟气量为1728m3/h,实验装置如图1a）所示。

图1：WPTA实验装置照片

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