燃煤烟气污染物干式高效脱除技术

燃煤烟气污染物干式高效脱除技术朱维群山东大学目录课题背景湿法脱硫烟气中细颗粒物的分析水汽及水溶性盐的脱除燃煤烟气污染物干式高效脱除技术总结课题背景我国大面积发生的大气雾霾已成民生之患、民心之痛，要铁腕治理。尽管我国燃煤烟气常规污染物得到有效治理，但雾霾现象仍层出不穷，原因何在？GB13223-2011大气污染物排放标准（最严格排放标准）大气污染物超低排放标准燃煤锅炉（重点地区）烟尘20mg/m3SO250mg/m3NOX(以NO2计)100mg/m3汞及其化合物0.03mg/m3燃煤机组（重点地区）烟尘5mg/m3SO235mg/m3NOX(以NO2计)50mg/m3课题背景大气污染物排放标准是治理环境空气质量限定的三种常规污染物——烟尘、二氧化硫和氮氧化物，它们是雾霾污染物的主要成分，与雾霾关系密切。目前国内电厂正在实施的超低排放工艺流程图如下：国内正在实施的超低排放工艺流程示意图湿法脱硫烟气中细颗粒物的分析表石灰石-石膏法脱硫运行结果数据表机组2×300MW年运行时间/h6000耗水量/kt·年-1825耗电量/MW·h·年-137500CO2排放量/SO20.72石膏堆砌量/SO22.7现有湿法脱硫的运行结果数据如下表：湿法脱硫烟气中细颗粒物的分析目前认识到的湿法脱硫问题如下：（1）湿法脱硫装置固定资产投资大；（2）石灰石石膏法湿法脱硫运行费用高，2×300MW的机组的年耗电量高达37500MW·h，相当于燃烧4614吨标准煤。（3）年运行6000小时年水耗近82.5万吨水，每小时消耗137.5吨水，也就是向大气中排放大量的废汽。（4）脱硫废水难于处理、脱硫产物石膏难以有效利用，作为固体废物堆埋，浪费大量的硫资源。湿法脱硫烟气中细颗粒物的分析湿法脱硫之后加装的湿式电除尘或高效除雾器虽然能够除去烟气中的部分固体颗粒，水汽仍携带大量的细小水雾滴和细小颗粒，而且对PM1.0以下的颗粒及水溶性物质无效。湿式电除尘存在下述问题：（1）增加了湿烟气中的水雾含量，使烟囱冒“白烟”的现象更加严重；（2）设备运行能耗(含阻力能耗)增大约1000-1200kw；（3）相比减排效果，湿电除尘器的运行成本过高（超过1500元/h）。湿法处理烟气中细颗粒物的分析在湿法脱硫过程中，由于进入脱硫塔内的烟气温度较高，在气液接触时浆液中的一部分水会气化，形成饱和水汽，脱硫之后的烟气温度约为50℃，湿度在100~200g/Nm3。在大量烟气以3米/秒的速度在脱硫液中的流动下，可以认为气液是平衡的，也就是气相和液相的组成基本相同。湿法处理烟气中细颗粒物的分析表各类型机组中烟气含水量系统300MW含水量t/h600MW含水量t/h1000MW含水量t/h湿法脱硫160300450总量上看，按燃烧1吨煤，湿法脱硫烟气带出1吨水汽估算，我国燃煤锅炉烟气湿法脱硫每年向大气排放近40亿吨的水汽。湿法脱硫烟气中细颗粒物的分析湿法脱硫烟气中细颗粒物的分析我们对脱硫浆液进行了分析。过滤去固体物得到上清液，测其含有1.4%可溶性物质。（水汽中水溶性盐含量与石粉来源、脱硫液温度及pH值、脱硫液循环次数、工艺条件等因素有关）这样不考虑夹带的亚微米粒子，计算如下：300MW机组的排放量为：160×1.4%=2.24（吨/小时）全国按40亿吨水汽计算：40×106×1.4%=5600（万吨）每年排放5600万吨，可能超过三种常规污染物的总和。这应该是我国雾霾大面积、高强度发生的一个主要原因。湿法脱硫烟气中的较大颗粒在厂子附近降落形成石膏雨；水汽在烟囱附近凝结产生“白烟”或“白羽”；加装GGH只能降低“石膏雨”和“白烟”，不能消除更微小颗粒或水溶性物质。我国大气平均湿度为9g/Nm3，湿法脱硫排烟湿度为大气平均湿度的10倍以上。湿法脱硫水汽含有的水溶性盐在空气中发生一系列变化可以形成雾霾细颗粒，它在大气中的停留时间长，具有极强的迁移能力，控制和治理难度很大。湿法处理烟气中细颗粒物的分析1号样2号样3号样4号样PM1.07123280PM2.5998774699393PM102565296025911941脱硫液的雾霾实验湿法脱硫烟气中细颗粒物的分析1号样品是烟气与石灰石浆液在吸收塔中反应后排出的浆液；2号样品是流出的1号浆液在澄清池中澄清后的上清液；3号样品是流出的2号上清液和锅炉污水；4号是在三联箱中经过综合处理，沉降，絮凝，澄清处理后的水。四个水样分别抽滤一遍，得上清液。在加湿器中分别加入纯净水、矿泉水和自来水，检测空气污染情况：纯净水，PM2.5值，20微克/米3矿泉水，PM2.5值，30微克/米3自来水，PM2.5值，340微克/米3在家庭房间中使用添加自来水的加湿器，3岁儿童咳嗽不仅没有改善，反而愈加严重，咳嗽持续半个月，到医院检查，被医生诊断为“加湿器肺炎”。燃煤烟气湿法脱硫过程与使用加湿器相似，显然脱硫液中的成分更加复杂，烟气中的水汽成分也比自来水更加复杂。湿法处理烟气中细颗粒物的分析华电电科院李壮等人研究了660MW煤粉炉采用石灰石/石膏法湿法脱硫后PM2.5排放的变化。除尘设备采用四电场静电除尘器；脱硫设备采用石灰石一石膏湿法脱硫工艺；脱硫塔内布置四层喷淋、两级除雾器。湿法处理烟气中细颗粒物的分析位置PM0.38/粒·cm-1PM1.0/粒·cm-1PM2.5/粒·cm-1锅炉出口120073591215535012205166除尘设备出口54854.9559236.7360185.8脱硫设备出口251389782514587825146871湿法处理烟气中细颗粒物的分析各粒径范围粒数浓度比例位置PM0.38/mg·cm-1PM1.0/mg·cm-1PM2.5/mg·cm-1锅炉出口63.0825153.9624345.9742除尘设备出口0.2668192.7332996.39139脱硫设备出口6.0185519.4068113.23601各粒径质量浓度比例研究数据表明，脱硫后PM2.5是脱硫前的400倍之多，甚至高于锅炉出口，湿法脱硫后增加了各级PM2.5的排放浓度。烟气含有大量小雾滴，粒径为0.3微米的雾滴含盐浓度为3％，灰的密度约为水的2.5倍，这样的颗粒蒸干会形成O.07微米的颗粒物，其主要形成机理为脱硫工艺中带来的硫酸根、氯离子等形成的矿物质盐；此外，还可能有通过除雾器逃逸的石膏晶粒经过干燥后形成的微粒。湿法处理烟气中细颗粒物的分析湿法脱硫排放烟气中的水汽至少是SO2排放浓度的4000倍，水汽中的无机物排放量至少是SO2排放浓度的40倍以上。因此，燃煤烟气排放指标应该综合考虑：现有排放指标（SO2、NOx和烟尘）；二氧化碳排放量（能效）；水汽排放量及杂质含量；湿法脱硫烟气中细颗粒物的分析国家2014年消费量（百万吨油当量）2013年消费量（百万吨油当量）比2013年增减%占全球总消费量%中国1962.401961.230.1%50.55%美国453.35454.57-0.3%11.70%印度360.16324.2711.1%9.28%日本126.54128.56-1.6%3.26%南非89.4388.670.9%2.30%俄罗斯85.2390.51-5.8%2.20%韩国84.8081.923.5%2.18%德国77.3681.73-5.3%1.99%印度尼西亚60.8057.605.6%1.57%波兰52.8755.76-5.2%1.36%2014年全球煤炭消费量前十名国家排序杜祥琬院士指出：“中国的环境容量已经比世界平均水平低好几倍，中国东部单位国土面积煤炭消耗是世界平均值12倍，京津冀地区煤炭消耗空间密度(单位：平方公里)是全球平均值30倍，可以想象，这些地方怎么能没雾霾?”因此，我们必须进行煤炭利用技术的革命或者大幅度降低煤炭使用量。湿法脱硫烟气中细颗粒物的分析操作方法冷冻/冷凝法吸收法吸附法膜法分离原理冷凝吸收吸附渗透除湿后露点/℃0~-200~-30-30~-50-20~-40设备占地面积中大大小操作维修中难中易生产规模小~大型大型中~大型小~大型主要设备冷冻机表冷剂吸收塔换热器泵吸附塔换热器切换阀膜分离器换热器耗能大大大小表烟气中水汽的各种技术方法特点水汽及水溶性盐的脱除目前唯一可以实现商业化的技术为烟气冷凝，它通过应用耐腐蚀换热器达到减少水汽排放的效果，但它存在以下缺点：冷凝水汽的水质不高，具有腐蚀性；需要价格较高、换热面积较大的耐腐蚀换热器；水汽排放降低有限，最低降低25%，仍然有至少75%的水汽排放；电厂冷源缺乏，或增加大量成本。水汽脱除及细颗粒脱除燃煤烟气干式高效脱除技术烟气干法脱硫是比较好的解决水汽排放的方法。现有干法烟气脱硫技术有炉内喷钙法、活性碳（焦）吸附法、电子束辐射法、金属氧化物脱硫法等。炉内喷钙法脱硫效率低，一般只适合于循环流化床锅炉，其它几种脱硫方法虽然脱硫效率高，但工艺复杂、运行费用高、易造成二次污染等，因此，有必要开发新的烟气干法脱硫技术。燃煤烟气污染物干式高效脱除技术针对烟气湿法脱硫技术存在的缺点，我们开发了一种固定资产投资少、运行维护成本低、能耗少、水耗几乎为零的燃煤烟气污染物干式高效脱除技术——高效气相烟气脱硫脱硝超低排放技术。该技术可以克服现有超低排放技术固定资产投资高、运行维护费用高、废气排放量大、操作复杂等问题。工艺路线如下图所示：图.高效气相脱硫脱硝超低排放新技术示意图燃煤烟气污染物干式高效脱除技术13:1813:2213:2613:3013:3413:3813:4213:4613:5013:5413:58050100150200250NOx(mg/m3)时刻图.220t/h循环流化床锅炉脱硝结果高效气相烟气脱硝技术在电厂的应用燃煤烟气污染物干式高效脱除技术高效气相烟气脱硫技术已在电厂进行了现场试验，锅炉类型为170t/h煤粉炉，烟气量为3×105Nm3/h。图.高效气相脱硫技术在电厂的脱硫结果燃煤烟气污染物干式高效脱除技术从上述结果得出，高效气相脱硫剂将烟气中的SO2从4000mg/Nm3脱除至35mg/Nm3以下，脱除率高达99.1%以上，能够满足环保部对SO2控制在50mg/Nm3以下的超低排放要求。燃煤烟气污染物干式高效脱除技术序号时间加料位置温度（℃）加料量（kg/h）稳定反应期间NOX浓度最小值（mg/m3）稳定反应期间NOX浓度最大值（mg/m3）检测加料后NOX浓度均值（mg/m3）检测未加料NOX浓度均值（mg/m3）检测NOX脱硝效率(%)110:32-10:593级预热器下锥体清料孔64533332544538570545.428:58-10:224级预热器下锥体清料孔810276.916335025773565313:50-14:234级预热器下锥体清料孔81049015324820045355.8414:23-14:314级预热器下锥体清料孔81022529434632056543.4514:46-15:453级预热器下料管翻板阀下64032922135228659952.2615:45-16:403级预热器下料管翻板阀下64040112625819278475.5高效气相脱硝在水泥窑炉中的应用高效气相脱硝在水泥窑炉中的应用水泥窑炉试验结果表明：1、脱硝效率可达75%以上，随着工艺优化，效率可进一步提高。2、NOx排放浓度可达200mg/M3以下，有可能形成一个新的行业标准。燃煤烟气污染物干式高效脱除技术的特点（1）烟气处理设备投资大幅度减少：与国内目前应用的装置相比，固定资产投资可降低80%以上；（2）运行成本大为降低：该技术节省大量能耗，没有水耗，运行成本比现有技术还低；（3）污染物排放量大幅度减少：不仅可以达到现有超低排放的标准，而且不向烟气处理系统中加水，使烟气带出的水汽及所含无机盐量大为降低，形成雾霾的量也大为减少。（4）烟气处理系统安全性高：该技术使用的脱硫剂和脱硝剂都是固体粉末，避免使用氨水、液氨带来的安全隐患。项目现有技术干式高效脱除技术烟尘10mg/m310mg/m3SO2