化学团聚协同多污染物治理技术

张军营，王志康，崔向峥，王建豪，李湧，赵永椿

（1.华中科技大学煤燃烧国家重点实验室，武汉 430074;2.国家能源集团科学技术研究院有限公司武汉分公司，武汉 430070;3.武汉天空蓝环保科技有限公司，武汉 430070）

在清洁能源持续推进的背景下，2022年我国煤炭总产量仍达44.5 亿吨，煤炭产量与消费量逐年上升，燃煤发电将会持续发挥托底保供作用。经过超低排放改造后，我国常规污染物的排放处于国际最严格的排放控制水平。但对非常规污染物细颗粒物、三氧化硫、重金属的滞后控制以及脱硫废水治理制约了燃煤的清洁化利用。

对于燃煤产生的颗粒物，传统除尘器能够有效捕获PM2.5以上的大颗粒物，但对PM2.5以下的细颗粒物捕获效率较低；煤中硫分燃烧生成SO2，0.2%—1.0%的SO2在锅炉中直接被氧化成SO3，大多数电厂安装选择性催化脱硝装置，脱硝催化剂中的钒系组分对SO2氧化具有催化作用，SO2氧化率为1%—2%。自2014年实施超低排放改造后，部分电厂为满足NOx超低排放限值要求，进一步提升了SCR 中SO2氧化率，加剧了SO3引起的空预器硫酸氢铵堵塞、烟道酸腐蚀、“蓝色烟羽”等问题。石灰石-石膏脱硫法是目前使用最广泛的脱硫技术，产生的脱硫废水成分复杂、氯离子浓度高、腐蚀性强、重金属离子众多，难以处理；煤燃烧产生的重金属排入大气后会对人体健康和生态环境造成影响。

PM2.5团聚协同多污染物治理技术可实现一套装置系统同时对PM2.5、三氧化硫、重金属、脱硫废水等多污染物的协同治理，突破了业内多污染物协同治理的壁垒。该技术根据煤电灵活调峰需求，达到不同的SO3脱除率，切断硫酸氢氨形成条件，降低了空预器堵塞风险，从而提高了机组负荷的适应性，同时还降低了空预器出口烟气酸露点，提高了炉效，真正实现节能减排增效的目标。工艺流程见图1。

图1 团聚协同多污染物治理技术工艺流程

1 细颗粒物团聚强化除尘

化学团聚是一项有效控制细颗粒物排放的技术。细颗粒物化学团聚机理见图2，细颗粒物在絮凝作用和范德华力等作用下吸附在团聚复合剂液滴高分子链上，团聚复合剂液滴通过液桥力作用团聚成一体，在烟道环境下水分蒸发，液桥力转变为固桥力，使细颗粒物形成大的团聚颗粒。在燃后区烟道内注入团聚复合剂可大幅提高细颗粒物的脱除效率，使烟尘排放达到超低排放标准，在不引入其他环保设备的情况下即能与原有的环保设备耦合实现烟尘的近零排放，而且团聚系统的引入不影响机组正常运行。

图2 细颗粒物化学团聚机理

2006年华中科技大学煤燃烧国家重点实验室非常规污染物排放控制团队在自建实验台架筛选发明了团聚复合剂，研究了团聚复合剂浓度、烟气温度、溶液酸性对细颗粒物团聚的影响，提出了燃煤细颗粒物化学团聚理论[1]。在50MW 燃煤电厂进行了示范试验，在除尘器前烟道喷入0.1%浓度的团聚复合剂溶液后，除尘器后粉尘浓度由33mg/m3降至19—22mg/m3，除尘效率提升40%左右，烟气温度下降8℃左右[2]。在300MW 燃煤电厂进行了工业应用试验，连续喷入团聚复合剂溶液，静电除尘器后粉尘浓度下降61.7%，脱硫出口排放浓度下降77.9%；连续运行168h，脱硫出口平均粉尘浓度为5.7mg/m3；全年运行结果表明静电除尘器后粉尘浓度平均下降51.6%，脱硫出口粉尘浓度平均下降44.7%[3]。在300MW 燃煤电厂进行化学团聚耦合低温省煤器耦合强化除尘试验，168h连续运行脱硫出口平均粉尘浓度为2.66mg/m3，实现了烟尘的近零排放。对湿式静电除尘器与化学团聚系统进行经济型分析，300MW 化学团聚系统工程投资不到湿式静电除尘器的一半，后期运行维护费用相当，具有良好的经济性[4]。

2 脱硫废水烟道蒸发“零排放”

脱硫废水缓蚀蒸发技术是实现脱硫废水“零排放”的有效手段。脱硫废水中加入的团聚复合剂能够通过氯化反应吸附脱硫废水中的氯离子，使氯离子失活，脱硫废水腐蚀性降低，钝化阻隔氯离子与金属反应，起到缓蚀效果。

实验室团聚复合剂对低碳钢的钝化缓蚀实验效果见图3，测试结果表明0.3‰浓度的团聚复合剂溶液对低碳钢的缓蚀效率接近80%[5]。在300MW 燃煤电厂进行示范试验，在空预器前后布置喷枪喷入团聚复合剂的脱硫废水，静电除尘器前脱硫废水消纳量达到2.5m3/h，空预器脱硫废水消纳量为1.25m3/h，连续2×168h 喷入脱硫废水，机组运行稳定，没有出现任何腐蚀现象，同时空预器压差和烟气温度变化稳定，对化学团聚强化除尘无影响，满足超低排放要求，实现了全厂脱硫废水“零排放”[6]。

3 三氧化硫脱除

常规烟气净化系统协同控制无法解决SO3引起的前端问题，需独立安装高温碱基吸附剂脱除SO3，增加一套烟气净化设备，导致运行成本增加。化学团聚多污染物协同治理技术不需要增加设备和投资就可以实现SO3的协同脱除。非碱基团聚复合剂高温磺化技术基于磺化反应实现微量高效控制三氧化硫，作为亲电试剂，SO3能够与团聚复合剂发生亲电取代反应，生成化学性质稳定的高分子有机磺酸盐，切断了硫酸氢铵生成的条件，降低了空预器堵塞风险，适应机组的灵活调峰。SO3在低温下转变为气溶胶，在团聚复合剂作用下长大，与烟尘一起实现高效协同脱除。

在300MW 燃煤电厂中进行工业示范试验的结果表明，在静电除尘器前烟道喷入团聚复合剂后，50%负荷条件下，静电除尘器SO3脱除率由19.3%—41.7%提升至70.7%，70%负荷条件下，SO3脱除率由56.9%—61.8%提升至75.2%，100%负荷下，SO3脱除率由48.7%—62.3%提升至63.8%，各负荷条件下协同WFGD 均实现了90%左右的SO3脱除率，负荷适应性良好。不同测点SO3浓度变化曲线见图4，在不同负荷下脱硫出口SO3排放浓度为5.7—9.0mg/m3[7]。在另一个300MW 燃煤电厂加装协同控制装置后，空预器前SO3含量降低38%以上[8]。

图4 300MW 燃煤电厂示范试验沿程测点SO3 浓度分布

4 异相凝并强化脱除重金属

细颗粒态重金属反应机理与细颗粒物团聚机理一致，细颗粒态重金属吸附在团聚复合剂液滴上，在液桥力和固桥力作用下团聚成大颗粒被除尘器捕获。同时团聚复合剂溶液促进气态重金属与液滴发生异相凝并和吸附，强化脱除效率。

图5 为100m3模拟烟气异相凝并实验装置，通过在该装置的小试实验证明了异相凝并技术的脱除性能。模拟烟道出口烟气中的气态砷元素浓度降低67.0%，气态硒元素浓度降低81.5%[9]。

图5 重金属异相凝并实验装置

在330MW 燃煤机组中进行工业应用试验，静电除尘器前烟道喷入团聚复合剂溶液后，因气态砷、硒、铅被团聚复合剂异相凝并至飞灰颗粒上，除尘器入口气态砷、硒、铅浓度显著降低。颗粒态砷、硒、铅含量上升，随着细颗粒物的团聚而被固定在更大粒径的颗粒上，进入除尘器被捕获至飞灰中，石膏中砷、硒、铅含量相应减少。与未喷入团聚复合剂相比，湿法脱硫系统后烟气中砷元素含量降低99.4%、硒元素含量降低90.0%、铅元素含量将低99.6%[10]。

在435m2钢铁烧结机机头进行工业应用试验，异相凝并系统投运后，静电除尘器后砷元素浓度下降29.44%、铬元素浓度下降39.22%，镉、镍、铜、铅、锌元素浓度降低45%以上[11]。

5 结语

化学团聚多污染物协同治理技术不论是在实验室还是在工程应用中都体现出了良好的效果。通过细颗粒物团聚强化除尘技术实现烟尘的超低排放；通过磺化技术脱除SO3解决空预器堵塞问题；通过烟道蒸发缓蚀技术解决了燃煤电厂末端高盐废水治理难题，解决了烟道蒸发技术腐蚀烟道的问题，实现脱硫废水“零排放”；通过异相凝并技术强化脱除重金属，达到多污染物、多介质协同治理的效果，展现出良好的经济性，对改善生态环境起到积极作用，给燃煤电厂及其他非电行业高效、低成本实现多污染物协同治理起到良好的示范引领作用。