CN102380278A - 协同促进pm2.5团聚长大和蒸发处理脱硫废水的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种协同促进PM_2.5团聚长大和蒸发处理脱硫废水的方法及装置，具体是在电除尘器入口烟道喷入由脱硫废水、高聚物粘结剂、润湿剂配制成的团聚剂溶液，利用烟气所含热量使团聚剂溶液蒸发，蒸发过程中润湿剂促进粉尘进入团聚剂液滴内部，高聚物粘结剂与PM_2.5通过带有极性基团的高分子链相连接，促使PM_2.5粒径增大以利于后续电除尘器捕集，并使脱硫废水完全蒸发，废水中的悬浮物和溶解性污染物转化为固体析出，随烟气中的粉尘一起被电除尘器捕集。其装置由锅炉、空气预热器、电除尘器、脱硫塔、水力旋流器、脱硫废水澄清池、团聚剂溶液配制槽组成；在空气预热器与电除尘器之间的烟道中设有双流体雾化喷嘴。

Description

协同促进PM2.5团聚长大和蒸发处理脱硫废水的方法及装置

技术领域

本发明属于燃煤烟气细颗粒物（PM_2.5）排放控制的技术领域，特别涉及一种应用化学团聚技术提高电除尘器对PM_2.5的脱除效果并协同实现脱硫废水蒸发处理的方法及装置。

背景技术

空气动力学直径小于2.5微米的PM_2.5污染已成为我国突出的大气环境问题，是导致大气能见度降低、酸雨、阴霾天气和全球气候变化等重大环境问题的重要因素；主要原因在于PM_2.5比表面积大，易富集各种重金属及化学致癌物质，而常规除尘技术对其难以有效捕集，造成大量PM_2.5排入大气环境。这也是我国大气中可吸入颗粒物（PM₁₀）排放总量呈逐年下降的情况下，PM_2.5却呈上升趋势的重要原因。燃煤是引起我国大气环境中PM_2.5含量增加的主要原因。因此，控制燃煤PM_2.5排放是迫切需要解决的关键问题。目前，我国80%以上的大中型燃煤电站采用的除尘脱硫技术是电除尘器+石灰石/石膏湿法烟气脱硫系统。近些年来，人们从极距、极配方式、清灰方式、气流分布等方面对电除尘器进行了大量研究和改进，使这一技术在治理燃煤粉尘的应用方面日趋成熟，但由于PM_2.5荷电不充分，仍存在PM_2.5难以有效脱除的技术瓶颈，极大影响了电除尘性能。另外，由于脱硫浆液的洗涤作用，湿法烟气脱硫系统虽可协同脱除烟气中的粗粉尘，但对PM_2.5的捕集效率不到10~20%，且随粒径的减小脱除效率显著下降。 

目前，PM_2.5有效控制的技术发展方向主要为在常规除尘设备前设置预处理措施，使其通过物理或化学作用长大成较大颗粒后加以清除，包括声波团聚、电凝聚、磁团聚、化学团聚、蒸汽相变等；这些措施中，蒸汽相变不适合与电除尘设备结合，声波团聚、磁团聚离工程应用尚存在较大距离，电凝聚虽已基本具备工业应用的条件，但投资运行费用过高。化学团聚技术可以在既不改变正常生产条件，也不改变现有电除尘设备和操作参数的条件下，有效提高电除尘设备对细颗粒的脱除效率，但喷入的团聚剂中，除含粘结剂和润湿剂外，还需加入无机盐添加剂与pH值调节剂（如磷酸），且工艺水耗量较大；同时，现有的团聚剂种类较为单一，有必要进一步开发高效、实用的化学团聚剂。

石灰石/石膏湿法烟气脱硫过程中会产生一定量的废水，通常脱硫废水呈弱酸性，pH为4.5~6.5，悬浮物含量一般为1~10g/L，含有Cl^-、F^-、SO₄ ^2-、Ca²⁺、Mg²⁺等阴阳离子及微量重金属离子，直接外排会对环境造成影响。一般采用化学加药方法处理，该法技术成熟，但系统复杂，且需要大量的化学药剂，投资和运行费用较高。

发明内容

发明目的：本发明针对电除尘装置难以有效脱除PM_2.5及现有脱硫废水处理技术系统复杂、成本高的技术瓶颈，本发明提供一种协同促进PM_2.5团聚长大和蒸发处理脱硫废水的方法及装置，应用化学团聚技术促使PM_2.5团聚长大，进而提高电除尘装置对PM_2.5的脱除效率，并可协同实现脱硫废水零排放。

技术方案：一种协同促进PM_2.5团聚长大和蒸发处理脱硫废水的方法，其步骤为：脱硫废水经澄清池脱除悬浮物后进入团聚剂溶液配制槽，加入高聚物粘结剂和润湿剂，搅拌混合均匀后得到团聚剂溶液，然后团聚剂溶液在压缩空气的作用下经双流体雾化喷嘴喷入电除尘器入口烟道中，利用烟气所含热量使团聚剂液滴蒸发，蒸发过程中润湿剂促进粉尘进入团聚剂液滴内部，高聚物粘结剂与PM_2.5通过带有极性基团的高分子链相连接，促使PM_2.5粒径增大；同时，脱硫废水完全蒸发，废水中未能脱除的悬浮物和溶解性污染物转化为固体析出，并随烟气中的粉尘一起被电除尘器捕集。

所述的团聚剂溶液组成按质量百分比含有0.001~0.1%的高聚物粘结剂和0.001~0.01%的润湿剂，团聚剂溶液的温度为45~55℃；团聚剂溶液的添加量为每Nm³烟气中添加0.005~0.025kg，其中，团聚剂溶液中的高聚物粘结剂和润湿剂的质量占处理粉尘质量的0.05~0.25%，团聚剂溶液喷入导致烟气温度降低≤25℃，降低后的烟气温度高于酸雾点。

所述团聚剂液滴粒径通过调节压缩空气与团聚剂溶液的压力与流量控制在小于100微米，液滴在烟道中的停留时间大于0.75s。

所述高聚物粘结剂为下列物质的任意一种或由两种组合而成：聚合氯化铝、改性聚合氯化铝、聚合硫酸铁、聚硅硫酸铝、羧甲基纤维素钠、黄原胶、海藻酸钠。

当所述的高聚物粘结剂为两种组合时，由聚合氯化铝、改性聚合氯化铝、聚合硫酸铁、聚硅硫酸铝中的任意一种与羧甲基纤维素钠、黄原胶、海藻酸钠中的任意一种组合而成。

所述润湿剂为下列物质的任意一种：乙氧基改性聚二甲基硅氧烷、聚醚改性有机硅、脂肪酸单硫酸钠复合盐、水性有机硅润湿剂、乳化剂OP-10。

一种协同促进PM_2.5团聚长大和蒸发处理脱硫废水方法的装置，该装置由锅炉、空气预热器、电除尘器、脱硫塔、水力旋流器、脱硫废水澄清池、团聚剂溶液配制槽依次串联组成；在空气预热器与电除尘器之间的烟道中设有双流体雾化喷嘴；团聚剂溶液配制槽的入口分别与高聚物粘结剂贮槽、润湿剂贮槽及脱硫废水澄清池相连；团聚剂溶液配制槽的出口通过团聚剂溶液输送计量泵与双流体雾化喷嘴连接，空压机通过压缩空气缓冲罐与双流体雾化喷嘴连接；水力旋流器的上清液出口分别与脱硫塔和脱硫废水澄清池连接。 

所述的高聚物粘结剂贮槽通过螺旋加料器与团聚剂溶液配制槽连接；润湿剂贮槽通过润湿剂输送计量泵与团聚剂溶液配制槽连接，所述团聚剂溶液配制槽内设有搅拌器。

所述的双流体雾化喷嘴离电除尘器的入口距离为10~15m。

有益效果：

（1）本发明的团聚剂配方主要包括润湿剂、高聚物粘结剂组分；燃煤粉尘主要为润湿性较差的硅铝质矿物颗粒，润湿剂可以改善燃煤粉尘润湿性能，促进粉尘进入团聚剂液滴内部，从而增进团聚剂液滴对PM_2.5的捕集效果；高聚物粘结剂可通过“架桥”方式将两个或更多的颗粒团聚在一起，是促进PM_2.5团聚长大的主要活性组分，并可减少清灰过程中的二次扬尘。与电凝聚、电袋复合除尘技术相比，改造简单、投资运行费用低；且本发明的润湿剂、高聚物粘结剂来源广泛、热稳定性好、价格经济、无毒无害、添加量少、运行费用低。

（2）将脱硫废水雾化后喷入空气预热器和电除尘器间的烟道中，利用烟气所含的热量可使脱硫废水迅速蒸发。脱硫废水喷入烟道蒸发后，烟气湿度仅约由5~7%增至10%，温度降低不超过25℃，烟气温度仍高于酸雾点温度，不会对烟道和电除尘器产生腐蚀；同时，烟气湿度的增加和烟气温度的降低，可降低后续湿法烟气脱硫系统的耗水量。与现有脱硫废水常规处理方法-化学法相比，工艺简单，投资及运行费用低, 并可实现废水的零排放。

（3）本发明采用脱硫废水配制团聚剂溶液，可实现化学团聚与脱硫废水蒸发处理技术的有机结合；一方面，脱硫废水的弱酸性环境（pH：4.5~6.5）可以使高聚物粘结剂分子链在溶液中的存在形态由卷曲或刚性伸展转化成柔性伸展，增强其团聚吸附PM_2.5效果；脱硫废水蒸发析出的无机盐类物质（如CaCl₂·2H₂O、MgSO₄·H₂O、NaCl）还能适当降低粉尘比电阻；因此，除可节约工艺用水外，还可省去团聚剂配方中的pH值调节剂和降比电阻剂。另一方面，脱硫废水温度较高（45~55℃），可促进高聚物粘结剂和润湿剂溶解，进而可适当提高团聚剂溶液浓度，降低团聚剂溶液喷入量，保证团聚剂液滴进入电除尘器之前完全蒸发。此外，鉴于与配制团聚剂溶液所需水量相比，脱硫废水排放量与之相当或略低，可实现脱硫废水的完全处理。

（5）本发明采用脱硫废水经澄清池脱除悬浮物后，再与团聚剂混合，可以有效抑制加入的高聚物粘结剂与悬浮物发生相互作用，并可使脱硫废水蒸发带来的固体量的增加不到烟气粉尘的0.50%，有效控制电除尘器负荷的增加。同时，由于脱硫废水中加入团聚剂，废水蒸发析出的PM_2.5微粒（约占总固体量的25%），可与燃煤PM_2.5一样，通过化学团聚作用促进其有效长大并由电除尘器捕集。

（6）本发明工艺简单，只需在空气预热器与电除尘器间的烟道喷入由脱硫废水配制的团聚剂溶液，既不改变正常生产条件，也不改变现有电除尘设备结构和操作参数，就可促使PM_2.5有效团聚长大，进而提高电除尘设备对PM_2.5的脱除效率；同时，脱硫废水可完全蒸发，废水中的污染物转化为固体析出，并随烟气中的粉尘一起被电除尘器捕集，可协同实现脱硫废水零排放的目的。

附图说明

图1是本发明的装置结构示意图

图中：1-团聚剂溶液配制槽；2-搅拌器；3-润湿剂贮槽；4-润湿剂输送计量泵；5-高聚物粘结剂贮槽；6-螺旋加料器； 7-团聚剂溶液输送计量泵；8-空压机；9-压缩空气缓冲罐；10-锅炉；11-空气预热器；12-双流体雾化喷嘴；13-电除尘器；14-脱硫塔；15-水力旋流器；16-脱硫废水澄清池。

具体实施方式

下面结合附图1，对本发明作详细说明：

本发明的协同促进PM_2.5团聚长大和蒸发处理脱硫废水的步骤如下：由脱硫塔14出来的脱硫废水进入水力旋流器15中分离，上清液一部分返回到脱硫塔14中，其余部分流入脱硫废水澄清池16，加入常规絮凝剂如聚丙烯酰胺脱除大部分悬浮物后进入团聚剂溶液配制槽1中，分别通过螺旋加料器6、润湿剂输送计量泵4定量加入高聚物粘结剂和润湿剂，在搅拌器2的搅拌下混合均匀，配制成团聚剂溶液，按质量百分比计为：0.001~0.1%的高聚物粘结剂，0.001~0.01%的润湿剂，其余为脱硫废水。然后，团聚剂溶液经团聚剂溶液输送计量泵7与压缩空气一道进入双流体雾化喷嘴12，双流体雾化喷嘴12设于空气预热器11与电除尘器13之间的烟道中，距离电除尘器13的入口为10～15m。通过调节压缩空气与团聚剂溶液的压力与流量使喷出的团聚剂液滴粒径小于100微米。具体可借助泵、流量计及阀门等来调节，这个属于常规调节方法，双流体雾化喷嘴对进入的空气与液体均有压力要求，而液体的压力来自于输送泵。液滴在烟道中的停留时间大于0.75s，以保证团聚剂液滴进入电除尘器之前完全蒸发。喷入的团聚剂液滴与来自锅炉10的烟气相混合，其中团聚剂吸附于粉尘表面，在润湿剂作用下粉尘进入团聚剂液滴内部，并通过带有极性基团的高聚物粘结剂分子链将多个粉尘包括PM_2.5和粗粉尘以“架桥”的方式连接在一起，在粉尘之间产生液桥，随着雾化液滴在120~250℃的高温烟气作用下逐渐蒸发，粉尘间的液桥力转化为固桥力，作用力增强，使PM_2.5粒径增大，并由后续电除尘器13高效脱除。团聚剂溶液添加量为每Nm³烟气中添加0.005~0.025kg，其中高聚物粘结剂和润湿剂的质量占处理粉尘质量的0.05~0.25%，团聚剂溶液蒸发后烟气温度降低≤25℃，烟温仍高于酸雾点。随着团聚剂液滴的蒸发，脱硫废水也完成蒸发，废水中未能脱除的悬浮物及溶解性污染物（如Ca²⁺、Mg²⁺、Na⁺、Cl^-、SO₄ ^2-等）转化为固体析出，并随烟气中的粉尘一起被电除尘器捕集，其中析出的PM_2.5微粒（约占25%）可与燃煤PM_2.5一样，通过化学团聚作用促进其有效长大进而提高电除尘器的捕集效果，从而协同实现PM_2.5团聚长大并由电除尘器高效捕集及脱硫废水零排放的目的。除尘后的烟气进入脱硫塔14进行下一步脱硫处理。

所述高聚物粘结剂为下列物质的任意一种或由两种组合而成：聚合氯化铝、改性聚合氯化铝、聚合硫酸铁、聚硅硫酸铝、羧甲基纤维素钠、黄原胶、海藻酸钠。

当所述的高聚物粘结剂为两种组合时，由聚合氯化铝、改性聚合氯化铝、聚合硫酸铁、聚硅硫酸铝中的任意一种与羧甲基纤维素钠、黄原胶、海藻酸钠中的任意一种组合而成。

所述润湿剂为下列物质的任意一种：乙氧基改性聚二甲基硅氧烷、聚醚改性有机硅、脂肪酸单硫酸钠复合盐、水性有机硅润湿剂、乳化剂OP-10。

一种实现所述的协同促进PM_2.5团聚长大和蒸发处理脱硫废水方法的装置，包括脱硫废水澄清池、电除尘器和脱硫塔，该装置由锅炉10、空气预热器11、电除尘器13、脱硫塔14、水力旋流器15、脱硫废水澄清池16、团聚剂溶液配制槽1依次串联组成；在空气预热器11与电除尘器13之间的烟道中设有双流体雾化喷嘴12；团聚剂溶液配制槽1的入口分别与高聚物粘结剂贮槽5、润湿剂贮槽3及脱硫废水澄清池16相连；团聚剂溶液配制槽1的出口通过团聚剂溶液输送计量泵7与双流体雾化喷嘴12连接，空压机8通过压缩空气缓冲罐9与双流体雾化喷嘴12连接；水力旋流器15的上清液出口分别与脱硫塔14和脱硫废水澄清池16连接。 

所述的高聚物粘结剂贮槽5通过螺旋加料器6与团聚剂溶液配制槽1连接；润湿剂贮槽3通过润湿剂输送计量泵4与团聚剂溶液配制槽1连接，所述团聚剂溶液配制槽1内设有搅拌器2。

所述的双流体雾化喷嘴12离电除尘器13的入口距离为10~15m。

以下结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明不只限于此实施例。

因为在实验室加工安装一只除尘性能与工业规模电除尘器相近的电除尘设备非常不易；考虑到湿式洗涤器也常用作除尘装置，所以以下实施例均是以湿式洗涤脱硫塔代替电除尘器。

实施例1：

烟气由全自动燃煤锅炉产生，烟气量为150Nm³/h，采用石灰石/石膏湿法烟气脱硫工艺；团聚剂溶液质量百分比组成为：0.05%聚合硫酸铁、0.005%聚醚改性有机硅，其余是来自本脱硫试验系统温度约为45℃的脱硫废水。经双流体雾化喷嘴在燃煤锅炉与湿法脱硫塔间的烟道中喷入温度45℃、粒径约为40~50微米的团聚剂液滴，喷入量为0.01kg/Nm³烟气，其中团聚剂约占粉尘质量的0.25%，喷入处烟温约为131℃，停留时间约为1.0s。在高温烟气作用下，团聚剂液滴迅速蒸发，并与细颗粒物发生相互作用，促进其团聚长大，进而由后续湿法脱硫系统脱除。经维萨拉-HMT337型温湿度变送器测定，脱硫塔入口处烟气含湿量由6.89%增至10.15%，烟温降至119℃，脱硫废水进入脱硫塔之前可完全蒸发。采用电称低压冲击器ELPI实时在线测量，添加团聚剂后，脱硫塔入口PM_2.5数浓度降低37%，脱硫塔出口粉尘浓度由67mg/m³降至43 mg/m³，除尘效率约提高36%。

实施例2：                            

团聚剂溶液组成为：0.025%羧甲基纤维素钠，0.005%乙氧基改性聚二甲基硅氧烷，其余为脱硫废水；团聚剂溶液喷入量为0.01kg/Nm³烟气，其中团聚剂约占粉尘质量的0.125%，喷入处烟温约为128℃；其余同实施例1。经维萨拉-HMT337型温湿度变送器测定，脱硫塔入口处烟气含湿量由6.90%增至10.45%，烟温降至116℃，脱硫废水进入脱硫塔之前可完全蒸发。经电称低压冲击器ELPI在线测试，添加团聚剂后，脱硫塔入口PM_2.5数浓度降低33%，脱硫塔出口粉尘浓度由68mg/m³降至45mg/m³，除尘效率约提高34%。

对比例1：

团聚剂溶液采用45℃的自来水配制，并添加0.01%的磷酸调节团聚剂溶液pH值，其余同实施例1。经电称低压冲击器ELPI在线测试，添加团聚剂后，脱硫塔入口PM_2.5数浓度降低39%，脱硫塔出口粉尘浓度由65mg/m³降至41mg/m³，除尘效率约提高37%。

对比例2：

脱硫废水中未加团聚剂，直接经雾化喷嘴喷入燃煤锅炉与湿法脱硫塔间的烟道中，其余同实施例1。经维萨拉-HMT337型温湿度变送器测定，脱硫塔入口处烟气含湿量由6.90%增至10.44%，烟温降至118℃，脱硫废水进入脱硫塔之前可完全蒸发。经电称低压冲击器ELPI在线测试，脱硫塔入口PM_2.5数浓度约增加2%，脱硫塔出口粉尘浓度没有明显变化。

Claims (9)

1.一种协同促进PM_2.5团聚长大和蒸发处理脱硫废水的方法，其特征在于，脱硫废水经澄清池脱除悬浮物后进入团聚剂溶液配制槽，加入高聚物粘结剂和润湿剂，搅拌混合均匀后得到团聚剂溶液，然后团聚剂溶液在压缩空气的作用下经双流体雾化喷嘴形成团聚剂液滴喷入电除尘器入口烟道中，利用烟气所含热量使团聚剂液滴蒸发，蒸发过程中润湿剂促进粉尘进入团聚剂液滴内部，高聚物粘结剂与PM_2.5通过带有极性基团的高分子链相连接，促使PM_2.5粒径增大；同时，脱硫废水完全蒸发，脱硫废水中未能脱除的悬浮物和溶解性污染物转化为固体析出，并随烟气中的粉尘一起被电除尘器捕集。

2.根据权利要求1所述的协同促进PM_2.5团聚长大和蒸发处理脱硫废水的方法，其特征在于，所述的团聚剂溶液中按质量百分比含有0.001~0.1%的高聚物粘结剂和0.001~0.01%的润湿剂，团聚剂溶液的温度为45~55℃；团聚剂溶液的添加量为每Nm³烟气中添加0.005~0.025kg，其中，团聚剂溶液中的高聚物粘结剂和润湿剂的质量占处理粉尘质量的0.05~0.25%，团聚剂溶液喷入导致烟气温度降低≤25℃，降低后的烟气温度高于酸雾点。

3.根据权利要求1所述的协同促进PM_2.5团聚长大和蒸发处理脱硫废水的方法，其特征在于，通过调节压缩空气与团聚剂溶液的压力与流量使团聚剂液滴粒径小于100微米，液滴在烟道中的停留时间大于0.75s。

4.根据权利要求1所述的协同促进PM_2.5团聚长大和蒸发处理脱硫废水的方法，其特征在于，所述高聚物粘结剂为下列物质的任意一种或由两种组合而成：聚合氯化铝、改性聚合氯化铝、聚合硫酸铁、聚硅硫酸铝、羧甲基纤维素钠、黄原胶、海藻酸钠。

5.根据权利要求4所述的协同促进PM_2.5团聚长大和蒸发处理脱硫废水的方法，其特征在于，当所述的高聚物粘结剂为两种组合时，由聚合氯化铝、改性聚合氯化铝、聚合硫酸铁、聚硅硫酸铝中的任意一种与羧甲基纤维素钠、黄原胶、海藻酸钠中的任意一种组合而成。

6.根据权利要求1所述的协同促进PM_2.5团聚长大和蒸发处理脱硫废水的方法，其特征在于，所述润湿剂为下列物质的任意一种：乙氧基改性聚二甲基硅氧烷、聚醚改性有机硅、脂肪酸单硫酸钠复合盐、水性有机硅润湿剂、乳化剂OP-10。

7.一种实现权利要求1所述的协同促进PM_2.5团聚长大和蒸发处理脱硫废水方法的装置，包括脱硫废水澄清池、电除尘器和脱硫塔，其特征在于，该装置由锅炉（10）、空气预热器（11）、电除尘器（13）、脱硫塔（14）、水力旋流器（15）、脱硫废水澄清池（16）、团聚剂溶液配制槽（1）依次串联组成；在空气预热器（11）与电除尘器（13）之间的烟道中设有双流体雾化喷嘴（12）；团聚剂溶液配制槽（1）的入口分别与高聚物粘结剂贮槽（5）、润湿剂贮槽（3）及脱硫废水澄清池（16）相连；团聚剂溶液配制槽（1）的出口通过团聚剂溶液输送计量泵（7）与双流体雾化喷嘴（12）连接，空压机（8）通过压缩空气缓冲罐（9）与双流体雾化喷嘴（12）连接；水力旋流器（15）的上清液出口分别与脱硫塔（14）和脱硫废水澄清池（16）连接。

8.根据权利要求7所述的实现协同促进PM_2.5团聚长大和蒸发处理脱硫废水方法的装置，其特征在于，所述的高聚物粘结剂贮槽（5）通过螺旋加料器（6）与团聚剂溶液配制槽（1）连接；润湿剂贮槽（3）通过润湿剂输送计量泵（4）与团聚剂溶液配制槽（1）连接，所述团聚剂溶液配制槽（1）内设有搅拌器（2）。

9.根据权利要求7所述的实现协同促进PM_2.5团聚长大和蒸发处理脱硫废水方法的装置，其特征在于，所述的双流体雾化喷嘴（12）离电除尘器（13）的入口距离为10~15m。

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