CN102773162A - 一种去除燃煤烟气中细粒子与重金属的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种去除燃煤烟气中细粒子与重金属的方法，该方法为电除尘器耦合荷电吸附凝并技术，通过荷电喷枪对吸附剂进行预荷电(正电荷)，并将其喷射到电除尘器两个相邻电场之间的区域；利用带正电吸附剂颗粒与经过上一电场被荷负电但未被捕集的细粒子之间的库仑凝并作用以及荷电吸附剂自身的吸附作用，将细颗粒物、重金属及可凝结性物质等多种污染物捕集到吸附剂上形成较大颗粒；然后利用电除尘器后面的电场对其进行高效捕集，实现协同去除烟气中多种污染物的目的。与现有技术相比，本发明具有效率高、成本低等优点。
Description
技术领域
本发明属环境保护领域的燃煤烟气细颗粒物、重金属及可凝结性物质等多种污染物排放控制技术。具体涉及一种电除尘器耦合荷电吸附凝并技术去除细粒子与重金属的方法。
背景技术
PM2.5(particulate matter)是指大气中空气动力学直径小于或等于2.5微米的颗粒物。由于PM2.5属于亚微米细粒子，它会被吸入人体肺部并进入支气管，干扰肺部的气体交换。科学分析表明，进入肺部的亚微粉尘PM2.5无法排出体外，从而引起肺部疾病，影响人体健康。同时，亚微粉尘PM2.5的组成物含有更多的毒性(如重金属，致癌化合物等)，使心脏病的患病率与死亡率增加，并具有潜在的致癌性。我国PM2.5污染问题日趋严重，由此所导致的雾霾现象近年来在我国连续出现大范围频繁爆发，导致我国许多城市及区域空气质量严重劣化。为此，我国于2012年2月29日正式将PM2.5指标纳入新修订的《环境空气质量标准》(GB3095-2012)，从现在开始分步实施对PM2.5的监测，并将于2016年1月1日起在全国范围实施。
煤炭燃烧是造成我国大气PM2.5污染的主要原因之一。燃煤过程不仅会产生PM2.5的直接排放和污染，而且还会产生诸如二氧化硫、氮氧化物等PM2.5细粒子的前体物。与此同时，燃煤烟气还含有部分可凝结物质，其在热态情况下呈气态，但其在遇冷、遇湿或进入大气时很快凝结为细粒子，如烟气中的SO3、部分挥发性或半挥发性重金属污染物以及多环芳烃等。这类物质仍属于PM2.5的一部分，也称作可凝结颗粒物。国外的研究表明，燃煤烟气中可凝结PM2.5的量甚至比目前利用过滤法所能直接测到的PM2.5浓度还要高，且这类细粒子富含重金属、有机物等危害更大的组分。
随着我国环保标准的日趋严格，燃煤电厂的除尘方面逐渐选用比较高效的除尘器，如电除尘器、袋式除尘器或电袋复合除尘装置。然而，从大部分监测结果来看，尽管在控制烟尘排放总浓度方面，这些除尘装置基本能够达到排放标准的要求，但在PM2.5细粒子控制方面尚存较大差距，尤其是现有的电除尘装置问题比较突出。若再考虑未来加强对重金属及可凝结PM2.5的控制，则目前的除尘装置性能亟待加强。而从颗粒物的去除机制来看，对于粒径较小的PM2.5细粒子在烟气中的运动主要是随气流漂移为主，并伴随着明显的热运动。无论是从电除尘的荷电迁移机制，还是从布袋除尘器的过滤拦截作用原理来看，都不利于对这类细粒子的直接捕集。
研究表明，采用适当的方法使烟气中细粒子发生相互团聚而形成粒径较大的团聚颗粒是提高对细粒子捕集的有效手段。从PM2.5的控制技术发展趋势来看，应将其强化控制技术与现有的除尘装置相结合。目前我国大部分电厂使用的都是电除尘器(ESP)，涉及电除尘方式，因此采用电凝并的方式来强化细颗粒的凝并去除方法更有利于同现有除尘装置相结合。有研究为提高电除尘器对细粒子的捕集效率，在电除尘器前或两个相邻电场之间增设荷电及凝并电场区(专利申请号；200410066936.0)。而1999年澳大利亚的Indigo公司则开发了直接安装在电除尘器之前的Indigo凝聚器，通过静电和流动过程相结合，使进入Indigo凝聚器的细微颗粒附着在较大颗粒之上，然后通过凝聚器后面的电除尘器收集。然而无论是Indigo凝聚器还是专利200410066936.0提出的方法，其本身相当于在原来的电除尘器前面或中间增加了一级粉尘荷电区，对提高电除尘器的除尘效率和排烟的透光度是有改善作用的，但是能否对PM2.5细粒子起到较大的去除作用却不十分明显。其主要原因在于：流经电除尘器前端Indigo凝聚器或荷电及凝并电场的烟气由于未经预除尘，一般其烟尘浓度较高(约在20-50g/m3)，且烟尘中大颗粒的比例也较高(烟尘的中位粒径一般在20μm以上)。由于大粒子的荷电速度，及电荷占有量远高于PM2.5细粒子，在凝聚器或凝并电场中有限的电荷发生量及停留时间条件下，细粒子实际能够获得的电荷微不足道，导致本应需要凝并的细粒子因荷电量太少而无法达到显著的库仑凝并效果。此外，如果需要在电除尘器前添加Indigo凝聚器或电凝并场，对于现有的电除尘器改造还存在空间不够等问题。此外，现有的电凝并技术对控制可凝结性PM2.5、挥发性重金属以及半挥发性有机污染物作用也不明显。因此，有必要在基于电凝并基本原理的基础上，开发更为有效的凝并技术。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种效率高、成本低的去除燃煤烟气中细粒子与重金属的方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种去除燃煤烟气中细粒子与重金属的方法，其特征在于，该方法为电除尘器耦合荷电吸附凝并技术，具体包括以下步骤：
第一步，利用高压电场及荷电喷枪对吸附剂进行预荷电，是吸附剂带正电荷，并将其喷射到电除尘器两个相邻电场之间的区域的烟气中；喷入到烟气中的吸附剂量在5-500mg/m3范围内；
第二步，喷入烟气中带正电荷的吸附剂颗粒与烟气充分混合；
第三步，带正电荷的吸附剂颗粒与烟气中带负电荷的细粒子通过库仑力发生凝并效应形成较大粒径的颗粒物，同时对烟气中的重金属和其他可凝结性物质进行吸附捕集；
第四步，大粒径的颗粒物在经过电除尘器后面的电场时被捕集去除，同时烟气中的重金属和可凝结性物质也和吸附剂一并被去除；
第五步，经过电除尘器后面电场灰斗收集后的吸附剂颗粒与飞灰经过分离及处理后，进行循环利用。
所述的吸附剂为碳基、非碳基多孔固体吸附物质或其混合物，吸附剂的粒径在5-200μm范围，比表面积大于2.0m2/g。
所述的吸附剂负载在磁性材料表面制成磁性吸附剂，或将吸附剂与氧化镁粉按质量比70∶30混合使用，以提高对三氧化硫的捕集作用。
所述的吸附剂注入烟气中的形式包括：先将吸附剂通过外部正高压电场及喷枪荷电，并利用与之相连的绝缘喷射管将其高速喷射到电除尘器两个相邻电场之间的区域。
所述的高压电场及喷枪由正极性的高压电源、电晕荷电喷枪以及封装吸附剂的连续输送单元组成；荷电后的吸附剂从电除尘器两个相邻电场之间的区域均匀喷射到烟气中，其中高压电源的电压范围在20～100kV之间。
所述的封装吸附剂的连续输送单元为绝缘喷管，该绝缘喷管的材料为陶瓷、聚四氟乙烯或其它耐热至250℃的高分子材料及其复合材料。
所述的烟气的温度范围为100-250℃。
所述的吸附剂喷入位置为电除尘装置两个相邻电场之间的区域。
所述的分离及处理采用高效旋风分离装置，利用吸附剂与细粒子的惯性不同，进行分离；当吸附剂带有磁性时，通过磁选分离器进行分离处理。
喷入到烟气中的吸附剂带正荷电，其主要有以下作用：1)吸附剂荷电后，都带有同种电荷，这样可避免吸附剂在喷射过程及在烟气中的吸附剂自身相互团聚，有利于提高吸附剂在烟气中的分散度及有效利用效率；2)由于从前电场过来的细粒子带有一定负电荷，当带有正电荷的吸附剂喷入后，由于异性电荷之间的静电力作用，将有利于带负电的细粒子向带正电的吸附剂颗粒上凝并，从而使细粒子得到捕集；3)由于荷电吸附剂自身的特性，对烟气中的重金属及可凝结颗粒物有很好的吸附凝并作用，有利于其凝并捕集。
本发明使用的吸附剂在烟道中吸附细粒子、重金属及可凝结性物质后，形成大粒径的颗粒物，最后通过电除尘器后面的电场时被捕集下来。利用高效旋风分离器对带有细粒子的吸附剂进行高速旋转处理，使细粒子从吸附剂上分离出来，同时利用旋风分离器的离心分离作用，将吸附剂与细粒子分离，是吸附剂可循环利用。若吸附剂具有磁性时，可以通过磁选分离等处理回收，再重新经荷电喷入烟气中循环利用。
与现有技术相比(特别是与Indigo凝聚器相比)，本发明具有以下一些优点：
1、本发明采用高压电场及喷枪对吸附剂进行荷电喷射，避免了在电除尘器中另设荷电及凝并电场，不明显增加除尘装置的结构尺寸，节省投资；
2、所喷射的带正电荷吸附剂在喷射及进入电除尘器两个相邻电场之间区域，由于同性相斥，所以可以非常好地分散在烟气中，提高了吸附剂与烟气的混合程度；
3、本发明使用的吸附剂由于带有正电荷，所以可以捕集经过电除尘器带有负电荷的细颗粒，通过吸附剂与细颗粒之间异性相斥的凝并反应形成易被捕集的大颗粒，从而提高了电除尘器对PM2.5的捕集效率；
4、本发明使用的吸附剂由于带有正电荷，所以对烟气中的重金属汞有较好的吸附性能，同时通过PM2.5对烟气重金属汞的吸附可以达到很好的除汞作用；
5、对收集下来的用过吸附剂，可使用高效旋风分离将细粒子与吸附剂分离，实现其循环利用；当吸附剂带有磁性时，可通过磁选的方法对吸附剂进行回收利用，运行成本低。
6、本发明还适用于垃圾焚烧炉、金属冶炼、水泥生产等行业的烟气细粒子、重金属和可凝结性物质的协同排放控制。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
如图1所示，首先将制备好的吸附剂放置在吸附剂容器1中，利用空气压缩机2将吸附剂送入荷电喷枪3中，利用高压电源4将吸附剂荷电，然后将带正电荷的吸附剂喷入电除尘器两个电场：电场5、电场6之间的区域。带正电荷的吸附剂与烟气中经过电区带负电荷粉尘、重金属及可凝结性物质发生凝并作用，形成大粒径的颗粒物。大粒径颗粒物随着烟气经过后面的电场6、电场7时被捕集下来。清洁烟气经过袋区从出口排出，而被捕集的大粒径颗粒物从收尘极脱落后，经过吸附剂回收分离装置8进行处理后后重新装入吸附剂容器1中循环利用。
实施例1
本发明利用实验室的中试四电场电除尘器进行了实验。电除尘器电区四收尘板长宽均为0.3m，收尘板总面积为0.72m2，收尘极间距0.2m。电场之间结合区的有效空间约0.012m3。使用喷枪的放电电极结构为单针状，供电电压0-80kV，荷电电流为0-80微安，吸附剂喷射量为0-1kg/h(连续可调)。利用喷枪将吸附剂荷电后喷入两相邻电场之间的区域。
模拟燃煤烟气中的含尘浓度为2000mg/m3，总汞含量约为20μg/m3，SO3浓度为20ppm，烟气流量为200m3/h，温度140℃。在不开启荷电喷射装置，在电压为45kV的条件下，烟尘浓度下降到100mg/m3左右，电除尘装置的除尘总效率可达95％左右。但是利用大流量切割采样法对烟气中总含尘浓度及PM2.5细粒子浓度进行分析，结果表明PM2.5细粒子仍约占出口烟气总尘浓度的85％，由此可见电除尘器对PM2.5的去除效果尚不理想。同时，通过对汞浓度和SO3浓度的测试表明，经过电除尘器后的烟气中总汞和SO3的去除效率分别为25％和10％左右，二者的去除效果也有待提高。
为了提高PM2.5、汞以及SO3的去除效率，本发明利用自行合成的铁钛型吸附剂(粒径20-40μm，比表面积＞30m2/g)进行了研究。在荷电喷枪的运行电压60kV，电流40μA，吸附剂喷入量为30g/h时，进行与上述实验的平行测试。结果表明，经过电除尘装置后，出口烟尘浓度降至50mg/m3左右，其中PM2.5细粒子约占出口总尘浓度的65％左右。可见，加入吸附剂后可明显提高电除尘装置对细粒子的捕集能力。而烟气中总汞和SO3的去除效率分别达到了70％和50％。
实施例2
装置及方法与实例1相同，只是在喷射在铁钛型吸附剂的同时，再按30wt％的比例加入粒径为40-60μm的氧化镁粉体。结果表明，吸附剂混入氧化镁后，出口烟气中烟尘的浓度可降至30mg/m3左右，汞的去除率基本保持不变，但SO3的去除效率可提高至70％左右。可见，将吸附剂与氧化镁的混合使用可显著提高各项污染物的去除效率。
实施例3
装置及方法与实例1、2相同，重点对吸附剂的回收及分离进行实验。利用一直径为250mm的标准型旋风分离器，用其对电除尘器所收集下来的吸附剂与细粒子的混合物进行处理。结果分析，吸附剂经过两次高速旋风分离后，其表面的所附着的细粒子基本可剥离，并通过惯性分离与吸附剂分别收集，吸附剂可以重新利用。
实施例4
装置及方法与实例1、2、3相同，重点对吸附剂的回收及分离进行实验。利用一直径为250mm的标准型旋风分离器，用其对电除尘器所收集下来的吸附剂与细粒子的混合物进行处理。吸附剂经过两次高速旋风分离后，其表面的所附着的细粒子基本可剥离。由于吸附剂带有一定磁性，可以利用常规的磁选设备吸附剂与细粒子分离开来。
实施例5
吸附剂的粒径在5-10μm范围，比表面积大于2.0m2/g。所述的高压电源的电压为20kV；所述的烟气的温度为100℃。所述的吸附剂在烟气中的喷入量在5-55mg/m3范围内。其余同实施例1。
实施例6
吸附剂的粒径在80-100μm范围，比表面积大于2.0m2/g。所述的高压电源的电压为100kV；所述的烟气的温度为250℃。所述的吸附剂在烟气中的喷入量在55-180mg/m3范围内。其余同实施例1。
实施例7
吸附剂的粒径在50-60μm范围，比表面积大于2.0m2/g。所述的高压电源的电压为50kV；所述的烟气的温度范围为150℃。所述的吸附剂在烟气中的喷入量在180-500mg/3范围内。其余同实施例1。
Claims (9)
1.一种去除燃煤烟气中细粒子与重金属的方法，其特征在于，该方法为电除尘器耦合荷电吸附凝并技术，具体包括以下步骤：
第一步，利用高压电场及荷电喷枪对吸附剂进行预荷电，是吸附剂带正电荷，并将其喷射到电除尘器两个相邻电场之间的区域的烟气中；喷入到烟气中的吸附剂量在5-500mg/m3范围内；
第二步，喷入烟气中带正电荷的吸附剂颗粒与烟气充分混合；
第三步，带正电荷的吸附剂颗粒与烟气中带负电荷的细粒子通过库仑力发生凝并效应形成较大粒径的颗粒物，同时对烟气中的重金属和其他可凝结性物质进行吸附捕集；
第四步，大粒径的颗粒物在经过电除尘器后面的电场时被捕集去除，同时烟气中的重金属和可凝结性物质也和吸附剂一并被去除；
第五步，经过电除尘器后面电场灰斗收集后的吸附剂颗粒与飞灰经过分离及处理后，进行循环利用。
2.根据权利要求1所述的一种去除燃煤烟气中细粒子与重金属的方法，其特征在于，所述的吸附剂为碳基、非碳基多孔固体吸附物质或其混合物，吸附剂的粒径在5-200μm范围，比表面积大于2.0m2/g。
3.根据权利要求2所述的一种去除燃煤烟气中细粒子与重金属的方法，其特征在于，所述的吸附剂负载在磁性材料表面制成磁性吸附剂，或将吸附剂与氧化镁粉按质量比70∶30混合使用，以提高对三氧化硫的捕集作用。
4.根据权利要求1所述的一种去除燃煤烟气中细粒子与重金属的方法，其特征在于，所述的吸附剂注入烟气中的形式包括：先将吸附剂通过外部正高压电场及喷枪荷电，并利用与之相连的绝缘喷射管将其高速喷射到电除尘器两个相邻电场之间的区域。
5.根据权利要求1或4所述的一种去除燃煤烟气中细粒子与重金属的方法，其特征在于，所述的高压电场及喷枪由正极性的高压电源、电晕荷电喷枪以及封装吸附剂的连续输送单元组成；荷电后的吸附剂从电除尘器两个相邻电场之间的区域均匀喷射到烟气中，其中高压电源的电压范围在20～100kV之间。
6.根据权利要求1所述的一种去除燃煤烟气中细粒子与重金属的方法，其特征在于，所述的封装吸附剂的连续输送单元为绝缘喷管，该绝缘喷管的材料为陶瓷、聚四氟乙烯或其它耐热至250℃的高分子材料及其复合材料。
7.根据权利要求1所述的一种去除燃煤烟气中细粒子与重金属的方法，其特征在于，所述的烟气的温度范围为100-250℃。
8.根据权利要求1所述的一种去除燃煤烟气中细粒子与重金属的方法，其特征在于，所述的吸附剂喷入位置为电除尘装置两个相邻电场之间的区域。
9.根据权利要求1所述的一种去除燃煤烟气中细粒子与重金属的方法，其特征在于，所述的分离及处理采用高效旋风分离装置，利用吸附剂与细粒子的惯性不同，进行分离；当吸附剂带有磁性时，通过磁选分离器进行分离处理。
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