CN107096350A - 一种协同去除燃煤烟气污染物的化学团聚促进剂及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于能源与环境领域，具体涉及一种协同去除燃煤烟气中污染物的化学团聚促进剂，其按质量百分比包含：0.001％‑0.01％的水溶性高分子化合物A、0.001％‑0.01％的水溶性高分子化合物B、0.01％‑0.1％的表面活性剂和0.001％‑0.01％无机盐，其余为水。水溶性高分子化合物A和B分别可以为卡拉胶和刺槐豆胶，表面活性剂可以为十六烷基三甲基溴化铵，无机盐可以为碳酸钾。本发明还公开了一种协同去除燃煤烟气中污染物的方法。该团聚促进剂能够促进烟道中燃煤细颗粒物团聚絮凝长大，提高除尘设备对细颗粒物PM2.5的捕集效率，并对SOx和NOx进行协同一体化脱除。

Description

一种协同去除燃煤烟气污染物的化学团聚促进剂及方法
技术领域
本发明属于能源与环境领域，具体涉及一种协同去除燃煤烟气污染物的化学团聚促进剂及方法，其能够促进烟道中燃煤细颗粒物团聚絮凝长大，提高除尘设备对细颗粒物PM2.5的捕集效率，并对SOx和NOx进行协同一体化脱除。
背景技术
我国煤炭年开采量和消耗量位居世界第一，且其中80％被用来燃烧。燃煤不可避免地造成颗粒物、SOx和NOx等有害物质的排放，成为大气环境的主要污染源，并造成雾霾、酸雨、光化学烟雾等空气污染问题。其中，细颗粒物PM2.5由于其粒径较小，能够进入肺部，引发各种呼吸性疾病，甚至肺癌，对人体危害尤其严重。且其具有消光效应，降低大气能见度，影响植物光合作用，使温室效应加剧。现有的除尘技术，包括静电除尘及布袋除尘技术等，对粗颗粒物(直径>2.5μm)的脱除效率高达99％，但对细颗粒物PM2.5的脱除效率却较低，大量细颗粒物无法被除尘器捕捉并脱除。针对此现状，解决思路为，通过物理或化学方法使小颗粒团聚成粒径较大的颗粒后加以脱除。声、电、热、蒸汽相变等各种技术对细颗粒物的团聚都有不同程度的促进作用。但均存在一定弊端，如效率低，工业应用复杂等问题。且有些技术投资大，设备改造周期长，在一定程度上会影响电厂生产工作效率。有的技术只进行过中试实验，并未在工业领域实际应用过，故其实际效果如何仍未可知。化学团聚技术是指在烟道内安装喷枪，将化学团聚促进剂通过压缩空气喷入烟道内，并与烟气充分混合，颗粒物在化学团聚促进剂的作用下，团聚成粒径较大颗粒，然后被除尘设备捕集。化学团聚技术可以在既不影响企业正常生产，也无需更换现有除尘设备的条件下，有效促进燃煤飞灰细颗粒物团聚，实现燃煤细颗粒高效脱除，该技术具有效率高、投资少、建设周期短等优点，且该技术已在部分电厂、水泥厂进行了示范工程试验，应用前景广阔。
目前最成熟的燃煤脱硫技术是湿法烟气脱硫技术，已得到大规模工业化应用。湿法脱硫技术是在脱硫装置的吸收塔内以石灰石或石灰的浆液作脱硫剂，在吸收塔内对烟气喷淋洗涤，使烟气中的SO2反应生成CaSO3和CaSO4，实现烟气脱硫。湿法脱硫系统本身具有一定的除尘能力，但是其在脱硫过程中会产生细颗粒物PM2.5，使得湿法脱硫系统后，细颗粒物浓度反而增加。在脱硫系统内采用化学团聚技术，就能促进这部分细颗粒物与燃煤细颗粒团聚絮凝长大，提高脱硫系统对细颗粒物的脱除效率，实现脱硫除尘一体化的效果。化学团聚促进剂是化学团聚技术的核心，开发高效、经济、环境友好，安全无毒，并适用于脱硫系统的化学团聚促进剂意义重大。
专利号为200910060778.0的中国专利“一种燃煤超细颗粒化学团聚促进剂”公布了一种化学试剂，该试剂能在一定范围内促进超细颗粒团聚，提高静电除尘器对超细颗粒物及高比电阻飞灰的去除效率，但该试剂效率较为有限，仅为30％左右。专利号为201410759520.0的中国专利“用于脱除燃煤细颗粒物的化学团聚促进剂及其使用方法”公布了一种化学试剂，该试剂能在一定范围内促进烟气道内细颗粒物团聚长大，该试剂对颗粒物脱除效率较为有限，仅为50％左右。申请号为201610219644.9的专利“一种化学团聚促进剂”公布了一种化学试剂，该试剂能在一定范围内促进烟气道内细颗粒物团聚长大，该试剂对颗粒物脱除效率较为有限，仅为60％左右。上述专利虽然能够在一定程度上促进超细颗粒团聚，但仍然存在以下缺点和不足：(1)对颗粒物脱除效率较为有限，脱除效率在30％～60％，(2)团聚剂溶液组成复杂，影响使用效果，且副作用较大，如专利号为200910060778.0的配方中的磷酸亦会对电厂设备造成腐蚀，不适合大规模工业化生产及应用，(3)上述专利试剂目标仅针对烟气中颗粒物的脱除，对其它污染物，包括SOx和NOx并未考虑，效果单一。由于存在上述缺陷和不足，本领域亟需做出进一步的完善和改进，设计一种用于燃煤烟气细颗粒物PM2.5及其它污染物协同脱除的化学团聚促进剂。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了协同去除燃煤烟气污染物的化学团聚促进剂及方法，对现有燃煤电厂除尘设备前烟气道内及脱硫塔内进行化学团聚技术改造，所使用的化学团聚促进剂能够有效地促进燃煤细颗粒物团聚成粒径较大的颗粒，对细颗粒物PM2.5脱除效率更高，且能降低烟气中SOx和NOx的浓度，实现细颗粒物PM2.5、SOx和NOx的协同一体化脱除。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种用于协同脱除燃煤烟气中细颗粒物、SOx和NOx的化学团聚促进剂，其特征在于，其由成分不同的水溶性高分子化合物A和水溶性高分子化合物B、表面活性剂、无机盐以及水混合而成，所述水溶性高分子化合物A和水溶性高分子化合物B之间有协同作用，
其中，所述水溶性高分子化合物A的质量百分比范围为0.001％-0.01％、水溶性高分子化合物B的质量百分比范围为0.001％-0.01％、表面活性剂的质量百分比范围为0.01％-0.1％、无机盐所占的质量百分比范围0.001％-0.01％。
具体地，通过水溶性高分子化合物A和B之间的协同作用，使得团聚促进剂更为稳定，同时能够促进烟气中细颗粒团聚絮凝形成大颗粒，提高现有除尘设备对颗粒物的脱除效率，同时降低烟气中SOx和NOx的浓度。而将上述水溶性高分子化合物A和B、表面活性剂和无机盐的比例调整在一定比例，使水溶性高分子化合物A和B生成的凝胶性质稳定、强度高，且能够有效地聚集烟气中的颗粒物和其他污染物，实现烟气污染物一体化脱除。
进一步优选地，所述水溶性高分子化合物A为卡拉胶。
进一步优选地，所述水溶性高分子化合物B为刺槐豆胶。
具体地，由于卡拉胶在中性和碱性介质中性质稳定，在加热状态下也不水解。由于卡拉胶与刺槐豆胶之间具有协同作用，在卡拉胶中加入刺槐豆胶后，能够形成凝胶。较多的比较试验表明，在卡拉胶中加入刺槐豆胶后，二者生成的凝胶强度和稳定性均大大提高，且对颗粒物的脱除效率较单一卡拉胶或刺槐豆胶均有显著提升。
进一步优选地，所述表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵。较多的比较试验表明，选择十六烷基三甲基溴化铵为阳离子表面活性剂，一方面能降低溶液表面张力，促进细颗粒物润湿，从而提高细颗粒物和化学团聚促进剂的作用面积；另外，其水解产生阳离子与飞灰产生电中和，能降低细颗粒物在溶液中稳定性，从而以沉淀形式析出，进而被除尘设备捕集，提高除尘设备的脱除效率；且SOx、NOx在溶液中溶解后，形成的SO3 2-、SO4 2-、NO3 -亦带负电荷，阳离子与其产生电荷中和，对SOx、NOx的脱除亦有促进作用。
进一步优选地，所述无机盐为碳酸钾。较多的比较试验表明，钾离子的加入，一方面使卡拉胶的分子结构从无规线团向螺旋结构转变，进而螺旋发生聚集，形成物理交联，最终形成宏观三维网络结构。细颗粒物被凝胶捕捉，从而团聚成粒径较大的颗粒，进而被除尘器捕集。除尘器脱除效率随之提高。另一方面，钾离子能显著提高凝胶强度，且凝胶强度随钾离子浓度增加而增强。此外，碳酸钾水解呈弱碱性，有利于吸收SOx、NOx，提高对SOx、NOx的脱除效率。
进一步优选地，该化学团聚促进剂中各组分的质量百分比为：卡拉胶0.006％，刺槐豆胶0.004％，十六烷基三甲基溴化铵0.1％，碳酸钾0.01％，其余为水。较多的比较试验结果表明，当卡拉胶与刺槐豆胶的比例为6:4时，其对颗粒物脱除效率最佳。将各组分的比例设置为上述比例，能够取得良好的除去细颗粒物的效果，同时对SOx、NOx也有较高的脱除效率。
按照本发明的另一方面，提供了一种协同脱除燃煤烟气中细颗粒物、SOx及NOx的方法，其特征在于，包括以下步骤，将如上所述的化学团聚促进剂在压缩空气的作用下雾化后喷入烟道或脱硫塔中，所述化学团聚促进剂雾化后喷入烟道或脱硫塔中，在烟道或脱硫塔内停留一段时间，使燃煤烟气中的细颗粒物团聚长大形成大颗粒物，同时吸收燃煤烟气中的SOx及NOx，然后将反应后的燃煤烟气经除尘器过滤后排出。
进一步优选地，雾化时采用双流雾化喷嘴，雾化后的粒径范围为10-30μm。
具体地，针对电厂、钢厂、水泥厂除尘设备及脱硫设备进行化学团聚技术改造，根据不同烟气条件及燃煤飞灰特性调节化学团聚促进剂不同组分的比例，确定试剂用量，在除尘器前的烟道及脱硫塔内布置双流雾化喷嘴，将化学团聚促进剂以10-30μm粒径喷入，促使细颗粒物团聚及对SOx、NOx的吸收，提高除尘设备对细颗粒物的脱除效率，降低颗粒物及SOx、NOx排放浓度，减少企业排污费用，保护大气环境。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：
(1)本发明所采用的化学团聚促进剂由卡拉胶、刺槐豆胶、十六烷基三甲基溴化铵、碳酸钾以及水组成，能有效促进烟气中细颗粒团聚絮凝形成大颗粒，提高现有除尘设备对颗粒物的脱除效率，同时能够降低烟气中SOx和NOx的浓度，实现细颗粒物PM2.5和SOx、NOx协同一体化脱除的化学团聚促进剂。
(2)本发明的卡拉胶在中性和碱性介质中性质稳定，在加热状态下也不水解，加入刺槐豆胶后，二者形成凝胶，由于卡拉胶与其他胶具有协同作用，形成的凝胶强度和稳定性均大大提高，对颗粒物的脱除效率较单一的卡拉胶或刺槐豆胶均有显著提升。
(3)本发明选择十六烷基三甲基溴化铵为阳离子表面活性剂，一方面能降低溶液表面张力，促进细颗粒物润湿，从而提高细颗粒物和化学团聚促进剂的作用面积；另外，其水解产生阳离子与飞灰产生电中和，能降低细颗粒物在溶液中稳定性，从而以沉淀形式析出，进而被除尘设备捕集，提高除尘设备的脱除效率；且SOx、NOx在溶液中溶解后，形成的SO3 2-、SO4 2-、NO3 -亦带负电荷，阳离子与其产生电荷中和，对SOx、NOx的脱除亦有促进作用。
(4)本发明的无机盐为碳酸钾，由于钾离子的加入，一方面使卡拉胶的分子结构从无规线团向螺旋结构转变，进而螺旋发生聚集，形成物理交联，最终形成宏观三维网络结构。细颗粒物被凝胶捕捉，从而团聚成粒径较大的颗粒，进而被除尘器捕集。除尘器脱除效率随之提高。另一方面，钾离子能显著提高凝胶强度，且凝胶强度随钾离子浓度增加而增强。此外，碳酸钾水解呈弱碱性，有利于吸收SOx、NOx，提高对SOx、NOx的脱除效率。
(5)本发明方法能够协同去除燃煤烟气中的颗粒细颗粒物PM2.5、SOx及NOx，该方法采用本发明的化学团聚促进剂，通过简单的步骤即可起到良好的协同除尘效果，且采用的装置简单易改造，能够有效地减少改造成本，适合大规模推广使用。
附图说明
图1为本发明的化学团聚促进剂制备与使用工艺图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1为本发明的化学团聚促进剂制备与使用工艺图，如图1所示，制备本发明的化学团聚促进剂，先在混合容器中加入工业用水，然后在匀速搅拌下加入卡拉胶，待卡拉胶完全溶解后，再加入刺槐豆胶，待其完全溶解后，再加入十六烷基三甲基溴化铵，待十六烷基三甲基溴化铵完全溶解后，再加入碳酸钾，然后搅拌至完全溶解即可。
化学团聚促进剂在混合前按不同组分独立储存，也可按比例配成高浓度溶液储存(使用时按比例添加工业水稀释)。但时间不宜过久，以一周为宜。
针对电厂、钢厂、水泥厂除尘设备及脱硫设备进行化学团聚技术改造，根据不同烟气条件及燃煤飞灰特性调节化学团聚促进剂不同组分的比例，确定试剂用量，在除尘器前的烟道及脱硫塔内布置双流雾化喷嘴，将化学团聚促进剂以10-30μm粒径喷入，促使细颗粒物团聚，及对SOx、NOx的吸收，提高除尘设备对细颗粒物的脱除效率，降低颗粒物及SOx、NOx排放浓度，减少企业排污费用，保护大气环境。
为更好地解释本发明，下面将详细列举实施例，实施例中百分比均为质量百分比。
各对比例和应用实例的配方表：
对比例1：采用某电厂静电除尘器电场飞灰与配置混合气体混合后作为模拟烟气进入团聚室，配方比例为卡拉胶：0.001％、十六烷基三甲基溴化铵：0.01％、碳酸钾：0.001％的团聚促进剂在压缩空气的作用下被雾化成平均粒径20μm左右的雾滴喷入团聚室，两者在团聚室内模拟烟道环境中发生相互作用，停留时间约8s，化学团聚促进剂促使细颗粒物团聚长大，进而被后续的布袋除尘器捕获。布袋采用常规化纤滤料，采用等速取样仪在布袋除尘装置后部出口处进行等速采样，测定颗粒物排放浓度。结果表明，喷入配方实例所述的化学团聚促进剂后飞灰颗粒产生了明显的团聚作用，除尘装置后颗粒物浓度由未喷入试剂时的50.5mg·m-3降到了30.4mg·m-3，降低比例达到了39.8％。
对比例2：采用某电厂静电除尘器电场飞灰与配置混合气体混合后作为模拟烟气进入团聚室，配方比例为卡拉胶：0.01％、十六烷基三甲基溴化铵：0.1％、碳酸钾：0.01％的团聚促进剂在压缩空气的作用下被雾化成平均粒径20μm左右的雾滴喷入团聚室，两者在团聚室内模拟烟道环境中发生相互作用，停留时间约8s，化学团聚促进剂促使细颗粒物团聚长大，进而被后续的布袋除尘器捕获。布袋采用常规化纤滤料，采用等速取样仪在布袋除尘装置后部出口处进行等速采样，测定颗粒物排放浓度。结果表明，喷入配方实例所述的化学团聚促进剂后飞灰颗粒产生了明显的团聚作用，除尘装置后颗粒物浓度由未喷入试剂时的490.5mg·m-3降到了236.4mg·m-3，降低比例达到了51.8％。
对比例3：采用某电厂静电除尘器电场飞灰与配置混合气体混合后作为模拟烟气进入团聚室，配方比例为刺槐豆胶：0.001％、十六烷基三甲基溴化铵：0.01％、碳酸钾：0.001％的团聚促进剂在压缩空气的作用下被雾化成平均粒径20μm左右的雾滴喷入团聚室，两者在团聚室内模拟烟道环境中发生相互作用，停留时间约8s，化学团聚促进剂促使细颗粒物团聚长大，进而被后续的布袋除尘器捕获。布袋采用常规化纤滤料，采用等速取样仪在布袋除尘装置后部出口处进行等速采样，测定颗粒物排放浓度。结果表明，喷入配方实例所述的化学团聚促进剂后飞灰颗粒产生了明显的团聚作用，除尘装置后颗粒物浓度由未喷入试剂时的490.5mg·m-3降到了335.1mg·m-3，降低比例达到了31.7％。
对比例4：采用某电厂静电除尘器电场飞灰与配置混合气体混合后作为模拟烟气进入团聚室，配方比例为刺槐豆胶：0.01％、十六烷基三甲基溴化铵：0.1％、碳酸钾：0.01％的团聚促进剂在压缩空气的作用下被雾化成平均粒径20μm左右的雾滴喷入团聚室，两者在团聚室内模拟烟道环境中发生相互作用，停留时间约8s，化学团聚促进剂促使细颗粒物团聚长大，进而被后续的布袋除尘器捕获。布袋采用常规化纤滤料，采用等速取样仪在布袋除尘装置后部出口处进行等速采样，测定颗粒物排放浓度。结果表明，喷入配方实例所述的化学团聚促进剂后飞灰颗粒产生了明显的团聚作用，除尘装置后颗粒物浓度由未喷入试剂时的490.5mg·m-3降到了262.4mg·m-3，降低比例达到了46.5％。
应用实例1：采用某电厂静电除尘器电场飞灰与配置混合气体混合后作为模拟烟气进入团聚室，配方比例为卡拉胶：0.004％、刺槐豆胶：0.006％、十六烷基三甲基溴化铵：0.1％、碳酸钾：0.01％的团聚促进剂在压缩空气的作用下被雾化成平均粒径20μm左右的雾滴，以3ton·h-1的流量，喷入团聚室，两者在团聚室内模拟烟道环境中发生相互作用，停留时间约8s，化学团聚促进剂促使细颗粒物团聚长大，进而被后续的布袋除尘器捕获。布袋采用常规化纤滤料，采用等速取样仪在布袋除尘装置后部出口处进行等速采样，测定颗粒物及SOx、NOx排放浓度。结果表明，喷入配方实例所述的化学团聚促进剂后飞灰颗粒产生了明显的团聚作用，除尘装置后颗粒物浓度由未喷入试剂时的490.5mg·m-3降到了178.5mg·m-3，降低比例达到了63.6％。SO2浓度由311.7mg·m-3降到了275.5mg·m-3，降低比例达到了11.6％。NOx浓度由38.5mg·m-3降到了34.6mg·m-3，降低比例达到了10.1％。
应用实例2：在某50MW机组静电除尘器前，通过配液泵、压缩空气、双流雾化喷嘴将配方比例为卡拉胶：0.005％、刺槐豆胶：0.005％、十六烷基三甲基溴化铵：0.1％、碳酸钾：0.01％的化学团聚促进剂按3ton·h-1的流量，以25μm左右的粒径喷入垂直烟道中，烟尘排放浓度由原来的42mg·Nm-3降低到17mg·Nm-3，降低比例达到了59.5％，达到国家最新的燃煤电厂颗粒物超低排放标准。SO2浓度由3776.5mg·m-3降到了3314.8.9mg·m-3，降低比例达到了12.2％。NOx浓度由116.2mg·m-3降到了101.5mg·m-3，降低比例达到了12.6％。
应用实例3：在某300KW机组内，将配方比例为卡拉胶：0.006％、刺槐豆胶：0.004％、十六烷基三甲基溴化铵：0.1％、碳酸钾：0.01％的化学团聚促进剂按3ton·h-1的流量，通过雾化喷淋的方式以20μm左右的粒径，将混合溶液喷入脱硫塔内，进行脱硫除尘实验。实验结果表明：未添加化学团聚促进剂之前，细颗粒物浓度57mg·Nm-3，SO2浓度1351mg·Nm-3，NOx浓度77mg·Nm-3，添加化学团聚促进剂后，细颗粒物浓度降至14mg·Nm-3，降低比例达75.4％，SO2浓度降至1198mg·Nm-3，降低比例达11.3％，NOx浓度降至70mg·Nm-3，降低比例达9.0％。
应用实例4：在某300MW机组静电除尘器前，通过配液泵、压缩空气、双流雾化喷嘴将配方比例为卡拉胶：0.007％、刺槐豆胶：0.003％、十六烷基三甲基溴化铵：0.1％、碳酸钾：0.01％的化学团聚促进剂按3ton·h-1的流量，以25μm左右的粒径喷入垂直烟道中，烟尘排放浓度由原来的15.1mg·Nm-3降低到6.5mg·Nm-3，降低比例达到了56.9％，达到国家最新的燃煤电厂颗粒物超低排放标准。SO2浓度和NOx浓度分别由4125.7mg·m-3和122.4mg·m-3降到了3772.5mg·m-3和109.6mg·m-3，降低比例达到了8.5％和了10.4％。
根据上述实施例的比较结果，可以得出结论，同时加入卡拉胶和刺槐豆胶的化学团聚促进剂对颗粒物的除尘效率明显比单一的卡拉胶或刺槐豆胶高，且能够有效地降低SO2浓度和NOx浓度。而卡拉胶和刺槐豆胶的质量比不同，其对颗粒物的脱除效率亦有所不同，比较上述实施例的试验结果表明，当卡拉胶与刺槐豆胶质量比为6:4时，其对颗粒物脱除效率最佳。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于协同脱除燃煤烟气中细颗粒物、SOx及NOx的化学团聚促进剂，其特征在于，其由成分不同的水溶性高分子化合物A和水溶性高分子化合物B、表面活性剂、无机盐以及水混合而成，所述水溶性高分子化合物A和水溶性高分子化合物B之间具有协同作用，
其中，所述水溶性高分子化合物A的质量百分比范围为0.001％-0.01％、水溶性高分子化合物B的质量百分比范围为0.001％-0.01％、表面活性剂的质量百分比范围为0.01％-0.1％、无机盐所占的质量百分比范围0.001％-0.01％。
2.如权利要求1所述的化学团聚促进剂，其特征在于，所述水溶性高分子化合物A为卡拉胶。
3.如权利要求1或2所述的化学团聚促进剂，其特征在于，所述水溶性高分子化合物B为刺槐豆胶。
4.如权利要求3所述的化学团聚促进剂，其特征在于，所述表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵。
5.如权利要求4所述的化学团聚促进剂，其特征在于，所述无机盐为碳酸钾。
6.如权利要求5所述的化学团聚促进剂，其特征在于，该化学团聚促进剂中各组分的质量百分比为：卡拉胶0.006％，刺槐豆胶0.004％，十六烷基三甲基溴化铵0.1％，碳酸钾0.01％，其余为水。
7.一种协同脱除燃煤烟气中细颗粒物、SOx及NOx的方法，其特征在于，包括以下步骤，将权利要求1-6中任一项所述的化学团聚促进剂雾化后喷入烟道或脱硫塔中，在烟道或脱硫塔内停留一段时间，使燃煤烟气中的细颗粒物团聚长大形成大颗粒物，同时吸收燃煤烟气中的SOx及NOx，然后将反应后的燃煤烟气经除尘器过滤后排出。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，雾化时采用双流雾化喷嘴，所述化学团聚促进剂雾化后的粒径范围为10-30μm。
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