上海电力学院能源与环境工程学院

随着能源与电力工业的快速发展,煤在能源结构中依然占主体,我国燃煤电站装机容量占到全国装机容量的70%左右,燃煤电站排放的硫氧化物、氮氧化物、二氧化碳、烟尘以及微量元素的排放形势日益严峻,给环境造成极大影响,对人的健康造成很大的危害,并由此直接或间接地带来巨大的经济损失,引起各国的极大重视,日益成为研究热点。对此,世界各国相继实施一系列计划,旨在解决有关基础研究和技术开发等重大问题,如美国的“洁净煤技术(Clean Coal Technology)”计划,欧洲共同体的“欧洲共同体关键技术”计划,日本的“解决地球变暖”计划等。国内外研究机构和学者除了研究燃煤污染SOx和NOx防治问题以外,现在还对环境有严重危害的有害微量元素Hg、Pb、As等特别是Hg元素的污染问题进行研究,并且在努力寻找多种污染物联合减排的方法。

目前国内外在采用再燃方式脱除煤燃烧产生的NOx和采用氧化与吸附方法脱除煤燃烧产生的Hg等研究方面状况如下:

针对燃煤电站锅炉煤燃烧过程中NOx排放的状况,Weldt et al.第一次提出了“再燃”这个概念;同时他还通过实验发现,假如将甲烷(CH4)在主燃区的下游(紧贴主燃烧区的地方)作为燃料喷入的话,可以使NO的排放降低50%。Myerson提出通过甲烷(CH4)降低NO的总反应方程式。20世纪80年代初,再燃技术被三菱重工第一次应用于传统的全尺寸锅炉,NOx排放降低幅度超过50%;日本的Babcock-Hitachi K.K.公司成功地将再燃技术应用于大量的墙式燃烧的公用事业锅炉。

正是由于这些成功的范例以及再燃技术在降低NOx排放上的高效率,许多学者对再燃技术展开了大量的小型实验及中试研究。Folsom et al.通过实验提出:通过再燃技术可以使NOx和SO2的排放分别降低60%和20%。此外,据EER(美国加州能源与环境公司)报道,他们在一个墙式燃烧锅炉进行的再燃实验中,用天然气代替部分煤燃料作为二次燃料,还可以降低CO2的排放大约6～8%。

这以后,美国的一些电厂已开始使用再燃技术,并得到了很多实验数据。根据GRI和Folsom et al.在三台全尺寸燃煤锅炉上进行的长时间气体再燃研究的结果,在172MW的墙式燃烧锅炉上可降低NOx排放60%;在一个旋风炉上可降低NOx排放65%;而在一个71MW的四角切圆燃烧锅炉上,可降低NOx排放55%。这足以证明再燃技术有着宽广的应用范围,人们对再燃技术就更加的重视。

目前很多公司和学者正在研究如何进一步降低NOx排放的再燃技术。通过研究寻找再燃燃料特性和再燃区停留时间、温度水平、过量空气系数、混合状况以及再燃燃料比率等影响因素与降低NOx效果的内在规律。

针对燃煤过程汞污染的现状,研究者们提出了各种各样的控制方法,包括吸附剂喷射法、固定床过滤法、湿式烟气脱硫联合除汞法,前两种都需要有高效廉价的吸附剂,可以通称为吸附剂吸附法,第三种则需要氧化剂将烟气中的单质汞氧化为二价汞。目前研究较多的为前两种,吸附剂方法主要是通过活性炭以及其他吸附剂的吸附作用来除去烟气中的汞。而第三种方法与脱硫系统结合起来,若能找到性能良好的氧化剂把煤燃烧产生的单质汞氧化为二价汞,那么通过湿法脱硫塔的洗涤就能比较好地把二价汞溶解在脱硫浆液中。

据研究,烟气中的飞灰、HCl和NOx能够影响Hg0转化为Hg2+的转化率,同时也影响着FGD的除汞能力。如果利用催化剂使烟气中的Hg0转化为Hg2+,当烟气中以Hg2+形式存在的汞占主要水平时,那么WFGD的除汞效率就会大大提高。美国Argonne国家实验室的Livengood等人分别用几种卤素类物质作为添加剂在小型试验台上进行了试验,试验结果表明,由于I2和Hg0之间快速发生气态反应,碘溶液即使在很低含量时(<1ppm)也可以有效的氧化Hg0;美国Radian实验室使用含铁类物质作氧化剂,149℃时烟气中的气态Hg0几乎全部转化为Hg2+,另外含钯类物质也是一种较好的催化氧化剂,还有FirstEnergy公司和Powerspan公司联合研制的电催化氧化联合处理技术ECO Process,它可以把烟气中的气态污染物成分高度氧化,但ECO Process需要消耗电站电力输出的5%。科学家们用WFGD的固体废物和废液作TCLP酸液浸出试验和挥发性检验,发现WFGD的废物和废液中所吸附的汞稳定且难以溢出。

目前,国内一些高校和学者也在对上述的内容进行研究,比如浙江大学、华中科技大学、清华大学等,并取得了一系列科研成果。然而从国内外的研究成果来看:采用天然气(或焦炉煤气)等气体再燃技术降低煤燃烧过程中NOx排放的主要研究着重考察各种影响因素是如何影响NOx的生成,研究目的是控制污染物NOx的排放,而未见有气体燃料在再燃过程中对煤燃烧产生的烟气中重金属Hg的影响方面的研究报道。

在研究煤燃烧过程中Hg排放控制技术中,研究主要采用在煤燃烧产生的烟气中加入吸附剂和氧化剂的方法来吸附气态Hg0和促进烟气中的气态Hg0转化为Hg2+,而这些吸收剂或氧化剂成本往往都比较高,目前尚没有应用于生产现场。CH4在再燃过程中与NOx发生还原反应,在把NOx还原成N2的同时会产生中间产物HCN,而HCN具有卤素的特性,从理论上讲能对烟气中的气态Hg0产生氧化作用,改变烟气中的单质汞(Hg0)和二价汞(Hg2+)两种形态分布,增加单质汞(Hg0)向二价汞(Hg2+)的转化率,从而增加了烟气中二价汞(Hg2+)的绝对含量。这从理论上达到了采用气体再燃技术同时控制NOx排放和促使烟气中Hg形态转换的作用,并在再燃过程中对NOx和Hg必然会产生相互间协同作用的过程。

在这些方面上海电力学院已进行了初步试验并发现:燃煤过程中进行气体再燃并喷入少量的催化剂脱硝后,飞灰、底渣中所含汞以及气态二价汞占总汞的百分比都有所增加,而气态单质汞明显降低,这为采用WFGD同时联合脱硝和重金属Hg提供了一条新途径。

随着生产的发展和社会的进步,煤在我国能源结构中依然占主体,为了适应越来越严格的排放限制,燃煤电站污染物SOx和NOx的排放控制方法有些已经相当成熟并用于电站实际环保过程中。但这些方法大多是针对单一污染物的控制,使得环保设备的投资与运行费用相当高。在这样的背景下,研究燃煤电站锅炉多种污染物,特别是NOx与重金属Hg等联合脱除就显得特别必要;而此必将会产生显著的经济效益、社会效益和环保效益。

潘卫国:男,1967年生,博士,教授,研究生导师。1997年浙江大学能源工程系工程热物理专业博士研究生毕业,获工学博士学位。曾担任上海电力学院动力系副主任,现任上海电力学院科研处处长,兼任中国高校工程热物理学会理事、中国动力工程学会环保专委会委员、上海市节能协会理事等职。近年来,共负责和参与完成的省(部,市)级纵向课题及横向课题近30项,主持国家自然科学基金项目,主持省部级重大(重点)科技攻关项目,曾获上海市青年科技启明星计划、曙光计划和启明星跟踪计划,2004年获上海市育才奖和国务院政府特殊津贴,2005年获教育部新世纪优秀人才支持计划。在国内外科技期刊和国际学术会议上共发表论文50余篇,有10余篇被国际三大检索系统SCI、EI和ISTP收录,申请国家发明和实用新型专利10余项,其中授权专利5项。作为第一完成人先后获得2002年度上海市科技进步奖和上海市优秀产学研工程奖,以及2005年度上海市科技进步奖和中国电力科学技术奖。