燃煤重金属控制技术

主要完成人：姚洪、罗光前、胡红云

煤炭作为我国最主要的一次能源，其清洁高效利用一直是国家的重大战略需求，在今后较长时期内仍将是保障我国能源安全稳定供应的压舱石。燃煤排放的砷、硒、铅等重金属总量较大、毒性强，不仅危害健康，而且为二氧化碳的捕集利用与封存带来潜在风险。为此，发达国家制定了限定重金属排放标准，美国EPA于2016年修订了燃煤电厂砷、硒、铅等重金属的排放标准，其电厂主要通过煤种控制和洗选等技术达标，日本也通过控制进口燃煤品质等手段实现重金属减排。我国动力煤用量大、种类多，高于重金属平均值的煤种覆盖九大煤炭主产区，现有发达国家以控制煤种为主燃煤重金属控制策略不适合我国国情。我国燃煤电厂SO₂、NO_x、颗粒物超低排放控制已处于世界领先水平，但缺乏砷、硒、铅等重金属的控制标准和支撑技术。

燃煤电厂重金属控制主要难点

项目团队发现燃烧过程中重金属形态迥异导致化学反应调控区间普适性不强，砷、铅、硒在细颗粒中富集后其质量浓度分布与烟尘浓度分布不一致，导致电厂超低排放控制技术和装置无法有效协同控制重金属。此外，挥发性强的硒化合物逃逸除尘设备后，部分迁移至脱硫液中造成二次污染，部分甚至以气态形式直接排入大气。这些瓶颈问题对我国燃煤电厂重金属排放控制技术的开发带来巨大挑战，迫切需要针对典型和高重金属煤种开展技术研发。本成果创新性地通过抑制气态重金属的生成、强化现有装置对重金属的协同捕集、控制易逃逸的细颗粒态重金属、提高重金属的稳定性，针对煤中重金属含量及燃烧过程迁移差别形成相应关键控制技术，突破我国燃煤电厂重金属的排放控制瓶颈。

燃煤重金属控制总体思路

尾部烟气重金属强化脱除技术体系

燃煤重金属控制技术是项目团队历经20余年的研究成果，受基金委面上、“863”、基金委创新群体、科技部国合项目、基金委国际合作重大项目、国家重点研发计划项目以及企业项目等长期支持。采用“科学问题突破—关键技术研发—装备开发与集成—示范工程”的技术路线，基于“形态定向转化并固定”思想，将炉内与尾部调控技术相结合，促进细颗粒态和气态重金属向粗颗粒态和易溶态转化，实现燃煤电厂不同浓度重金属高效控制。该技术与超低排放技术互补，具有模块化、可移植性强的特点，既可单独使用，又可以组合使用来满足烟气特点和排放需求。模块化特点使其燃料、炉型、工况和成本适应性强，不仅适应不同煤种，还适应生物质、污泥、城市生活垃圾等燃料的耦合掺烧；不仅适应煤粉炉，也适应流化床等炉型；不仅适应电力行业，也可拓展至非电行业。在3台300MW以上机组的技术验证表明:燃用典型重金属煤种排放浓度达到砷≤0.6 μg/m³，硒≤5.1 μg/m³，铅≤0.9 μg/m³，燃用高重金属煤种排放浓度达到砷≤1.3μg /m³，硒≤1.4 μg/m³，铅≤0.7 μg/m³，排放指标全面优于美国EPA重金属排放标准，并且脱硫废水运行成本较传统工艺降低79.2%，产生的沉淀污泥减少83.5%，脱硫污泥由危险废物降为一般固废。

重金属控制技术工程应用示范

该成果研发过程涉及工程热物理、环境、化学、物理、材料等学科，建立了燃煤重金属形态转化与强化脱除理论，是对已有理论的重要补充，是燃烧学中燃煤污染物生成与控制方面的重要进展，受到国内外同行的高度认可。