燃煤过程有机污染物脱除技术综述李玉宇

燃煤过程有机污染物脱除技术综述李玉宇
发布时间：2021-08-31T05:39:31.942Z 来源：《中国科技人才》2021年第15期作者：李玉宇
[导读] 本文简要介绍了有机污染物的危害及治理政策。

重点介绍了有机污染物排放控制的治理技术。

通过对各种有机污染物控制技术的介绍，得到适用于燃煤电厂的有机污染物脱除技术。

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摘要：本文简要介绍了有机污染物的危害及治理政策。

重点介绍了有机污染物排放控制的治理技术。

通过对各种有机污染物控制技术的介绍，得到适用于燃煤电厂的有机污染物脱除技术。

关键词：有机污染物脱除；吸附控制技术；催化氧化技术；协同脱除技术；燃烧技术；吸收技术
一、概述
我国以煤炭为主的能源结构在长期内都不会改变。

燃煤电站锅炉是煤炭资源的主要消费大户，在电力热力生产中燃煤过程会生成排放大量污染物，如颗粒物、重金属、NOx、SO2、有机污染物等。

目前，对于燃煤电厂烟气中的PM、SO2、NOX等污染物的处理与控制已有数十年的相关研究，且已形成较为成熟的污染物控制技术体系。

但是，由于我国燃煤电厂数量众多且早期燃煤烟气处理未考虑到挥发性有机污染物。

国内外有关燃煤过程中有机污染物生成机理认识严重不足，更缺乏相应控制手段。

因此，深入开展有关燃煤电厂去除挥发性有机污染物的相关技术研究，是当前我国燃煤行业和生态环境保护的重大需求，也是我国作为燃煤大国应有的担当。

VOCs会对人体健康造成严重伤害，大部分有机物污染物可能会导致人体产生例如头疼、恶心、神志不清、昏迷、脑损伤等不良症状甚至是人体死亡，且具有致畸性和致癌作用。

VOCs对环境亦会造成不利影响，部分挥发性有机污染物可以在高空大气中参与光化学氧化反应从而产生有害的二次气溶胶导致二次污染，引发灰霾、光化学烟雾等空气污染现象频繁发生，所以VOCs被公认为是需要高度优先处理的大气污染物[1-3]。

燃煤发电短期内依旧是我国煤炭资源利用的主要途径之一，据国家统计局有关资料显示，2020年我国煤炭消费总量占能源消费总量的56.8%，这预示着在煤炭资源利用的过程中依旧会产生大量污染物[4]。

由于VOCs的危险性，我国在2010年，国务院办公厅转发《环境保护部等部门关于推进大气污染联防联控工作改善区域空气质量指导意见的通知》（国办发【2010】33号）首次正式地从国家层面提出开展VOCs污染防治工作，并将VOCs列为大气污染联防联控的重点污染物之一。

2013年5月，环境保护部发布了《挥发性有机物（VOCs）污染防治技术政策》，明确了VOCs污染防治应遵循源头和过程控制与末端治理相结合的综合防治原则[5-7]。

显然，深入开展VOCs污染物的治理已成为解决我国复合型大气污染问题的关键之一，开展相关研究具有重要的科学意义、社会价值和应用前景。

二、燃煤有机污染物控制技术现状
目前，有望控制燃煤有机污染物的排放且技术可行的方法有源头减量、协同脱除、携带流喷射吸附、移动床吸附、固定床吸附等。

2.1 吸附控制技术
吸附法是指利用多孔固体吸附剂表面不平衡的化学键力或者分子引力使VOCs中的一种或者多种组分固定在吸附剂上的方法，其原理是：当废气通过吸附床时，利用比表面积非常大的多孔结构吸附剂（活性炭、纳米材料、分子筛、高聚物吸附树脂等）将VOC分子截留，使气体得到净化。

该方法具有成本低、见效快、去除效率高等优点，可作为应对某污染物在实际工程中突然超标时的应急措施，是垃圾焚烧尾气处理中使用投运最为广泛的控制技术，主要适用于中低浓度、高通量的挥发性有机污染物的处理[8]。

常见的吸附装置为固定床吸附、流动床吸附及浓缩轮吸附等，其中，浓缩轮吸附能够在一个系统内完成吸附和脱附操作，具有去除率高、设备投资低的优点，得到较广泛的应用。

典型的吸附控制工艺包括携带流喷射吸附、移动床吸附和固定床吸附等。

2.2 催化氧化技术
催化氧化技术可将VOCs氧化为H2O和CO2等无害物质，且VOCs可在较低温度下（250~500 ）被氧化，此时相对热力氧化会降低燃烧成本，同时减少二噁英等有毒物质的生成。

用于燃煤有机污染物氧化的催化剂一般包括贵金属催化剂、非贵金属氧化物催化剂、复合金属氧化物催化剂。

而在燃煤烟气处理中，由于烟气成分复杂，温度较高，气体流量大，有机物浓度低，单独使用催化氧化技术成本过高[8]。

2.3 协同脱除技术
基于燃煤电站现有APCDs设施研究协同脱除燃煤有机物技术。

已有研究表明，APCDs系统可脱除85%左右的VOCs，其中，燃煤电厂烟气经过SCR系统之后，总烃浓度可降低60%左右。

湿法脱硫（WFGD）对极性气态有机物以及与水亲和力大的有机物有较好的去除效果，
WFGD系统对气固PAHs均有较佳的协同脱除性能，尤其是低挥发性的五环、六环PAHs。

WESP、ESP、低低温电除尘均是利用高压放电捕集粉尘颗粒，可能存在自由基、负离子、高能电子等活性粒子与VOCs的反应作用过程，导致VOCs分子结构、排放特性发生变化[8]。

2.4 燃烧技术
燃烧技术是利用VOCs易燃的特点发展而来的一种处理方法，其目的是在一定条件下（温度、助燃剂、催化剂等）将VOCs转化成无毒的CO2和H2O。

根据VOCs浓度及处理工艺的不同，燃烧法可被分为直接燃烧法、热力燃烧法和催化燃烧法。

燃烧法是目前应用非常广泛的废气处理方法，为了解决传统焚烧炉能耗大的问题，蓄热式热力焚化炉（RTO）首次在美国被提出，该设备利用二次余热回收，大幅提高了能源利用率及降低了运行成本，受到越来越多的关注，通常二室RTO的废气去除率达95%~98%，而三室RTO的去除率高达98 %以上。

2.5 吸收技术
吸收法是指利用液态吸收剂溶解或者发生选择性化学反应，除去混合气体中一种或几种气体成分的过程，主要用于大气量、中等浓度的含VOCs废气的处理。

该方法的处理效果主要取决于吸收剂的性质和吸收设备的结构。

常用的吸收剂为柴油、煤油、水等，其中，水被认为是最廉价易得、安全的吸收剂，以柠檬酸钠水溶液为吸收剂来处理苯、甲苯和二甲苯，它们的去除率分别可达84%、83%和86%以上。

填料洗涤吸收塔是最常见的吸收装置，其工艺过程为：VOCs废气由塔底通入吸收塔，与逆流而下的吸收剂充分接触后被吸收，被净化的气体由塔顶排出；使用后的吸收剂经解吸塔、冷凝器后继续进入吸收塔循环使用，而解吸出的VOCs可被进一步回收。

2.6 冷凝技术
冷凝法是最简单、直接的回收方法，其原理是通过降低温度或增加压力，使VOCs从废气中凝结出来，从而达到气体净化的目的，该方法适用于处理浓度高、气量小的VOCs废气。

由于多数情况下的废气中VOCs浓度都不高，为了提高去除率，冷凝过程中往往需使用较低的冷凝介质或较高的压力，使得运行成本大大提高。

因此，冷凝法通常只被用作一级处理与其他净化技术（吸附法、燃烧法、吸收法等）联合使用。

2.7 膜分离技术
膜分离法是指在一定的压力下VOCs渗透具有选择性的高分子膜而达到分离的目的，脱除了VOCs的气体可以达标排放，富集了VOCs的气体可送去冷凝回收系统行溶剂回收。

与传统的吸附法等相比，该方法具有高效、无二次污染产生的特点。

膜分离法方法适用于高浓度、小气量的VOCs废气处理，能够高效回收有价值的溶剂。

2.8 生物技术
生物法是指利用微生物的生命活动将废气中VOCs转变为简单无机物的方法，适用于低浓度、大气量的VOCs废气处理。

生物法的净化效果主要由气液相传质速率、液相到生物膜传质速率及微生物降解能力决定，目前工业上主要采用生物洗涤法、生物过滤法，生物滴滤法进行VOCs去除。

生物法虽然工艺简单、成本低，不易产生二次污染，可获得较高的VOCs去除率，但处理负荷不大，对温度、湿度、pH等的变化也极为敏感。

因此，作为一项新的VOCs净化技术，生物法还需要更理论、深入的探究，以明确最合适的工艺参数。

2.9 光催化技术
光催化法利用特定波长的光照射催化剂，激发出具有强氧化还原能力的“电子-空穴”对与水、氧发生化学反应，产生具有极强氧化能力的活性物质，将吸附在催化剂表面的VOCs转变为CO2、H2O等的方法，该方法具有反应速率快、溶剂分子影响小、易回收等特点。

目前，用于光催化的反应器主要为悬浮式光反应器、镀膜催化剂反应器、填充式光催化反应器，可根据催化剂的状态进行具体选择。

2.10 低温等离子技术
低温等离子法（NTP）是近年来新兴的VOCs废气处理技术，由于其便捷的操作，较高的去除率和能量利用率，被认为是污染处理领域中最有市场前景的高新技术之一，其原理是：VOCs所含的化学键在低温等离子体（高能活性粒子）不断作用下发生电离、解离、撕裂等，VOCs分子遭受破坏后生成小分子，从而达到气体净化的目的，该方法特别适用于处理低浓度、大风量的VOCs废气。

目前，低温等离子体通常与催化技术或吸附技术相结合，使VOCs在活性粒子和催化剂（吸附剂）的协同作用下进行反应，以提高能量效率。

三、总结
综上所述，除了利用原有燃煤电厂环保设备的协同脱除技术外，适用于燃煤电厂脱除有机污染物的技术可以有吸附控制技术、燃烧技术、吸收技术，再从施工、运行、维护及系统稳定性方面考虑，认为吸附控制技术比较适于燃煤电厂有机污染物排放控制。

参考文献：
[1]Ling Y，Wang Y，Duan J，et al.Long-term aerosol size distributions and the potential role of volatile organic compounds（VOCs）in new particle formation events in Shanghai[J].Atmospheric Environment，2019，202（APR.）：345-356.
[2]Geng C，Yang W，Sun X，et al.Emission factors，ozone and secondary organic aerosol formation potential of volatile organic compounds emitted from industrial biomass boilers[J].Journal of Environmental Sciences，2019.
[3]Yang W，Li J，Wang W，et al.Investigating secondary organic aerosol formation pathways in China during 2014[J].Atmospheric Environment，2019，213.
[4]Wang S，Zhang L，Zhao B，et al.Mitigation Potential of Mercury Emissions from Coal-Fired Power Plants in China[J].Energy & Fuels，2012，26（Jul.-Aug.）：4635-4642.
[5]大气污染物综合排放标准[Z].
[6]恶臭污染物排放标准[Z].
[7]大气污染防治法[Z].
[8]李津津，陈扉然，马修卫，张智，杨林军.燃煤有机污染物排放及其控制技术研究展望[J].化工进展，2019，38（12）：5539-5547.基金项目：国家重点研发计划（2018YFB0605200）。