姚国瑞，李自尚，路文月，陈明月，齐立强
（1.河北中科朗博环保科技有限公司，石家庄 050050；
2.华北电力大学，河北 保定 071000）
多项研究表明[1-4]，超低排放改造后NOx浓度分布均匀性差，氨逃逸超标等问题日益突出，而且SCR脱硝催化剂可将部分SO2氧化成SO3，增加了对后续设备的腐蚀风险[5，6]。本文设计了一种飞灰循环改性及烟道喷射装置，设置飞灰酸、碱改性槽，由灰斗取一定量电除尘器捕集的飞灰经管道循环至飞灰改性槽，在改性槽中利用不同类型酸或碱对循环回的飞灰进行改性，继而利用喷射装置将改性后的飞灰均匀喷入烟道中，使酸改性或碱改性飞灰与烟气中碱性气体或酸性气体发生中和反应，从而减轻酸碱性气体对后续除尘器及脱硫系统等设备的腐蚀，也可避免氨逃逸。
飞灰循环改性及烟道喷射系统流程如图1 所示。
图1 飞灰循环改性及烟道喷射系统示意图
系统包括烟道、改性飞灰计量喷射装置、循环飞灰改性槽。改性飞灰计量及喷射装置一端由电除尘器入口烟道接入，根据烟气中需要处理的有关气体成分的含量，定量喷射改性飞灰。喷射装置可保证改性飞灰均匀喷入烟道中，使改性飞灰与烟气中酸性气体或碱性气体反应更加完全。改性飞灰计量及喷射装置另一端与飞灰改性槽A 和B 相连，在两个改性槽中分别实现飞灰的酸改性及碱改性。改性槽分别连接电除尘器灰斗及外加飞灰补充仓，用以实现飞灰自身循环利用及饱和后补充外购飞灰。对飞灰进行酸改性或碱改性后，大幅增加飞灰比表面积，利于其吸附烟气中有关成分，使飞灰表面呈现碱性或者酸性，其与烟气中酸性气体或碱性气体反应，从而减少气体对电除尘器的腐蚀及烟气中的氨逃逸。
为验证改性飞灰对烟气中SO2和NH3的脱除效果，在实验室中进行了相关验证实验。
2.1 飞灰酸改性原理
酸改性是将酸性物质HCl、H2SO4等与飞灰混合反应。加入酸溶剂，不但能打开飞灰中的孔穴，还能生成大量新的微细小孔，使飞灰比表面积大幅增加，并且与SiO2、Al2O3作用分别生成水合硅胶和水合铝盐及硅铝凝胶等活性吸附物质，而且加酸可以破坏飞灰的网格结构，释放出大量的A13+、Fe3+和H2SiO3等成分，A13+、Fe3+可起絮凝沉降作用，H2SiO3可捕收悬浮颗粒，起到混凝吸附架桥作用。
2.2 飞灰碱改性原理
碱有助于含硅、铝材料的分解，使飞灰表面的二氧化硅发生化学解离而生成带负电荷的活性基团。此反应还导致Si-O 和A1-O 四面体结构的键松弛，继而反应向深度发展，使整个Si-O 和A1-O 四面体结构发生紊乱，活性内核暴露，飞灰表面粗糙度、表面能增加，吸附能力增强。
2.3 改性飞灰吸附原理
飞灰本身含有氧化钙成分和一些未燃尽的炭，所以对烟气污染物，尤其是SO2有一定的吸附能力。飞灰是一种多孔物质且比表面积较大，具有一定的活性基团，因此飞灰本身就具有吸附能力。虽然理论上原状飞灰具有一定去除烟气中污染物的能力，但研究表明，原状飞灰的处理效果并不理想，不足以在工业中实现应用。而改性后的飞灰，因其孔穴打开，比表面积增加，可以提供更多的吸附位点，使其吸附能力大大提高，并且在改性过程中飞灰中部分组分会与酸或碱反应，生成活性吸附物质，进一步提高改性飞灰吸附性能[7-13]。
3.1 改性飞灰制备
本实验所用飞灰取自华北地区某电厂。取原状飞灰进行筛选，用160 目的分样筛筛分，取筛下部分，然后在研钵中磨细备用。将研磨后的飞灰以10g 为一组分别倒入各锥形瓶中，再用量筒称取一定量酸或碱分别倒入各锥形瓶中，然后将锥形瓶置于磁转子搅拌仪上搅拌。搅拌后用真空泵抽滤，然后在110℃下干燥2h。
3.2 吸附实验装置
气体吸附实验装置如图2 所示。实验用的气体经缓冲瓶, 用转子流量计计量气量进入混气瓶, 与空气充分混合后, 混合气先通过1 通路进入采样口测量SO2或NH3进气浓度后排放，接着关闭1 通路阀门、打开2 通路阀门，混合气由2 通路进入装有改性粉煤灰的吸附柱中，经吸附后的气体进入烟气分析仪测量吸附柱出口浓度，然后气体进入尾气排放装置。
图2 气体吸附实验装置图
3.3 实验结果
3.3.1 改性飞灰脱硫实验
参照烧结烟气进入电除尘器的相关参数，模拟烟气条件为烟气温度110℃、SO2浓度1000mg/m3、气体流速300L/h，考察改性飞灰脱硫效率随时间的变化情况，结果如图3 所示。
图3 改性飞灰脱硫效率随时间的变化情况图
由图3 可以看出，改性飞灰的脱硫性能很好，在脱硫反应进行到10min 时，脱硫效率基本可以达到100%，脱硫反应进行到20min 时，脱硫效率仍可达96.5%，脱硫反应进行到23min 左右时，脱硫效率降到90%以下，此时认为吸附柱床层被穿透。
3.3.2 改性飞灰脱NH3实验
模拟烟气条件除将SO2改变为1mg/m3的NH3外，其他条件与脱硫实验时相同，考察改性飞灰脱硫效率随时间的变化情况，结果如图4 所示。
图4 改性飞灰脱NH3 效率随时间的变化情况图
由图4 可以看出，在氨逃逸浓度不高的情况下，改性飞灰的脱NH3性能很好，在脱NH3反应进行到40min 时，脱NH3效率仍然可以达到95%以上，反应进行到50min 左右时，脱NH3效率降到90%左右，认为此时吸附柱床层被穿透。
改性后的飞灰对烟气中的SO2和NH3的吸收实验表明，改性飞灰具有较好的脱硫和脱NH3效率。本文所设计的飞灰循环改性系统及烟道喷射系统，通过将电除尘器灰斗中的部分飞灰取出，将其送至飞灰改性槽进行酸改性或碱改性后，根据实际烟气中需要吸附的碱性或酸性气体成分的含量，计算出改性飞灰的用量后，利用计量及喷射装置定量均匀地将改性后的飞灰喷入烟道中，使改性飞灰与烟气中酸性气体或碱性气体发生反应，从而有效减轻后续电除尘器及脱硫设备的腐蚀及烟气中的氨逃逸。
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