一种新型的雾化-蒸发方法，利用有机聚合物溶液有效去除和解毒铬元素

《Separation and Purification Technology》：A novel atomization-evaporation method utilizing an organic polymer solution for effective chromium removal and detoxification

铬污染协同控制与毒性降低机制研究：基于有机聚合物溶液雾化-蒸发化学凝聚技术，在30,000 Nm3/h试点及330MW燃煤机组验证中，显著提升静电除尘器（ESP）对PM2.5及气态铬的协同去除效率（>65%和60%），细颗粒铬去除率达99.05%，并通过物化行为分析证实其降低飞灰和石膏中铬溶出毒性的机理。

　　

崔向正|肖瑞红|侯庆亮|熊卓|赵永春|张俊英

中国华中科技大学能源与动力工程学院煤炭燃烧国家重点实验室，武汉430074

摘要

铬是一种从煤炭燃烧过程中释放出的高浓度有毒污染物，目前仍缺乏有效的控制方法。本研究提出了一种创新的控制策略，利用有机聚合物溶液的雾化与蒸发技术。该技术不仅在试点规模测试中得到了验证，还在一个330兆瓦的燃煤机组上进行了全面示范。这种技术能够高效去除和中和铬，被称为“化学团聚”（Chemical Agglomeration，简称CA）。雾化-蒸发方法使静电除尘器（ESP）出口处的PM_2.5排放量减少了65%以上。当与空气污染控制设备结合使用时，可去除超过60%的气态铬。此外，CA与ESP联合使用对细颗粒铬的去除效率达到了99.05%。毒性特征浸出实验和顺序提取测试表明，从粉煤灰和石膏中浸出的铬的毒性显著降低，从而提高了产品的稳定性并减轻了潜在的环境风险。同时，粉煤灰中Cr(VI)的比例从35.27%降至23.85%。本研究阐明了铬的去除机制及其毒性降低的原理。所提出的方法为协同控制烟气中的铬和其他有害重金属提供了一种新的实施策略。

引言

煤炭仍然是重要的初级能源，在推动经济发展和提升人类福祉方面发挥了重要作用[1]、[2]。它仍然占中国能源消耗结构的50%以上[3]、[4]。近年来，人们对生态、环境和健康问题越来越关注[5]。煤炭燃烧会释放常规污染物（如NO_x、SO₂）以及非常规污染物，如PM_2.5和有害重金属[6]、[7]、[8]。在这些有害重金属中，铬尤其具有风险。过量接触铬可能导致皮肤损伤、呼吸道感染和其他健康问题[9]。虽然Cr(III)相对无毒，但Cr(VI)具有致癌性，在高浓度下可能致命[10]、[11]。燃煤电厂是有害铬排放的主要来源[12]、[13]、[14]。

气态和细颗粒态是有害重金属在燃煤烟气中的主要存在形式[15]、[16]、[17]。空气污染控制设备（APCDs）可以将某些重金属捕获到煤燃烧副产品中，如粉煤灰、石膏和废水[18]、[19]。然而，气态和细颗粒态重金属容易从APCDs中逃逸并释放到环境中[20]、[21]。寻找有效方法来减少工业来源的重金属排放一直是环境研究的关键焦点[22]、[23]。作为一种常见的去除气态重金属的方法，固体吸附剂可以将部分气态重金属转化为颗粒态以便后续捕获[24]、[25]。化学团聚技术已被证明是去除细颗粒物的有效方法。该技术包括雾化喷洒团聚吸附剂，促使细颗粒聚集形成较大的团块，从而提高ESP的捕获效率，减少细颗粒物的排放[26]、[27]、[28]。周等人[29]研究了团聚技术对细颗粒浓度和粒径分布的影响，证明了其在提高ESP去除效率方面的有效性。郭等人[30]通过改变表面活性剂类型、pH值和离子浓度，研究了Zeta电位对细颗粒团聚的影响，发现Zeta电位在团聚性能中起关键作用。胡等人[31]评估了水、果胶和海藻酸钠作为团聚剂的效果，其中海藻酸钠使ESP对粉煤灰的去除效率提高了20%以上。李等人[32]将湍流团聚与化学团聚结合用于处理细颗粒物，使平均颗粒尺寸超过10.0微米。团聚过程中颗粒-液滴接触的增加提高了颗粒的去除效果。赵等人[33]研究了在高铬含量煤炭燃烧过程中使用六种吸附剂抑制铬释放的情况，发现抑制机制同时涉及物理和化学效应，抑制效率顺序为：铝土矿 > 沸石 > CaO > Fe₂O₃ > 膨润土 > Al₂O₃

然而，以往关于煤炭燃烧产生的非常规污染物的研究主要集中在细颗粒物的处理上，而针对有害重金属铬的研究大多局限于废水处理领域。去除燃煤烟气中铬的方法尚未得到充分探索，有效的控制技术也尚未发展成熟。本研究提出了一种通过雾化喷洒有机聚合物来去除有害铬的新方法，实现了烟气中气态和细颗粒态铬的协同捕获。该方法被称为CA技术。该技术已在处理能力为30,000立方纳米/小时的试点平台和330兆瓦燃煤机组上进行了验证。阐明了CA去除铬的机制，并对固体副产品中的铬形态进行了分析。这项研究为清洁高效利用煤炭过程中控制铬和其他重金属的排放提供了新的方向。

CA技术的含义与机制

在燃煤电厂中，铬不仅以气态存在，还与PM_2.5等细颗粒物相关联。尽管这类电厂的整体除尘效率可高达99%，但由于细颗粒物的高穿透率，其去除效率仍然较低。传统的物理除尘技术和设备无法有效控制PM_2.5和其他细颗粒物的排放。此外，细颗粒物...

PM浓度

细颗粒物很容易穿透APCDs并释放到大气环境中，造成风险[37]、[38]。图3(a)显示了ESP入口处细颗粒物的变化情况。经过CA处理后，ESP入口处小于10微米的细颗粒物浓度显著降低。PM₁、PM_2.5和PM₁₀的团聚效率分别为75.74%、45.48%和30.91%。因此，经过CA处理后，ESP入口处小于10微米的细颗粒物减少了30%以上。

结论

本研究提出了一种利用有机聚合物溶液的雾化与蒸发技术，旨在高效去除烟气中的铬并中和固体副产品中的毒性。该技术通过试点规模测试（30,000立方纳米/小时）和全规模示范（330兆瓦机组）得到了验证，证实了其优异的去除性能和环境适应性。实施后，ESP出口处PM₁、PM_2.5和PM₁₀的去除效率...

CRediT作者贡献声明

崔向正：概念构思、数据分析、方法研究、可视化处理、初稿撰写。肖瑞红：方法研究、项目管理。侯庆亮：方法研究。熊卓：方法研究。赵永春：项目管理、监督、撰写及审稿编辑。张俊英：项目管理、监督、撰写及审稿编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（编号42030807）、国家重点研发计划（编号2022YFE0118700）、湖北省自然科学基金（编号2023AFA039）、国家自然科学基金（编号524B2082）以及中央高校基本科研业务费（编号2024JYCXJJ019）的支持。