静电除尘与湿法脱硫耦合的新风向：从除尘到脱汞的一体化思路

基于波兹南理工大学与RAFAKO公司在DeMerTec技术上的全规模研究解读

关键词
electrostatic precipitator (ESP), flue gas desulphurization, mercury reduction, mercury re-emission, DeMerTec, 烟气调质, 工业烟气治理

在“双碳”战略与煤电机组超低排放常态化的叠加背景下，如何在不大幅追加投资的前提下，充分挖掘既有静电除尘器（ESP）与湿法脱硫（WFGD）装置的潜力，成为燃煤电厂普遍关注的技术方向。尤其在以褐煤为主燃料、汞含量高而氯含量偏低的机组上，单靠传统的电除尘与石灰石—石膏湿法脱硫，很难稳定满足最新BAT结论中对汞排放的严苛要求[2]。在近期于京都召开的第17届国际静电除尘会议（ICESP 2024）上，来自波兰弗罗茨瓦夫理工大学与RAFAKO S.A.的研究团队，系统展示了静电除尘器与湿法脱硫装置协同控制粉尘和汞排放的最新成果，为行业提供了一套具有代表性的低成本技术路线。

论文作者Arkadiusz Świerczok、Dariusz Łuszkiewicz、Maria Jędrusik以及来自RAFAKO的Mariola Kobylańska‑Pawlisz，围绕“电除尘器—WFGD—汞控制”这一典型的烟气治理链条，展开了多组工业试验：一是利用WFGD废水或氧化剂溶液进行烟气调质，提高ESP除尘效率；二是在ESP前后注入氧化剂（DMT_OX），并在WFGD循环浆液中投加硫化物类添加剂（DMT_S），形成所谓DeMerTec多变式脱汞技术路径；三是比较不同粉尘负荷下，WFGD对汞再释放（re-emission）的响应以及对合成石膏品质的影响。研究结论表明，单台装置的“效率指标”已经不再是评价工业烟气治理系统的唯一标准，装置间的工艺耦合关系，才是决定是否能在现有设备基础上达标脱硫、达标除尘并实现稳定脱汞的关键。

在除尘方面，作者首先以一台燃硬煤的PC锅炉（OP-230）和一台WP-120热水锅炉为对象，探索了在电除尘器入口侧进行烟气调质的可行性。不同于传统单纯喷淋水雾的冷却思路，他们将部分湿法脱硫装置产生的经处理废水，与工艺水按不同比例混合后，通过专门设计的喷射系统注入到约25万标立方米/小时的烟气管道中。调质液在高温烟气中迅速蒸发，一方面降低了进入ESP的烟温，另一方面促使粉尘与溶解性盐类形成较大的团聚体，从而改善电除尘器的捕集特性。

试验数据表明，不同配比的调质液均带来可观的除尘增效：当仅喷射工艺水时，烟尘排放由18.0 mg/m³_ref降至12.0 mg/m³_ref，减排幅度约33%；采用20%脱硫废水+80%水的混合液时，烟尘排放由22.5 mg/m³_ref降至13.8 mg/m³_ref，减排幅度提高到38%；当完全使用处理过的WFGD废水时，排放由17.8 mg/m³_ref降至13.7 mg/m³_ref，减排约24%。粒径分析进一步说明了机理：在有注射条件下，飞灰中位粒径d50由35 μm增至42 μm，证实烟气调质促成了颗粒团聚，从而有利于静电除尘器发挥更高捕集效率。

需要注意的是，WFGD废水带来的硫酸盐、亚硫酸盐及氯盐，会部分富集在飞灰中，使其在作为水泥混合材时的适用性受到一定限制[3][4]。不过，就电厂整体环保与资源化利用而言，通过“以废治废”的烟气调质方式，一方面降低了进入WFGD的粉尘负荷，改善了石膏结晶条件和过滤脱水性能，另一方面减少了需对外排放或外运处置的脱硫废水量，形成了除尘—脱硫—废水资源化的闭路循环。对于已经难以通过常规改造继续压降粉尘排放的老旧ESP，这类低投资的烟气调质手段，提供了一个值得重视的改造选项。

在汞控制方面，作者团队与RAFAKO联合开发的DeMerTec技术更具行业风向意义。该技术的核心思想是：充分利用电除尘器与湿法脱硫这两大“既有装置”，通过在不同位置注入专用氧化剂与硫化物添加剂，实现汞的“前段氧化—中段吸收—末端固化”，从而在不新建专门脱汞装置的前提下，将汞排放水平压缩到BAT结论提出的7 μg/m³_ref以下。

DeMerTec工艺路径主要包括两个功能模块：其一，在电除尘器前（或后、WFGD前）注入水溶性氧化剂（统称DMT_OX），如2.4%高锰酸钾（KMnO4）或3.5%亚氯酸钠（NaClO2）溶液，通过提高烟气中二价汞（Hg²⁺）与颗粒汞（Hg(p)）的比例，使汞更易被飞灰或后续WFGD吸收；其二，在WFGD循环浆液中投加硫化物类添加剂DMT_S（20%硫化钠溶液），促使已被吸收的汞以HgS等难溶、稳定形态固定下来，从根本上抑制汞的再释放现象。

在一台燃硬煤锅炉的工业试验中，研究者在ESP入口烟道注入KMnO4与NaClO2溶液，发现电除尘器对颗粒态汞Hg(p)的去除效率由约50%提升到约60%，提升幅度约10个百分点[5]。更重要的是，这一氧化剂喷射同时起到了烟气调质的作用，使ESP总体除尘性能得到加强，为后端WFGD创造了更好的进气条件。在一台燃褐煤的PC锅炉配套WFGD系统上，团队将25% NaClO2溶液喷入脱硫塔前的净烟道，并在脱硫塔循环浆液中同步投加DMT_S，结果将烟囱总汞排放稳定压低到5–7 μg/m³_ref的区间内，实现了脱硝—除尘—脱硫—脱汞的一体化协同效应[8]。

不过，研究也清楚地指出，单纯依赖化学添加剂而忽略前端粉尘控制，是难以长期达标的。作者通过对两台同为200 MWe、同样燃用褐煤的机组进行了对比研究，系统分析了电除尘器出口粉尘浓度对WFGD脱汞效果和合成石膏品质的影响。在“机组A”中，ESP出口粉尘浓度维持在20–22 mg/m³_ref的较低水平，研究团队采用“先冲击、后连续”的DMT_S投加模式（一次性冲击投加2 m³，随后200 L/h连续投加），汞排放浓度从43.5 μg/m³_ref一举降至11.3 μg/m³_ref，并在后续稳定运行阶段实现了平均5.78 μg/m³_ref的低排放，符合BAT结论中对该类机组的限值要求。同时，合成石膏中汞含量始终保持在1.3 mg/kg以下，满足EUROGYPSUM关于商品石膏的品质指导线[9][10]。

与之形成鲜明对比的是“机组B”。该机组同样配套WFGD，但电除尘器出口粉尘浓度高达约150 mg/m³_ref。在此条件下，即便将DMT_S冲击投加量提高至4 m³，连续投加量增至240–300 L/h，汞排放浓度也只能从约25 μg/m³_ref降至约10 μg/m³_ref，最终稳定值约13.4 μg/m³_ref，仍显著高于BAT要求的7 μg/m³_ref。进一步分析发现，过量的飞灰将大量金属离子与还原性物质带入吸收浆液，与DMT_S发生“非目标反应”，无效消耗了添加剂活性，使其用于形成稳定HgS的有效份额大幅下降。同时，高粉尘负荷导致吸收浆液中惰性晶核显著增加，诱导形成大量针状、片状细小石膏晶体，显著恶化石膏脱水性能，增加成品石膏含水率，削弱了石膏副产物的市场竞争力。

综合上述结果，作者提出了几个对当前行业极具现实指导意义的观点：首先，对于采用“ESP+WFGD”典型组合的燃煤机组而言，WFGD绝不能被视作电除尘的“第二除尘级”。一旦电除尘器出口粉尘浓度过高，不仅石膏品质与脱水工艺将全面恶化，WFGD作为汞控制末端装置的潜力也会被大打折扣。其次，应用DMT_S等硫化物类添加剂抑制汞再释放的前提，是维持WFGD入口粉尘负荷在合理范围内（如机组A约20 mg/m³_ref水平），否则将面临药剂用量剧增且环保收益递减的尴尬环境。第三，前端烟气调质不仅是“给ESP减负”，更是为后端脱硫与脱汞创造可控边界条件的核心环节。通过合理利用WFGD废水、DMT_OX等调质液，可以在有限空间与预算内，实现“除尘—脱硫—脱汞—废水循环利用”的一体化优化。

从更宏观的行业视角看，这项来自弗罗茨瓦夫理工大学与RAFAKO的联合研究，为以煤电为主、面临严苛汞排放标准的国家和地区提供了一个可复制、可分步实施的技术范式：先通过烟气调质与ESP工况优化，将粉尘及飞灰特性调整到有利于后端协同脱汞的区间；再利用WFGD这一“必备装置”，通过少量、针对性的化学添加剂，实现对汞再释放的精准压制；最终在不大幅改造现有空气污染控制系统的前提下，达成粉尘、二氧化硫与汞等多污染物的协同治理目标。对正在谋求低成本深度减排方案的电力与供热企业而言，这一思路无疑具有重要的参考价值与实践指向。

参考文献
[1] Forum Energii. Energy Transition in Poland. 2024 Edition. (in Polish).
[2] European Commission. Best Available Techniques (BAT) Reference Document for Large Combustion Plants. Industrial Emissions Directive 2010/75/EU. Final Draft, June 2016.
[3] Jędrusik M, et al. Experimental Studies on WFGD Sewage Injection Upstream of Electrostatic Precipitator. International Journal of Plasma Environmental Science & Technology. 2014;8(1).
[4] Świerczok A, et al. Effective use of wastewater in electrostatic precipitators. Proceedings of XVI International Conference on Electrostatic Precipitation (ICESP). 2022.
[5] Świerczok A, et al. Reduction of mercury emissions from combustion processes using electrostatic precipitators. Journal of Electrostatics. 2020;104:103421. https://doi.org/10.1016/j.elstat.2020.103421.
[6] Ochoa-Gonzales R, Diaz-Somoano M, Martinez-Tarazona M.R. Control of Hg0 re-emission from gypsum slurries by means of additives in typical wet scrubber conditions. Fuel. 2013;105:112–118.
[7] Heidel B, Hilber M, Scheffknecht G. Impact of additives for enhanced sulfur dioxide removal on re-emissions of mercury in wet flue gas desulfurization. Applied Energy. 2014;114:485–491.
[8] Jędrusik M, et al. Simultaneous removal of NOx, SO2, and Hg from flue gas in FGD absorber with oxidant injection (NaClO2) – full-scale investigation. Journal of the Air & Waste Management Association. 2020;70(6):629–640.
[9] Głomba M, Mazurek J. Dedusting of boiler flue gases with simultaneous desulfurisation using the wet lime method. 2012. ISBN 978-83-61775-04-1. p.101–110. (in Polish).
[10] Łuszkiewicz D, et al. Effect of addition of sulphide based additive to WFGD slurry on mercury removal from flue gas. Energy. 2023;270:126953.

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