1.研究背景

我国以化石能源为主的能源结构将长期存在，大量化石能源消耗导致我国环境污染严重。近年来，国务院先后发布《煤电节能减排升级和改造行动计划（2014-2020）》、《打赢蓝天保卫战三年行动计划》等国家战略，煤电行业在常规污染物SO₂/NO_x/烟尘的排放控制实现了超低排放，处于世界先进水平。随着人们对生态环境的品质需求日益提升，新兴非常规污染物包括细颗粒物PM_2.5、汞等重金属的排放控制以及脱硫废水的治理成为行业关注焦点。细颗粒物PM_2.5成分复杂，荷电能力弱，常规电除尘对PM_2.5有明显的穿透窗口；重金属种类多、毒性强、易挥发、难捕获，被美国科学院、工程院双院院士麻省理工学院Adel F Sarofim教授评述为是阻碍控制技术发展的瓶颈难题。现有的超低排放技术仍未有效解决易逃逸的PM_2.5、重金属等非常规污染物控制；而且产生的高盐高腐蚀性的二次污染物脱硫废水，其成分复杂、排量波动大，缺乏高效的处理手段。在后超低排放时代，亟需经济高效的新技术控制逃逸细颗粒物、重金属和脱硫废水污染难题。

2.主要研究内容

（1）磁珠脱汞技术1000MW工程示范

机组在较低负荷运行条件下，最佳的磁珠喷射速率为560 kg/h，磁珠吸附剂的氯化铜负载量为6%，综合脱汞效率达到98.72%。机组在较高负荷运行条件下，最佳的磁珠喷射速率为1040 kg/h，氯化铜负载量为6%，综合脱汞效率达到95.62%。未喷射磁珠吸附剂时，电厂整个系统的汞质量平衡达到了93%，飞灰与石膏中的汞含量各占输出总量的50%左右。当磁珠脱汞系统应用于电厂中时，整个系统的汞质量平衡达到了96%，磁珠喷射技术满足电厂汞的总质量平衡，飞灰中的汞输出量达到了总输出量的70%左右，大多数汞向飞灰中转移，磁珠中的汞回收率达到了60%左右。

图1. 磁珠脱汞技术1000MW工程示范

（2）烟气细颗粒物化学团聚技术

率先提出PM_2.5化学团聚新概念，建立了化学团聚强化除尘原理。针对常规除尘装备对0.1-1μm细颗粒物易穿透的难题，提出了斯蒂芬流胶体溶液PM_2.5絮凝团聚方法；耦合细颗粒布朗运动、紊流剪切作用、差速沉降等因素，构建了化学团聚促进细颗粒絮凝长大的模型；建立了细颗粒数浓度与各因素变量的量化关系，为复合团聚剂配方调控和化学团聚强化除尘技术关键装备的开发提供了理论依据。建立了复合团聚剂合成调配的设计准则。针对PM_2.5颗粒运动特性，亚微米颗粒难凝并，开发增强颗粒表面液桥力团聚剂，提高PM_2.5团聚速率和效率；针对憎水性细颗粒，发明了可活性增湿的浸润系列复合团聚剂，解决了PM_2.5表面润湿性难题，极大地提高了憎水性和油性细颗粒的脱除效率；构建了复合团聚剂合成调配的设计准则，发明了系列环境友好的复合团聚剂，解决燃料差异化的问题。研制了化学团聚强化除尘关键装备和模块化系统。研制了含混配、乳化、稀释的撬装式团聚剂配液装备和模块化雾化喷射装备；针对电厂负荷变化快、颗粒浓度实时大幅变化的特点，开发了自适应调控DCS控制系统，实现智慧调节，PM_2.5的脱除率提升82.8%；首创了“一拖二”（一套团聚系统供应两台机组）模块化系统工艺，安装布置灵活，解决受限空间设备布置难题，占地面积小，初投资成本降低70%。

图2. 烟气细颗粒物化学团聚强化PM_2.5脱除技术

（3）重金属异相团聚脱除技术

揭示了重金属与细颗粒相互作用机制，构建了重金属形态转化和定向富集方法。针对烟气中重金属排放与细颗粒粒度分布关系不清，PM_2.5中重金属形态不明的难题，系统阐明了重金属蒸发-成核-冷凝-凝并以及重金属与PM_2.5相互作用机理；建立了细颗粒中重金属富集模型，发明了重金属形态转化和定向富集的方法，为其高效脱除奠定基础。独创了异相团聚技术实现重金属协同高效脱除。发明了异相团聚技术以及PM_2.5和重金属联合脱除的系列复合团聚剂，促进气态重金属向颗粒态的转化、高毒态重金属脱毒、细颗粒态团聚长大，实现了对重金属的协同高效控制，在国际上首次实现商业化燃煤电厂尾部烟道中重金属的捕集，重金属排放浓度在1μg/m³下，远低于美国EPA的排放限值。 

图3. 重金属异相团聚协同脱除技术

（4）耦合团聚的梯级蒸发脱硫废水零排放技术与装备

发明了脱硫废水钝化技术。针对脱硫废水中高活性盐、高氯含量，提出了氯磺化的控氯思路，基于Reed反应开发了氯离子钝化处理技术；钝化剂的加入使得废水活性下降70%以上，阻滞了氯离子腐蚀性，将脱硫废水变成无腐蚀性的普通溶液来进行蒸发处理，显著降低系统的投资成本，无二次污染物排放，大幅提高设备系统的寿命和可靠性。发明了高盐水自清洗双流雾化喷射装置。建立了脱硫废水雾化-蒸发模型，应用气液两相反应流原理，发明了自清洗高盐废水气液双流雾化专用喷嘴，解决了高盐废水雾化不均、易堵塞的难题；对液滴粒径和雾化角实现精确调控，保证雾化喷射系统和PM_2.5团聚效率的稳定性，脱硫废水烟道蒸发装置连续稳定运行1000天以上。独创了耦合团聚的变温区分层布置梯级蒸发脱硫废水零排放技术。率先提出钝化脱硫废水配置团聚溶液方法，针对脱硫废水排量波动大，与蒸发量不匹配的矛盾问题，提出了雾化喷射系统变温区优化分层布置方法，首创空气预热器前后不同烟温区间分层布置技术，灵活调节匹配脱硫废水喷射量，保障了废水产量与团聚喷射的“供需平衡”，首次在燃煤电厂实现废气、废水协同处理，有效解决了困扰多年的“霾难防、水难治”行业难题。 

图4. 耦合化学团聚梯级蒸发脱硫废水零排放技术与装备

3.主要创新点和贡献

（1）提出“以废治毒”思想，利用煤灰磁珠开发出具有广泛适应性的可再生高效汞吸附剂，形成了适于工业应用的批量制备工艺，在复杂烟气条件下仍具有高效的脱汞性能（>95%）。开发了简便、高效的失活吸附剂再生方法和工艺，建立了活化量为50 kg/h的吸附剂循环再生处理装置，形成了可应用于实际燃煤机组的可再生吸附剂喷射脱汞技术工艺，在1000 MW燃煤电站开展工程示范应用。

（2）颠覆传统物理除尘模式，突破概率碰撞聚并理论，提出了化学团聚强化除尘的新概念，建立了复合化学团聚剂合成调配的设计准则，发明了化学团聚强化除尘技术和关键装备，开辟了化学团聚强化PM_2.5脱除新思路，解决了困扰多年的行业难题。

（3）针对烟气中重金属种类多，物性差异大，缺乏一体化治理方法，系统探索揭示了重金属迁徙共性规律，掌握重金属与细颗粒物的作用机制，构建重金属形态转化和定向富集的方法，发明了异相团聚技术协同脱除气态和颗粒态重金属，有效控制了细颗粒态和气态重金属的排放。

（4）发明了脱硫废水氯离子钝化技术，降低废水腐蚀性；发明自清洗高盐水雾化喷射装备，解决高盐废水雾化不均、易结垢难题；发明了变温区分层布置梯级蒸发脱硫废水零排放技术，解决废水量变化大、处理能力提升难题，形成高效、经济、安全的耦合PM_2.5团聚协同脱硫废水零排放技术和工艺。

4.重要论著及专利