汞減排帶來的機遇

1 美國的汞管制和水泥工業(yè)

美國環(huán)境保護局（EPA）制定了危險空氣污染物國家排放標準（NESHAP），1999年開始在美國的水泥廠實施，主要有：顆粒物質、看得見的煙囪排放渾濁物、碳氫化合物和二惡英、呋喃的總量。2006年提出汞排放限值為41μg/dscm（7%O2），相當于34.5μg/m3（標）（10%O2），監(jiān)測要求為每年3h煙囪測試。在接下來的幾年里，此項規(guī)定受到工業(yè)和環(huán)保行業(yè)組織的挑戰(zhàn)。

2012年12月20日，為了應對聯邦法院的判決，以行業(yè)請愿書和有關技術資料為基礎，美國環(huán)境保護局對水泥生產過程中所產生的空氣有毒物標準完成了修改。按照修改規(guī)定，估計節(jié)省實施費用5200萬美元。

危險空氣污染物國家排放標準的排放量是按最大完成控制技術（MACT）來計算的。對現生產的水泥廠規(guī)定年汞排放量為55磅/百萬噸熟料（8～13μg/m3（標）），新建生產線為21磅/百萬噸熟料（3～5μg/m3（標））。上述數值必須連續(xù)監(jiān)測，于2015年9月9日生效。

美國環(huán)境保護局（EPA）估計，汞限值實施的結果是：汞排放量將減少92%，為完成減排限值，年將多支出3.5億美元，美國水泥協(xié)會將付出34億美元的裝備費用。

2 汞對工藝過程的挑戰(zhàn)

在煅燒工藝過程中，汞的排放量和汞循環(huán)變化相當大，圖1所示為2011年美國各水泥廠的汞排放量，資料來自美國環(huán)境保護局有毒物質排放清單和溫室氣體排放數據。

圖1所示的每條線，代表一個水泥廠的汞排放量，按現水泥生產汞排放限值55磅/百萬噸熟料要求，超過50%的水泥生產廠需要設置減排裝置，才能滿足排放限值要求。而其中有29個廠，現排放值超過100磅/百萬噸熟料，也就是說減排數量超過40%，才能滿足限值要求。

汞排放主要有兩種形態(tài)，即汞元素和離子。圖2為水泥磨生產過程中，汞元素和汞離子的排放值，只有在生產過程中，了解汞排放產生的原因及轉變情況，才能采取正確的措施，減少排放。

圖1 2011年美國水泥廠的汞（排放）

3 汞減排技術

汞減排技術按生產過程主要分為三類，即預處理（原料、燃料）、過程處理（固相排除）和后處理（過濾器清理）。現將有關措施介紹如下：

3.1 原料選擇（預處理）

若汞問題主要源自原燃料，則可更換原燃料，但需考慮價格，若費用不高，且對現生產影響較小，對熟料水泥性能影響不大，則可考慮更換。

3.2 阻斷汞循環(huán)

水泥生產過程中，原燃料中的堿、氯化合物在窯和分解爐內揮發(fā)隨煙氣后逸，冷卻后凝結在生料表面，隨著煙氣溫度進一步降低，煙氣內相當部分的氯堿化合物被窯尾收塵器收集，隨生料重新返回入窯，形成氯堿化合物循環(huán)。減緩氯堿化合物在生產過程中濃縮的主要方式為旁路放風（bypass），放掉一部分高濃度氯堿化合物粉塵，使生產正常運行。

汞的揮發(fā)溫度低，一般的看法是，在生產過程中，揮發(fā)的汞元素和化合物隨煙氣排至大氣中，不存在汞在生產中的循環(huán)問題。但近年來的研究表明，在水泥生產過程中，汞存在循環(huán)，也就是燃料在燃燒過程中，原燃料在生料磨煤磨內烘干、粉磨過程中，原燃料內所含的汞就主要以汞元素和化合物形態(tài)揮發(fā)（圖2），這些揮發(fā)物最終隨低溫煙氣入收塵器；當煙氣溫度進一步下降時，部分汞元素和化合物冷凝在生料顆粒表面；當收塵器收下的細顆粒與生料混合入預熱器，隨著生料溫度的增高而再次揮發(fā)，冷凝富集，形成汞循環(huán)。

有文章稱，若能有效地排除部分高濃度的含汞元素和含汞化合物粉塵，其減排效率可達30%～70%。

在美國Florida水泥廠一臺生料磨上進行測試，發(fā)現當生料磨停磨時，系統(tǒng)內收塵器收下的粉塵中，含汞量高，隨著時間的推移，則汞含量逐漸下降（圖3）。進一步測試表明，收塵器內溫度與汞濃度有關，若能排除含汞濃度高的粉塵，則必將取得較好效益。對收塵器進行測試的效果是，每周將袋收塵器收下的500t含汞粉塵送至水泥磨作混合材（相當于1.5%的水泥磨產量），則汞減排效率可達40%。所需排除費用為13200美元/kg汞。

圖2 原料磨生產汞形態(tài)效應

圖3 袋收塵器收下的生料粉內汞濃度隨時間的變化情況

圖4 水泥窯粉塵處置系統(tǒng)和方式

近年來，為提高粉塵排汞效率，使含汞粉塵排汞后，仍作入窯生料用，出現了一些粉塵排汞的焙燒技術和專利，例如：在輸送裝置內加熱生料袋收塵器收下的含有較高濃度的汞粉塵，使汞得以揮發(fā)，在此過程中，適當噴入一些促使汞揮發(fā)的化合物，然后進行汞回收。在上述小型試驗裝置上，排汞效率超過90%（圖4）。

3.3 煙氣汞收集

·在汞含量較高的煙氣中，噴入能夠吸收煙氣中的汞的粉狀活性碳，此方法在美國的電力工業(yè)得到應用，許多環(huán)保組織認為這是美國水泥工業(yè)汞減排最為適合的途徑。但是系統(tǒng)除增加活性碳噴射裝置外，還需增加費用較高的清理過濾器投資。此外，生產過程中，需增加活性碳費用，以及增大風機能力，相應增加生產費用。此法排汞效率約80%。

活性碳噴射效率與生產工藝流程有關，使用前必須通過實驗取得效果，才能考慮使用。

·在活性碳噴射裝置中，向汞含量較高的煙氣中噴入改性硅酸鹽，可取得活性碳稍低或相接近的排汞效率。有利之處是，含有高濃度汞的硅酸鹽粉塵經收塵器收下后可作混合材入水泥磨，不足之處是必須在高濃度的氧化汞煙氣中使用才有效。

·采用固定吸附床汞洗滌器，這是一個清理過濾器（polishingfilter），其優(yōu)點是簡單和安全。其組成是在現有收塵器后設置煙氣冷卻裝置，而后設置一個固定吸附組件，系統(tǒng)為固定部件不需粉粒噴射，操作簡單，在試驗時，除汞效率超過90%，但投資費用較活性碳噴射高得多。

·傳統(tǒng)的煙氣除硫濕法洗滌裝置和半干洗滌裝置也可用來除汞。各種半干洗滌器由反應室組成，煙氣和石灰漿在流態(tài)化床作試劑用，能很好地吸收汞，有報道稱除汞效率超過90%，此法在電廠大量應用，效果較好。此系統(tǒng)也考慮噴射活性碳，系統(tǒng)相對緊湊，操作簡單、靈活。系統(tǒng)設置在生料磨和袋收塵器之間，較清理過濾器節(jié)省投資。

4 結束語

2015年9月實施的汞排放標準，超過一半的美國水泥廠需要投資興建汞減排裝置，才能滿足汞排放標準。

目前較為有效的汞減排方法為活性碳和濕式洗滌裝置，但均遇到裝置費用以及排汞后的粉塵處置問題，有關部門正研究探索一些新途徑，以便較好地解決汞減排問題。

各廠的原燃料和工藝、生產狀況不一，所呈現的汞排放值很不一致，因而在興建汞減排裝置時，必須搞清工廠汞排放的工藝及其必須限止的排放量，采用既能滿足排放限值要求，投資又較少的減排裝置，不同效率和不同費用的排汞裝置均應考慮。

汞排放標準的實施是壓力，也是機遇，一些新的投資費用低的減排裝置和減排方法必將出現。

陳友德編譯自

No.1/2014 World Cement