戴偉民

（新疆電力設(shè)計院,烏魯木齊 830002）

1 引言

汞是一種非常重要的全球性污染物，燃煤電廠汞污染排放是人為汞排放源之一。2011年7月29日，環(huán)境環(huán)護(hù)部和國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫局對《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB13223-2011)進(jìn)行了修訂，除重新提高了煙塵、SO2、NOx排放標(biāo)準(zhǔn)外，也首次對汞污染排放標(biāo)準(zhǔn)提出了不大于0.03mg/m3的新排放要求，并從2015年1月1日起開始執(zhí)行。2014年9月12日，國家發(fā)展和改革委員會、環(huán)境保護(hù)部、國家能源局又聯(lián)合發(fā)文·發(fā)改能源(2014)2093號關(guān)于印發(fā)《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃(2014—2020年)》的通知，要求東部地區(qū)新建燃煤發(fā)電機組大氣污染物排放濃度基本達(dá)到燃?xì)廨啓C組排放限值,中部地區(qū)新建機組原則上接近或達(dá)到燃?xì)廨啓C組排放限值,鼓勵西部地區(qū)新建機組接近或達(dá)到燃?xì)廨啓C組排放限值，支持同步開展大氣污染物聯(lián)合協(xié)同脫除,減少三氧化硫、汞、砷等污染物排放。

中國是一個煤炭生產(chǎn)大國，資源儲量達(dá)5.9萬億噸，2013年生產(chǎn)煤炭達(dá)36.8億噸，原煤汞含量變化范圍在0.1～5.5mg/kg，平均汞含量約0.22mg/kg，可見我國燃煤中汞含量普遍偏高（世界范圍內(nèi)煤的平均汞含量約 0.13mg/kg）。同時也是一個燃煤大國，能源需求總量中煤炭所占比例約66%，雖然燃煤煙氣中的汞濃度低，但總量巨大，燃煤汞排放源約占1/3。

新疆煤炭預(yù)測儲量達(dá)2.19萬億噸，約占全國煤炭資源預(yù)測總量的40%，年生產(chǎn)煤炭約1.5億噸，煤中汞含量變化范圍在0.020～0.17mg/kg，平均值為0.054 mg/kg，遠(yuǎn)低于世界及全國平均值。

目前，我國燃煤電廠應(yīng)用煙氣脫汞技術(shù)還在起步階段，但大部分燃煤電廠已完成煙氣脫硝、除塵、煙氣脫硫裝置，但均未考慮脫汞裝置的空間位置。因此，在新標(biāo)準(zhǔn)實施情況下，充分利用現(xiàn)有電廠污染物控制設(shè)備進(jìn)行脫汞就顯得十分重要，尤其對新疆地區(qū)燃用低汞煤的燃煤電廠進(jìn)行協(xié)同脫汞具有非常重要的現(xiàn)實意義。

2 汞污染的控制途徑

世界上燃煤電廠汞污染控制主要有燃燒前脫汞、燃燒中脫汞、燃燒后脫汞三種方式。

2.1 燃燒前脫汞

燃燒前脫汞主要為洗煤和熱解技術(shù)，均屬于從源頭控制，并使燃煤電廠在燃燒過程中汞的排放量大量減少。洗煤使汞大量富集在浮選廢渣中，從而起到除去煤中汞的作用，是一種相對簡單、可靠性高，維護(hù)量小，成本較低的汞排放脫除措施。如采用物理化學(xué)洗煤技術(shù)，脫除效率將不小于50%。熱解技術(shù)是利用汞的高揮發(fā)性特點，使原煤中汞受熱并揮發(fā)。一般在溫度400℃以下時，脫汞效率可以達(dá)到80%左右，但同時煤也發(fā)生了熱分解，致使煤中揮發(fā)性物質(zhì)減少，發(fā)熱量降低，不利于鍋爐燃燒。

2.2 燃燒中脫汞

燃燒中脫汞主要是利用低溫燃燒技術(shù)或噴入一定量的汞吸附劑。目前主要有循環(huán)流化床鍋爐、煤粉鍋爐低氮器和加入吸附劑。循環(huán)流化床鍋爐是利用燃煤在爐內(nèi)停留時間長和低溫燃燒的特點，增加了灰渣中吸附汞的機會，有利于單質(zhì)汞的沉降，以及低溫燃燒可增加氧化態(tài)汞(Hg2+)的含量，同時又抑制單質(zhì)汞(Hg0)的形成，更易被現(xiàn)有濕法脫硫設(shè)施脫除。同樣低氮燃燒技術(shù)是利用其燃燒溫度較低，提高了煙氣中氧化態(tài)汞(Hg2+)的含量。而脫汞吸附劑是利用氧化態(tài)汞(Hg2+)容易被吸附去除的機理，采用某種催化劑，使煙氣中的單質(zhì)汞(Hg0)轉(zhuǎn)化成氧化態(tài)汞(Hg2+)，有利于燃煤電廠利用現(xiàn)有污染控制設(shè)施達(dá)到脫汞目的。

2.3 燃燒后脫汞

燃燒后脫汞主要采用開發(fā)新的脫汞吸收劑；以及對現(xiàn)有燃煤電廠煙氣脫硫、煙氣脫硝、除塵設(shè)施進(jìn)行改造，促使其具有一定的脫汞性能。由于吸附劑費用較高，會增加燃煤電廠運行成本，燃煤電廠目前很少使用。因此，燃煤電廠使用范圍最大的還是利用現(xiàn)有煙氣治理設(shè)施進(jìn)行協(xié)同脫汞。

綜上所述，隨著國家環(huán)保要求的不斷嚴(yán)格，燃煤電廠也要達(dá)到與燃?xì)庀喈?dāng)?shù)奈廴疚锱欧潘??？紤]到目前燃煤電廠的煙氣脫硝、煙氣脫硫、除塵等煙氣治理設(shè)施已是建設(shè)燃煤電廠必不可少的第四大主機設(shè)備，對如何利用好現(xiàn)有環(huán)保治理設(shè)施協(xié)同控制汞污染排放，將是今后一段時期的主要發(fā)展研究方向。以下通過對燃煤汞含量特點和燃煤電廠現(xiàn)有污染物控制措施，推薦適合我國燃煤電廠的復(fù)合式脫汞技術(shù)。

3 利用現(xiàn)有煙氣污染控制設(shè)備脫汞

3.1 循環(huán)流化床鍋爐

采用循環(huán)流化床鍋爐的電廠運行床溫可控制在850～950℃，可實現(xiàn)低溫燃燒和分級燃燒，污染物控制主要是利用低溫燃燒和選擇性非催化還原技術(shù)（SNCR）進(jìn)行煙氣脫硝，電袋復(fù)合除塵器或布袋除塵器除塵，爐內(nèi)或爐內(nèi)與爐外相結(jié)合方式進(jìn)行脫硫。

循環(huán)流化床鍋爐是一種可以噴入石灰石或其他吸附劑的裝置，其燃燒方式在降低NOx排放的同時也降低了煙氣中汞的排放。在CFB 燃煤過程中，汞主要富集在灰渣中，灰渣中汞的含量與其他燃燒過程大致相同。由于循環(huán)流化床燃燒溫度較低，煤中揮發(fā)出的氣態(tài)汞所占比例較少，且灰渣顆粒和一些添加劑導(dǎo)致的還原性氣氛，都有利于礦物質(zhì)氣化而產(chǎn)生大量的亞微米級顆粒，從而增加灰渣對煙氣中汞（包括單質(zhì)態(tài)和氧化態(tài)）的吸附。后續(xù)除塵設(shè)備捕集灰渣顆粒，大大減少了汞向大氣的排放。此外循環(huán)流化床燃料適應(yīng)性相對較廣，使得添加石灰石或一些汞的催化劑噴入到流化床中，可以進(jìn)一步提高汞的捕捉效率。

3.2 煤粉鍋爐

目前，燃煤電廠的鍋爐大多數(shù)還是采用煤粉鍋爐，現(xiàn)有煙氣污染控制設(shè)施主要采用低氮燃燒技術(shù)和選擇性催化還原技術(shù)（SCR）進(jìn)行煙氣脫硝，利用靜電除塵器、電袋復(fù)合除塵、布袋除塵器進(jìn)行除塵，利用濕式除塵器進(jìn)行PM2.5和石膏雨脫除，利用石灰石-石膏濕法工藝進(jìn)行脫硫。

3.2.1 低NOx燃燒技術(shù)（LNB）

低NOx燃燒技術(shù)是利用低氮燃燒器和配風(fēng)來控制爐膛燃燒區(qū)域的燃燒溫度及空氣量，對控制NOx形成的同時增加煙氣灰渣中未燃盡的碳含量來抑制單質(zhì)汞(Hg0)的形成，更有利于濕法脫硫設(shè)施吸附煙氣中的汞。因此，該技術(shù)對灰渣量較大的煙煤來說，比較實用。

3.2.2 除塵設(shè)備

燃煤電廠煙氣除塵裝置對顆粒態(tài)汞有一定的脫除作用，但對氣態(tài)的單質(zhì)汞(Hg0)和氧化態(tài)汞(Hg2+)影響不大。目前燃煤電廠使用電除塵器（ESP）和布袋除塵器（FF）、電袋復(fù)合除塵器（FE）比較多，濕式電除塵器（WESP）也有部分電廠開始使用（主要用于去除PM2.5和脫硫石膏雨）。

（1）靜電除塵器（ESP）。靜電除塵器效率可達(dá)到99%以上，因此，在脫除煙塵的同時可脫除以灰渣形式存在的顆粒態(tài)汞(Hgp)，但灰渣中顆粒態(tài)汞的比例一般小于5%，而且灰渣中的汞多存在于亞微米級顆粒中，一般的靜電除塵器對該粒徑的灰渣脫除效率很低，所以靜電除塵器的脫汞能力有限，對燃煤電廠總汞脫除效率一般在20～40%之間。

（2）布袋除塵器（FF）。袋式除塵器作為高效的除塵器，它不受燃用煤種變化帶來的影響，能收集比電阻高、靜電除塵器難以收集的粉塵。尤其對于那些微細(xì)粉塵、重金屬（如汞）采用袋式除塵器收集更具有優(yōu)勢。除塵效率可達(dá)99.9%以上。可以脫除灰渣中99.5%以上的顆粒汞，總汞脫除效率一般在30～50%之間。但布袋除塵器受高溫?zé)煔?、點火用油、濕煙氣等影響較大，燃煤電廠對濾袋材質(zhì)有一定要求。

（3）電袋復(fù)合除塵器（FE）。電袋復(fù)合式除塵器是一種兼具靜電除塵和袋式除塵技術(shù)優(yōu)點的除塵技術(shù)，可去除煙氣中的顆粒物和重金屬（如汞）。電袋復(fù)合式除塵器的設(shè)計除塵效率可達(dá)99.9%以上，總汞的脫除率可達(dá)30～50%。

（4）濕式電除塵器（WESP）。濕式除塵器有控制復(fù)合污染物的強大功能，可有效收集細(xì)顆粒物PM2.5、酸霧(0.1～0.5μm)、氣溶膠、重金屬Hg等。它布置在濕法脫硫塔后，與干式除塵器、吸收塔協(xié)同工作，可使煙塵排放濃度控制在5mg/m3以內(nèi)。煙氣在經(jīng)過濕式除塵器時，部分氧化態(tài)汞溶于液體中被脫除，總汞的脫除率可達(dá)40～60%。

3.2.3 脫硫工藝

目前燃煤電廠使用較多的煙氣脫硫工藝主要有煙氣循環(huán)流化床煙氣脫硫和石灰石-石膏濕法脫硫，其中石灰石-石膏濕法仍是當(dāng)前大中型燃煤電廠的首選，應(yīng)用廣泛。

（1）煙氣循環(huán)流化床脫硫。煙氣循環(huán)流化床脫硫是通過消石灰粉在床內(nèi)的內(nèi)循環(huán)和高倍率的外循環(huán)，使得吸收劑與SO2間的傳熱傳質(zhì)交換強烈，固體物料在床內(nèi)的停留時間長達(dá)30～60分鐘，從而大大提高了吸收劑的利用率和脫除率。在干法脫硫系統(tǒng)中，顆粒態(tài)汞Hg(p)很容易被除去，單質(zhì)汞（Hg0）和氧化態(tài)汞（Hg2+）能被吸附在灰渣、硫酸鈣或亞硫酸鈣顆粒表面。當(dāng)煙氣通過布袋除塵器時，顆粒汞能很容易被吸附和捕獲。其主要特點有：

1）顆粒物在吸收塔內(nèi)單程的平均停留時間長達(dá)40秒左右(考慮循環(huán)倍率，顆?？偟耐Ａ魰r間為60分鐘左右)，煙氣在塔內(nèi)的氣固接觸時間高達(dá)8秒以上，特別是吸收劑以及循環(huán)物料與煙氣之間具有最長的接觸行程。

2）當(dāng)鍋爐負(fù)荷降低時，進(jìn)入煙氣脫硫系統(tǒng)的煙氣量和污染物量減少，所需的脫硫劑及物料循環(huán)量也相應(yīng)減少，通過調(diào)整操作，使煙氣脫硫系統(tǒng)適應(yīng)鍋爐負(fù)荷的變化。

3）為了促進(jìn)消石灰和SO2的反應(yīng)，通過向吸收塔內(nèi)噴水來降低煙氣的溫度。抑制單質(zhì)汞(Hg0)的形成，有利于脫硫設(shè)施吸附煙氣中的汞。

（2）石灰石-石膏濕法脫硫(WFGD) 。石灰石—石膏濕式煙氣脫硫工藝是目前世界上應(yīng)用最廣泛，技術(shù)最為成熟的煙氣脫硫技術(shù)。石灰石小顆粒經(jīng)磨細(xì)成粉狀與水混合攪拌制成吸收漿液。在吸收塔內(nèi)，吸收漿液與煙氣接觸混合，煙氣中的SO2與漿液中的碳酸鈣及鼓入的氧化空氣進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)被脫除，最終反應(yīng)產(chǎn)物為石膏。煙氣經(jīng)脫硫系統(tǒng)后排煙溫度在50℃左右，由于溫度較低，對煙氣中單質(zhì)汞(Hg0)的氧化和氧化態(tài)汞(Hg2+)的吸收極為有利，是目前燃煤電廠煙氣脫汞最有效的措施之一。尤其是煙氣中氧化態(tài)汞(Hg2+)易溶于水，并與石灰石吸收劑發(fā)生反應(yīng)，總汞脫除效率在7～57%之間，氧化態(tài)汞(Hg2+)脫除效率高達(dá)80～95%，但無法脫除煙氣中的單質(zhì)汞(Hg0)。由于煙氣中的汞實際是以單質(zhì)汞（Hg0）形態(tài)存在，我們可以利用燃煤電廠煙氣脫硝反應(yīng)器中的催化劑促使煙氣中的單質(zhì)汞(Hg0)轉(zhuǎn)化為氧化態(tài)汞(Hg2+)，就會大幅度提高濕法脫硫的脫汞效率。

3.2.4 煙氣脫硝工藝

應(yīng)用在燃煤電站鍋爐上的成熟煙氣脫硝技術(shù)主要有選擇性催化還原技術(shù)（SCR）、選擇性非催化還原技術(shù)（SNCR），以及SNCR/SCR混合煙氣脫硝技術(shù)。煙氣脫硝工藝實際對于煙氣中的汞沒有脫除，但是對煙氣中汞的存在形態(tài)有很大影響，可以將單質(zhì)汞（Hg0）氧化成氧化態(tài)汞（Hg2+），會大幅度提高濕法脫硫的脫汞效率。單質(zhì)汞（Hg0）被煙氣脫硝裝置中的催化劑氧化的效率可達(dá)80%～90%。

4 影響汞形態(tài)轉(zhuǎn)化及脫除效率的因素

4.1 影響汞形態(tài)轉(zhuǎn)化因素

4.1.1 煙氣溫度

在燃煤電廠煙氣中汞的熱力穩(wěn)定形態(tài)是以單質(zhì)汞（Hg0）形態(tài)存在。一般發(fā)生氧化反應(yīng)汞的界限溫度在800～850K之間，而煤粉爐爐膛溫度都在1000度以上，汞的化合物在這個溫度下是不穩(wěn)定的，都會發(fā)生分解而生成單質(zhì)汞（Hg0）。

4.1.2 煙氣組分

（1）Cl-濃度。煤和水中的Cl-濃度對汞的氧化起著關(guān)鍵性作用，而汞與HCl和Cl-之間的反應(yīng)是促使煙氣中汞轉(zhuǎn)化的主要因素。同時，Cl-濃度對顆粒態(tài)汞(Hgp)的形成也有一定作用，對于堿金屬含量高的煤，灰渣中CaO和Ca(OH)2能有效地吸收HgC12和HCl，HCl也能抑制HgC12被Ca(OH)2吸收。

（2）灰渣、脫硫石膏。燃煤電廠灰渣、脫硫石膏中汞形態(tài)主要是以單質(zhì)汞（Hg0）吸附，以及單質(zhì)汞（Hg0）氧化為主?；以⒚摿蚴辔焦饕峭ㄟ^物理和化學(xué)反應(yīng)。在灰渣顆粒表面含硫物質(zhì)會生成HgS。灰渣中的碳含量也會影響灰渣對汞的吸附，如在未完全燃燒情況下，碳含量增加，汞在灰渣中比例升高；反之，碳含量降低，汞揮發(fā)為蒸汽的比例增大?；以鼘奈脚c灰渣粒徑大小有關(guān)，汞含量會隨灰渣粒徑減小而增大。

（3）其他成分。燃煤電廠煙氣中SO2、NOx對汞的形態(tài)轉(zhuǎn)化也有一定影響。煙氣中SO2可通過化學(xué)反應(yīng)減少C1-濃度，可降低C1-濃度對單質(zhì)汞(Hg0)的氧化作用。煙氣中SO2轉(zhuǎn)化成SO3會與煙氣中的水或在濕法脫硫中發(fā)生反應(yīng)生成硫酸，煙氣中的單質(zhì)汞(Hg0) 在硫酸作用下被氧化，或在還原性氣氛下, 氧化態(tài)汞(Hg2+)被還原成單質(zhì)汞(Hg0)。煙氣中NOx一般情況下不與單質(zhì)汞(Hg0)發(fā)生直接反應(yīng)。當(dāng)灰渣中含有催化劑時，能將單質(zhì)汞（Hg0）氧化成氧化態(tài)汞(Hg2+)。

4.2 影響汞脫除效率的因素

4.2.1 汞的存在形態(tài)影響

煙氣中單質(zhì)汞(Hg0)難溶于水，是相對比較穩(wěn)定的形態(tài)，很難被現(xiàn)有燃煤電廠煙氣脫硫、煙氣脫硝、除塵設(shè)施收集。而HgCl2較容易溶解于水，利用濕法脫硫可有效脫除氧化態(tài)汞(Hg2+)。所以，現(xiàn)有燃煤電廠利用煙氣脫硝催化劑來提高單質(zhì)汞(Hg0)氧化成氧化態(tài)汞(Hg2+)的比例，再通過濕法脫硫即可有效控制煙氣中汞排放量。

4.2.2 煙塵處理方式的影響

燃煤電廠所采用的除塵器只能脫除被灰渣吸附的顆粒態(tài)汞，一般不用于燃煤電廠的煙氣脫汞。石灰石-石膏濕法脫硫和煙氣循環(huán)流化床脫硫?qū)幸欢ǖ拿摮饔?，且石灰?石膏濕法脫硫優(yōu)于煙氣循環(huán)流化床脫硫。

4.2.3 煤種差異的影響

不同地區(qū)燃煤中單質(zhì)汞(Hg0)氧化成氧化態(tài)汞(Hg2+)的比例一般在20～95%。當(dāng)原煤Cl-含量較高時，氧化態(tài)汞(Hg2+)的比例較高，有利于汞的脫除；當(dāng)原煤中堿金屬含量較高時，堿金屬會降低Cl-的含量，從而降低汞的氧化，不利于汞的脫除。目前，新疆準(zhǔn)東地區(qū)原煤即屬于堿金屬含量偏高地區(qū)，電廠燃煤只能采用參燒來消除不利因素。

5 結(jié)語

目前，燃煤電廠汞污染控制技術(shù)將向兩個方向發(fā)展，一是利用現(xiàn)有或者改進(jìn)現(xiàn)有大氣污染控制技術(shù)和裝置對煙氣汞進(jìn)行脫除；另一個就是利用新型汞污染控制技術(shù)對煙氣汞污染進(jìn)行專門治理。因此，在2015年1月1日新標(biāo)準(zhǔn)很快就要實施的情況下，對于低汞煤地區(qū)，首先利用燃煤電廠現(xiàn)有大氣污染控制裝置進(jìn)行協(xié)同控制煙氣汞污染不失為一種既經(jīng)濟(jì)又有效的技術(shù)手段，即：當(dāng)煤粉爐配置低氮燃燒器 +SCR脫硝 + FF或FE除塵 + WFGD脫硫工藝時，煙氣中平均脫汞效率可達(dá)70～90%，完全能滿足新標(biāo)準(zhǔn)的要求。

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