賈海娟，馬學(xué)禮，王子明，趙斌，王笑飛

(中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)西北電力設(shè)計(jì)院，陜西西安 710075)

燃煤電廠(chǎng)汞排放分析及控制技術(shù)研究

賈海娟，馬學(xué)禮，王子明，趙斌，王笑飛

(中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)西北電力設(shè)計(jì)院，陜西西安 710075)

新的《火電廠(chǎng)大氣排放標(biāo)準(zhǔn)》的頒布實(shí)施，燃煤電廠(chǎng)汞的排放正式納入控制標(biāo)準(zhǔn)。針對(duì)目前我國(guó)燃煤電廠(chǎng)汞排放化學(xué)形態(tài)轉(zhuǎn)換、排放特征，分析和總結(jié)現(xiàn)有污染控制設(shè)施對(duì)汞協(xié)同控制效果，提出適合我國(guó)國(guó)情的燃煤電廠(chǎng)汞控制技術(shù)措施的建議及發(fā)展趨勢(shì)，可有效控制燃煤電廠(chǎng)汞的排放量。

燃煤電廠(chǎng);汞排放;控制技術(shù)

0 引言

燃煤電廠(chǎng)中Hg等痕量元素雖然排放濃度并不高，但是由于痕量元素本身的累積效應(yīng)以及高毒性，它們也成為污染物控制的主要對(duì)象。我國(guó)先后4次頒布實(shí)施有關(guān)燃煤電廠(chǎng)大氣污染物的排放標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)中均沒(méi)有設(shè)置汞的排放限值，在新的《火電廠(chǎng)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 13223－2011)中增加汞的排放指標(biāo)。經(jīng)研究美國(guó)、歐盟和德國(guó)的火電廠(chǎng)排放標(biāo)準(zhǔn)，確定我國(guó)火電廠(chǎng)汞及其化合物排放濃度限值為0.03mg/m3(自2015年1月1日起實(shí)施)［1－3］。

隨著環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)格，汞污染防治工作已被納入電力企業(yè)“十二五”規(guī)劃，《重金屬污染綜合防治“十二五”規(guī)劃》和《“十二五”重點(diǎn)區(qū)域大氣污染聯(lián)防聯(lián)控規(guī)劃》都對(duì)燃煤電廠(chǎng)大氣汞排放控制工作做了安排。目前汞排放控制對(duì)策、燃煤電廠(chǎng)汞形態(tài)分布、排放機(jī)理及控制技術(shù)的研究被提上了議程。

1 燃煤電廠(chǎng)汞排放

1.1 汞在燃煤機(jī)組中的化學(xué)形態(tài)

在燃煤電廠(chǎng)煤燃燒過(guò)程中大多數(shù)微量元素基本(99%以上)殘留在底灰和飛灰中，而汞的熔點(diǎn)為－38.87℃，在常溫下具有很強(qiáng)的揮發(fā)性，這使它在燃煤過(guò)程中與其他微量元素有著不同的化學(xué)行為。

在燃煤電廠(chǎng)中，原煤首先進(jìn)入制粉系統(tǒng)，煤在破碎的過(guò)程中產(chǎn)生熱量，因此也會(huì)有極少量的汞從煤中揮發(fā)出來(lái)。煤粉中的汞進(jìn)人爐膛后，在通常的爐膛溫度范圍內(nèi)(大約120～1500℃)，絕大部分在火焰溫度下轉(zhuǎn)化為單質(zhì)汞(元素態(tài)汞 Hg0)。進(jìn)入煙氣［4］，在經(jīng)過(guò)水冷壁、過(guò)熱器、再熱器和省煤器后，煙氣逐步得到冷卻，在這個(gè)過(guò)程中，所有的氣相單質(zhì)汞將會(huì)發(fā)生以下幾種不同的變化:(1)部分氣相單質(zhì)汞被飛灰通過(guò)物理吸附、化學(xué)吸附和化學(xué)反應(yīng)等幾種途徑吸收，轉(zhuǎn)化為以顆粒態(tài)存在的汞HgP:(2)部分氣相單質(zhì)汞與其他燃燒產(chǎn)物相互作用產(chǎn)生氧化態(tài)汞(Hg2+)，這部分汞包括HgC12、HgO、HgSO4和HgS等，含氯物質(zhì)對(duì)氣態(tài)單質(zhì)汞的氧化起最主要作用，煙氣中的氣態(tài)二價(jià)汞被認(rèn)為多數(shù)為HgC12，氣相氯化汞中一部分保持氣態(tài)，隨煙氣排出，一部分被飛灰顆粒吸收，形成顆粒態(tài)汞;(3)最后一部分氣相單質(zhì)汞保持不變，隨煙氣排出。

綜上所述，煙氣中汞主要以顆粒態(tài)汞、氧化態(tài)汞(Hg2+、Hg+)以及單質(zhì)汞(Hg0)3種形式存在，這3種形態(tài)總稱(chēng)為總汞(HgT)。研究發(fā)現(xiàn)，燃燒后飛灰中汞占23.1% ～26.9%，煙氣中汞占56.3%～69.7%，進(jìn)入灰渣的汞僅占約2%［5］。

單質(zhì)汞Hg0是環(huán)境大氣中汞的主要形式，它具有較高的揮發(fā)性和較低的水溶性，極易在大氣中通過(guò)長(zhǎng)距離的大氣運(yùn)輸形成全球性的汞污染，它在大氣中的平均停留時(shí)間長(zhǎng)達(dá)半年至兩年，是最難控制的形態(tài)之一。氧化態(tài)汞可以形成許多有機(jī)和無(wú)機(jī)的化合物，氧化態(tài)汞的無(wú)機(jī)化合物比較穩(wěn)定，在環(huán)境中普遍存在。許多氧化態(tài)汞都非常易溶于水，氯化汞的水溶性大于6.9×1010ng/l［6］，因此氧化態(tài)汞在大氣中僅僅可以停留幾天或者更短時(shí)間，然后在釋放點(diǎn)附近沉積。

因此，控制燃煤汞污染關(guān)鍵是控制煙氣中的汞向大氣中排放，顆粒態(tài)汞HgP多以粒子形式出現(xiàn)，可以通過(guò)粒子捕集設(shè)備進(jìn)行捕捉;而單質(zhì)汞Hg0具有較高的蒸汽壓并難溶于水，是相對(duì)比較穩(wěn)定的形態(tài)，難以被污染控制設(shè)備收集而直接排入大氣，所以控制Hg0的排放只有通過(guò)添加吸收劑捕獲或者將其轉(zhuǎn)化為易去除的Hg2+形式來(lái)實(shí)現(xiàn)，即提高Hg0氧化成Hg2+的比例，可以有效地控制燃煤電廠(chǎng)汞的排放量。

1.2 燃煤電廠(chǎng)汞排放統(tǒng)計(jì)

國(guó)內(nèi)基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的燃煤電廠(chǎng)汞排放資料還很少，對(duì)燃煤電廠(chǎng)汞排放的研究主要還是以實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。有研究指出煤中汞經(jīng)燃燒后其產(chǎn)物極少部分被吸附在灰、渣中，絕大部分以氣態(tài)(汞蒸汽)形式穿越除塵系統(tǒng)而進(jìn)入脫硫系統(tǒng)，溶于脫硫廢水而被富集于廢水處理后的污泥內(nèi)，同時(shí)在脫硫產(chǎn)物石膏內(nèi)也有一定程度的存在。以下為某一汞污染控制試點(diǎn)電廠(chǎng)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)及前期驗(yàn)收監(jiān)測(cè)情況，采取相關(guān)要求的質(zhì)控措施，分別對(duì)不同形態(tài)的汞排放進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。2012年3月～2012年11月，某一汞污染控制試點(diǎn)電廠(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)匯總見(jiàn)表1［7－9］。

表1 某一汞污染控制試點(diǎn)電廠(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)匯總表

從測(cè)試數(shù)據(jù)可得出:某電廠(chǎng)氣態(tài)總汞、顆粒物總汞的排放濃度均未超過(guò)0.03mg/m3，從排放量來(lái)看，含汞固體廢物(主要包括脫硫廢物、粉煤灰和鍋爐爐渣等)的汞排放量占燃煤電廠(chǎng)汞總排放量的70%以上，含汞固體廢物的汞排放量比氣態(tài)總汞和顆粒物總汞的排放量要高。

2 燃煤電廠(chǎng)汞污染控制技術(shù)

2.1 現(xiàn)有污染控制設(shè)施對(duì)汞的協(xié)同控制效果

利用現(xiàn)有煙氣治理設(shè)備對(duì)汞進(jìn)行脫除，可提高設(shè)備利用率，降低控制成本，實(shí)現(xiàn)對(duì)汞、SO2、NOx等污染物的聯(lián)合控制，實(shí)現(xiàn)除塵脫硫脫硝脫汞一體化［10］。目前，國(guó)內(nèi)外電廠(chǎng)常用靜電除塵器(ESP)和布袋除塵器(FF)、電袋復(fù)合式除塵器去除飛灰，利用濕式脫硫(WFGD)裝置脫除煙氣中的SO2，脫硝主要采用選擇性催化還原法(SCR)和選擇性非催化還原法(SNCR)。下面對(duì)現(xiàn)有污染控制設(shè)施的脫汞效果進(jìn)行分析:

(1)除塵設(shè)備。電除塵器和布袋除塵器在降低顆粒物排放的同時(shí)，能在一定程度上減少汞的污染能夠有效脫除HgP，但對(duì)Hg0和Hg2+的脫除率相對(duì)較低。基于電除塵器和布袋除塵器的吸附劑噴入技術(shù)可采取吸附劑噴入的方法提高燃煤煙氣中汞的脫除效率。例如將活性炭噴入煙氣中，是一種最簡(jiǎn)單自然的控制燃煤煙氣汞污染的技術(shù)，但此技術(shù)投資費(fèi)用較大、運(yùn)行成本較高，電廠(chǎng)一般難以承受，因此很多研究圍繞價(jià)格較為低廉的吸附劑展開(kāi)。根據(jù)煤種的變化，基于布袋除塵器的吸附噴入技術(shù)可去除80%～90%的汞，基于電除塵器的吸附劑噴入技術(shù)可去除50%～90%的汞。為了綜合電除塵器和袋式除塵器的優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)出現(xiàn)了電袋復(fù)合式除塵器，其工作原理為:前級(jí)電場(chǎng)預(yù)收煙氣中80%～90%以上的顆粒物量，后級(jí)袋式除塵裝置攔截收集煙氣中剩余更細(xì)小的顆粒物，其除塵效率高，對(duì)汞的去除率也綜合了電除塵器和布袋除塵器的特點(diǎn)。

(2)脫硫裝置(WFGD)。煙氣中的Hg2+化合物易溶于水，WFGD可去除煙氣中約90%的Hg2+，但對(duì)不溶于水的Hg0捕捉效果不顯著。在濕法洗滌脫硫過(guò)程中，使用H2S和加入少量EDTA試劑，并控制各運(yùn)行參數(shù)，可明顯增加WFGD系統(tǒng)的汞捕捉率。在煙氣進(jìn)入脫硫塔前，加入碳基類(lèi)等催化劑，以促使Hg0氧化形成Hg2+化合物，也能提高汞脫除率［11－12］。另外，利用WFGD加強(qiáng)汞脫除，對(duì)脫硫塔運(yùn)行幾乎無(wú)影響。

(3)脫硝設(shè)施。選擇性催化還原(SCR)是常用的脫硝工藝。SCR脫硝工藝可去除煙氣中70%～90% 的NOx，但不能直接抑制煙氣中汞的排放量，而是將NOx還原為氮?dú)獾耐瑫r(shí)有效促進(jìn)Hg0氧化成Hg2+，從而有利于下游的煙氣WFGD對(duì)汞的吸收［13］。

2.2 展望我國(guó)燃煤電廠(chǎng)的汞控制技術(shù)

2010年－2011年國(guó)電環(huán)保院對(duì)部分典型電廠(chǎng)(不同煤種不同發(fā)電機(jī)組)的現(xiàn)有污染物控制設(shè)施對(duì)汞的協(xié)同控制效果的測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 污染物控制設(shè)施對(duì)汞的協(xié)同控制效果的測(cè)試值

2011年－2015年，以現(xiàn)有非汞污染物控制設(shè)施(包括脫硝、除塵、脫硫設(shè)施)對(duì)汞的協(xié)同控制為主; 2016年－2020年，以燃燒前和燃燒中控制汞的生成量和現(xiàn)有非汞污染物控制設(shè)施對(duì)汞的協(xié)同控制為主;2021年－2030年，以基于現(xiàn)有非汞污染物控制設(shè)施的脫汞技術(shù)和專(zhuān)用脫汞技術(shù)為主。

3 結(jié)語(yǔ)

燃煤電廠(chǎng)作為最主要的人為大氣汞污染排放源，其產(chǎn)生的汞污染問(wèn)題已經(jīng)受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注，對(duì)燃煤電廠(chǎng)汞排放控制技術(shù)進(jìn)行研究和發(fā)展，以達(dá)到控制減排目標(biāo)十分重要和迫切。新的《火電廠(chǎng)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》已經(jīng)明確規(guī)定燃煤發(fā)電鍋爐汞及其化合物排放控制標(biāo)準(zhǔn)。做好燃煤電廠(chǎng)汞污染排放控制工作，可以對(duì)優(yōu)先控制行業(yè)從汞排放濃度和排放總量?jī)煞矫婕右钥刂?增加用煤洗選比例，降低燃煤中汞含量;研制高效經(jīng)濟(jì)的催化劑，提高汞的脫除效率;充分利用現(xiàn)有污染控制設(shè)備對(duì)汞進(jìn)行協(xié)同脫除，減少投資費(fèi)用，走復(fù)合式污染控制之路。

［1］GB13223－2011，火電廠(chǎng)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)［S］.

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Research ofmercury emissions and removal technologies of coal－fired power plants

With the promulgation of the new em ission standard ofair pollutants for thermalpower plants，themercury em ission is add into control factors.It focused on conversion of chem ical form s and em ission characteristics ofmercury em ission of coal－fired power plants in China.The cooperative performance of existing m itigation measures were analyzed and summarized.Suggestions for coal－fired power p lantmercury em ission m itigation measures were proposed to effectively control the em ission level.

coal－fired power plant;mercury em ission;controlling technology

X701.7

:B

:1674－8069(2015)02－022－03

2014-11-22;

:2015-01-16

賈海娟(1977-)，女，陜西寶雞人，碩士，高級(jí)工程師，主要從事電力環(huán)保、環(huán)境環(huán)境影響評(píng)價(jià)方面的工作。E－mail:jiahaijuan@nwepdi.com