燃煤電廠汞排放控制技術(shù)研究

何淑仲

(國核電力規(guī)劃設(shè)計研究院，北京 100095)

燃煤電廠汞排放控制技術(shù)研究

何淑仲

(國核電力規(guī)劃設(shè)計研究院，北京 100095)

近年來，燃煤電廠煙氣中的汞成為繼SO2、NOx和煙塵之后又一公認(rèn)的大氣環(huán)境污染物，我國已正式立法控制燃煤電廠汞排放，這使得燃煤電廠汞排放技術(shù)的研究迫在眉睫。不同形態(tài)汞的理化性質(zhì)不同，元素態(tài)汞(Hg0)較之氧化態(tài)汞(Hg2+)和顆粒態(tài)汞(Hgp)更難去除，因此，脫汞的前提是提高Hg0的氧化率。介紹并簡單分析了目前國內(nèi)外已有的汞排放控制技術(shù):燃燒前控制(清潔燃煤發(fā)電技術(shù))、燃燒中控制(煤基添加劑技術(shù)和爐膛噴射技術(shù))，和燃燒后控制(利用現(xiàn)有的煙氣控制設(shè)備協(xié)同控制)，并對我國脫汞技術(shù)發(fā)展方向提出了展望。

燃煤電廠;汞排放;控制技術(shù)

0 引言

煤作為一種重要的一次能源，其燃燒產(chǎn)物會對環(huán)境造成嚴(yán)重的破壞。燃煤電廠排放的SO2、NOx和煙塵是公認(rèn)的重要大氣環(huán)境污染物。然而，近年來，人們逐漸注意到煤燃燒過程中產(chǎn)生的有害重金屬元素對環(huán)境有較大的影響，其中汞就是危害極大的元素之一。汞是一種具有劇毒性、揮發(fā)性和累積性的持久性污染物，也是一種全球性循環(huán)元素。大氣中的汞可以通過呼吸作用隨氣體進入人體，也可以沿食物鏈通過消化系統(tǒng)被人體吸收，對人體危害極大。在美國和歐洲，燃煤產(chǎn)生的汞對環(huán)境和人類的危害已經(jīng)引起了高度重視。美國1990年清潔空氣行動修正案(CAAA)中將汞定為189種大氣有害污染物之一。

汞對環(huán)境造成的污染主要來源于天然和人為兩方面。其中人為排放約占75%，而燃煤是人為排放汞的最主要來源，通過煤燃燒釋放的汞約占人為排放總量的60%［1］。美國環(huán)保局(EPA)提出，燃煤電站是對人體危害最大的汞排放污染源。EPA在對電廠有害污染物(HAP)排放進行風(fēng)險評估時將汞作為關(guān)注的焦點。2005年3月，美國頒布法規(guī)控制燃煤電廠汞污染物的排放，成為世界上首個針對燃煤電廠汞排放實施控制的國家。

我國是一個產(chǎn)煤大國，每年的煤炭消耗量在20億噸左右，其中70%以上用做燃煤發(fā)電［2］。世界范圍內(nèi)煤中汞含量一般在0．012～0．33mg/kg，平均汞含量約為0．13mg/kg，而我國煤中汞的平均含量為0．22mg/kg［3］。加之中國燃煤技術(shù)普遍落后，燃煤釋放的汞對生態(tài)環(huán)境的污染更為嚴(yán)重。在我國，每年因燃煤所排放的汞約占人為排放量的40%左右［4］。我國將成為一個重要的全球人為汞排放源，因此對燃煤煙氣中汞的排放加以控制已成為中國面臨的重要環(huán)境問題。

中國對汞污染物控制研究從20世紀(jì)90年代末開始。2010年，環(huán)保部會同發(fā)改委等部門制定了《金屬污染綜合整治實施方案》，相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)編制工作相繼展開。2011年，環(huán)保部和國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局聯(lián)合發(fā)布了《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 13223－2011)，該標(biāo)準(zhǔn)將汞及其化合物列入電廠燃煤鍋爐煙氣排放控制指標(biāo)，于2015年1月1日起執(zhí)行。這正式確立了燃煤電廠汞排放控制的法律地位。然而，燃煤電廠汞排放的控制仍處于起步階段，防治技術(shù)的研究將是下一步工作的重點。

1 汞排放形態(tài)及特點

燃煤煙氣中的汞主要以3種形態(tài)存在:零價汞(Hg0)，氧化態(tài)汞(Hg2+)和顆粒態(tài)汞(Hgp)。任何形態(tài)的汞對人類健康和環(huán)境都有直接或間接的危害。而不同形態(tài)的汞由于具有不同的物理和化學(xué)性質(zhì)，直接影響到它們的分布和遷移轉(zhuǎn)化。

氣態(tài)氧化態(tài)汞(Hg2+)易溶于水且易附著在顆粒物上，因此燃煤鍋爐產(chǎn)生的氧化態(tài)汞或許可以被常規(guī)的污染物控制設(shè)備除去，例如濕式煙氣脫硫裝置、慣性除塵器、靜電除塵器或布袋除塵器;顆粒態(tài)汞(Hgp)易于被除塵設(shè)備收集，且其在大氣中的停留時間很短;而元素態(tài)汞(Hg0)由于極易揮發(fā)且難溶于水，很難被煙氣脫硫裝置、顆粒物控制系統(tǒng)捕獲，因此燃煤電廠產(chǎn)生的元素態(tài)汞幾乎全部排放到大氣中，對環(huán)境造成危害。因此，研究燃煤電廠煙氣中汞的形態(tài)分布對研究汞的大氣排放規(guī)律，甚至通過控制某種形態(tài)汞的生成而控制其排放，都有至關(guān)重要的意義。

研究表明，煤中氯元素的含量對汞的形態(tài)分布有重要影響，隨著燃煤中氯元素的含量的增加，煙氣中氧化汞的份額也呈現(xiàn)明顯的增加趨勢［5］。原因可能是:在高溫?zé)煔庵新纫栽有螒B(tài)存在，氯原子與汞發(fā)生快速反應(yīng)，使汞由元素態(tài)向氧化態(tài)轉(zhuǎn)化。另一研究表明，當(dāng)煤中氯的含量小于0．5g/kg時，煙氣中汞的主要組分為Hg0，隨后Hg0在低溫時氧化成HgO(g)。當(dāng)煤中汞的含量增加到1g/kg或更高時，低溫時汞的主要組分是HgCl2(g)，而HgCl2(g)在水中具有較高的溶解度，在濕法脫硫系統(tǒng)中可以從煙氣中脫除［6］。

2 目前國內(nèi)外汞排放控制技術(shù)現(xiàn)狀

目前國內(nèi)外已有的汞排放控制技術(shù)大致可分為三類:燃燒前控制、燃燒中控制和燃燒后控制。

2．1 燃燒前控制技術(shù)

燃燒前控制即采用清潔燃煤發(fā)電技術(shù)，對新建機組優(yōu)先選用超臨界、超超臨界發(fā)電技術(shù)，以及多種新型、高效、低污染發(fā)電技術(shù)。對現(xiàn)役機組則應(yīng)加強燃料控制，盡可能采用低汞煤;通過節(jié)能減排技術(shù)改造提高發(fā)電效率，降低煤耗，以減少汞的排放［7］。

2．2 燃燒中控制技術(shù)

燃燒中控制主要包括煤基添加劑技術(shù)和爐膛噴射技術(shù)［8］。通過在電廠輸煤皮帶上或給煤機里加入CaBr2溶液等鹵素添加劑，或直接向爐膛噴射鹵素氧化劑氧化，可以促進Hg0向Hg2+的轉(zhuǎn)化，從而提高后續(xù)脫硫或除塵系統(tǒng)對汞的捕集和洗滌。這種技術(shù)對裝備了選擇性催化還原脫硝(SCR)裝置和脫硫裝置的燃煤電廠脫汞效果好，成本低。而且由于加入煤里的溴相對于煤里本身含有的氯很少，所以不會加重鹵化鹽對鍋爐的腐蝕。

2．3 燃燒后控制技術(shù)

燃燒后控制主要是利用活性炭、飛灰、鈣基吸收劑以及一些新型吸收、吸附劑來吸收、吸附煙氣中的汞。目前，國內(nèi)外常用布袋除塵器(FF)或靜電除塵器(ESP)去除飛灰，利用濕式脫硫(WFGD)裝置脫除煙氣中 SO2，脫硝主要為選擇性催化還原法(SCR)和選擇性非催化還原法(SNCR)法。目前還沒有專門針對脫汞的成熟技術(shù)，而且若采用分級處理汞，不僅投資額大，占用空間，而且不適合老電廠的改造，因此主要是利用現(xiàn)有的煙氣控制設(shè)備實現(xiàn)協(xié)同控制。

FF或ESP只能去除被飛灰吸附的Hgp，因此傳統(tǒng)的除塵器對汞的去除效果并不明顯?；贔F或ESP的吸附劑噴入技術(shù)是國外目前較廣泛應(yīng)用的汞排放控制技術(shù)。通過除塵器前噴射吸附劑，吸附劑吸附汞后與煙塵一起被除塵器捕集，此舉可使煙氣汞脫除率高達90%以上［9］。目前此脫汞技術(shù)存在活性炭吸附劑價格昂貴的缺點，廉價吸附劑(如飛灰和鈣基吸附劑)的應(yīng)用還有待進一步深入研究。

據(jù)美國能源部和EPRI在電站進行的現(xiàn)場測試，WFGD系統(tǒng)對煙氣中總汞的脫除效率在10%～80%之間［10］。其中Hg2+的去除率可達到80% ～95%，不溶性的Hg0去除率幾乎為0［9］。因此，WFGD系統(tǒng)的除汞效率主要取決于單質(zhì)汞和二價汞的比例。實際上，煙氣中的Hg2+溶于漿液后，SO2－3、和金屬離子(Fe2+、Mn2+、Ni2+、Co2+、Sn2+)對Hg2+具有還原作用，可導(dǎo)致近8%的Hg2+被還原成Hg0，從而造成WFGD出口煙氣中Hg0增加，這將成為WFGD作為多污染控制裝置的應(yīng)用的潛在障礙。在不影響WFGD系統(tǒng)正常脫硫運行的同時，通過提高煙氣中二價汞的比例而改善系統(tǒng)的脫汞性能已經(jīng)成為WFGD系統(tǒng)脫汞研究的重點。這方面的嘗試有很多，比如通過提高煙氣含濕量促進單質(zhì)汞的氧化，從而提高WFGD系統(tǒng)的脫汞效率［10］;向脫硫液中添加KMnO4、Fenton試劑、K2S2O8/CuSO4等添加劑，通過氧化或催化作用促進單質(zhì)汞的氧化，從而提高WFGD系統(tǒng)的脫汞效率［10］;通過向脫硫塔噴射除汞穩(wěn)定劑(例如H2S)，使之與煙氣中的汞形成HgS，經(jīng)沉淀后將大部分汞隔離成不可溶的固體物質(zhì)，防止汞的二次溢出［9］。

隨著NOx排放標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格，燃煤電廠開始普遍采用SCR煙氣脫硝技術(shù)。SCR裝置本身對汞沒有明顯的直接脫除作用，但是SCR在脫硝的同時，能夠促進Hg0氧化成Hg2+，從而提高后續(xù)裝置對汞的去除率。通常情況下，NH3可抑制Hg0的氧化;提高煙氣中HCl的含量、降低SCR催化劑空間速度對汞的氧化有促進作用［11］。

以上幾種煙氣控制設(shè)備通常不是單一作業(yè)，通過SCR、FF或ESP、WFGD的協(xié)同控制，可以達到較好的汞控制效果。

3 結(jié)語

不同排放形態(tài)的汞具有不同的理化性質(zhì)，元素態(tài)汞(Hg0)較之氧化態(tài)汞(Hg2+)和顆粒態(tài)汞(Hgp)更難去除，因此，脫汞的前提是提高Hg0的氧化率。目前國內(nèi)外已有的汞排放控制技術(shù)大致可分為三類:燃燒前控制(清潔燃煤發(fā)電技術(shù))、燃燒中控制(煤基添加劑技術(shù)和爐膛噴射技術(shù))和燃燒后控制(利用現(xiàn)有的煙氣控制設(shè)備協(xié)同控制)。在我國，燃煤電廠汞排放的控制研究還剛剛起步，大多依賴已有設(shè)備，照搬國外經(jīng)驗。鑒于我國燃煤中汞含量普遍偏高，燃煤技術(shù)比較落，更多適合我國國情的新型脫汞技術(shù)還有待開發(fā)。

［1］聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署技術(shù)、工業(yè)與經(jīng)濟部．燃煤設(shè)施汞減排最佳工藝指南［R］．2011．

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［11］王運軍，魏繼平，段鈺鋒．燃煤電廠現(xiàn)有污染物控制設(shè)備對汞形態(tài)轉(zhuǎn)化和脫除研究［J］．鍋爐技術(shù)，2003，44(3)):69－71．

Study on control technique of mercury emission from coal－fired power plants

Recently，mercury emission from coal fired power plants has rosen up as important air pollution like SO2，NOx，and soot．Since the legislation of controlling mercury emission from coal fired power plants in China，research on the control technique becomes urgent．Based on their different physical and chemical characters，element state mercy(Hg0)is more difficult for removing from the smoke，compared with oxidation state mercy (Hg2+)and particulate mercy(Hgp)．Therefore，the precondition of removing mercy is to improve the oxidation percentage of Hg0．Several control techniques of mercury emission are investigated，including，pre－boiler control，in－boiler control，and after－boiler control．Also，the prospect for control technique of mercury emission from coal fired power plants is suggested．

coal－fired power plant;mercury emission;control technique

X701．7

B

1674－8069(2015)03－009－03

2014-12-23;

2015-02-28

何淑仲(1983-)，女，畢業(yè)于北京大學(xué)，碩士，工程師，注冊環(huán)評工程師，從事電力環(huán)保設(shè)計與相關(guān)環(huán)評工作。E－mail:heshuzhong@snpdri．com