200MW燃煤電廠汞分布特征

劉更生 胡佳佳

摘 要：燃煤電廠汞排放是大氣汞污染的來源，針對某200MW燃煤電廠煤粉鍋爐，本文開展了汞測試及分析，研究結(jié)果表明該廠煙氣中51.06%的汞在脫硫過程中被脫除并富集于脫硫石膏中，最后煙氣中45.05%的汞經(jīng)過煙囪排放到大氣環(huán)境中，排放煙氣中汞濃度為6μg/m3。

關(guān)鍵詞： 燃煤電廠 汞監(jiān)測 汞分布

中圖分類號：X83 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）02（c）-0000-00

1引言

我國已成為世界最大的煤炭消費國，2012年煤炭占我國一次能源消費總量的68.5%。煤中汞的平均含量在0.15-0.22μg/g，利用儲量權(quán)值方法計算得到中國煤碳中汞的平均值為0.188μg/g。煤炭燃燒對我國大氣汞排放貢獻最大，根據(jù)田賀忠等的研究，2007年我國大氣中由于燃煤排放的汞為306噸。燃煤電廠是最大的煤炭消耗行業(yè)，目前消費了50%左右的煤炭。根據(jù)2014年國家發(fā)改委、環(huán)保部以及國家能源局下發(fā)了關(guān)于《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃（2014-2020年）》，到2020年在力爭使煤炭占一次能源消費比重下降到62%以內(nèi)的前提下，電煤占煤炭消費比重要提高到60%以上。如果燃煤電廠不采取技術(shù)措施，汞排放及其污染將是相當(dāng)嚴(yán)重的問題。汞隨著煙氣排放到大氣中是燃煤電廠汞的主要排放方式。2011年中國頒布的《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 13223-2011）中也汞排放提出了明確的限制要求，其中燃煤鍋爐汞及其化合物的排放限值為0.03mg/m3。

對汞的總排放的估算基于我國煤中汞含量。煤炭在燃煤電廠利用過程中，電廠的煙氣污染物控制設(shè)施對控制汞排放具有一定的作用，例如，催化脫硝技術(shù)能夠促進氣相元素汞（Hg0）向二價汞（Hg2+）的轉(zhuǎn)化，靜電除塵器能夠捕獲部分顆粒汞，濕法脫硫能夠吸收可溶的二價汞。具體到實際的電廠，不同電廠由于采用的燃燒污染物控制技術(shù)不同，汞在電廠中的分布和排放具有很大的區(qū)別。因此針對具體的電廠開展汞污染監(jiān)測具有現(xiàn)實意義。

2取樣及測試方法

本文針對某200MW燃煤電廠開展了汞監(jiān)測，該機組鍋爐為煤粉爐，污染物脫除裝置包括靜電除塵器（ESP）及石灰石-石膏濕法煙氣脫硫塔（WFGD）。該機組氣體采樣利用美國EPA Method 30B方法通過Apex Instruments采樣儀采樣，固體、液體通過手動采樣取得。所得樣品在實驗室通過Lumex915汞分析儀分析。在燃煤電廠鍋爐穩(wěn)定負(fù)荷運行條件下，對現(xiàn)場進行固體樣品采集，固態(tài)樣品采樣包括煤粉、底渣、除塵器飛灰以及石灰石和脫硫產(chǎn)物石膏，取樣點布置如圖1所示。

EPA Method 30B用以測量煙氣中的氣態(tài)總汞濃度。在采樣管里裝入由能吸附氣態(tài)汞的固體吸附劑組裝而成的吸附管，將吸附管安裝在采樣槍的前端，直接放入煙道里面采集氣體樣。用適當(dāng)?shù)牟蓸恿魉購臒煔饣蛘吖艿乐胁杉阎w積的煙氣，煙氣通過裝在煙道里面成對的一組吸附管。汞被吸附到吸附管內(nèi)的吸附劑上。取樣完成后，通過汞分析儀檢測吸附管中吸附劑上汞含量，通過折算，獲得煙氣中汞濃度。

Lumex 915汞分析儀測量汞含量的范圍寬，分析樣品（包括背景干擾嚴(yán)重的復(fù)雜樣品）不需要進行預(yù)先化學(xué)處理。在Lumex汞分析儀內(nèi)，樣品在800℃下加熱，汞化合物被原子化。汞原子蒸氣隨著載氣進入吸收池，經(jīng)汞分析儀檢測器分析檢測以后，由數(shù)據(jù)采集裝置進行數(shù)據(jù)采集。該儀器檢測限為0.5μg/kg，測量樣品質(zhì)量小于0.2g。

3 結(jié)果及討論

3.1 燃煤電廠汞分布

煤進入鍋爐進行燃燒過程中，在爐膛內(nèi)燃燒溫度（約850～1500°C）下，煤中幾乎所有的汞釋放并以Hg0的形態(tài)隨著煙氣進入煙道。隨著煙氣從爐膛排入煙囪至大氣的過程中，溫度不斷降低，一部分Hg0與煙氣中的不同物質(zhì)會發(fā)生反應(yīng)而轉(zhuǎn)化為其他形態(tài)的汞存在于燃煤飛灰、脫硫產(chǎn)物石膏和經(jīng)煙囪排入大氣中三部分。表1給出了該電廠不同樣品中的汞含量，由表1可以看出，燃煤鍋爐底渣中的所含的汞含量非常低，僅為4.4μg/kg，說明煤粉在進入爐膛進行燃燒過程中煤中所含有的大部分汞通過燃燒轉(zhuǎn)化為氣相并隨煙氣進入煙道。燃煤煙氣在煙道內(nèi)流經(jīng)ESP和WFGD至煙囪排空的整個過程中，煙氣溫度逐漸降低，煙氣中一部分Hg0與煙氣中的一些其它成分（如HCl、NO、SO2等）發(fā)生反應(yīng)，形成汞的化合物（HgCl2、HgS等），附著在灰顆粒上的汞化合物形成顆粒汞。在經(jīng)過ESP時，煙氣中被飛灰吸附存在于飛灰表面的顆粒汞將隨飛灰一起被靜電除塵器脫除，測得的飛灰中汞含量為44μg/kg。隨后煙氣在流經(jīng)WFGD時，煙氣中的汞在脫硫石膏中得到有效富集，石膏中汞含量為1110μg/kg。煙氣中汞濃度為6μg/m3，低于《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 13223-2011）排放限值。

3.2 燃煤電廠汞質(zhì)量平衡

考慮燃煤電廠的汞平衡，輸入量應(yīng)該等于輸出量，整個燃煤電廠系統(tǒng)中汞輸入量包括進入鍋爐的煤粉中所含有的汞和石灰石-石膏法脫硫中脫硫劑石灰石所含有的汞，汞輸出量主要包括四部分：鍋爐底渣、ESP飛灰、脫硫產(chǎn)物石膏和煙氣中的汞。煤中工業(yè)分析、元素分析見表2、表3，根據(jù)這些數(shù)據(jù)確定煙氣量及脫硫石膏消耗量，在此基礎(chǔ)上開展平衡計算。

圖2是燃煤電廠汞質(zhì)量平衡，由于底渣中汞的含量非常低，基本上煤中所有的汞都隨著煤粉在鍋爐中的燃燒而進入煙氣中，圖2顯示了煙氣中的汞在通過靜電除塵和濕法脫硫兩個煙氣處理裝置時的脫除率，以及煙氣中最終有多少汞經(jīng)煙囪排放到大氣環(huán)境中。由圖可以發(fā)現(xiàn)，煙氣在經(jīng)過靜電除塵設(shè)備時，煙氣中的汞有3.88%被燃煤飛灰吸附，存在在于飛灰中，這部分汞主要是顆粒態(tài)的汞。煙氣在經(jīng)過濕法脫硫裝置時，煙氣中51.06%的汞在脫硫過程中被脫除，煙氣中的汞在脫硫產(chǎn)物石膏中實現(xiàn)了有效的富集。最后煙氣中45.05%的汞經(jīng)過煙囪排放到大氣環(huán)境中。因此，此燃煤電廠煤燃燒過程中所產(chǎn)生的汞主要由煙氣的汞、脫硫產(chǎn)物石膏中的汞和飛灰中所存在的汞三部分組成。

4結(jié)論

針對某200MW燃煤電廠煤粉鍋爐，本文開展了汞測試及分析，研究結(jié)果表明該廠煙氣中51.06%的汞在脫硫過程中被脫除并富集于脫硫石膏中，最后煙氣中45.05%的汞經(jīng)過煙囪排放到大氣環(huán)境中，排放煙氣中汞濃度為6μg/m3。

參考文獻

[1] BP世界能源統(tǒng)計2012， www.bp.com/statisticalreview

[2] 任德貽，煤的微量元素地球化學(xué)[M]?？茖W(xué)出版社，2006.

[3] H. Z. Tian， L. Lu， J. M. Hao， J. J. Gao， K. Cheng， K. Y. Liu， P. P. Qiu， and C. Y. Zhu， A Review of Key Hazardous Trace Elements in Chinese Coals： Abundance， Occurrence， Behavior during Coal Combustion and Their Environmental Impacts， Energy Fuels， 2013， 27 （2）， pp 601–614

[4] 火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn).中國環(huán)境科學(xué)出版社，2011

[5] McLarnon C R， Jones M D. Pilot testing and scale-up of a multipollutant control technology at first energy[C]//Power Gen International Conference， Power Gen International Conference， 2000.