燃煤電廠煙氣汞排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)研究與應(yīng)用

摘 要： 本文綜述了燃煤發(fā)電廠在燃燒過程中汞的形態(tài)排放規(guī)律及其影響因素；介紹了目前國內(nèi)燃煤電廠所采用的煙氣汞連續(xù)在線監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用與原理；介紹了燃煤電廠煙氣汞在線連續(xù)監(jiān)系統(tǒng)構(gòu)成及維護(hù)方法。

關(guān)鍵詞：燃煤電廠；汞排放；煙氣汞排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)；環(huán)保

The Research and Application of the Coal-fired Power Plant Flue Gas Mercury Continuous Emission Monitoring System

Yan Yameng

（Inner Monglia Datang International Tuoketuo Power Generation Co.Ltd.，Tuoketuo 010206）

Abstract： This article reviews the regularity and influence factors of coal-fired power plants in the combustion process in the form of mercury emissions； Application with the principle of continuous online monitoring system used in the domestic coal-fired power plant flue gas mercury； The coal-fired power plant flue gas mercury line continuous monitoring system construction and maintenance methods.

Key Words： Coal fired power plant；Mercury emissions； Mercury Continuous Emission Monitoring System； Environmental protection

中圖分類號：TK229.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-9082（2016）05-0322-02

一、研究背景

汞（Mercury），俗稱水銀——揮發(fā)性有毒重金屬元素，是一種可在生物體內(nèi)和食物鏈過程中不斷累積的有毒物質(zhì)，又是一種全球性循環(huán)元素。汞的排放不僅對生態(tài)環(huán)境造成危害，也會對人體的危害產(chǎn)生不良影響。聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署 （UNEP）報(bào)告[1]，明確指出燃煤電廠是最大的人為汞污染源，其中亞洲的燃煤電廠排放最多，每年約排放860 t，超過全世界汞排放總量的1/4。中國被認(rèn)為是全球最大汞排放國，美國、印度分列2，3位，但中國的貢獻(xiàn)量是美與印度之和的3倍之多，約占世界1/4-1/3[2]，所以必需加強(qiáng)對其排放的實(shí)時監(jiān)測并為有效控制做準(zhǔn)備。

中國汞排放量取決于中國的工業(yè)結(jié)構(gòu)。我國大氣汞排放量從大到小排序依次為燃煤、有色金屬冶煉、水泥生產(chǎn)和鋼鐵生產(chǎn)等，針對汞排放大戶的煤炭火電行業(yè)，加強(qiáng)汞排放與監(jiān)測管理非常重要。根據(jù)《國務(wù)院辦公廳轉(zhuǎn)發(fā)環(huán)境保護(hù)部等部門關(guān)于加強(qiáng)重金屬污染防治工作指導(dǎo)意見的通知》，確定了華能、大唐、華電、國電、中電投、神華，6大電力集團(tuán)16家電廠各2臺機(jī)組，共32臺機(jī)組，、開展汞監(jiān)測試點(diǎn)工作。從而，根據(jù)不同機(jī)組情況分析汞污染控制方法，能精確的掌握我國燃煤電廠汞污染情況，為2013的汞文書談判提供數(shù)據(jù)依據(jù)[7]。

二、燃煤電廠汞排放形態(tài)及特點(diǎn)

在煤粉爐中，爐膛溫度范圍大約是1200～1500℃，幾乎所有煤中的汞（包括無機(jī)汞和有機(jī)汞）轉(zhuǎn)變成Hg0并以氣態(tài)形式停留于煙氣中[3]。在煙氣流向煙囪出口的過程中，煙氣溫度逐步降低，Hg0 會與其他煙氣成分及飛灰顆粒發(fā)生一系列化學(xué)物理反應(yīng)，排放廢氣中汞主要以氣態(tài)元素汞（Hg0），氣態(tài)氧化汞（Hg2+）和顆粒態(tài)汞（HgP）形式存在。廢氣中汞形態(tài)分布主要與燃煤中氯元素含量和溫度有關(guān)系，氣相汞在小于400℃以HgC12為主，大于600℃以Hg0為主，400～600℃之間二者共存[4，5]。但受煤種等因素影響，氣相汞的形態(tài)分布變化較大，氣態(tài)汞中Hg0與Hg2+的比例從9：1到1：9不等，大約7：3左右[6]。

不同的形態(tài)的汞具有不同的物理、化學(xué)特性和生物特性。顆粒態(tài)汞（HgP）絕大部分可以被除塵、濕法脫硫等煙氣凈化裝置捕集去除。Hg2+可溶于水，也易于被顆粒物吸附，易于捕集和控制，被釋放到大氣中主要造成局地污染；Hg2+加熱至800℃左右可還原為Hg0。氣態(tài)元素汞（Hg0）不溶于水且極易揮發(fā)，難以控制，傳輸距離遠(yuǎn)對環(huán)境影響大，但氣態(tài)元素汞（Hg0）可被催化氧化為Hg2+。若排入大氣，Hg2+和HgP在大氣中停留時間只有幾天，Hg0則極易在大氣中通過長距離的大氣運(yùn)輸形成全球性的汞污染，單質(zhì)汞在大氣中的平均停留時間長達(dá)半年至兩年，是最難控制的形態(tài)之一可停留1年以上[3]。

三、煙氣中汞的在線測量技術(shù)現(xiàn)狀

經(jīng)過國內(nèi)外專家學(xué)者多年的研究，燃煤電廠煙氣汞排放測量方法不斷的完善與革新。這些方法可歸為兩大類：一類是取樣分析法，另一類是在線分析法。取樣分析法主要有汞形態(tài)吸附法，美國EPA方法，Ontario Hydro Method，擴(kuò)散管和擴(kuò)散網(wǎng)技術(shù)等，取樣法是一類有效的化學(xué)分析測汞的方法，但是該類測量方法所需時間長，相對于在線分析法或多或少都會存在一定的缺點(diǎn)。汞的在線連續(xù)監(jiān)測（Mercury Continuous Emission Monitor）技術(shù)是一項(xiàng)新型技術(shù)，它可是實(shí)現(xiàn)在線、連續(xù)和實(shí)時元素汞和氧化汞的測試分析，它是基于CVAAS（冷原子吸收光譜法）、CVAFS（冷蒸汽原子熒光光譜）、AES（原子放射光譜）和新興的化學(xué)微傳感器等先進(jìn)技術(shù)而建立發(fā)展起來的。

目前美國在Hg監(jiān)測方面普遍采用的方法有三個，安大略法（OHM）、30A、30B法，相對而言Hg濃度的儀器分析方法已經(jīng)成熟，基本都是應(yīng)用CVAAS（冷原子吸收光譜法）、CVAFS（冷蒸汽原子熒光光譜）、AES（原子放射光譜）測量原理。國內(nèi)16家汞監(jiān)測試點(diǎn)燃煤電廠的汞在線連續(xù)監(jiān)測裝置測量原理都是冷蒸汽原子熒光法。它利用汞原子可以吸收254nm的紫外（UV）光變成激發(fā)態(tài)，當(dāng)它衰減到基態(tài)的時候，可以發(fā)出相同波長的紫外（熒）光。當(dāng)激發(fā)態(tài)的汞原子衰減到基態(tài)時，它們發(fā)出的UV光是與汞濃度成正比的。汞熒光是通過一個對可見光無效的光電倍增管（PMT）來檢測的，光電倍增管與激發(fā)光線成垂直角度，光電倍增管就可以檢測到衰減汞原子放出的UV光，從而測得汞元素含量。

四、冷蒸汽原熒光法煙氣汞排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)

煙氣汞排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)（Mercury Continuous Emission Monitoring System，Hg-CEMS） 是指連續(xù)采集和測試煙氣汞污染物排放濃度和排放量所需要的全部設(shè)備。一般煙氣汞在線監(jiān)測儀用裝有顆粒物過濾裝置的采樣探頭將煙氣從煙道或煙囪中抽取出來后，用伴熱管線將Hg0和經(jīng)過轉(zhuǎn)換器將Hg2+，送至汞分析儀器，分析出的數(shù)據(jù)又直接被傳輸?shù)綌?shù)采儀記錄、儲存。

1.煙氣汞在線監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成及原理

國內(nèi)31家汞監(jiān)測試點(diǎn)燃煤電廠的汞監(jiān)測設(shè)備均為美國熱電賽默飛世爾科技的80i系列設(shè)備，其汞自主系統(tǒng)包括一個汞探頭（83i模塊），一個汞探頭控制器（82i模塊），一個汞校準(zhǔn)儀（81i模塊），和一個汞分析儀（80i模塊），以及零氣、伴熱管線等外圍輔助設(shè)備。

1.1 探頭采樣部分

汞采樣探頭主要包括慣性過濾器、稀釋模塊、轉(zhuǎn)換爐等部件，汞連續(xù)在線監(jiān)測的很大一部分難度在于取樣，所以還需要伴熱管線、旁路抽氣組件等輔助部分。煙氣以非常低的表面流速，放射狀的流過管型過濾器的滲透管壁 ，經(jīng)過外殼環(huán)面進(jìn)入，從樣氣管流出，用零氣將樣氣在探頭部分稀釋后通過清洗器或者轉(zhuǎn)換器和加熱（110℃以上）的臍狀管路后送到分析儀。

慣性過濾器：顆粒慣性的沖擊效果將阻止顆粒以氣泡狀高速軸向從沉積物表面流過，或者是滲透進(jìn)可滲透性過濾管壁。低速也可以抑制顆粒滲透進(jìn)可滲透性管壁。

轉(zhuǎn)換爐：運(yùn)行溫度在750°C，轉(zhuǎn)換爐用于分離鹽和汞的氧化物后提供元素汞。在此過程中也提供包含總汞的樣氣。

伴熱管線：分析系統(tǒng)通常只能對干樣品進(jìn)行分析通常采用加熱采樣探頭、加熱樣品傳輸管線的方法防止水份在傳輸過程冷凝，并用經(jīng)凈化的干空氣對樣氣進(jìn)行稀釋。

1.2 分析儀器

80i分析儀只能測量元素汞，所以需要轉(zhuǎn)換爐將Hg2+還原為Hg0，經(jīng)轉(zhuǎn)換的樣氣和未經(jīng)轉(zhuǎn)換的樣氣分開進(jìn)入儀器進(jìn)行測量，即一分鐘測量總汞和一分鐘測量元素汞，從而獲得煙氣中汞的濃度。

圖1.汞分析儀測量原理圖

從汞探頭來的樣品氣被引入到儀器的總汞或元素汞入口（見上圖）。當(dāng)80i模塊采樣總汞的時候，total（總汞）樣品氣經(jīng)過電磁閥S1（常開狀態(tài)）和S3（常開狀態(tài)）進(jìn)入到熒光室。同時，元素汞樣品氣經(jīng)過電磁閥S2（常開狀態(tài)）繞開了熒光室。當(dāng)80i模塊采樣元素汞的時候，elemental（元素汞）樣品氣經(jīng)過電磁閥S2（常閉狀態(tài)）和S3（常開狀態(tài)）進(jìn)入到熒光室。同時，總汞樣品氣經(jīng)過S1（常閉狀態(tài)）繞開了熒光室。當(dāng)檢測氣（total氣或者elemental氣）離開光學(xué)室，經(jīng)過一個流量傳感器會到達(dá)一個外部泵。外部泵是用來抽取樣品氣經(jīng)過儀器，并為儀器創(chuàng)造一個真空的環(huán)境，同時，真空度會由一個壓力傳感器來測量。

1.3校準(zhǔn)儀器

系統(tǒng)可預(yù)設(shè)置校準(zhǔn)程序、時間及校準(zhǔn)類型，用戶根據(jù)不同的需求選擇校準(zhǔn)類型，分別有小孔零點(diǎn)、小孔跨度、儀器零點(diǎn)、儀器跨度、系統(tǒng)零點(diǎn)、系統(tǒng)跨度六種類型。

系統(tǒng)和小孔校準(zhǔn)都能對整個測量回路進(jìn)行校準(zhǔn)。81i 汞校準(zhǔn)儀是通過控制在一定溫度下的，經(jīng)過滲透的汞蒸氣源產(chǎn)生的游離汞氣流，與無汞的稀釋空氣流混合，產(chǎn)生一種已知濃度的氣態(tài)汞元素，經(jīng)過水化器霧化（防止汞吸附在校準(zhǔn)管道里），送至探頭的臨界小孔，系統(tǒng)校準(zhǔn)從探頭開始，包括系統(tǒng)所有部件直至分析儀器。系統(tǒng)校準(zhǔn)時，汞校準(zhǔn)儀產(chǎn)生的汞標(biāo)氣通過特氟龍管直接送至探頭的的臨界小孔或毛細(xì)管，經(jīng)測量回路到達(dá)汞分析儀，從而對整個系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)。

1.4探頭控制器

探頭控制器的主要功能是：

（1）提供一定壓力的、清潔、干燥的壓縮空氣給到83i的探頭引流和反吹氣。

（2）提供潔凈不含汞的零氣到83i的稀釋模塊。

（3）接受80i指令，以及反饋信息回80i；控制探頭、伴熱管線、轉(zhuǎn)換爐溫度。

1.5壓縮空氣系統(tǒng)

汞排放連續(xù)監(jiān)測裝置配備了完善的零氣系統(tǒng)，即引用潔凈的儀用壓縮空氣（>80psi），經(jīng)過Hg-CEMS的濾水、濾油、濾顆粒物、無熱除水器等裝置，以及干燥劑、分子篩、活性炭藥劑處理，成為潔凈的零氣，零氣主要用于零點(diǎn)校準(zhǔn)、小孔零點(diǎn)校準(zhǔn)、儀器零點(diǎn)校準(zhǔn)等。此外，探頭反吹氣、引流氣、稀釋氣源均用此氣源。所以壓縮氣源的穩(wěn)定性，決定了測量數(shù)值的穩(wěn)定性。

2.系統(tǒng)維護(hù)

根據(jù)《固定污染源煙氣汞排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)要求》（試行）、儀器說明書以及國外Hg-CEMS設(shè)備管理經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出以下維護(hù)管理要求。

2.1定期維護(hù)保養(yǎng)

參照《固定污染源煙氣汞排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)安裝、驗(yàn)收和運(yùn)行技術(shù)草案》（試行），為確保Hg-CEMS監(jiān)測數(shù)據(jù)的有效性和可靠性，系統(tǒng)定期維護(hù)保養(yǎng)工作必須合理的安排，且定期進(jìn)行。定期維護(hù)保養(yǎng)的項(xiàng)目有：

（1）每周進(jìn)行儀用壓縮空氣管路過濾器定期排污，防止壓縮空氣品質(zhì)變差，影響儀器的使用壽命；

（2）經(jīng)常清理分析儀后部風(fēng)扇濾網(wǎng)積灰，防止儀器內(nèi)部溫度過高，損壞元件；

（3）定期經(jīng)行探頭的清理，防止探頭堵塞，影響測量的準(zhǔn)確性。

（4）根據(jù)說明書定期更換備件，并且做好備件更換臺賬。如每六個月?lián)Q一次抽氣泵膜，每六個月?lián)Q一次干燥劑、吸附劑。

2.2巡回檢查制度

汞CEMS維護(hù)人員應(yīng)每日對各系統(tǒng)汞CEMS進(jìn)行巡回檢查。日常巡檢以達(dá)到指控目標(biāo)并數(shù)據(jù)不是空準(zhǔn)，巡檢記錄應(yīng)包括檢查項(xiàng)目、檢查日期、被檢項(xiàng)目的運(yùn)行狀態(tài)等內(nèi)容。檢查內(nèi)容主要為各儀表電源、工作狀態(tài)、工作氣源壓力、儀表示值、歷史趨勢等是否正常。

2.3 定期校準(zhǔn)

為了確保儀器測量的準(zhǔn)確性，每周進(jìn)行一次系統(tǒng)零點(diǎn)、跨度校準(zhǔn)，每兩月進(jìn)行一次儀器零點(diǎn)、跨度校準(zhǔn)，并建立相關(guān)的校準(zhǔn)記錄檔案。

3.數(shù)據(jù)信息診斷及報(bào)警分析

為了讓汞監(jiān)測系統(tǒng)正常穩(wěn)定的運(yùn)行，需要監(jiān)測很多的數(shù)據(jù)，來分析設(shè)備的運(yùn)行狀況。正確及時地根據(jù)儀器數(shù)據(jù)和報(bào)警信息分析判斷設(shè)備運(yùn)行狀況，能有效的防止事態(tài)進(jìn)一步惡化，找出設(shè)備不正常的原因。

表2汞分析儀報(bào)警列表

五、結(jié)語

當(dāng)前大部分發(fā)電企業(yè)未加裝汞在線監(jiān)測裝置，不能及時監(jiān)測固定污染源所含重金屬汞元素的含量，而我廠及時加裝汞在線監(jiān)測裝置，在線連續(xù)監(jiān)測煙氣汞排放量，對防治大氣汞污染提供真實(shí)有效地?cái)?shù)據(jù)參考；汞在環(huán)境中具有持久性、易遷移性和高度生物蓄積性，如人體大量吸入汞蒸汽會出現(xiàn)急性汞中毒，無機(jī)汞主要對腎臟、肝臟產(chǎn)生損害，為保障人民群眾身體健康，汞排放監(jiān)測起著積極的作用；中國作為發(fā)展中國家，加上煤多油少的資源結(jié)構(gòu)，燃煤電廠居多，故汞排放量占據(jù)較大比例，針對汞問題具有法律約束力的2013年國際公約談判，在線汞監(jiān)測為該談判提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，做好了前期準(zhǔn)備。一直監(jiān)測煙氣汞排放，有利于發(fā)電企業(yè)做好防止污染的準(zhǔn)備。

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[7]關(guān)于印發(fā)燃煤電廠大氣汞排放監(jiān)測試點(diǎn)工作相關(guān)技術(shù)文件的通知，環(huán)辦函[2011]442號.

作者簡介：嚴(yán)亞夢，女，（1988.10-），重慶，大專，就職于內(nèi)蒙古大唐國際托克托發(fā)電公司。