燃煤電廠高效協(xié)同脫汞技術(shù)分析

陳辰+田婧+陳勇

摘 要：燃煤電廠汞排放控制是目前國(guó)際上研究的熱點(diǎn)，文章對(duì)燃煤電廠中汞的排放特性進(jìn)行研究，對(duì)脫汞的協(xié)同治理技術(shù)和吸附劑噴射脫除技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)的總結(jié)，可以為燃煤電廠汞排放控制選擇合適的方法提供參考。

關(guān)鍵詞：脫汞；協(xié)同治理；吸附劑

中圖分類號(hào)：X701 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）22-0046-02

引言

燃煤電廠是人為汞排放的重要來源之一，世界各國(guó)已經(jīng)引起了足夠的重視，燃煤電廠汞排放控制技術(shù)包括利用現(xiàn)有的煙氣治理設(shè)備來最大限度地控制電廠的汞排放和針對(duì)汞的專門控制技術(shù)，本文就這兩個(gè)方面的技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)分析。

1 汞排放特性分析

燃煤煙氣中的汞主要有3種存在形態(tài)：元素汞（Hg0）、氧化態(tài)汞（Hg2+）和顆粒態(tài)汞（Hgp）。汞的脫除效率很大程度上依賴于所排放的汞的形態(tài)分布。Hg0絕大部分以氣相的形式排放到大氣中，是煙氣中最難捕獲的汞形態(tài)；氧化態(tài)汞主要以Hg2+的形式存在（如HgC12），易被濕法洗滌系統(tǒng)（如濕法脫硫裝置）所捕獲而脫除；顆粒態(tài)汞（Hgp）指的是能與煙塵粒子結(jié)合的那部分汞，可隨煙氣中的飛灰被除塵裝置捕獲。因此，降低燃煤煙氣中Hg0的比例是提高汞脫除效率的關(guān)鍵。

2 汞脫除技術(shù)方案分析

燃煤電站現(xiàn)有煙氣治理設(shè)備，包括除塵器、SCR脫硝裝置、脫硫裝置和濕式靜電除塵器，對(duì)重金屬元素都有不同程度的直接或間接脫除作用。已有的研究結(jié)果表明，目前的煙氣治理設(shè)備的綜合協(xié)同脫汞率可達(dá)50～90%以上，對(duì)于我國(guó)境內(nèi)的大部分煤種，都可以達(dá)到30μg/Nm3的排放標(biāo)準(zhǔn)，因此，應(yīng)優(yōu)先考慮采用煙氣治理設(shè)備協(xié)同脫除，如無法達(dá)到排放指標(biāo)或者需要達(dá)到更高的排放標(biāo)準(zhǔn)，可以考慮采用吸附劑脫除技術(shù)。

3 汞協(xié)同治理技術(shù)

燃煤電站煙氣治理設(shè)備都對(duì)汞都有不同程度的直接間接脫除作用，汞協(xié)同脫除技術(shù)有除塵器協(xié)同脫除、濕法脫硫協(xié)同脫除和濕式靜電除塵器協(xié)同脫除，具體介紹如下。

3.1 除塵器協(xié)同脫汞

對(duì)易揮發(fā)的重金屬Hg，其脫除效果與顆粒態(tài)汞的存在比例及除塵器的類型相關(guān)。根據(jù)美國(guó) EPA的測(cè)試結(jié)果，靜電除塵器的自然汞脫除率可達(dá)36%，布袋對(duì)汞自然脫除率最高可達(dá)90%。

兩種類型的除塵器（ESP和FF）對(duì)各形態(tài)的汞都具有一定的脫除作用，但兩者脫除的機(jī)理有所差異。在電除塵器中，粉塵荷電向收塵極移動(dòng)，在移動(dòng)過程中粉塵粒子會(huì)與煙氣中各種形態(tài)的汞發(fā)生碰撞，使其附著在粉塵表面，隨粉塵一起被脫除。在布袋除塵器中，其內(nèi)部以及濾袋表面形成粉塵層一方面對(duì)Hg0和Hgp有很好的吸附能力，另外一方面煙氣中的Hg0在粉塵層中通過某些金屬氧化物的催化作用轉(zhuǎn)化為Hg2+，從而提高了汞的脫除效率。

3.2 SCR脫硝裝置協(xié)同脫汞

SCR脫硝裝置本身不具有脫除重金屬的作用，但是在SCR脫硝催化劑的作用下，將NOx轉(zhuǎn)化為N2的同時(shí)，還可以促使煙氣中難以捕集的Hg0氧化為水溶性的Hg2+，Hg2+能在下游的WFGD中被脫除，因此SCR裝置有利于汞的協(xié)同脫除。典型的SCR反應(yīng)溫度下汞的氧化效率為60%-80%。

SCR脫硝裝置對(duì)Hg0的氧化特性與煤中鹵素的含量、硫含量、NH3、SCR脫硝裝置運(yùn)行溫度和催化劑組分等多種因素有關(guān)，其中燃煤中鹵素的含量對(duì)SCR脫硝裝置的汞氧化性能影響顯著。日立公司的研究表明，當(dāng)煙氣中HCl的濃度低于12ppm時(shí)，SCR脫硝裝置的汞氧化性能急劇下降。針對(duì)鹵素含量較低的煤種，采用SCR汞氧化催化劑或者在燃煤中添加鹵族添加劑，可有效提高汞的氧化率。

3.2.1 SCR汞氧化催化劑。日立公司針對(duì)鹵素含量的燃煤，率先開發(fā)了汞氧化SCR催化劑。該催化劑在煙氣鹵化物含量極低的條件下，仍然具有很高的汞氧化能力。目前，國(guó)內(nèi)也已經(jīng)開發(fā)出同類型產(chǎn)品。SCR汞氧化催化劑的用量需根據(jù)煤質(zhì)條件，選擇采用一層或多層SCR汞氧化催化劑。相比常規(guī)SCR催化劑，SCR汞氧化催化劑價(jià)格高20～30%。采用SCR汞氧化催化劑由于不改變?cè)呋瘎訑?shù)，不會(huì)產(chǎn)生額外的運(yùn)行費(fèi)用。

3.2.2 燃煤添加鹵族添加劑。早期的研究表明，煤中的氯促使煙氣中的汞轉(zhuǎn)化為 HgCl2，是煙氣中Hg2+生成的主要途徑，且HgCl2形成的主要?jiǎng)恿W(xué)路徑為原子氯（Cl）和元素汞的直接反應(yīng)，同時(shí)理論和試驗(yàn)研究都表明，Cl2在汞氧化特性上比HCl更活躍。近些年的研究發(fā)現(xiàn)，溴對(duì)汞氧化效果相比氯更為強(qiáng)烈。故目前一般采用含溴化合物作為添加劑，應(yīng)用最為普遍的添加劑是CaBr2，這主要是出于安全性和經(jīng)濟(jì)性的考慮，CaBr2較為便宜且易于處理。溴化方法主要有氣相溴化法和溴鹽浸漬法兩種。前者利用溴蒸汽，可使添加劑到達(dá)固體深層；而后者可采用噴淋的方式，操作簡(jiǎn)單，但只能到達(dá)固體表面層。工程應(yīng)用中，常采用的方法是在輸煤管道和煤粉管道上噴射鹵素的方法。

3.3 脫硫裝置協(xié)同脫汞

濕法脫硫（WFGD）是目前應(yīng)用最為廣泛的燃煤電站脫硫技術(shù)，在中國(guó)燃煤電站所占的比例超過85%。WFGD通過石灰石漿與煙氣之間的氣液兩相反應(yīng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)水溶性Hg2+的脫除，同時(shí)WFGD也能實(shí)現(xiàn)對(duì)煙氣中Hg0的部分脫除。

隨著脫硫標(biāo)準(zhǔn)的提高，脫硫塔內(nèi)噴淋效果得到了大幅地強(qiáng)化，脫硫塔的協(xié)同脫汞能力也會(huì)得到進(jìn)一步提升，有研究發(fā)現(xiàn)常規(guī)WFGD系統(tǒng)對(duì)煙氣中Hg2+脫除效率高達(dá)85%左右，但對(duì)氣態(tài)總汞的脫除效率卻僅為15%左右，Hg0含量不僅沒有下降反而有少量上升，此原因在于部分Hg2+在WFGD中被還原成Hg0。

因此，如何經(jīng)濟(jì)高效地抑制漿液中Hg2+的還原和提高Hg0的脫除率已成為WFGD脫汞技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。在WFGD中，通過在脫硫塔內(nèi)增加氧化劑（如各種氯氧化劑）、以及適當(dāng)降低脫硫塔反應(yīng)溫度，可以提高系統(tǒng)的脫汞效果。

3.4 濕式靜電除塵器協(xié)同脫汞

濕式靜電除塵器也是電除塵器的一種，是直接將水霧噴向電極和電暈區(qū)，水霧在芒刺電極形成的強(qiáng)大的電暈場(chǎng)內(nèi)荷電后分裂進(jìn)一步霧化，通過電場(chǎng)力、荷電水霧的碰撞攔截、吸附凝并作用，共同對(duì)粉塵粒子起捕集作用，最終粉塵粒子在電場(chǎng)力的驅(qū)動(dòng)下到達(dá)集塵極而被捕集。濕式靜電除塵器對(duì)酸霧、有毒重金屬以及PM10和PM2.5有良好的脫除效果。采用WESP對(duì)顆粒汞和氧化汞的脫除效果較明顯，對(duì)元素汞的脫除效率較低。

4 吸附劑噴射脫汞技術(shù)

吸附劑噴射技術(shù)是利用吸附劑對(duì)煙氣中的氣態(tài)重金屬（主要是汞）的吸附作用，將氣態(tài)重金屬轉(zhuǎn)化為顆粒態(tài)，并在除塵設(shè)備中除去，采用的主要吸附劑類型有活性炭吸附劑、非碳基吸附劑，其中已大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的是活性炭吸附劑。

4.1 活性炭噴射技術(shù)

煙道活性炭噴射技術(shù)（ACI）采用活性炭作為吸附劑，是目前脫汞率最高的汞控制技術(shù)。ACI技術(shù)采用的最常規(guī)的活性炭是碳和生物質(zhì)的燃燒產(chǎn)物焦炭?；钚蕴课絼┑拿摮阅苤饕Q于其表面的活性部分和煙氣中鹵素元素（Cl、Br等）的含量。未經(jīng)處理的活性炭的汞脫除能力有限，特別是在燃用低鹵素煤種時(shí)，往往需要大量噴入才能達(dá)到較好的汞脫除效果。為了提高活性炭對(duì)汞的吸附容量及效率，提高脫汞效率，可采用改性活性碳吸附劑，能夠以較小的噴入量達(dá)到較好的控制效果。使用最為廣泛的改性方法是將活性炭表面經(jīng)過鹵素元素處理，得到的產(chǎn)品稱為鹵化活性炭。有研究者在不同的煤種及不同煙氣治理設(shè)備的配置條件下測(cè)試噴射溴化粉末活性炭的脫汞率，脫汞率均在70%以上，最高可達(dá)95%。

4.2 非碳基吸附劑

改性活性炭的使用在帶來高脫汞率的同時(shí)，也帶來了高運(yùn)行成本和飛灰含碳量增加、飛灰再利用品質(zhì)下降的問題。為了改善這一問題，提供經(jīng)濟(jì)有效的技術(shù)選擇，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者都致力于非碳基吸附劑的脫汞性能研究，并且取得了一些研究成果。有研究表明非碳基載體在經(jīng)過活性物質(zhì)改性后，可以獲得較好的脫汞性能，具有較好的發(fā)展?jié)摿?。我?guó)2013年已經(jīng)在國(guó)華三河電廠開展飛灰基改性吸附劑噴射脫汞技術(shù)的試驗(yàn)，該技術(shù)可在現(xiàn)有煙氣治理設(shè)備協(xié)同脫汞基礎(chǔ)上降低汞濃度30%～50%，使綜合脫汞效率達(dá)到75%～90%。

5 汞脫除技術(shù)路線分析

根據(jù)目前的環(huán)保政策，利用現(xiàn)有環(huán)保設(shè)備的協(xié)同治理，就可以滿足汞達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，不需要增加其他附屬設(shè)備。如果煤質(zhì)中的汞含量偏高，或者環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步的提高，可以考慮將向煤中噴入少量的鹵素添加劑，可采用噴淋的方式，在電廠的輸煤皮帶、給煤機(jī)或者輸煤管道和煤粉管道上里加入鹵素溶液，也可直接向鍋爐爐膛內(nèi)噴入鹵素溶液，提高Hg0的氧化率，可以達(dá)到比較好的脫除效果。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)燃煤電廠中汞的排放特性進(jìn)行分析，并從汞的脫除技術(shù)進(jìn)行較為系統(tǒng)的研究和分析，從協(xié)同治理技術(shù)和吸附劑噴射技術(shù)兩個(gè)方面進(jìn)行了具體分析。利用現(xiàn)有環(huán)保設(shè)備對(duì)汞的協(xié)同脫除作用，就可以滿足汞達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，目前不需要增加其他附屬設(shè)備；如果煤質(zhì)中的汞含量偏高，或者環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步的提高，可以考慮將向煤中噴入少量的鹵素添加劑，提高Hg0的氧化率，就可以達(dá)到比較好的脫除效果。

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