超低排放機(jī)組協(xié)同脫汞效益研究

王妍艷，陶雷行，陸駿超，劉志超，萬(wàn) 迪

(上海明華電力科技有限公司，上海 200090)

汞是一種會(huì)對(duì)人體健康造成永久性傷害的重金屬污染物[1]，火電機(jī)組由于燃煤消耗量大而成為人為汞的主要排放源之一，2019年我國(guó)火電機(jī)組發(fā)電量50 450億kWh，電力行業(yè)全年耗煤約為22.9億t[2]，據(jù)測(cè)算我國(guó)煤中平均汞含量為159～220 ng/g，以190 ng/g計(jì)算，全年燃煤機(jī)組汞輸入量為435 t，如果不經(jīng)過(guò)污染物控制設(shè)備進(jìn)行脫除，這些汞將大部分隨煙氣排入大氣環(huán)境。

GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》已經(jīng)正式對(duì)汞排放濃度提出要求，限值設(shè)定與當(dāng)時(shí)的歐盟標(biāo)準(zhǔn)水平相當(dāng)，但與現(xiàn)有國(guó)際先進(jìn)水平仍有一定差距[3]，并且已有的汞監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)前的汞排放標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)寬松。隨著環(huán)保要求的日益嚴(yán)格，有必要針對(duì)超低排放改造后的燃煤機(jī)組進(jìn)行汞排放及減排效果測(cè)試，為建立適合我國(guó)國(guó)情的汞監(jiān)測(cè)方法、控制策略提供依據(jù)。本文選用安大略法對(duì)典型機(jī)組煙氣汞的全流程形態(tài)變化和排放濃度進(jìn)行測(cè)試，以掌握超低排放系統(tǒng)汞分布規(guī)律和協(xié)同脫除效果，為超低排放機(jī)組進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)和后續(xù)汞排放標(biāo)準(zhǔn)的制定提供重要參考。

1 燃煤電廠超低排放改造方法研究

燃煤電廠超低排放改造采用的技術(shù)路線各有不同，為全面研究超低排放機(jī)組的協(xié)同脫汞效益，項(xiàng)目選取3臺(tái)典型工藝路線機(jī)組。

測(cè)試機(jī)組A容量為1 000 MW，主要工藝路線為：SCR脫硝→低溫省煤器→低溫電除塵器→低溫省煤器→濕法脫硫→濕式電除塵器→煙氣再熱器；

測(cè)試機(jī)組B容量為1 000 MW，主要工藝路線為：SCR脫硝→高效電除塵器→低溫省煤器→濕法脫硫→煙氣冷卻器→煙氣加熱器；

測(cè)試機(jī)組C容量為600 MW，主要工藝路線為：SCR脫硝→低溫省煤器→低低溫電除塵器→濕法脫硫→煙道除霧器→煙氣再熱器。

在滿負(fù)荷工況下，對(duì)各機(jī)組改造后的低溫電除塵器、高效濕法脫硫裝置、濕式電除塵器及煙氣冷卻器等協(xié)同脫汞效果進(jìn)行測(cè)試。

燃煤電廠煙氣汞以顆粒汞(Hgp)、元素汞(Hg0)及氧化汞(Hg2+)等形態(tài)存在，在排放過(guò)程中受多種因素影響而發(fā)生復(fù)雜的形態(tài)變化，有效的采樣與分析決定了汞測(cè)試的準(zhǔn)確度。項(xiàng)目采用美國(guó)ASTM D6784的安大略方法進(jìn)行煙氣汞的采集[4]，該方法對(duì)采樣管進(jìn)行120℃全程加熱以防止水蒸氣凝結(jié)以及汞在管路上的吸附，煙氣中的顆粒汞被石英濾膜捕集，氣態(tài)氧化汞被3個(gè)裝有KCl的吸收瓶捕集，氣態(tài)元素汞被裝有HNO3/H2O2和H2SO4/KMnO4的4個(gè)吸收瓶捕集。采樣結(jié)束后，附著在石英濾膜上的顆粒汞采用熱解氣化冷原子吸收分光光度法進(jìn)行分析，吸收液中的汞采用高錳酸鉀和過(guò)硫酸鉀消解后再進(jìn)行含量分析。

2 結(jié)果討論

2.1 燃煤汞含量

燃煤電廠煙氣中汞含量受到多種因素的影響，主要是煤種、燃燒性質(zhì)、污染物控制設(shè)備等。對(duì)3臺(tái)測(cè)試機(jī)組的入爐煤進(jìn)行工業(yè)分析和汞含量測(cè)試，結(jié)果如表1所示。3臺(tái)機(jī)組的燃煤中汞含量分別為58.81，47.72，42.95 ng/g，低于我國(guó)159～220 ng/g的煤中平均汞含量，根據(jù)MT/T 963—2005《煤中汞含量分級(jí)》的規(guī)定，均屬于特低汞煤。

表1 各機(jī)組入爐煤煤質(zhì)分析

2.2 汞的生成與排放分析

在燃煤鍋爐燃燒條件下，煤中的汞幾乎全部揮發(fā)出來(lái)，并以Hg0的穩(wěn)定形態(tài)存在于煙氣中，只有約2%的汞殘留在底灰中。隨著煙氣進(jìn)入省煤器、SCR反應(yīng)器及空氣預(yù)熱器，煙氣溫度逐漸降低，在多種催化作用下，部分Hg0與煙氣中的氧化性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)形成Hg2+，也有部分Hg0吸附或凝結(jié)于飛灰顆粒表面而形成Hgp。Hg2+，Hgp在煙氣總汞中所占比例影響著煙氣汞的脫除效率，Hg0的穩(wěn)定性好、水溶性低，難以被濕法脫硫等設(shè)備脫除，Hg2+易溶于水，也易與顆粒表面物質(zhì)反應(yīng)或吸附，使汞在后續(xù)設(shè)備中被脫除[5]。煤中的氯、溴等鹵素的存在以及脫硝催化劑等有利于Hg0轉(zhuǎn)化為Hg2+，煤中灰分含量也影響著煙氣中汞形態(tài)的分布，煙氣中Hgp的含量隨著灰分含量的升高而增大，同時(shí)飛灰中的金屬氧化物等對(duì)汞的氧化具有促進(jìn)作用，從而對(duì)后續(xù)系統(tǒng)中汞的脫除產(chǎn)生積極影響。

滿負(fù)荷工況下，對(duì)A，B，C 這3臺(tái)機(jī)組的汞排放濃度進(jìn)行測(cè)定，結(jié)合前期已掌握的其他6臺(tái)機(jī)組汞排放數(shù)據(jù)，對(duì)超低排放改造后的機(jī)組汞排放水平進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如圖1所示。

圖1 燃煤機(jī)組超低改造后汞排放濃度

由圖1可知，各電廠Hg排放濃度為1.06～3.13 μg/m3，平均濃度為1.77 μg/m3。而在超低改造以前，部分檢測(cè)顯示排放濃度為7 μg/m3，總汞脫除效率為67.9%～88.7%。所測(cè)超低排放改造后機(jī)組汞排放水平均遠(yuǎn)小于GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的燃煤電廠煙氣中汞及其化合物排放限值0.03 mg/m3，但與美國(guó)2011年12月出臺(tái)的《汞和空氣有毒物質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)燃用非低階煤的新建機(jī)組規(guī)定的0.42 μg/m3煙氣汞排放限值相比，仍有一定減排需求。因此，研究超低系統(tǒng)污染物控制設(shè)備對(duì)各種形態(tài)Hg的轉(zhuǎn)化及脫除效果，對(duì)進(jìn)一步提高脫汞效率具有重要意義。

2.3 電除塵器協(xié)同脫汞效果分析

分別對(duì)3臺(tái)機(jī)組電除塵器進(jìn)、出口煙氣中不同形態(tài)汞進(jìn)行采樣分析，結(jié)果如表2所示。

表2 電除塵器進(jìn)出口煙氣汞濃度

A，B，C這3臺(tái)機(jī)組電除塵器進(jìn)口總汞含量分別為9.35，5.07，4.95 μg/m3，Hg2+占比依次為50.9%，39.6%和31.1%。文獻(xiàn)[5]分別對(duì)電廠汞排放進(jìn)行了全面測(cè)量，發(fā)現(xiàn)煙氣中汞形態(tài)隨煤種不同而不同，煙煤、無(wú)煙煤和褐煤燃燒產(chǎn)生的煙氣中，氧化汞占比分別為35%，20%和10%，元素汞占比分別為20%，65%和85%。本項(xiàng)目測(cè)試的3臺(tái)機(jī)組燃煤以煙煤摻混褐煤為主，其電除塵進(jìn)口Hg2+占比均高于10%，一方面可能受鍋爐燃燒特性影響，另一方面由于3臺(tái)機(jī)組在電除塵器前均安裝有SCR脫硝裝置，在催化作用下，煙氣中Hg0更易被催化氧化。

在電除塵器出口，A，B，C這三臺(tái)機(jī)組總汞含量分別降低為7.05，3.38,3.69 μg/m3，電除塵器的總汞脫除率分別為24.6%，33.3%，25.4%。從3種形態(tài)汞占比的變化中可以發(fā)現(xiàn)，電除塵器對(duì)Hgp具有較好的脫除效果，可以去除大部分的Hgp，入口煙氣中Hgp含量越高，電除塵器的脫汞效率也會(huì)越高。對(duì)Hg0和Hg2+的脫除效率相對(duì)較低，其中Hg0脫除效率分別為19.1%，18.8%和9.6%，Hg2+脫除效率分別為23.3%，30.8%和29.2%。超低排放改造中通常在電除塵器前加裝低溫省煤器，而低低溫電除塵器在提高除塵效率的同時(shí)，對(duì)汞的協(xié)同脫除能力也得到提高。文獻(xiàn)[6-7]中的檢測(cè)認(rèn)為，燃煤煙煤的低低溫電除塵器脫汞效率為0～68%，荷蘭研究者認(rèn)為低低溫電除塵器脫汞效率在50%左右。

2.4 石灰石/石膏濕法脫硫裝置協(xié)同脫汞效果分析

石灰石—石膏濕法脫硫技術(shù)是我國(guó)最常采用的脫硫方法，由于Hg2+極易溶于水且化學(xué)性質(zhì)活潑，因而容易被濕法脫硫裝置去除[8]。在滿負(fù)荷下對(duì) 3臺(tái)機(jī)組脫硫進(jìn)、出口煙氣中不同形態(tài)汞濃度進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果如圖2所示。

圖2 濕法脫硫?qū)拿摮Ч?/p>

在A，B，C這3臺(tái)機(jī)組脫硫系統(tǒng)中，總汞分別由7.05，3.38和3.69 μg/m3降低至2.60，1.54和1.75 μg/m3，脫硫裝置對(duì)汞的脫除率分別為63.1%，54.4%和52.6%。

從圖2中可以看出，脫硫裝置對(duì)Hg2+有較強(qiáng)的脫除效果，3臺(tái)機(jī)組的Hg2+脫除率分別達(dá)到85.2%，84.9%，76.1%。文獻(xiàn)[9]對(duì)300 MW機(jī)組測(cè)試表明，濕法脫硫系統(tǒng)對(duì)Hg2+的脫除效率為79.93%～90.53%。文獻(xiàn)[10]對(duì)燃煤電廠污染物控制裝置進(jìn)出口煙氣汞實(shí)地采樣測(cè)試結(jié)果表明，濕法脫硫?qū)g2+的脫除效率為69.66%，均與本次測(cè)試結(jié)果相符。而Hg0不易溶于水，其在脫硫系統(tǒng)中的脫除效果并不顯著，本次測(cè)試3臺(tái)機(jī)組Hg0脫除率分別為29.7%，33.2%和39.2%。脫硫入口煙氣中Hgp濃度水平較低，經(jīng)脫硫漿液洗滌后出口Hgp濃度低于檢出限。分析顯示脫硫系統(tǒng)對(duì)汞的脫除能力較強(qiáng)，而總汞脫除率主要由煙氣中Hg2+的占比決定，燃煤煙氣協(xié)同脫汞技術(shù)主要就是通過(guò)噴射氧化劑等辦法將Hg0轉(zhuǎn)化為Hg2+，再通過(guò)脫硫裝置協(xié)同脫除。

2.5 濕式電除塵器協(xié)同脫汞效果分析

A機(jī)組在脫硫出口安裝臥式、板式濕式電除塵器作為末端排放控制設(shè)施，采用安大略法對(duì)濕式電除塵器脫汞效果進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果如圖3所示。濕式電除塵器進(jìn)口煙氣中總汞濃度為2.60 μg/m3，其中Hg0占比79.2%，經(jīng)過(guò)濕式電除塵后，Hg2+幾乎全部被脫除，煙氣中總汞濃度降至1.06 μg/m3，總汞脫除效率為59.2%，Hg0脫除效率為48.5%。濕式電除塵器對(duì)汞的脫除由其工作原理所決定，區(qū)別于干式電除塵的振打清灰方式，濕式電除塵器收塵極板上的荷電粉塵是隨噴淋系統(tǒng)沖洗水流入灰斗排除的，這種清灰方式不僅避免了二次揚(yáng)塵，獲得了更高的除塵效率，而且沖洗水形成的連續(xù)水膜還可以同時(shí)帶走水溶性較好的Hg2+，起到協(xié)同脫汞的作用。

圖3 濕式電除塵器對(duì)汞的脫除效果

2.6 煙氣冷卻器協(xié)同脫汞效果分析

B機(jī)組在脫硫吸收塔后增設(shè)煙氣冷卻器，利用江水對(duì)煙氣進(jìn)行冷卻，從而實(shí)現(xiàn)回收冷凝水，緩解有色煙羽、消除石膏雨的目的。為研究煙氣冷凝對(duì)汞的協(xié)同脫除效果，對(duì)B機(jī)組煙氣冷卻器進(jìn)出口汞濃度進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果如圖4所示。從圖4中可以看出，經(jīng)過(guò)煙氣冷卻器后，煙氣中汞以Hg0的形式排放，總汞濃度由1.54 μg/m3降低為1.09 μg/m3，煙氣冷卻器脫汞效率為29.2%，Hg0的脫除效率為18.0%。同時(shí)對(duì)煙氣冷凝液進(jìn)行成分分析，結(jié)果顯示冷凝液中汞含量為0.65 μg/L，這也驗(yàn)證了煙氣冷卻器具有一定脫汞效果。

圖4 煙氣冷卻器對(duì)Hg的脫除效果

3 結(jié)語(yǔ)

燃煤機(jī)組的污染物控制設(shè)備都有一定協(xié)同脫汞效果，測(cè)試機(jī)組超低排放改造后電除塵器、濕法脫硫裝置、濕式電除塵器和煙氣冷卻器的總汞脫除效率分別為24.5%～33.3%,52.6%～63.1%,59.2%和29.2%，煙氣汞排放濃度為1.06～ 3.13 μg/m3，總汞脫除效率為67.9%～88.7%。

汞的脫除效率主要受煙氣中汞存在形態(tài)的影響，其中易于被捕集和吸附溶解的Hgp和Hg2+占比的提高有利于汞的脫除，煙氣汞最終主要以Hg0的形態(tài)排入大氣中。

對(duì)于煤中汞含量偏高的機(jī)組，可以進(jìn)一步關(guān)注入爐煤中氯、溴等鹵素含量，提高Hg2+占比，并考慮采用溴劑摻燒-濕法脫硫或低溫段汞吸附劑噴射等脫汞工藝以降低汞排放水平。