鐘晨曦

(神華國(guó)華(北京)電力研究院有限公司，北京100025)

燃煤電廠現(xiàn)有煙氣凈化系統(tǒng)協(xié)同脫汞的效率分析

鐘晨曦

(神華國(guó)華(北京)電力研究院有限公司，北京100025)

討論了煤炭燃燒中汞的狀態(tài)變化，分析了燃煤電廠現(xiàn)有煙氣凈化系統(tǒng)對(duì)汞的協(xié)同脫除效率;認(rèn)為ESP能夠脫除煙氣中幾乎全部顆粒態(tài)汞及部分氧化態(tài)汞和單質(zhì)態(tài)汞，WFGD能夠脫除80%以上的氧化態(tài)汞，WESP能夠脫除煙氣中殘留的大部分顆粒態(tài)汞和氧化態(tài)汞，且能夠脫除部分單質(zhì)態(tài)汞，SCR能夠把40%以上的單質(zhì)態(tài)汞轉(zhuǎn)化為氧化態(tài)汞，從而促進(jìn)ESP、WFGD和WESP的脫汞效率。經(jīng)過(guò)SCR+ESP+WFGD+WESP的協(xié)同脫除后，煙氣中的大部分汞將會(huì)被脫除，汞的排放濃度將大大低于國(guó)家要求的0.03mg/m3的排放標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)大大降低了煙氣中汞污染物的脫除費(fèi)用。

燃煤電廠;協(xié)同脫汞;效率

0 引言

汞是一種有毒的重金屬元素，在自然界分布廣泛，不僅在地殼中廣泛存在，而且在地殼外部的大氣圈、水圈和生物圈中也普遍存在;但相對(duì)而言，自然界汞的含量是微量的，汞的環(huán)境污染多數(shù)是由于人類開發(fā)和使用汞而導(dǎo)致汞的釋放造成的，大氣中汞污染的重要來(lái)源則是燃燒礦物燃料以及汞和有色金屬的冶煉［1－3］。

隨著環(huán)保要求的提高，大氣中汞的污染已引起了政府和公眾的廣泛關(guān)注，新修訂的《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 13223－2011)提出了汞的排放標(biāo)準(zhǔn)，要求燃煤鍋爐的汞及其化合物的排放限值＜0.03mg/m3并將于2015－01－01起開始執(zhí)行。若燃煤電廠設(shè)置專門的脫汞處理設(shè)施，不僅投資大、占用場(chǎng)地，而且增加運(yùn)行、維護(hù)成本和工作量，同時(shí)對(duì)現(xiàn)役電廠進(jìn)行改造的難度也較大;因此，利用燃煤電廠現(xiàn)有煙氣凈化系統(tǒng)達(dá)到協(xié)同脫除汞的目的是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。

1 煤炭燃燒中汞的狀態(tài)轉(zhuǎn)化過(guò)程

汞是稀有分散元素，地殼中汞的平均含量約為77ng/g，但煤炭中汞的含量相對(duì)富集，富集的成因類型主要是低溫?zé)嵋旱V化型和風(fēng)化淋溶富集型［4］。受地質(zhì)條件和成煤環(huán)境等因素影響，汞在不同地區(qū)煤田中分布不均勻，中國(guó)大多數(shù)煤炭中汞的含量在0.1～0.3mg/kg之間，其平均值約為0.19mg/kg［5］。煤炭中汞的賦存狀態(tài)依煤種不同而復(fù)雜多樣，汞的主要賦存狀態(tài)與硫元素相關(guān)［6］;高硫煤中的汞主要賦存在黃鐵礦中，低硫煤中的汞有多種賦存方式，有機(jī)物結(jié)合態(tài)和硫化物結(jié)合態(tài)的汞共同占支配地位，同時(shí)也存在以硅酸鹽結(jié)合態(tài)的汞［5］。

煤炭在燃燒過(guò)程中，煤炭中的汞被徹底蒸發(fā)出來(lái)，在爐膛中高于800℃環(huán)境下幾乎全部轉(zhuǎn)變成氣相單質(zhì)態(tài)汞Hg0并停留在煙氣中。隨著煙氣溫度的下降，煙氣中的汞將發(fā)生一系列物理變化和化學(xué)反應(yīng);有超過(guò)30%的單質(zhì)態(tài)汞Hg0與煙氣中的其他成分發(fā)生反應(yīng)，被氧化生成Hg2+的化合物［6］，部分單質(zhì)態(tài)汞Hg0被飛灰顆粒所吸附或凝結(jié)，形成顆粒狀態(tài)的汞Hgp，但大部分汞仍然以單質(zhì)態(tài)汞Hg0留在氣相中。汞在煙氣中的狀態(tài)分布與煙氣中氯元素關(guān)系密切，在氧化性的煙氣氣氛下，煙氣中氯元素的含量越高，煙氣中Hg2+和Hgp所占的比例就越高［7］。煤炭中的汞在煤炭燃燒后約有2%進(jìn)入底渣，其余的停留在煙氣中以氣態(tài)和固態(tài)兩種形式存在;顆粒態(tài)汞Hgp以固態(tài)形式存在，約占20%;單質(zhì)態(tài)汞Hg0和氧化態(tài)汞Hg2+以氣態(tài)形式存在，占煙氣中總汞的70%以上，其中Hg2+占?xì)鈶B(tài)汞的40%以上［8］。Hg0具有易揮發(fā)和難溶于水的特性，是大氣環(huán)境中汞的主要存在形式。

目前國(guó)內(nèi)燃煤電廠煙氣凈化處理流程普遍采用低氮燃燒+NOx選擇性催化還原+干式靜電除塵+石灰石－石膏濕法脫硫(即SCR+ESP+WFGD)的方式;為了進(jìn)一步提高煙氣的排放標(biāo)準(zhǔn)，降低微細(xì)粉塵、SO3等的排放濃度，國(guó)內(nèi)不少電力公司如神華國(guó)華電力公司等已在新建的火電廠設(shè)計(jì)配備濕式靜電除塵器(WESP)，并啟動(dòng)了對(duì)現(xiàn)役火電廠加裝WESP的改造;低氮燃燒器+SCR+ESP+WFGD+ WESP將會(huì)是燃煤電廠普遍采用的煙氣凈化處理流程。本文將討論研究汞在這些煙氣凈化處理過(guò)程中的狀態(tài)轉(zhuǎn)化和脫除情況，分析其協(xié)同脫除效率。

2SCR對(duì)汞的狀態(tài)轉(zhuǎn)化影響

汞的化合物在環(huán)境溫度高于700～800℃時(shí)處于熱力不穩(wěn)定狀態(tài)，隨之分解而幾乎全部轉(zhuǎn)變?yōu)閱钨|(zhì)態(tài)汞［9］;隨著溫度的降低，煙氣中的汞將與其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。研究表明［10］，煙氣中汞的狀態(tài)分布主要與氯元素含量和溫度有關(guān)，在氧化性氣氛下，氣態(tài)汞在400℃以下時(shí)以HgCl2為主，600℃以上時(shí)以HgO為主。清華大學(xué)陶葉等［11］的研究發(fā)現(xiàn)，隨著煙氣中HCl的濃度增加，其對(duì)汞的氧化性增強(qiáng)，同時(shí)隨著溫度的降低，HCl氧化汞的效果增強(qiáng)，在400℃以下時(shí)增強(qiáng)作用更加明顯。其實(shí)，煙氣中的HCl本身不具備太強(qiáng)的氧化能力，但在較低溫度(430～475℃)時(shí)，煙氣中的HCl會(huì)與O2會(huì)發(fā)生Deacon反應(yīng)［12］。

另外，有研究［13］認(rèn)為，煙氣中的SO2也能促進(jìn)汞的催化氧化，其催化機(jī)理是:SCR催化劑將煙氣中的一部分SO2催化氧化成SO3，然后SO3促進(jìn)了汞的氧化。

氨是還原劑，在SCR催化脫硝過(guò)程中，煙氣中噴入的氨氣無(wú)疑會(huì)抑制汞的氧化，但試驗(yàn)及實(shí)測(cè)證明，從總體上SCR的作用是促進(jìn)了的Hg0向Hg2+轉(zhuǎn)化［14］。對(duì)多個(gè)中國(guó)和美國(guó)的燃煤電廠現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)［15］均表明，經(jīng)過(guò)SCR裝置后，煙氣中約40%以上的Hg0被催化氧化成Hg2+。Hg0轉(zhuǎn)化為Hg2+后易溶于水，有利于被WFGD脫除。

3ESP的協(xié)同脫汞分析

ESP對(duì)汞的脫除主要是利用飛灰對(duì)汞的吸附性，汞被飛灰吸附后隨飛灰一道被ESP脫除。ESP對(duì)顆粒態(tài)汞Hgp的脫除效率很高，接近于100%;煙氣在流經(jīng)ESP時(shí)流速降低、停留時(shí)間增長(zhǎng)，增加了飛灰對(duì)煙氣中氣態(tài)汞的接觸時(shí)間;煙氣中的部分單質(zhì)態(tài)汞和氧化態(tài)汞因此被飛灰中的礦物成分和表面活性基團(tuán)吸附而脫除。東南大學(xué)楊祥花等人［6］的試驗(yàn)研究表明，ESP對(duì)固態(tài)汞的脫除效率為96.5%，對(duì)氣態(tài)汞的脫除效率約為30%，總汞的脫除效率為59.7%。根據(jù)胡長(zhǎng)興等人［16］對(duì)國(guó)內(nèi)幾家燃煤電站鍋爐ESP前后的汞濃度測(cè)試結(jié)果計(jì)算，ESP平均的總汞脫除效率為30%左右。美國(guó)ICR的統(tǒng)計(jì)結(jié)果則表明，冷端ESP和熱端ESP的平均總汞脫除效率分別為27%和4%。

孟素麗［17］和Dunham等［18］等的研究認(rèn)為，氧化態(tài)汞更易被飛灰顆粒所黏附，因此促進(jìn)Hg0向Hg2+的轉(zhuǎn)化有利于提高ESP的脫汞效率。

4WFGD的協(xié)同脫汞分析

煙氣中的Hg2+化合物如HgCl2等是易溶于水的，WFGD能夠?qū)煔庵写蟛糠值腍g2+脫除，但對(duì)單質(zhì)態(tài)汞Hg0的脫除作用則不太明顯，因此，WFGD的脫汞效率主要決定于總汞中Hg2+的比例，即單質(zhì)態(tài)汞Hg0在煙氣中的氧化程度。當(dāng)氧化態(tài)汞Hg2+溶于WFGD的漿液時(shí)，Hg2+與漿液中的硫化物發(fā)生反應(yīng)，生成不溶于水的HgS而得以脫除。單質(zhì)態(tài)Hg0溶于WFGD漿液后，漿液中的HSO和金屬離子等對(duì)Hg2+具有還原作用，可導(dǎo)致Hg2+被還原成Hg0，造成WFGD出口煙氣中的Hg0增加。

因此，為提高WFGD對(duì)汞的脫除效率，需要采取措施提高Hg0到Hg2+的轉(zhuǎn)化而盡量抑制Hg2+還原為Hg0;可以采取的措施有:增加漿液中硫化物的含量(如向WFGD中噴入H2S)，降低煙氣溫度及向漿液中添加氧化性試劑等。如前所述，煙氣經(jīng)過(guò)SCR裝置后，煙氣中約40%以上的Hg0被催化氧化成Hg2+，能有效提高WFGD對(duì)總汞脫除效率［19］。

楊宏曼等［20］對(duì)2臺(tái)500MW煤粉鍋爐配套的WFGD進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，WFGD對(duì)煙氣中的Hg2+脫除效率可高達(dá)89.24%～99.1%;美國(guó)CONSOL能源公司［21］對(duì)安裝了WFGD的電廠進(jìn)行了6種煙煤的煙氣測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，煙氣通過(guò)WFGD后.總的平均脫汞效率為7%～57%，煙氣中氧化態(tài)汞的脫除率可以達(dá)到80%～95%。

李志超等［22］對(duì)國(guó)內(nèi)某臺(tái)安裝了ESP和WFGD的300MW機(jī)組實(shí)測(cè)結(jié)果為:經(jīng)過(guò)ESP后煙氣中顆粒態(tài)汞幾乎全部被脫除，單質(zhì)態(tài)汞和氧化態(tài)汞僅少量被脫除，ESP總汞脫除效率12.77%～17.38%;電除塵器出來(lái)煙氣經(jīng)過(guò)WFGD后，Hg2+含量顯著降低，Hg0的含量不降反升，WFGD總汞的脫除效率為9.68%～29.36%;ESP+WFGD對(duì)煙氣總汞的脫除效率為25.38%～38.38%，最終排入大氣中的汞以單質(zhì)態(tài)汞為主，另含少量的氧化態(tài)汞。

滕敏華［23］對(duì)國(guó)內(nèi)某臺(tái)安裝了SCR的660MW機(jī)組實(shí)測(cè)結(jié)果為:當(dāng)燃煤平均汞含量為0.07μg/g時(shí)，ESP的脫汞率達(dá)77%，WFGD的脫汞率達(dá)13%，經(jīng)過(guò)SCR的氧化、ESP的吸附和WFGD的吸收，煙氣中最后排放的總汞僅為10%左右且主要以Hg0為主。國(guó)華電力公司某燃煤電廠2臺(tái)300MW機(jī)組煙氣經(jīng)ESP和WFGD凈化處理后實(shí)測(cè)的汞排放濃度見表1。

表1300MW機(jī)組煙氣ESP+WFGD凈化實(shí)測(cè)汞排放濃度

5WESP的協(xié)同脫汞分析

WESP與ESP的工作原理相同，包含電暈放電和粉塵荷電、荷電粉塵顆粒的捕集以及沉積的粉塵從集塵極上清除三個(gè)過(guò)程。在WESP中存在飽和霧化水蒸氣，電暈放電后煙氣中霧滴和粉塵荷電，霧滴與粉塵顆粒碰撞凝聚成粒徑更大的顆粒，在電場(chǎng)力的作用下被集塵極捕集;同時(shí)WESP能提供幾倍于干式靜電除塵器的電暈功率，對(duì)于亞微米大小的顆粒包括微細(xì)粉塵、金屬顆粒(如汞)和濕煙氣中的SO3酸霧、液滴等具有很強(qiáng)的捕集能力。因此WESP具有較高的除塵除霧效率，尤其對(duì)亞微米顆粒的微細(xì)粉塵、金屬顆粒(含汞)等脫除效率較高。

2003年在美國(guó)BMP電廠一臺(tái)安裝了WESP的835MW機(jī)組實(shí)測(cè)［24］的WFGD、WESP及WFGD+ WESP聯(lián)合脫汞效率見表2。

表2 美國(guó)BMP電廠835MW機(jī)組WFGD、WESP及WFGD +WESP聯(lián)合脫汞效率

湖南益陽(yáng)電廠在WFGD后加裝有兩電場(chǎng)WESP，經(jīng)WFGD處理后的煙氣中實(shí)測(cè)的總汞脫除效率為57.4%［25］。

6 結(jié)語(yǔ)

燃煤電廠現(xiàn)有煙氣凈化系統(tǒng)ESP、WFGD和WESP對(duì)汞有顯著的脫除作用，充分利用已有的煙氣凈化系統(tǒng)來(lái)協(xié)同脫除汞，可以大大降低汞污染物脫除的費(fèi)用;同時(shí)經(jīng)過(guò)SCR對(duì)汞的氧化、ESP的吸附、WFGD的吸收及WESP的深度脫除后，煙氣中汞的排放濃度將大大低于國(guó)家要求的0.03mg/m3的排放標(biāo)準(zhǔn)。

利用燃煤電廠現(xiàn)有煙氣凈化系統(tǒng)進(jìn)行脫汞，其脫除效率在很大程度上取決于煙氣中汞的狀態(tài)分布;但煙氣中汞的狀態(tài)分布受到煤種、煙氣凈化設(shè)備型式、運(yùn)行參數(shù)等因素的影響，因此脫除效率并不穩(wěn)定。SCR在還原煙氣中氮氧化物的同時(shí)可將煙氣中部分單質(zhì)態(tài)汞氧化成氧化態(tài)汞，這將有利于被ESP和WFGD脫除。ESP能夠脫除煙氣中幾乎全部顆粒態(tài)汞，同時(shí)可脫除部分氧化態(tài)汞和單質(zhì)態(tài)汞，氧化態(tài)汞可能易被飛灰顆粒所黏附而更易被ESP脫除，因此促進(jìn)Hg0向Hg2+的轉(zhuǎn)化有利于提高ESP的脫汞效率。WFGD對(duì)氧化態(tài)汞有較高的脫除效率，預(yù)計(jì)可達(dá)80%以上，但對(duì)單質(zhì)態(tài)汞則沒(méi)有明顯的脫除作用;而且漿液中的HSO和金屬離子等會(huì)把Hg2+還原為Hg0，導(dǎo)致Hg0不降反升，可以通過(guò)降低煙氣溫度、向漿液中加入硫化物(如H2S)及添加氧化性試劑等措施來(lái)抑制Hg2+還原為Hg0并促進(jìn)Hg0向Hg2+的氧化，從而提高WFGD的對(duì)汞的脫除效率。

WESP除了能脫除大部分的顆粒態(tài)汞和氧化態(tài)汞外，還能脫除部分單質(zhì)態(tài)汞，但WESP目前在燃煤電廠中應(yīng)用尚不普遍，WESP脫汞機(jī)理和脫汞效率的試驗(yàn)研究較少，今后隨著WESP在燃煤電廠的廣泛應(yīng)用，需要加強(qiáng)這方面的試驗(yàn)研究工作。

雖然通過(guò)燃煤電廠現(xiàn)有煙氣凈化系統(tǒng)能夠協(xié)同脫除煙氣中大部分的汞，有效控制大氣中汞的環(huán)境污染;但經(jīng)過(guò)ESP、WFGD和WESP協(xié)同脫除的汞污染物從氣態(tài)轉(zhuǎn)移到了飛灰和石膏等固態(tài)產(chǎn)物中，將可能影響飛灰和石膏的品質(zhì)，并且造成汞的二次環(huán)境污染，需要進(jìn)一步研究加以控制。

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Efficiency analysis about synergic mercury removal technology for existing flue－gas cleaning devices of coal－fired power plant

It discusses the state changes of the combustion of coal mercury，analyzed the efficiency of synergic removaling mercury through the Existing Flue－gas Cleaning Devices of Coal－fired power plant;believe that ESP can remove almost all of the particles in the flue gas and partial oxidation of mercury and elemental mercury mercury，WFGD can remove more than 80%of oxidized mercury，WESP able to remove most of the particulate bound mercury and oxidized mercury remaining in the flue gas，and WESP is capable of removing part of the elemental mercury，SCR can converte more than 40%of the be elemental mercury to oxidized mercury，thereby it can promote mercury removal efficiency by ESP，WFGD and WESP.After cooperative removaling through SCR+ESP+WFGD+WESP，most of the mercury in the flue gas will be removed，the concentration of mercury emissions will be significantly lower than national emission standards required by 0.03mg/m3，while it can greatly reduce the cost for mercury removaling of flue gas.

coal－fired power plant;synergic mercury removal;efficiency

X701

B

1674－8069(2015)06－016－04

2015-06-10;

2015-09-17

鐘晨曦(1972-)，男，漢族，江西新余人，環(huán)境工程碩士，主要從事電廠化學(xué)和環(huán)境保護(hù)技術(shù)工作。E－mail:zhongchenxi @sohu.com