燃煤电厂汞排放控制技术研究

何淑仲

(国核电力规划设计研究院，北京 100095)

燃煤电厂汞排放控制技术研究

何淑仲

(国核电力规划设计研究院，北京 100095)

近年来，燃煤电厂烟气中的汞成为继SO2、NOx和烟尘之后又一公认的大气环境污染物，我国已正式立法控制燃煤电厂汞排放，这使得燃煤电厂汞排放技术的研究迫在眉睫。不同形态汞的理化性质不同，元素态汞(Hg0)较之氧化态汞(Hg2+)和颗粒态汞(Hgp)更难去除，因此，脱汞的前提是提高Hg0的氧化率。介绍并简单分析了目前国内外已有的汞排放控制技术:燃烧前控制(清洁燃煤发电技术)、燃烧中控制(煤基添加剂技术和炉膛喷射技术)，和燃烧后控制(利用现有的烟气控制设备协同控制)，并对我国脱汞技术发展方向提出了展望。

燃煤电厂;汞排放;控制技术

0 引言

煤作为一种重要的一次能源，其燃烧产物会对环境造成严重的破坏。燃煤电厂排放的SO2、NOx和烟尘是公认的重要大气环境污染物。然而，近年来，人们逐渐注意到煤燃烧过程中产生的有害重金属元素对环境有较大的影响，其中汞就是危害极大的元素之一。汞是一种具有剧毒性、挥发性和累积性的持久性污染物，也是一种全球性循环元素。大气中的汞可以通过呼吸作用随气体进入人体，也可以沿食物链通过消化系统被人体吸收，对人体危害极大。在美国和欧洲，燃煤产生的汞对环境和人类的危害已经引起了高度重视。美国1990年清洁空气行动修正案(CAAA)中将汞定为189种大气有害污染物之一。

汞对环境造成的污染主要来源于天然和人为两方面。其中人为排放约占75%，而燃煤是人为排放汞的最主要来源，通过煤燃烧释放的汞约占人为排放总量的60%［1］。美国环保局(EPA)提出，燃煤电站是对人体危害最大的汞排放污染源。EPA在对电厂有害污染物(HAP)排放进行风险评估时将汞作为关注的焦点。2005年3月，美国颁布法规控制燃煤电厂汞污染物的排放，成为世界上首个针对燃煤电厂汞排放实施控制的国家。

我国是一个产煤大国，每年的煤炭消耗量在20亿吨左右，其中70%以上用做燃煤发电［2］。世界范围内煤中汞含量一般在0．012～0．33mg/kg，平均汞含量约为0．13mg/kg，而我国煤中汞的平均含量为0．22mg/kg［3］。加之中国燃煤技术普遍落后，燃煤释放的汞对生态环境的污染更为严重。在我国，每年因燃煤所排放的汞约占人为排放量的40%左右［4］。我国将成为一个重要的全球人为汞排放源，因此对燃煤烟气中汞的排放加以控制已成为中国面临的重要环境问题。

中国对汞污染物控制研究从20世纪90年代末开始。2010年，环保部会同发改委等部门制定了《金属污染综合整治实施方案》，相关的标准编制工作相继展开。2011年，环保部和国家质量监督检验检疫总局联合发布了《火电厂大气污染物排放标准》(GB 13223－2011)，该标准将汞及其化合物列入电厂燃煤锅炉烟气排放控制指标，于2015年1月1日起执行。这正式确立了燃煤电厂汞排放控制的法律地位。然而，燃煤电厂汞排放的控制仍处于起步阶段，防治技术的研究将是下一步工作的重点。

1 汞排放形态及特点

燃煤烟气中的汞主要以3种形态存在:零价汞(Hg0)，氧化态汞(Hg2+)和颗粒态汞(Hgp)。任何形态的汞对人类健康和环境都有直接或间接的危害。而不同形态的汞由于具有不同的物理和化学性质，直接影响到它们的分布和迁移转化。

气态氧化态汞(Hg2+)易溶于水且易附着在颗粒物上，因此燃煤锅炉产生的氧化态汞或许可以被常规的污染物控制设备除去，例如湿式烟气脱硫装置、惯性除尘器、静电除尘器或布袋除尘器;颗粒态汞(Hgp)易于被除尘设备收集，且其在大气中的停留时间很短;而元素态汞(Hg0)由于极易挥发且难溶于水，很难被烟气脱硫装置、颗粒物控制系统捕获，因此燃煤电厂产生的元素态汞几乎全部排放到大气中，对环境造成危害。因此，研究燃煤电厂烟气中汞的形态分布对研究汞的大气排放规律，甚至通过控制某种形态汞的生成而控制其排放，都有至关重要的意义。

研究表明，煤中氯元素的含量对汞的形态分布有重要影响，随着燃煤中氯元素的含量的增加，烟气中氧化汞的份额也呈现明显的增加趋势［5］。原因可能是:在高温烟气中氯以原子形态存在，氯原子与汞发生快速反应，使汞由元素态向氧化态转化。另一研究表明，当煤中氯的含量小于0．5g/kg时，烟气中汞的主要组分为Hg0，随后Hg0在低温时氧化成HgO(g)。当煤中汞的含量增加到1g/kg或更高时，低温时汞的主要组分是HgCl2(g)，而HgCl2(g)在水中具有较高的溶解度，在湿法脱硫系统中可以从烟气中脱除［6］。

2 目前国内外汞排放控制技术现状

目前国内外已有的汞排放控制技术大致可分为三类:燃烧前控制、燃烧中控制和燃烧后控制。

2．1 燃烧前控制技术

燃烧前控制即采用清洁燃煤发电技术，对新建机组优先选用超临界、超超临界发电技术，以及多种新型、高效、低污染发电技术。对现役机组则应加强燃料控制，尽可能采用低汞煤;通过节能减排技术改造提高发电效率，降低煤耗，以减少汞的排放［7］。

2．2 燃烧中控制技术

燃烧中控制主要包括煤基添加剂技术和炉膛喷射技术［8］。通过在电厂输煤皮带上或给煤机里加入CaBr2溶液等卤素添加剂，或直接向炉膛喷射卤素氧化剂氧化，可以促进Hg0向Hg2+的转化，从而提高后续脱硫或除尘系统对汞的捕集和洗涤。这种技术对装备了选择性催化还原脱硝(SCR)装置和脱硫装置的燃煤电厂脱汞效果好，成本低。而且由于加入煤里的溴相对于煤里本身含有的氯很少，所以不会加重卤化盐对锅炉的腐蚀。

2．3 燃烧后控制技术

燃烧后控制主要是利用活性炭、飞灰、钙基吸收剂以及一些新型吸收、吸附剂来吸收、吸附烟气中的汞。目前，国内外常用布袋除尘器(FF)或静电除尘器(ESP)去除飞灰，利用湿式脱硫(WFGD)装置脱除烟气中 SO2，脱硝主要为选择性催化还原法(SCR)和选择性非催化还原法(SNCR)法。目前还没有专门针对脱汞的成熟技术，而且若采用分级处理汞，不仅投资额大，占用空间，而且不适合老电厂的改造，因此主要是利用现有的烟气控制设备实现协同控制。

FF或ESP只能去除被飞灰吸附的Hgp，因此传统的除尘器对汞的去除效果并不明显。基于FF或ESP的吸附剂喷入技术是国外目前较广泛应用的汞排放控制技术。通过除尘器前喷射吸附剂，吸附剂吸附汞后与烟尘一起被除尘器捕集，此举可使烟气汞脱除率高达90%以上［9］。目前此脱汞技术存在活性炭吸附剂价格昂贵的缺点，廉价吸附剂(如飞灰和钙基吸附剂)的应用还有待进一步深入研究。

据美国能源部和EPRI在电站进行的现场测试，WFGD系统对烟气中总汞的脱除效率在10%～80%之间［10］。其中Hg2+的去除率可达到80% ～95%，不溶性的Hg0去除率几乎为0［9］。因此，WFGD系统的除汞效率主要取决于单质汞和二价汞的比例。实际上，烟气中的Hg2+溶于浆液后，SO2－3、和金属离子(Fe2+、Mn2+、Ni2+、Co2+、Sn2+)对Hg2+具有还原作用，可导致近8%的Hg2+被还原成Hg0，从而造成WFGD出口烟气中Hg0增加，这将成为WFGD作为多污染控制装置的应用的潜在障碍。在不影响WFGD系统正常脱硫运行的同时，通过提高烟气中二价汞的比例而改善系统的脱汞性能已经成为WFGD系统脱汞研究的重点。这方面的尝试有很多，比如通过提高烟气含湿量促进单质汞的氧化，从而提高WFGD系统的脱汞效率［10］;向脱硫液中添加KMnO4、Fenton试剂、K2S2O8/CuSO4等添加剂，通过氧化或催化作用促进单质汞的氧化，从而提高WFGD系统的脱汞效率［10］;通过向脱硫塔喷射除汞稳定剂(例如H2S)，使之与烟气中的汞形成HgS，经沉淀后将大部分汞隔离成不可溶的固体物质，防止汞的二次溢出［9］。

随着NOx排放标准的严格，燃煤电厂开始普遍采用SCR烟气脱硝技术。SCR装置本身对汞没有明显的直接脱除作用，但是SCR在脱硝的同时，能够促进Hg0氧化成Hg2+，从而提高后续装置对汞的去除率。通常情况下，NH3可抑制Hg0的氧化;提高烟气中HCl的含量、降低SCR催化剂空间速度对汞的氧化有促进作用［11］。

以上几种烟气控制设备通常不是单一作业，通过SCR、FF或ESP、WFGD的协同控制，可以达到较好的汞控制效果。

3 结语

不同排放形态的汞具有不同的理化性质，元素态汞(Hg0)较之氧化态汞(Hg2+)和颗粒态汞(Hgp)更难去除，因此，脱汞的前提是提高Hg0的氧化率。目前国内外已有的汞排放控制技术大致可分为三类:燃烧前控制(清洁燃煤发电技术)、燃烧中控制(煤基添加剂技术和炉膛喷射技术)和燃烧后控制(利用现有的烟气控制设备协同控制)。在我国，燃煤电厂汞排放的控制研究还刚刚起步，大多依赖已有设备，照搬国外经验。鉴于我国燃煤中汞含量普遍偏高，燃煤技术比较落，更多适合我国国情的新型脱汞技术还有待开发。

［1］联合国环境规划署技术、工业与经济部．燃煤设施汞减排最佳工艺指南［R］．2011．

［2］樊小鹏，李彩亭，曾光明，等．CuO－CeO2/AC吸附燃煤烟气中元素汞的实验研究［J］．环境工程学报，2010，4(2):393－397．

［3］王起超，沈文国，麻壮伟．中国燃煤汞排放量估算［J］．中国环境科学，1999，19(4):318－321．

［4］Wu Y，Wang S X，Streets D G，et al．Trends in anthropogenic mercury emissions in China from 1995 to 2003［J］．Environmental Science and Technology，2006，40(17):5312－5318．

［5］王运军，段钰锋，杨立国，等．600 MW燃煤电站烟气汞形态转化影响因素分析［J］．热能动力工程，2008，23(4):399－403．

［6］孙丽梅，白艳英．电厂煤燃烧过程中汞的形态分布及迁移转化行为分析［J］．洁净煤技术，2008，14(5):93－95．

［7］许月阳，薛建明，王宏亮，等．火电厂汞污染控制对策探讨［J］．中国电力，2013，46(3):91－94．

［8］刘昕，蒋 勇．美国燃煤火力发电厂汞控制技术的发展及现状［J］．高科技与产业化，2009(3):92－95．

［9］赵毅，马宵颖．现有烟气污染控制设备脱汞技术［J］．中国电力，2009，42(10):77－79．

［10］鲍静静，印华斌，杨林军，等．湿法烟气脱硫系统的脱汞性能研究［J］．动力工程，2009，29(7):664－670．

［11］王运军，魏继平，段钰锋．燃煤电厂现有污染物控制设备对汞形态转化和脱除研究［J］．锅炉技术，2003，44(3)):69－71．

Study on control technique of mercury emission from coal－fired power plants

Recently，mercury emission from coal fired power plants has rosen up as important air pollution like SO2，NOx，and soot．Since the legislation of controlling mercury emission from coal fired power plants in China，research on the control technique becomes urgent．Based on their different physical and chemical characters，element state mercy(Hg0)is more difficult for removing from the smoke，compared with oxidation state mercy (Hg2+)and particulate mercy(Hgp)．Therefore，the precondition of removing mercy is to improve the oxidation percentage of Hg0．Several control techniques of mercury emission are investigated，including，pre－boiler control，in－boiler control，and after－boiler control．Also，the prospect for control technique of mercury emission from coal fired power plants is suggested．

coal－fired power plant;mercury emission;control technique

X701．7

B

1674－8069(2015)03－009－03

2014-12-23;

2015-02-28

何淑仲(1983-)，女，毕业于北京大学，硕士，工程师，注册环评工程师，从事电力环保设计与相关环评工作。E－mail:heshuzhong@snpdri．com