燃煤电厂现有烟气净化系统协同脱汞的效率分析

钟晨曦

(神华国华(北京)电力研究院有限公司，北京100025)

燃煤电厂现有烟气净化系统协同脱汞的效率分析

钟晨曦

(神华国华(北京)电力研究院有限公司，北京100025)

讨论了煤炭燃烧中汞的状态变化，分析了燃煤电厂现有烟气净化系统对汞的协同脱除效率;认为ESP能够脱除烟气中几乎全部颗粒态汞及部分氧化态汞和单质态汞，WFGD能够脱除80%以上的氧化态汞，WESP能够脱除烟气中残留的大部分颗粒态汞和氧化态汞，且能够脱除部分单质态汞，SCR能够把40%以上的单质态汞转化为氧化态汞，从而促进ESP、WFGD和WESP的脱汞效率。经过SCR+ESP+WFGD+WESP的协同脱除后，烟气中的大部分汞将会被脱除，汞的排放浓度将大大低于国家要求的0.03mg/m3的排放标准，同时大大降低了烟气中汞污染物的脱除费用。

燃煤电厂;协同脱汞;效率

0 引言

汞是一种有毒的重金属元素，在自然界分布广泛，不仅在地壳中广泛存在，而且在地壳外部的大气圈、水圈和生物圈中也普遍存在;但相对而言，自然界汞的含量是微量的，汞的环境污染多数是由于人类开发和使用汞而导致汞的释放造成的，大气中汞污染的重要来源则是燃烧矿物燃料以及汞和有色金属的冶炼［1－3］。

随着环保要求的提高，大气中汞的污染已引起了政府和公众的广泛关注，新修订的《火电厂大气污染物排放标准》(GB 13223－2011)提出了汞的排放标准，要求燃煤锅炉的汞及其化合物的排放限值＜0.03mg/m3并将于2015－01－01起开始执行。若燃煤电厂设置专门的脱汞处理设施，不仅投资大、占用场地，而且增加运行、维护成本和工作量，同时对现役电厂进行改造的难度也较大;因此，利用燃煤电厂现有烟气净化系统达到协同脱除汞的目的是当前研究的热点。

1 煤炭燃烧中汞的状态转化过程

汞是稀有分散元素，地壳中汞的平均含量约为77ng/g，但煤炭中汞的含量相对富集，富集的成因类型主要是低温热液矿化型和风化淋溶富集型［4］。受地质条件和成煤环境等因素影响，汞在不同地区煤田中分布不均匀，中国大多数煤炭中汞的含量在0.1～0.3mg/kg之间，其平均值约为0.19mg/kg［5］。煤炭中汞的赋存状态依煤种不同而复杂多样，汞的主要赋存状态与硫元素相关［6］;高硫煤中的汞主要赋存在黄铁矿中，低硫煤中的汞有多种赋存方式，有机物结合态和硫化物结合态的汞共同占支配地位，同时也存在以硅酸盐结合态的汞［5］。

煤炭在燃烧过程中，煤炭中的汞被彻底蒸发出来，在炉膛中高于800℃环境下几乎全部转变成气相单质态汞Hg0并停留在烟气中。随着烟气温度的下降，烟气中的汞将发生一系列物理变化和化学反应;有超过30%的单质态汞Hg0与烟气中的其他成分发生反应，被氧化生成Hg2+的化合物［6］，部分单质态汞Hg0被飞灰颗粒所吸附或凝结，形成颗粒状态的汞Hgp，但大部分汞仍然以单质态汞Hg0留在气相中。汞在烟气中的状态分布与烟气中氯元素关系密切，在氧化性的烟气气氛下，烟气中氯元素的含量越高，烟气中Hg2+和Hgp所占的比例就越高［7］。煤炭中的汞在煤炭燃烧后约有2%进入底渣，其余的停留在烟气中以气态和固态两种形式存在;颗粒态汞Hgp以固态形式存在，约占20%;单质态汞Hg0和氧化态汞Hg2+以气态形式存在，占烟气中总汞的70%以上，其中Hg2+占气态汞的40%以上［8］。Hg0具有易挥发和难溶于水的特性，是大气环境中汞的主要存在形式。

目前国内燃煤电厂烟气净化处理流程普遍采用低氮燃烧+NOx选择性催化还原+干式静电除尘+石灰石－石膏湿法脱硫(即SCR+ESP+WFGD)的方式;为了进一步提高烟气的排放标准，降低微细粉尘、SO3等的排放浓度，国内不少电力公司如神华国华电力公司等已在新建的火电厂设计配备湿式静电除尘器(WESP)，并启动了对现役火电厂加装WESP的改造;低氮燃烧器+SCR+ESP+WFGD+ WESP将会是燃煤电厂普遍采用的烟气净化处理流程。本文将讨论研究汞在这些烟气净化处理过程中的状态转化和脱除情况，分析其协同脱除效率。

2SCR对汞的状态转化影响

汞的化合物在环境温度高于700～800℃时处于热力不稳定状态，随之分解而几乎全部转变为单质态汞［9］;随着温度的降低，烟气中的汞将与其他物质发生化学反应。研究表明［10］，烟气中汞的状态分布主要与氯元素含量和温度有关，在氧化性气氛下，气态汞在400℃以下时以HgCl2为主，600℃以上时以HgO为主。清华大学陶叶等［11］的研究发现，随着烟气中HCl的浓度增加，其对汞的氧化性增强，同时随着温度的降低，HCl氧化汞的效果增强，在400℃以下时增强作用更加明显。其实，烟气中的HCl本身不具备太强的氧化能力，但在较低温度(430～475℃)时，烟气中的HCl会与O2会发生Deacon反应［12］。

另外，有研究［13］认为，烟气中的SO2也能促进汞的催化氧化，其催化机理是:SCR催化剂将烟气中的一部分SO2催化氧化成SO3，然后SO3促进了汞的氧化。

氨是还原剂，在SCR催化脱硝过程中，烟气中喷入的氨气无疑会抑制汞的氧化，但试验及实测证明，从总体上SCR的作用是促进了的Hg0向Hg2+转化［14］。对多个中国和美国的燃煤电厂现场实测［15］均表明，经过SCR装置后，烟气中约40%以上的Hg0被催化氧化成Hg2+。Hg0转化为Hg2+后易溶于水，有利于被WFGD脱除。

3ESP的协同脱汞分析

ESP对汞的脱除主要是利用飞灰对汞的吸附性，汞被飞灰吸附后随飞灰一道被ESP脱除。ESP对颗粒态汞Hgp的脱除效率很高，接近于100%;烟气在流经ESP时流速降低、停留时间增长，增加了飞灰对烟气中气态汞的接触时间;烟气中的部分单质态汞和氧化态汞因此被飞灰中的矿物成分和表面活性基团吸附而脱除。东南大学杨祥花等人［6］的试验研究表明，ESP对固态汞的脱除效率为96.5%，对气态汞的脱除效率约为30%，总汞的脱除效率为59.7%。根据胡长兴等人［16］对国内几家燃煤电站锅炉ESP前后的汞浓度测试结果计算，ESP平均的总汞脱除效率为30%左右。美国ICR的统计结果则表明，冷端ESP和热端ESP的平均总汞脱除效率分别为27%和4%。

孟素丽［17］和Dunham等［18］等的研究认为，氧化态汞更易被飞灰颗粒所黏附，因此促进Hg0向Hg2+的转化有利于提高ESP的脱汞效率。

4WFGD的协同脱汞分析

烟气中的Hg2+化合物如HgCl2等是易溶于水的，WFGD能够将烟气中大部分的Hg2+脱除，但对单质态汞Hg0的脱除作用则不太明显，因此，WFGD的脱汞效率主要决定于总汞中Hg2+的比例，即单质态汞Hg0在烟气中的氧化程度。当氧化态汞Hg2+溶于WFGD的浆液时，Hg2+与浆液中的硫化物发生反应，生成不溶于水的HgS而得以脱除。单质态Hg0溶于WFGD浆液后，浆液中的HSO和金属离子等对Hg2+具有还原作用，可导致Hg2+被还原成Hg0，造成WFGD出口烟气中的Hg0增加。

因此，为提高WFGD对汞的脱除效率，需要采取措施提高Hg0到Hg2+的转化而尽量抑制Hg2+还原为Hg0;可以采取的措施有:增加浆液中硫化物的含量(如向WFGD中喷入H2S)，降低烟气温度及向浆液中添加氧化性试剂等。如前所述，烟气经过SCR装置后，烟气中约40%以上的Hg0被催化氧化成Hg2+，能有效提高WFGD对总汞脱除效率［19］。

杨宏曼等［20］对2台500MW煤粉锅炉配套的WFGD进行了现场测试。试验结果发现，WFGD对烟气中的Hg2+脱除效率可高达89.24%～99.1%;美国CONSOL能源公司［21］对安装了WFGD的电厂进行了6种烟煤的烟气测试，测试结果表明，烟气通过WFGD后.总的平均脱汞效率为7%～57%，烟气中氧化态汞的脱除率可以达到80%～95%。

李志超等［22］对国内某台安装了ESP和WFGD的300MW机组实测结果为:经过ESP后烟气中颗粒态汞几乎全部被脱除，单质态汞和氧化态汞仅少量被脱除，ESP总汞脱除效率12.77%～17.38%;电除尘器出来烟气经过WFGD后，Hg2+含量显著降低，Hg0的含量不降反升，WFGD总汞的脱除效率为9.68%～29.36%;ESP+WFGD对烟气总汞的脱除效率为25.38%～38.38%，最终排入大气中的汞以单质态汞为主，另含少量的氧化态汞。

滕敏华［23］对国内某台安装了SCR的660MW机组实测结果为:当燃煤平均汞含量为0.07μg/g时，ESP的脱汞率达77%，WFGD的脱汞率达13%，经过SCR的氧化、ESP的吸附和WFGD的吸收，烟气中最后排放的总汞仅为10%左右且主要以Hg0为主。国华电力公司某燃煤电厂2台300MW机组烟气经ESP和WFGD净化处理后实测的汞排放浓度见表1。

表1300MW机组烟气ESP+WFGD净化实测汞排放浓度

5WESP的协同脱汞分析

WESP与ESP的工作原理相同，包含电晕放电和粉尘荷电、荷电粉尘颗粒的捕集以及沉积的粉尘从集尘极上清除三个过程。在WESP中存在饱和雾化水蒸气，电晕放电后烟气中雾滴和粉尘荷电，雾滴与粉尘颗粒碰撞凝聚成粒径更大的颗粒，在电场力的作用下被集尘极捕集;同时WESP能提供几倍于干式静电除尘器的电晕功率，对于亚微米大小的颗粒包括微细粉尘、金属颗粒(如汞)和湿烟气中的SO3酸雾、液滴等具有很强的捕集能力。因此WESP具有较高的除尘除雾效率，尤其对亚微米颗粒的微细粉尘、金属颗粒(含汞)等脱除效率较高。

2003年在美国BMP电厂一台安装了WESP的835MW机组实测［24］的WFGD、WESP及WFGD+ WESP联合脱汞效率见表2。

表2 美国BMP电厂835MW机组WFGD、WESP及WFGD +WESP联合脱汞效率

湖南益阳电厂在WFGD后加装有两电场WESP，经WFGD处理后的烟气中实测的总汞脱除效率为57.4%［25］。

6 结语

燃煤电厂现有烟气净化系统ESP、WFGD和WESP对汞有显著的脱除作用，充分利用已有的烟气净化系统来协同脱除汞，可以大大降低汞污染物脱除的费用;同时经过SCR对汞的氧化、ESP的吸附、WFGD的吸收及WESP的深度脱除后，烟气中汞的排放浓度将大大低于国家要求的0.03mg/m3的排放标准。

利用燃煤电厂现有烟气净化系统进行脱汞，其脱除效率在很大程度上取决于烟气中汞的状态分布;但烟气中汞的状态分布受到煤种、烟气净化设备型式、运行参数等因素的影响，因此脱除效率并不稳定。SCR在还原烟气中氮氧化物的同时可将烟气中部分单质态汞氧化成氧化态汞，这将有利于被ESP和WFGD脱除。ESP能够脱除烟气中几乎全部颗粒态汞，同时可脱除部分氧化态汞和单质态汞，氧化态汞可能易被飞灰颗粒所黏附而更易被ESP脱除，因此促进Hg0向Hg2+的转化有利于提高ESP的脱汞效率。WFGD对氧化态汞有较高的脱除效率，预计可达80%以上，但对单质态汞则没有明显的脱除作用;而且浆液中的HSO和金属离子等会把Hg2+还原为Hg0，导致Hg0不降反升，可以通过降低烟气温度、向浆液中加入硫化物(如H2S)及添加氧化性试剂等措施来抑制Hg2+还原为Hg0并促进Hg0向Hg2+的氧化，从而提高WFGD的对汞的脱除效率。

WESP除了能脱除大部分的颗粒态汞和氧化态汞外，还能脱除部分单质态汞，但WESP目前在燃煤电厂中应用尚不普遍，WESP脱汞机理和脱汞效率的试验研究较少，今后随着WESP在燃煤电厂的广泛应用，需要加强这方面的试验研究工作。

虽然通过燃煤电厂现有烟气净化系统能够协同脱除烟气中大部分的汞，有效控制大气中汞的环境污染;但经过ESP、WFGD和WESP协同脱除的汞污染物从气态转移到了飞灰和石膏等固态产物中，将可能影响飞灰和石膏的品质，并且造成汞的二次环境污染，需要进一步研究加以控制。

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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

钟晨曦(1972-)，男，汉族，江西新余人，环境工程硕士，主要从事电厂化学和环境保护技术工作。E－mail:zhongchenxi @sohu.com