燃煤电厂汞排放分析及控制技术研究

贾海娟，马学礼，王子明，赵斌，王笑飞

(中国电力工程顾问集团西北电力设计院，陕西西安 710075)

燃煤电厂汞排放分析及控制技术研究

贾海娟，马学礼，王子明，赵斌，王笑飞

(中国电力工程顾问集团西北电力设计院，陕西西安 710075)

新的《火电厂大气排放标准》的颁布实施，燃煤电厂汞的排放正式纳入控制标准。针对目前我国燃煤电厂汞排放化学形态转换、排放特征，分析和总结现有污染控制设施对汞协同控制效果，提出适合我国国情的燃煤电厂汞控制技术措施的建议及发展趋势，可有效控制燃煤电厂汞的排放量。

燃煤电厂;汞排放;控制技术

0 引言

燃煤电厂中Hg等痕量元素虽然排放浓度并不高，但是由于痕量元素本身的累积效应以及高毒性，它们也成为污染物控制的主要对象。我国先后4次颁布实施有关燃煤电厂大气污染物的排放标准，标准中均没有设置汞的排放限值，在新的《火电厂大气污染物排放标准》(GB 13223－2011)中增加汞的排放指标。经研究美国、欧盟和德国的火电厂排放标准，确定我国火电厂汞及其化合物排放浓度限值为0.03mg/m3(自2015年1月1日起实施)［1－3］。

随着环保排放标准的日益严格，汞污染防治工作已被纳入电力企业“十二五”规划，《重金属污染综合防治“十二五”规划》和《“十二五”重点区域大气污染联防联控规划》都对燃煤电厂大气汞排放控制工作做了安排。目前汞排放控制对策、燃煤电厂汞形态分布、排放机理及控制技术的研究被提上了议程。

1 燃煤电厂汞排放

1.1 汞在燃煤机组中的化学形态

在燃煤电厂煤燃烧过程中大多数微量元素基本(99%以上)残留在底灰和飞灰中，而汞的熔点为－38.87℃，在常温下具有很强的挥发性，这使它在燃煤过程中与其他微量元素有着不同的化学行为。

在燃煤电厂中，原煤首先进入制粉系统，煤在破碎的过程中产生热量，因此也会有极少量的汞从煤中挥发出来。煤粉中的汞进人炉膛后，在通常的炉膛温度范围内(大约120～1500℃)，绝大部分在火焰温度下转化为单质汞(元素态汞 Hg0)。进入烟气［4］，在经过水冷壁、过热器、再热器和省煤器后，烟气逐步得到冷却，在这个过程中，所有的气相单质汞将会发生以下几种不同的变化:(1)部分气相单质汞被飞灰通过物理吸附、化学吸附和化学反应等几种途径吸收，转化为以颗粒态存在的汞HgP:(2)部分气相单质汞与其他燃烧产物相互作用产生氧化态汞(Hg2+)，这部分汞包括HgC12、HgO、HgSO4和HgS等，含氯物质对气态单质汞的氧化起最主要作用，烟气中的气态二价汞被认为多数为HgC12，气相氯化汞中一部分保持气态，随烟气排出，一部分被飞灰颗粒吸收，形成颗粒态汞;(3)最后一部分气相单质汞保持不变，随烟气排出。

综上所述，烟气中汞主要以颗粒态汞、氧化态汞(Hg2+、Hg+)以及单质汞(Hg0)3种形式存在，这3种形态总称为总汞(HgT)。研究发现，燃烧后飞灰中汞占23.1% ～26.9%，烟气中汞占56.3%～69.7%，进入灰渣的汞仅占约2%［5］。

单质汞Hg0是环境大气中汞的主要形式，它具有较高的挥发性和较低的水溶性，极易在大气中通过长距离的大气运输形成全球性的汞污染，它在大气中的平均停留时间长达半年至两年，是最难控制的形态之一。氧化态汞可以形成许多有机和无机的化合物，氧化态汞的无机化合物比较稳定，在环境中普遍存在。许多氧化态汞都非常易溶于水，氯化汞的水溶性大于6.9×1010ng/l［6］，因此氧化态汞在大气中仅仅可以停留几天或者更短时间，然后在释放点附近沉积。

因此，控制燃煤汞污染关键是控制烟气中的汞向大气中排放，颗粒态汞HgP多以粒子形式出现，可以通过粒子捕集设备进行捕捉;而单质汞Hg0具有较高的蒸汽压并难溶于水，是相对比较稳定的形态，难以被污染控制设备收集而直接排入大气，所以控制Hg0的排放只有通过添加吸收剂捕获或者将其转化为易去除的Hg2+形式来实现，即提高Hg0氧化成Hg2+的比例，可以有效地控制燃煤电厂汞的排放量。

1.2 燃煤电厂汞排放统计

国内基于现场实测的燃煤电厂汞排放资料还很少，对燃煤电厂汞排放的研究主要还是以实验室数据为基础。有研究指出煤中汞经燃烧后其产物极少部分被吸附在灰、渣中，绝大部分以气态(汞蒸汽)形式穿越除尘系统而进入脱硫系统，溶于脱硫废水而被富集于废水处理后的污泥内，同时在脱硫产物石膏内也有一定程度的存在。以下为某一汞污染控制试点电厂，结合现场及前期验收监测情况，采取相关要求的质控措施，分别对不同形态的汞排放进行了现场监测。2012年3月～2012年11月，某一汞污染控制试点电厂监测数据汇总见表1［7－9］。

表1 某一汞污染控制试点电厂监测数据汇总表

从测试数据可得出:某电厂气态总汞、颗粒物总汞的排放浓度均未超过0.03mg/m3，从排放量来看，含汞固体废物(主要包括脱硫废物、粉煤灰和锅炉炉渣等)的汞排放量占燃煤电厂汞总排放量的70%以上，含汞固体废物的汞排放量比气态总汞和颗粒物总汞的排放量要高。

2 燃煤电厂汞污染控制技术

2.1 现有污染控制设施对汞的协同控制效果

利用现有烟气治理设备对汞进行脱除，可提高设备利用率，降低控制成本，实现对汞、SO2、NOx等污染物的联合控制，实现除尘脱硫脱硝脱汞一体化［10］。目前，国内外电厂常用静电除尘器(ESP)和布袋除尘器(FF)、电袋复合式除尘器去除飞灰，利用湿式脱硫(WFGD)装置脱除烟气中的SO2，脱硝主要采用选择性催化还原法(SCR)和选择性非催化还原法(SNCR)。下面对现有污染控制设施的脱汞效果进行分析:

(1)除尘设备。电除尘器和布袋除尘器在降低颗粒物排放的同时，能在一定程度上减少汞的污染能够有效脱除HgP，但对Hg0和Hg2+的脱除率相对较低。基于电除尘器和布袋除尘器的吸附剂喷入技术可采取吸附剂喷入的方法提高燃煤烟气中汞的脱除效率。例如将活性炭喷入烟气中，是一种最简单自然的控制燃煤烟气汞污染的技术，但此技术投资费用较大、运行成本较高，电厂一般难以承受，因此很多研究围绕价格较为低廉的吸附剂展开。根据煤种的变化，基于布袋除尘器的吸附喷入技术可去除80%～90%的汞，基于电除尘器的吸附剂喷入技术可去除50%～90%的汞。为了综合电除尘器和袋式除尘器的优点，近年来出现了电袋复合式除尘器，其工作原理为:前级电场预收烟气中80%～90%以上的颗粒物量，后级袋式除尘装置拦截收集烟气中剩余更细小的颗粒物，其除尘效率高，对汞的去除率也综合了电除尘器和布袋除尘器的特点。

(2)脱硫装置(WFGD)。烟气中的Hg2+化合物易溶于水，WFGD可去除烟气中约90%的Hg2+，但对不溶于水的Hg0捕捉效果不显著。在湿法洗涤脱硫过程中，使用H2S和加入少量EDTA试剂，并控制各运行参数，可明显增加WFGD系统的汞捕捉率。在烟气进入脱硫塔前，加入碳基类等催化剂，以促使Hg0氧化形成Hg2+化合物，也能提高汞脱除率［11－12］。另外，利用WFGD加强汞脱除，对脱硫塔运行几乎无影响。

(3)脱硝设施。选择性催化还原(SCR)是常用的脱硝工艺。SCR脱硝工艺可去除烟气中70%～90% 的NOx，但不能直接抑制烟气中汞的排放量，而是将NOx还原为氮气的同时有效促进Hg0氧化成Hg2+，从而有利于下游的烟气WFGD对汞的吸收［13］。

2.2 展望我国燃煤电厂的汞控制技术

2010年－2011年国电环保院对部分典型电厂(不同煤种不同发电机组)的现有污染物控制设施对汞的协同控制效果的测试数据见表2。

表2 污染物控制设施对汞的协同控制效果的测试值

2011年－2015年，以现有非汞污染物控制设施(包括脱硝、除尘、脱硫设施)对汞的协同控制为主; 2016年－2020年，以燃烧前和燃烧中控制汞的生成量和现有非汞污染物控制设施对汞的协同控制为主;2021年－2030年，以基于现有非汞污染物控制设施的脱汞技术和专用脱汞技术为主。

3 结语

燃煤电厂作为最主要的人为大气汞污染排放源，其产生的汞污染问题已经受到越来越广泛的关注，对燃煤电厂汞排放控制技术进行研究和发展，以达到控制减排目标十分重要和迫切。新的《火电厂大气污染物排放标准》已经明确规定燃煤发电锅炉汞及其化合物排放控制标准。做好燃煤电厂汞污染排放控制工作，可以对优先控制行业从汞排放浓度和排放总量两方面加以控制;增加用煤洗选比例，降低燃煤中汞含量;研制高效经济的催化剂，提高汞的脱除效率;充分利用现有污染控制设备对汞进行协同脱除，减少投资费用，走复合式污染控制之路。

［1］GB13223－2011，火电厂大气污染物排放标准［S］.

［2］赖敏.燃煤电厂污染控制技术－我国火电行业汞排放分析及控制对策［J］.四川环境，2013，(2):58－62.

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［13］赵毅，朱洪涛，安晓玲，等.燃煤电厂SCR烟气脱硝技术的研究［J］.电力环境保护，2009，25(1):7－10.

Research ofmercury emissions and removal technologies of coal－fired power plants

With the promulgation of the new em ission standard ofair pollutants for thermalpower plants，themercury em ission is add into control factors.It focused on conversion of chem ical form s and em ission characteristics ofmercury em ission of coal－fired power plants in China.The cooperative performance of existing m itigation measures were analyzed and summarized.Suggestions for coal－fired power p lantmercury em ission m itigation measures were proposed to effectively control the em ission level.

coal－fired power plant;mercury em ission;controlling technology

X701.7

:B

:1674－8069(2015)02－022－03

2014-11-22;

:2015-01-16

贾海娟(1977-)，女，陕西宝鸡人，硕士，高级工程师，主要从事电力环保、环境环境影响评价方面的工作。E－mail:jiahaijuan@nwepdi.com