320MW机组燃煤添加剂脱汞试验研究

2018-10-19兰吉勇许月阳朱懿灏吴军辉张艳艳

电力科技与环保 2018年4期

兰吉勇，许月阳，张勇，朱懿灏，吴军辉，白勇，张艳艳

(1.上海外高桥发电有限责任公司，上海 200137；2.国电科学技术研究院，江苏南京 210031；3.上海华川环保科技有限公司，上海 200232)

0 引言

汞等重金属污染及其生态影响[1-3]已经引起了各国广泛的关注。欧美多国已经立法进行汞等重金属排放控制。《水俣公约》的缔结揭开了全球性汞污染控制的序幕，也开启了全球重金属污染控制的先河。燃煤汞排放占全球汞排放的60%以上，国际汞公约中已明确要求控制各种燃煤电站和工业锅炉的汞排放。我国新修订实施GB13223-2011，首次明确汞污染排放限值低于30μg/m3[4]，并已批准加入《水俣公约》。我国政府在《“十三五”生态环境保护规划》也明确将继续加强汞等重金属污染防治。本文参照美国燃煤电厂汞排放限值，即烟气总汞排放浓度不大于1.5μg/m3(6%O2折算浓度)的控制指标，通过320MW典型机组燃煤添加剂脱汞试验研究，通过在煤中添加溴化钙溶液，结合燃烧实现对元素态汞的选择性氧化，结合后续环保设施实现对汞的协同控制和有效减排，为燃煤电站汞污染源头控制和协同减排提供了参考案例。

1 方法与试验

1.1 试验机组及配套环保设施现状

某电厂320MW机组采用上海锅炉厂制造的SG-1025/18.3-M831型亚临界强迫循环汽包锅炉，π型布置，平衡通风，四角喷燃，该机组配套建有超低排放设施，分别采用SCR脱硝、高效袋式除尘和石灰石-石膏湿法脱硫，SO2、NOx、颗粒物排放浓度分别低于30、50、5mg/m3。

1.2 燃煤脱汞添加剂及其添加系统

试验采用在给煤机平台安装溴化钙添加系统，溴化钙添加系统将储罐内的溴化钙溶液分成5个支路，根据控制指令将溴化钙溶液添加到5个给煤机里，用于研究溴化钙溶液对汞脱除的影响。试验添加剂为质量浓度52%溴化钙溶液，21℃下密度大于等于1.7g/mL。

1.3 汞采样及测试分析方法

采用美国Tekran 3300汞在线监测系统实时监测气态汞价态及总汞浓度变化。采用美国Apex instrument公司30B便携式汞采样系统，Lumax活性炭吸附总汞管及分价态管进行手工检测与比对分析，具体参照美国EPA 30B烟气汞采样方法和中国HJ917-2017《固定污染源废气气态汞的测定活性炭吸附/热裂解原子吸收分光光度法》[5]。通过对320MW机组开展了汞平衡校验测试，汞质量平衡率为炉渣、飞灰、脱硫石膏、脱硫废水、烟气中排放汞量与燃煤含汞总量的比率，汞质量平衡率93.38%，满足微量汞分析70%～130%要求[6]。

2 结果与讨论

卤素对零价汞氧化效果非常好，在燃煤及其烟气中添加卤素可增加烟气中的氧化汞含量，不同的卤族元素对燃煤烟气中汞氧化的选择性不同，溴氧化汞的选择性要优于其他卤素[7-9]。在众多溴化物中，因溴化钙的热分解温度低，添加溴化钙的煤燃烧分解后的溴在燃烧及烟气排放过程中，会显著提高汞的氧化率，适量的溴化钙溶液添加不会腐蚀锅炉及管道，从而在燃煤电厂脱汞领域得到广泛使用。

2.1 溴化钙添加量对汞氧化效果的影响

试验期间燃用同一低硫煤种，调整控制锅炉负荷基本稳定在260±3MW，脱硫入口SO2浓度815～825mg/m3，采取分段逐级提高燃煤中CaBr2溶液添加量后在除尘器入口采样分析考察CaBr2添加量对汞形态影响。试验结果如图1所示。

图1 脱汞试验中CaBr2添加量的影响

当CaBr2溶液添加量逐步增加时，烟气中离子汞浓度占总汞浓度从50.4%增加至96.8%。而史晓宏等研究证明Br在煤中含量大于20μL/L后对元素汞的氧化效果达到85%以上[10]。说明溴素添加存在经济用量区间或最佳适用窗口值，即便再大幅添加溴素添加量，氧化效果提高也不明显，反而有系统腐蚀风险。

2.2 燃煤SO2浓度对添加溴化钙氧化汞的影响

试验期间燃用两种热值及汞含量接近的煤种A和B，调整控制锅炉负荷基本稳定在260±3MW，燃用A煤时脱硫入口SO2浓度802～830mg/m3，燃用B煤时脱硫入口SO2浓度1223～1265mg/m3。从图2可知，硫分高的煤种同样氧化效果需要的CaBr2溶液经济添加量明显要多一些，可见溴对汞有着较好的氧化选择性，而燃煤硫分增加，燃烧后烟气中SO2浓度增加，会增加对汞与溴氧化反应的竞争力，一定程度上抑制汞的氧化。对硫分高的煤种同样条件下需要相对提高CaBr2溶液经济添加量宜满足高的汞氧化率。

图2 CaBr2脱汞试验中燃煤硫分的影响

2.3 添加CaBr2对SCR协同除汞效果分析

试验的主力煤种为印尼煤、神木煤，神木煤中氯元素含量在109～113μL/L，印尼煤氯元素含量25～56μL/L。燃印尼煤和神木煤在未添加溴化钙前，在煤中氯元素及脱硝催化剂的影响下，元素汞的氧化效率在50.4%～9.2%；添加溴化钙溶液后，离子汞占比明显提高。

燃神木煤时添加溴化钙溶液5L/H，SCR对元素的氧化效率提升到90.8%。燃印尼煤是添加溴化钙溶液10L/H，SCR对元素汞的氧化效率提升到97.4%。测试表明在煤中添加溴30～73.5μL/L时，就元素汞氧化率达90%以上。

2.4 添加CaBr2对袋式除尘器协同除汞效果分析

CaBr2添加对布袋式除尘器脱汞影响见图3。

图3 CaBr2添加对布袋除尘器脱汞效果

如图3所示，硫分0.7%的煤种C和硫分0.3%煤种D，在未添加CaBr2之前布袋除尘器对汞的脱除效率分别是31.8%和52.8%。增加CaBr2添加达到煤中溴的含量大约70μL/L，布袋除尘器对汞协同脱除效率提高分别到50.9%和60.2%，主要是因为，添加溴化钙溶液后，提高了燃烧过程以及SCR对汞的氧化，离子态汞易于被多孔飞灰及其微细颗粒物表面吸附，尤其是有利于布袋除尘器表面的飞灰滤饼层对汞过滤捕集和脱除。

2.5 添加CaBr2对脱硫协同除汞效果分析

研究表明安装有SCR的电厂，脱硫系统对汞的脱除率约40%，具体受到脱硫系统运行液气比、浆液pH 变化和脱硫系统汞二次释放等因素影响[11-13]。如图4所示，燃用煤种C和煤种D，在未添加溴化钙之前湿法脱硫系统对汞的脱除效率分别是31.7%和8.47%。添加CaBr2后对汞协同脱除效率分别提高到43.9%和19.7%。燃烧煤种D时，脱硫对汞的脱除效率低是因为脱硫塔存在严重的二次释放。