国内燃煤电厂污染物控制装置的脱汞特性

苏军划，李超

(中国华电科工集团有限公司，北京 100160)

0 引言

燃煤电厂大气排放的重金属汞在室温下呈液态，很容易挥发到空气中被人体吸附，产生危害。国内外研究表明，煤燃烧时产生的汞只有小部分进入灰渣。国内相关研究发现,进入炉渣(底灰)的汞约占汞排放总量(Hgt)的2%[1]；大部分的汞随烟气排入大气，飞灰中的汞占Hgt的23.1%～26.9%，烟气中汞占Hgt的56.3%～69.7%。燃煤电厂的汞排放受煤中的汞含量、烟气中汞的形态、烟气污染物控制设施等因素的影响，烟气中汞的形态直接影响到汞捕捉的效果。汞在烟气中主要呈现为单质汞(Hg0)、氧化态汞(Hg2+)、颗粒汞(Hgp)3种形态，不同形态的汞在烟气中的物理和化学性质有很大差异。其中，最不易捕捉的是单质汞，因为烟气中的单质汞呈气态，具有较高的蒸发压力且难溶于水，呈相对稳定的形态，易被直接排入大气；被飞灰吸附的颗粒态汞，经过除尘装置时大部分可被静电或布袋除尘器去除，转移到灰渣中；部分单质汞在烟气冷却过程中被烟气中其他成分氧化成氧化态汞(以氯化汞为主)，呈水溶性，其所占比例较高，容易被烟气脱硫装置(FGD)，特别是湿法脱硫装置捕获。

因此要有效地控制燃煤电厂汞排放，最经济、可靠的办法是利用现有装置降低单质汞的浓度并提高氧化态汞的比例。本文通过对3个典型电厂常规污染物脱除装置(湿法脱硫、脱硝、除尘装置)对汞的联合脱除能力进行分析，探索增强汞脱除效率的物理、化学方法。

1 测试电厂选择

湖北华电黄石发电股份有限公司(以下简称黄石公司)1×300 MW热电联产机组自2010年5月投产。机组烟气系统配套建设有选择性催化还原(SCR)烟气脱硝设施、布袋除尘器(FF)、石灰石-石膏湿法烟气脱硫系统。脱硝设施采用板式催化剂，脱硝效率达到70.0%；布袋除尘器除尘效率达到99.9%；脱硫效率达到96.0%。

武乡西山发电有限责任公司(以下简称武乡公司)本期安装有2×600 MW抽汽供热机组，每台锅炉配备有2台双室四电场静电除尘器(ESP)，除尘效率大于99.6%；石灰石-石膏湿法烟气脱硫系统，采用一炉一塔的配置方案，脱硫效率≥95%；脱硝采用选择性非催化还原(SNCR)方式脱硝。本次测试对#1机组和#2机组分别进行试验。

四川广安发电有限责任公司(以下简称广安公司)测试机组为#5机组，装机容量为600 MW，2007年2月投产，截止至2012年年底运行时间为6 330 h，测试期间平均负荷为95%，锅炉类型为煤粉炉，设计煤种为烟煤，污染物的主要的测试点位置如图1所示。

2 不同电厂的汞质量平衡

燃煤电厂烟气中以颗粒形式存在的汞占汞排放总量的比例小于5%。飞灰颗粒越细则其中的汞含量越高，90%以上的固态汞存在于粒径<0.125 mm的飞灰粒子上，这显示出飞灰粒子表面富集的特征。

根据电厂提供的每小时燃煤量、底灰、飞灰、石膏产量及实验测得的各固体样品中汞的平均含量，计算出锅炉燃煤过程中汞的质量分布及质量平衡。广安公司、黄石公司和武乡公司的#1，#2机组数据见表1～表4。

从表1～表4中可以看出，质量平衡的回收率均在70%～130%的误差允许范围内[2]，样品的取样和分析结果真实可信。汞输出大部分是以飞灰、脱硫石膏、烟气的形式释放的，所有锅炉底灰中汞含量都较小，这和国内外的研究结果一致。

图1 取样点及测点位置

项目入炉煤粉炉渣除尘飞灰脱硫石膏烟气日均消耗或产出量2689t79t713t364t30.829×106m3汞的质量流量/(g·d-1)384.000.03 311.00 38.00 4.00汞质量平衡回收率/%100.00.0180.810.01.1

表2 广安电厂汞的质量衡算

表3 武乡电厂 #1机组汞的质量衡算

表4 武乡电厂 #2机组汞的质量衡算

黄石公司中汞大部分是随飞灰释放的。黄石公司采用了布袋除尘器，布袋产生的飞灰滤饼层能够捕集烟气中的汞，从而降低烟气中的汞浓度并提高飞灰中的汞浓度，使脱硫石膏中的汞下降。氧化态汞成为了烟气汞的主要形态，增强了脱硫塔的脱除效果，使最终烟气中的汞浓度降低。

广安公司安装的是电除尘器，和布袋除尘器相比，其汞脱除效率较低，以飞灰形式脱除的汞只占Hgt的 6%，最终排放的烟气中仍含有49.1%的汞。

上述两个电厂的汞脱除效率与脱硫方式有关，湿法烟气脱硫的汞脱除效率受锅炉配置、烟气温度及其变化速率、烟气中HCl和HBr气体含量、飞灰活性及其比表面积、痕量元素等的共同影响。

武乡公司污染物控设备是电除尘器和石灰石-石膏湿法脱硫系统，和黄石公司的袋式除尘器相比较，电除尘的平均脱汞效率要低，其飞灰中的汞含量要低于黄石公司；黄石公司安装有SCR脱硝催化剂，这种催化剂能将Hg0氧化为Hg2+，Hg2+容易在湿法脱硫中被除去，所以黄石公司脱硫石膏中的汞含量较武乡公司的高。表1和表3中飞灰、脱硫石膏和烟气中汞的比例也证实了这个观点。

武乡公司#1，#2机组的污染物控制设备及所用的煤种(山西焦煤)相同，但是#1机组的煤中汞含量高于#2机组，粉煤灰中的汞含量低于#2机组。虽然在文献[3]报道中静电除尘的脱汞效率均小于20%，但令人深思的是，燃煤中汞含量高的#1机组飞灰中汞含量反而低得多，说明电除尘器的除汞机理比较复杂，影响因素较多。

3 污染物控制设备的脱汞能力分析

由表5可知，黄石公司的总脱汞效率最高，广安公司的总脱汞效率最低。这是因为黄石公司是布袋除尘，而广安公司是静电除尘。说明布袋除尘的脱汞效率较静电除尘器要高，这和文献报道的一致[3]。武乡公司#1、#2机组的污控设备完全相同，总的脱汞效率相差10%，在正常的误差范围之内。广安公司虽然安装了SCR脱硝装置，理论上其总汞脱除效率应该较武乡公司的要高，但结果却相反。除了存在测量误差外，还可能是由于广安公司排放烟气中SO2质量浓度较高，导致喷淋浆液中SO32-的质量浓度较高，浆液中已经被捕集的小部分Hg2+被还原为Hg0，被重新释放到烟气中[4]。

由表5中可知，除广安公司外，其他电厂湿法脱硫的Hg2+脱除效率都在93%以上，Hg0脱除效率都在50%左右，这可能是造成广安公司总脱汞效率低的主要原因。

表5 不同电厂的污控设备脱汞效率 %

注：表中的负数是因为汞本身的质量浓度较低，导致测试数值存在误差。

4 结论

在3个典型燃煤电站的底灰中，汞含量均不高于2%。

和静电除尘器的脱汞能力比较，布袋除尘器的总汞脱除效率很高，可达到70%以上。

黄石公司、武乡公司在湿法脱硫过程中的Hg0和Hg2+的脱除效率较高，而广安公司湿法脱硫烟气中的Hg0反而增加，这是导致广安公司湿法脱硫脱汞效率较低的原因。