超低排放燃煤火电机组汞排放特性研究

2019-06-17孟磊

中国环保产业 2019年5期

孟磊

（大唐环境产业集团股份有限公司，北京 100097）

1 引言

汞是一种具有剧毒、易挥发的污染物，对人体健康具有严重危害。近年来，国家不断加强对燃煤电厂汞排放的治理。2011年，原环境保护部发布《火电厂大气污染物排放标准》（GB 13223—2011），要求2012年后新建燃煤火电厂汞排放限值为0.03mg/m3，2015年1月1日起，所有运行的燃煤机组都要达到此标准。因此，对燃煤火电厂汞排放特性及控制技术的研究具有重要意义。

近年来，国内很多学者都开展了汞排放特性方面的研究，如：华能集团钟犁等对大气汞排放的监测方法进行了研究，并列出了不同方法的优缺点[1]；中国环境监测总站陈敏敏等对32个电厂进行了现场测试分析，得到了大量汞排放特性数据[2]；国电环保院王圣等对6家典型电厂进行了汞排放特性分析，给出了汞排放量与运行参数的函数关系[3]；国网江西电力公司刘发圣等对江西地区4家电厂的汞排放特性进行了研究[4]。上述研究主要是以未实施超低排放改造的机组为研究对象[5]，因此，开展超低排放改造后的机组汞排放特性研究具有重要意义。本文主要以超低排放燃煤火电机组为研究对象，通过选取3台典型机组进行现场汞测试，掌握汞排放规律以及各污染物控制装置对汞的协同脱除性能，为后续的汞污染治理提供基础。

2 汞的测试方法

以煤的工业分析、元素分析及汞含量数据为基础，结合实测的入炉煤量、排灰量、排渣量及烟气含氧量等锅炉运行参数，可计算出实际干烟气、湿烟气体积以及灰平衡。烟气中氧化态汞、单质汞和颗粒汞浓度根据OHM标准取样测试分析方法，以及Hydra AA汞分析仪测定数据得到。结合Hydra II C汞分析仪得到的入炉煤、炉渣、飞灰、ESP灰、WFGD脱硫剂、脱硫产物石膏等固体样品的汞浓度数据，以及原子荧光分光光度计分析得到的WFGD废水中汞浓度数据，可计算出锅炉全系统的汞质量平衡及分布[6]。

根据燃煤锅炉机组运行参数和汞浓度测试数据，可获得烟气中气态单质汞、氧化汞以及颗粒汞的质量流量。结合入炉煤、ESP排灰、底渣的汞含量以及计算得到的灰平衡数据，可计算出单位时间进入锅炉系统的总汞质量流量Hgin以及随烟气、ESP排灰、底渣、脱硫石膏和脱硫废水流出系统的汞质量流量Hgout。进而根据质量守恒原理，可以得到燃煤电厂的汞质量平衡式：

入炉总汞=入炉煤中的汞

=SCR前烟气中总汞+炉渣中汞

=SCR后烟气中总汞+炉渣中汞

=ESP后烟气中总汞+ESP排灰中汞+炉渣中汞

=WFGD后烟气中总汞+脱硫产物中汞（包括石膏和废水中的汞）-WFGD新鲜浆液中的汞+ESP排灰中汞+炉渣中汞。

烟气中总汞浓度与烟气中气态汞和颗粒汞的关系如下（汞浓度通常折算到烟气中6%O2下的值）：

HgT=Hg0+Hg2++Hgp

式中：

HgT——烟气中总汞浓度，μg/Nm3；

Hg0——气态单质汞浓度，μg/Nm3;

Hg2+——气态氧化态汞浓度，μg/Nm3；

Hgp——烟气中颗粒汞浓度，μg/Nm3。

2.1 取样点分布

现场汞取样点位置分布如下图所示，四个取样点为：选择性催化还原脱硝装置（SCR）前后（1和2）烟道取样点、湿法烟气脱硫装置（WFGD）前后（3和4）烟道取样点。本测试中，四个测点同时取样，以保证取样数据的同时性、完整性、准确性。

燃煤锅炉系统汞现场取样点分布示意图

2.2 汞取样系统及方法

现场汞取样采用美国EPA推荐使用的OHM标准方法（D 6784—02）进行烟气的取样、恢复、消解等处理。使用美国Hydra AA全自动测汞仪分析消解后烟气中元素汞、氧化汞的浓度。烟气中颗粒汞采用OHM取样枪前部的玻璃纤维滤筒收集，采用美国Hydra II C全自动测汞仪分析总汞浓度。固体样品煤、底渣、飞灰、脱硫产物石膏中汞浓度采用美国的全自动汞分析仪进行检测。液体样品WFGD新鲜浆液、WFGD脱硫废水及WFGD脱硫石膏中汞浓度采用原子荧光分光光度计进行检测[7]。

3 测试电厂基本情况

为了研究不同环保设施对汞排放特性的影响，选取了同一电厂的3台超低排放机组开展测试。3台测试机组均采用SCR脱硝技术，脱硫塔为喷淋空塔+高效除雾器，除尘方式为静电除尘，出口控制指标为SO2＜35mg/Nm3，粉尘浓度＜5mg/Nm3。

4 汞测试结果分析

4.1 锅炉全系统汞质量平衡

根据锅炉运行数据和汞现场测试数据，得到3台机组锅炉系统的汞质量平衡，分别如表1、表2、表3所示。从测试结果看，不同机组在不同工况下的汞平衡率在70%～90%。

表1 1号锅炉全系统汞质量平衡

表2 2号锅炉全系统汞质量平衡

表3 3号锅炉全系统汞质量平衡

4.2 烟气中汞形态浓度及分布

从表4、表5、表6中的数据可看出，3台机组在锅炉平均50%负荷、75%负荷等四种工况下，测点汞排放浓度值均低于《火电厂大气污染物排放标准》（GB 13223—2011）中的汞排放限值30μg/Nm3。测试结果表明，在煤中汞含量为0.20mg/kg及以下的情况下，火电机组实施超低排放改造后，不用单独增加脱汞设备即可满足汞排放标准。

煤在锅炉中燃烧后产生的汞形态分为烟气单质汞、烟气氧化汞和颗粒汞。SCR入口处的烟气汞形态主要为气态氧化汞和气态单质汞，1、2号机组气态氧化汞约占80%。颗粒态汞占比较少。经SCR脱硝装置后，由于催化剂对单质汞具有氧化作用，气态单质汞所占比例降低，气态氧化汞占比增加，颗粒汞变化不明显。经过除尘装置后，气态单质汞和气态氧化汞变化不明显，颗粒汞明显降低，有些工况降低为0μg/Nm3，说明电除尘装置对颗粒汞脱除效率较高。经过湿法脱硫装置后，气态单质汞和颗粒汞变化不明显，气态氧化汞明显降低，大部分被脱除，说明湿法脱硫装置对气态氧化汞具有较高脱除作用。

5 结论

本文主要研究了燃煤火电超低排放机组的汞性能测试方法，完成了对同一个电厂3台典型超低排放机组的现场测试，掌握了超低排放机组烟气中的汞分布形态及排放特性。研究表明，在煤中汞含量为0.20mg/kg及以下的情况下，火电机组实施超低排放改造后，不用单独增加脱汞设备即可满足汞排放国家标准。SCR脱硝装置对烟气单质汞具有协同氧化作用，静电除尘装置可以脱除烟气中颗粒汞，湿法脱硫装置可以高效脱除烟气氧化汞，排放到大气环境的汞大部分为烟气单质汞。本研究有助于了解并掌握燃煤火电厂汞排放特性，为火电厂开展汞污染的治理提供了依据。