我国燃煤电厂大气汞控制技术综合评估与对策探讨

2020-05-01任岩军何京东郭凤艳赵思岚4王鸣宇

环境科学研究 2020年4期

任岩军,张铮,何京东,郭凤艳,赵思岚4,,王鸣宇,邓双*

1.中国环境科学研究院,北京 100012 2.清大国华环境集团股份有限公司,北京 100085 3.中国科学院,北京 100864 4.中国矿业大学化学与环境工程学院,北京 100083

大气汞污染具有强毒性、迁移性和生物富集性，已在世界范围引起广泛关注[1-2].2013年10月，在联合国环境规划署(UNEP)组织下，国际社会通过了《关于汞的水俣公约》(简称“《汞公约》”)，我国作为首批签约国签署了该公约[3].大气汞污染的重要来源之一是煤燃烧，其中燃煤电厂是大气汞最重要的来源[4-7].从20世纪末起，煤炭占我国能源消费总量的70%左右，远高于发达国家消费比重(21%)和世界平均水平(28.6%)[8]，而我国煤炭消费的70%以上用于燃煤电厂.由此可见，燃煤电厂大气汞污染控制对于我国《汞公约》履约和保护人民身体健康至关重要.

2011年我国制定了GB 13223—2011《火电厂大气污染物排放标准》[9]，将汞及其化合物纳入其中，并于2015年1月1日开始施行.2012年9月27日国务院在《重点区域大气污染防治“十二五”规划》中明确提出了对燃煤电厂大气汞排放的控制.《汞公约》则要求缔约方在5～10 a内，逐步采用最佳可用技术(BAT)和最佳环境实践(BEP)[3]，以有效控制大气汞污染.近年来，国内外学者在燃煤电厂大气汞排放量[10-12]、影响因素[13-15]、常规污染物净化装置的协同控制[16]及专门控制技术[17-21]等方面开展了大量的研究工作，但这些技术的适用范围、成熟度、脱除效果和成本等方面各有优劣，必须通过技术评估筛选出最佳经济和环境效益的控制技术，以有效控制我国的大气汞污染.

国内对于大气污染物控制技术评估的研究主要集中在火电厂脱硫脱硝方面[22]，而对于大气汞控制技术的评估较为鲜见.该研究针对我国燃煤电厂非常规污染物大气汞的特点，建立了评估指标体系，对燃煤电厂大气汞污染控制技术进行综合评估，筛选出最佳控制技术，并初步探讨了我国燃煤电厂大气汞污染的控制对策.

1 研究方法

目前技术评估方法主要包括模糊综合评价法、灰色关联度综合评价法和逼近理想解排序法等[22-24]，其中，模糊综合评价法应用最为广泛，其最大优势在于能处理具有模糊性因素较多或定性定量指标较复杂的问题[25-26].专家判定法和层次分析法为指标权重确定的方法；层次分析法是利用系统分析的原理，将人们的思维过程数学化和系统化，将定性与定量相结合，采用多目标决策与分析的方法，对于目标结构复杂且定性指标较多的情况更适用[27].大气汞为非常规污染物，其控制技术包含了环境、经济和技术三方面的脱除效率、对周围环境的影响和技术成熟等多层次的复杂评估因数和定性指标.因此，该研究采用模糊综合评价法与层次分析法或专家判定法相给合的方法，对燃煤电厂大气汞污染控制技术开展评估.评估的主要步骤分别为初步筛选待评技术、构建评估指标体系、量化指标、确定各指标权重、计算待评技术得分和综合分析评估结果.

2 结果与讨论

2.1 待评技术初选

燃煤烟气中的汞以颗粒态(Hgp)、氧化态(Hg2+、Hg+)和元素态(Hg0)三种形式存在，不同于烟气中的SO2、NOx和颗粒物，属于非常规污染物.颗粒态汞(Hgp)的可通过ESP (静电除尘)、FF (布袋除尘)及电袋复合除尘器等除尘装置协同脱除；而氧化态汞(Hg2+、Hg+)可溶于水，可通过WFGD (湿法脱硫)等烟气脱硫装置协同脱除.因此，燃煤电厂大气汞控制技术与烟气脱硫、脱硝和除尘技术等常规污染物控制技术存在显著不同，可分为专门控制技术和协同控制技术.专门控制技术是特别针对汞的控制技术，如活性炭吸附技术[10,17]、等离子技术[18]和飞灰吸附技术[19-21]等；协同控制技术主要包括洗选煤、ESP技术、WFGD技术以及FF技术和SCR (选择性催化还原脱硝)技术等.燃煤电厂大气汞控制技术的汞脱除效率如表1所示.

烟气净化协同控制技术的汞脱除效率受煤种、燃烧方式和设施运行状态等因素影响较大(见表1).随着我国燃煤电厂大气排放标准的加严，常规大气污染物治理设施不断升级改造.截至2017年底，火电厂安装袋式除尘器和电袋复合除尘器的机组容量占全国煤电机组容量的33.4%以上，其中，袋式和电袋复合式除尘器分别占8.7%和25.4%，其他为静电除尘器；全国已投运煤电烟气脱硫机组容量占全国煤电机组容量的95.8%，其余为燃烧中脱硫技术的循环流化床锅炉[29].为满足地方的特殊排放限值，部分地区现有机组实行了超低排放.我国首套超低排放装置在2014年5月底开始运行，并在2020年前对燃煤机组全面实施超低排放和节能改造，实现在基准氧含量6%的条件下，排放的烟尘、SO2和NOx质量浓度分别不高于10、35和50 mg/m3.

中国环境科学研究院对河北省某超低排放机组的测试结果表明，采用超低路线〔低氮燃烧器→选择性催化还原脱硝装置(SCR)→低温省煤器→电除尘器→石灰石-石膏湿法烟气脱硫装置(WFGD)→湿式电除尘器→烟囱〕，烟气净化装置HgT(总汞)脱除效率为85.92%，燃煤中汞含量为0.099 mg/kg，排放烟气中ρ(HgT)为3.05 μg/m3.江苏省、河北省和重庆市等地区燃煤机组超低机组排放ρ(HgT)为0.65～4.6 μg/m3[28].由此可见，我国燃煤电厂仅安装常规烟气净化装置或超低排放烟气净化装置很难达到发达国家的严格标准〔2016年美国新制定的标准中现有机组排放ρ(HgT)约为1.93 μg/m3，新建机组排放ρ(HgT)约0.45 μg/m3〕[30].目前，比较公认的高效控制技术是活性炭喷射脱汞技术.至2014年底，美国已有310家电厂安装了活性炭喷射脱汞系统，但其成本较高.如 1 000 MW燃煤电厂如果安装活性炭喷射烟气脱汞系统，需要大于5美元/kW的建设成本和0.05美元/kW维护和运行成本[31-32].研究者试图开发成本较低的飞灰吸附技术[19-21]，华北电力大学采用溴化物机械改性粉煤灰作为汞吸附剂在我国某 1 000 MW超低排放燃煤电厂进行了示范，取得了很好的效果[31].还有研究者致力于等离子体法等新技术的研发[18].上述汞的专门控制技术具有很高的脱汞效率(见表1)和一定的工程应用前景.

表1 燃煤电厂大气汞控制技术的汞脱除效率Table 1 Removal efficiency of atmospheric mercury control technology in coal-fired power plants

该研究根据我国燃煤电厂的实际情况和发达国家的严格排放标准，选取了洗选煤+烟气净化协同脱除技术(T1)、烟气净化协同脱除技术(T2)、超低排放协同脱除技术(T3)、烟气净化协同脱除技术+活性炭吸附技术(T4)、超低排放协同脱除技术+活性炭吸附技术(T5)、超低排放协同脱除技术+等离子体技术(T6)和超低排放协同脱除技术+飞灰吸附技术(T7)七项技术及技术组合开展评估.

2.2 评价指标体系的构建

目前国内外针对非常规污染物控制技术评估体系的研究较为鲜见，借鉴其他大气污染物控制技术评价体系[22,33]，并结合大气汞污染控制技术特点，在考虑各评判要素兼顾各指标特性的基础上，建立了三层指标体系，共22个评价指标(见图1).

图1 燃煤电厂大气汞污染控制技术评估的指标体系Fig.1 Index system for evaluating atmospheric mercury pollution control technology in coal-fired power plants

2.3 评估指标的量化

由于不同指标的评估等级和量纲有所不同，不具有可比性，无法对不同技术进行综合比较.因此，该研究首先对各指标进行等级赋值法量化，对各指标进行等级评估并赋值.以脱汞单位成本为例，评估等级为低、较低、中、较高和高等五档，赋值依次对应5、4、3、2和1.该研究通过文献[22-23,33]调研和20位专家(涉及技术研发、技术评估和电厂环保等领域)评分的方式对不同控制技术的某项指标进行赋值量化.为了将不同指标进行比较，将各指标原始量化值按式(1)计算出不同技术的不同指标的分值.

mi=xi/5

(1)

式中：mi为某项技术第i项指标经过等级赋值法后的分值，分值越大，说明该指标性能越好；xi为某项技术的第i项指标的原始量化值.计算得到待评技术的各指标量化结果如表2所示.

表2 指标量化结果Table 2 Quantitative values of indicators

注：括号内数据为指标量化后分值.

2.4 指标权重的确定

决定评价结果是否合理的一个重要因素就是各指标所占的权重，权重数值的准确性直接影响评价结果.该研究采用专家问卷调查获得各指标权重(见表3)，然后在此基础上利用层次分析法(AHP)[22]确定各指标权重.

参考专家调查问卷得到的指标权重值，对指标层构造两两判断矩阵，计算特征向量，并对每个矩阵进行一致性检验.根据判别矩阵运算结果，可计算出各指标的权重值[33].

以环境指标、经济指标和技术指标3个一级指标为例，设环境指标、经济指标和技术指标的关系矩阵：

(2)

将矩阵归一化：

(3)

计算得到最大特征根λmax=3，单位向量[0.600 0，0.200 0，0.200 0]T，验证CR (一致性指标)=0(<0.1)，根据层次分析法判据，说明构建的矩阵具有一致性，构建合理.并且环境指标、经济指标和技术指标3个一级指标的权重分别为 0.600 0、0.200 0 和 0.200 0，也符合目前我国政府和人民对美好环境的强烈需求.

设经济指标中脱汞单位成本、回收效益和占地面积3个二级指标的关系矩阵：

(4)

将矩阵归一化：

(5)

计算可得最大特征根λmax=5.835 8，由此计算CR=2.726 7(>0.1)，故不满足一致性，需重新构建矩阵：

表3 燃煤电厂大气汞控制技术指标权重专家问卷调研结果Table 3 Results of questionnaire survey on the index weight of atmospheric mercury control technology in coal-fired power plants

(6)

将矩阵归一化：

(7)

计算可得最大特征根λmax=3.082，单位向量[0.779 4，0.065 3，0.155 3]T，验证CR=0.078 8(<0.1).故满足一致性，判断矩阵构建合理，该指标层占上一级指标的权重分别为 0.779 4、0.065 3 和 0.155 3.其余矩阵构造及判别方法依次类推.

计算二级指标技术可靠性的最终权重值需用上一层指标权重值(技术指标)乘以该指标值(技术可靠性)占该层指标的权重值，所得数值即为该指标最终权重.其他各指标计算方法同理可得，在此不一一赘述.通过层次分析法构建矩阵计算所得的指标权重值如表4所示.

2.5 技术评估结果与控制对策探讨

根据表2中各技术的指标量化值和表4中权重值，按式(8)计算得到各技术的综合得分(Ei)如表5所示.

(8)

式中，Eij为第j种技术的具体指标层下第i项指标的量化值，Di为第i项指标的权重.

由表5可见，各技术综合得分顺序依次为超低排放协同脱除技术+活性炭吸附技术>烟气净化协同脱除技术+活性炭吸附技术>超低排放协同脱除技术>洗选煤+烟气净化协同脱除技术>超低排放协同脱除技术+飞灰吸附技术>烟气净化协同脱除技术>超低排放协同脱除技术+等离子体技术.超低排放协同脱除技术+活性炭吸附技术的综合评分最高，为我国控制燃煤电厂大气汞污染的最佳控制技术，这主要是因为综合评估过程主要强调了环境因素.

为了更加全面地分析评估结果，对权重的敏感性进行了分析.如将环境、经济和技术3个一级指标的相对权重分别调整为 0.200 0、0.600 0、0.200 0，即主要强调经济因素时，各二级和三级指标权重按比例随之变化，综合评估结果见图2.将专家调查问卷指标权重值(见表3)用式(8)计算得到专家判定法综合评估结果，并与采用层次法的综合评估结果进行比较(见图2).由图2可见，采用专家判定法的评估结果与强调经济因素层次分析法的评估结果一致，洗选煤+烟气净化协同脱除技术组合更具有经济优势，是我国现阶段最佳可用技术(BAT)和最佳环境实践(BEP).洗选煤是前端控制技术，也是一种协同控制技术，其经济上肯定优于专门控制技术.超低排放协同脱除技术+活性炭吸附技术和烟气净化协同脱除技术+活性炭吸附技术得分也较高(见图2)，仅次于洗选煤+烟气净化协同脱除技术.这些评估结果符合我国现阶段的实际情况，表明该研究建立的评价指标体系及评价方法具有较强的科学性和合理性.

表4 燃煤电厂大气汞控制技术综合评价指标权重Table 4 Indicators weight of atmospheric mercury control technology in coal-fired power plants

表5 燃煤电厂大气汞污染控制技术的综合评估结果Table 5 Comprehensive evaluation results of atmospheric mercury pollution control technology in coal-fired power plants

图2 专家判定法、强调环境因素层次分析法和强调经济因素层次分析法的综合评估结果对比Fig.2 Comparison of technical evaluation results for expert method and AHP which emphasizes environmental and economic factors respectively

据国家能源局报道，截至2018年底，我国已有7.5×108kW以上的燃煤机组(约占全国的70%)完成了超低排放改造.目前，我国燃煤电厂超低排放技术路线主要有以下三种[34]：技术路线1，低氮燃烧器→选择性催化还原脱硝装置(SCR)→低温省煤器/烟气换热装置→低低温电除尘器→石灰石-石膏湿法烟气脱硫装置(WFGD)→低温省煤器/烟气换热装置→烟囱；技术路线2，采用干湿配合的方式，低氮燃烧器→选择性催化还原脱硝装置(SCR)→干式电除尘器→石灰石-石膏湿法烟气脱硫装置(WFGD)→相变换热器→湿式电除尘器→烟囱；技术路线3，低氮燃烧器→选择性催化还原脱硝装置(SCR)→电袋除尘器→石灰石-石膏湿法烟气脱硫装置(WFGD)→湿式电除尘器(可选装)→烟囱.其中，以湿式静电为核心的技术路线2有利于协同脱除汞[34].ZHAO等[35]对我国某家燃用低硫低氯煤超低排放电厂实测结果表明，湿式电除尘器(WESP)可进一步脱除烟气中约13.63%的汞.神华集团某超低排放燃煤机组的实测数据[36]表明：烟气净化装置协同脱汞(HgT)效率为75.3%～90.9%，排放ρ(HgT)为0.51～1.45 μg/m3，已接近2016年美国新制定的标准；但此机组燃煤中的w(HgT)仅为0.029～0.049 mg/kg，约为我国煤w(HgT)平均值(0.15～0.2 mg/kg)的20%，这是其具有低汞排放水平的关键.

我国部分燃煤电厂进行超低排放改造后，大气汞排放水平仍达不到世界先进燃煤机组的协同控制水平[29,36]，这可能是由于燃煤中汞含量较高导致的，因此有必要通过前端控制技术——洗选煤来提高协同控制水平.目前，我国燃煤电厂燃煤的洗选率为56%以上，可进一步通过提高煤炭的洗选率及洗选技术的改进，减低燃煤中汞的含量，以提高燃煤电厂常规烟气净化装置对大气汞的协同脱除效率，降低烟气脱汞成本.鉴于我国燃煤电厂具有煤种、运行工况和烟气成分复杂多变等特点，建议现阶段我国采用洗选煤+超低排放协同脱除技术组合进行燃煤电厂大气汞污染控制.而为了达到发达国家的严格排放标准，则可采用超低排放协同脱除技术+活性炭吸附技术，在大力控制SO2、NOx和颗粒物等常规污染物的同时，有效控制我国燃煤电厂的大气汞污染，更好地履行国际《汞公约》和保护人民身体健康.