卤族元素对湿法脱硫系统汞释放影响

2022-08-25廖海燕余学海赵永椿

洁净煤技术 2022年8期

常林，张翼，刘毅，廖海燕，余学海，韩涛，赵瑞，张帅，王靖，赵永椿

(1.国能国华(北京)电力研究院有限公司，北京 102209；2.国家能源投资集团有限责任公司，北京 100011；3.三河发电有限责任公司，河北廊坊 065201；4.华中科技大学煤燃烧国家重点实验室，湖北武汉 430074)

0 引言

据联合国环境保护署数据显示，2015年全球汞排放量超过7 000 t，人为活动是重要的汞排放源，造成汞排放量占全球汞排放量的30%[1]，其来源主要包括手工和小规模金矿开采、有色金属生产、燃煤火电站等工业活动。我国能源消耗结构中煤炭消费占比较高，尤其是发电行业。2021年全球范围燃煤发电平均占全途径发电量比例的35%，而我国这一比例达63%，同期发电量达4.9万亿kWh，远超世界平均值[2]。我国煤炭汞含量偏高，平均含汞质量分数约为0.22 mg/kg，超世界煤炭汞平均含量2倍以上[3-4]，煤炭的高位消耗导致燃煤成为最重要的大气汞排放源之一。LIANG等[5]利用EE-MRIO(Environmentally Extended Multiregional Input-Output)模型构建虚拟大气汞排放网络，对国内大气汞排放情况进行全方位立体分析，得出2007年我国人为汞排放量达794.9 t，其中以火力发电为排放源引起的汞排放量为357.7 t，占比超47% 。

燃煤电站通常有选择性催化还原脱硝(Selective Catalytic Reduction,SCR)、静电除尘器(Electrostatic Precipitators,ESP)、湿法脱硫(Wet Flue Gas Desulfurization,WFGD)等常规污染物排放控制设备(Air Pollution Control Devices,APCDs)用于脱除燃煤产生的常规污染物[6]，如氮氧化物(NOx)、二氧化硫(SO2)、颗粒物(PM)。烟气中汞以3种形式存在，包括元素态(Hg0)、氧化态(Hg2+)和颗粒态(HgP)。燃煤烟气经APCDs处理后除满足超低排放要求外，对控制烟气汞排放也有一定作用[7-12]。

1 试验仪器及方法

图1 卤族元素影响汞释放试验系统Fig.1 Experiment system of halogen elements influence on Hg emission

2 结果与讨论

2.1 卤族元素种类对汞释放影响

图2 卤族元素种类对汞释放影响Fig.2 Effect of halogen species on Hg emission

(1)

(2)

(3)

2.2 卤族元素含量对汞释放影响

图3 卤族元素浓度对汞释放的影响Fig.3 Effect of halogen concentrations on Hg emission

2.3 温度对汞释放影响

反应温度对化学反应速度影响较大，WFGD系统运行浆液温度通常在50 ℃左右，选取温度40、50和60 ℃，卤族元素物质的量浓度为20 mmol/L，pH为5的条件下，考察卤族元素对汞释放的影响，结果如图4所示。温度升高后汞释放强度均有所降低，当浆液温度由40 ℃升至60 ℃时，汞释放量分别降低了24.9%、21.9%和24.0%。由阿伦尼乌斯方程，有：

图4 温度对汞释放的影响Fig.4 Effect of temperature on Hg emission

k=Ae-Ea/RT，

(4)

式中，k为反应速率常数;A为指前因子;Ea为反应表观活化能;R为摩尔气体常数;T为反应温度。

(5)

(6)

(7)

(8)

2.4 pH对汞释放影响

为保证SO2脱除效率更高，WFGD系统运行过程中要确保脱硫塔内循环为弱酸性环境，可使脱硫剂中的Ca组分充分溶出并与S组分结合。然而在塔内脱硫剂与烟气逆流反应过程中，随脱硫浆液SO2吸收量逐渐增大，浆液pH逐渐降低，进而导致汞大量释放，为此考察不同pH条件下卤族元素对汞释放的影响至关重要。在温度50 ℃，卤族元素物质的量浓度为20 mmol/L条件下，pH选取4、5和6考察卤族元素对汞释放强度的影响，结果如图5所示。由图5可知，pH增大，汞的释放强度显著降低。当pH由4增至6时，汞释放量分别降低了45.8%、50.1%和37.1%。这主要是由于pH降低后，体系内的还原电势增大，导致Hg2+还原反应增强，促进了汞的释放。WO等[28]考察了pH影响汞释放行为，发现当pH从3升至4、5和6时，反应2 h后，Hg2+的还原释放率从84.4%分别降至63.1%、51.1% 和23.3%。