帶SCR脫硝的燃煤鍋爐汞排放狀態及控制

滕敏華

（浙能技術中心，杭州 310052）

2011年7月，我國環境保護部頒布了GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標準》，首次將汞作為新增的控制指標，要求2012年后新建電廠，煙氣排放中的汞質量濃度限值為30μg／m3。現以某電力集團下的660MW燃煤機組為例，該機組安裝了選擇性催化還原煙氣脫硝裝置（SCR）、靜電除塵器（ESP）和石灰石—石膏濕法脫硫系統（WFGD），研究對鍋爐汞排放的測試、汞平衡的計算，分析脫硝（SCR）、靜電除塵（ESP）和濕法脫硫對機組汞排放的影響。

1 測試方法

為了對燃煤鍋爐進行汞平衡計算和汞排放測算，必須分別測定帶入和排出鍋爐的含汞量，為了正確測定這些項目的含汞量，選擇合適的取樣方法和地點很重要。根據美國Ontario－Hydro方法（OH法）標準的相關測試要求，原煤的樣品取自給煤機入口，石膏在脫水皮帶上取樣；煙氣中的汞含量測試選取鍋爐尾部煙道中的4個煙氣取樣點（分別布置在SCR前、ESP前、ESP后和WFGD后），渣樣和灰樣分別取自鍋爐的撈渣機上和電除塵灰斗，脫硫廢水在脫硫塔出口處取樣。

在燃煤機組運行的整個過程中，煙氣中的元素汞會以氧化態汞（Hg2＋）、零價汞（Hg0）和顆粒汞（Hgp）的形態出現。本次測試中氧化態汞和顆粒汞的采樣基于美國EPA認定的標準方法Ontario Hydro Method進行，而煙氣中的零價汞（Hg0）則由RA -915M高頻塞曼效應原子吸收測汞儀通過煙氣取樣設備實時測量。煙氣的樣品取得后，Hg2＋和Hgp采用Lumex品牌的PYRO -915＋型熱解爐配合RA -915M進行汞含量測定。在煙氣汞取樣的同時，進行原煤、底渣、電除塵灰和脫硫附屬品的取樣，樣品使用PYRO -915＋型熱解爐配合RA -915M進行汞含量測定。

2 測試結果

燃煤電廠汞的輸入主要來自原煤，另外原煤中的氯含量較高時對汞的形態轉換影響較大，因此測定工作對煤中的氯含量也進行了測定。選取了某一電力集團常用的14個煤種進行檢測，結果見表1。

表1 煤樣品中汞和氯的質量比含量

可以看到：汞含量最高的是褐煤和淮南煤；14個煤種的平均含汞量為0.084μg／g，低于全國煤中汞含量0.158μg／g的水平［1］。測定還表明，這些煤種的平均氯含量為0.006%，遠低于我國《煤炭質量標準》中規定的0.050%～0.150%的低氯煤，所以試驗和分析時可以不考慮原煤中氯元素對汞排放的影響。在測試過程中，鍋爐一直燃用“神混”和“優混”2個煤種；機組配套的5臺磨煤機煤量平均分配；3臺磨煤機磨神混，2臺磨煤機磨優混。2個煤種中氯、氟和汞的含量測定結果見表2。

表2 燃煤的氯、氟和汞的質量比含量10－9

測試進行了3天，各固體樣品的測定結果見表3，三個煙氣取樣點的汞含量測定結果見表4。表4中ESP前測點的顆粒汞（Hgp）濃度測定可能受飛灰的干擾，測定值超出了原煤的汞含量，不反映該處煙氣中真實的汞含量，不予采用。由于煙氣中絕大多數的顆粒汞都已經摻入在ESP的飛灰中，故ESP后的煙氣中測試過程中沒有收集到顆粒汞。

表3 固體樣品汞含量

表4 各采樣點煙氣中不同形態汞的濃度

3 測試結果分析

汞排放速率及質量平衡的計算，以燃煤工業分析和元素分析為基礎，根據實測煙氣中含氧量計算各測點煙氣容積，將煙氣容積、煙氣中汞的濃度相乘，可以得到單位時間排放的零價汞（Hg0），氧化態汞（Hg2＋）和顆粒汞（Hgp）的質量。測量煤、飛灰、底渣和脫硫石膏的汞含量，根據電廠的運行耗煤量和灰分平衡以及脫硫系統物料平衡，可計算出單位時間進入系統的汞的質量，以及在飛灰、底渣和脫硫石膏中排出系統的汞的質量。計算結果表明，該機組汞的平均質量平衡系數為108.06%；帶入機組的汞流量為20.27g／h，煙氣排放的汞流量為2.11g／h。汞在燃煤鍋爐煙氣流程中的分布和沿程變化如圖1所示。

測試結果表明，由于汞具有很高的揮發性，煤在鍋爐中燃燒后，爐膛內的高溫幾乎使全部的汞揮發出來，煙氣里的零價汞隨著煙氣流向SCR、ESP一路降低，但最后經過WFGD時由于FGD漿液中的SO2－4、HSO－3和金屬離子對Hg2＋的還原作用所致，從而導致FGD后零價汞（Hg0）有所增加［2］。爐渣中汞的含量最低，所占比例平均不到1%；在ESP底灰中汞含量最多，所占比例平均為77.65%。這是因為灰對于汞具有一定的吸附作用［3－4］。

圖1 汞在燃煤過程中的沿程變化

根據現場測定結果，分布在石膏中的汞占比例平均為12.72%，煙氣排放的汞平均占總汞的9.64%，主要以Hg0為主。

從測試結果也能看出，帶SCR脫硝的燃煤鍋爐最后從煙氣里排放的汞為9.64%，因此即使燃用含汞量高達0.28μg／g的褐煤，煙氣排放中汞的質量濃度也只有27μg／m3，完全能達到目前國家環保最新的要求；如果按全國煤中汞含量0.158μg／g的水平來測算，那么對于帶SCR脫硝的燃煤鍋爐來說，煙氣排放中汞的質量濃度就只有15.0μg／m3。

4 脫硝、靜電除塵和濕法脫硫對煙氣中汞排放的影響

煙氣中的汞形態分布受到多種因素的影響，如煤的性質、燃燒的工況及現有的煙氣處理裝置等。SCR在脫硝過程中可將煙氣中大多數的零價汞轉化為氧化態汞，這些汞吸附在煙氣中的飛灰中，最后通過除塵器得到有效脫除，而且石灰石—石膏濕法脫硫系統WFGD對煙氣中的氧化態汞，也具有很好的洗滌脫除作用［2］，因此整個煙氣流程中汞的脫除率得到了很大提高。遺憾的是，因現場原因由于本次測試沒能在SCR后、空預器前進行采樣，因此不能計算煙氣中汞在經過SCR時的氧化效率，但從總的汞脫除效率和質量平衡可以看出，燃煤鍋爐安裝了SCR煙氣處理裝置后，利用SCR系統的氧化作用、ESP飛灰的吸附作用和WFGD系統的吸收作用，實現對汞排放的聯合控制，可以有效提高煙氣中汞的脫除率。

ESP對燃煤煙氣汞排放的影響主要體現在對顆粒態汞的脫除。在煙氣流經ESP的過程中，飛灰中的礦物成分和表面活性基團會吸附煙氣中的單質汞和氧化態汞。另外，由于煙氣在ESP中流速較低，并且停留時間較長，也增加了飛灰對煙氣中汞的接觸時間，從而促進了飛灰對汞尤其是氧化態汞的吸附［5］。研究表明，影響飛灰汞含量的因素主要有煙氣成分、飛灰化學成分、飛灰顆粒大小以及飛灰中未燃燼炭等。

飛灰顆粒的大小對汞的富集能力影響較大，小顆粒對汞的富集作用更強［6］。本次三天的測試數據顯示，汞在ESP底灰中分布最多，通常為66.67%～83.59%，平均77.65%。初步判斷，由于該鍋爐所用的煤種較好、磨煤機的煤粉細度R85在10%左右，因此鍋爐產生的飛灰顆粒很細，對煙氣中的汞有很強的吸附作用，ESP除塵率可以達到99.8%，最后結果是該機組的ESP底灰中汞含量最多，ESP后的顆粒態汞已經減少到檢測不到的程度。

目前，飛灰對汞的吸附機理還沒有很好的理論成果，飛灰成分、煙氣性質對汞吸附的影響的研究也很少見報道；本次試驗時飛灰的成份為：SiO2為53.51%，Al2O3為31.14%，CaO 為5.92%，Fe2O3為4.67%，TiO2為1.40%，K2O為1.01%，MgO為0.62%，SO3為0.54%，Na2O為0.36%，P2O5為0.33%。，沒有發現含特別的汞強氧化劑。因此，測試中除塵器底灰中的汞含量較高，應當認為是SCR氧化和飛灰高效吸附的綜合作用所致。

WFGD對燃煤煙氣汞排放的影響主要體現在對氧化態汞的脫除［7］。氧化態汞易溶于水，當氣態的Hg2＋溶于WFGD的漿液后，Hg2＋與漿液中溶解的硫化物反應形成不溶于水的HgS，比較容易得到脫除［2］。在煙氣流經WFGD前通過了SCR和ESP煙氣處理裝置，由于SCR對零價汞的氧化作用和ESP中飛灰對顆粒汞的吸附，已經脫除了77.6%的汞，剩下的氧化態汞大部分在煙氣經過WFGD時被石膏產物帶走，所占比例達12.72%，最后通過煙囪排放的9.64%絕大多數是零價汞。

5 結論

1）燃煤機組帶有SCR＋ESP＋WFGD的煙氣處理裝置后，利用SCR系統的氧化作用、ESP飛灰的吸附作用和WFGD系統的吸收作用，可有效實現對汞的聯合控制，大大提高了燃煤鍋爐煙氣中汞的脫除率，即使燃用汞含量很高的褐煤，煙氣中汞排放濃度也完全能達到國家環保最新排放標準要求。

2）帶有SCR的燃煤鍋爐，由于SCR對零價汞的氧化作用，電除塵器飛灰含汞量可達77%。WFGD排出的石膏中汞含量達13%，煙氣中的汞排放僅在10%左右。3）在燃煤鍋爐中，汞在鍋爐底渣中所占的比例非常小，一般小于1%。

［1］陳鵬.中國煤炭性質、分類和利用［M］.北京：煤炭科學技術出版社，2007（第二版）.

［2］吳其榮，聶華，余于.燃煤電廠汞的控制及脫除［J］.熱力發電，2012，417（1）：8－10.

［3］E J Granite，H W Pennline，R A Hargis.Novel sorbents for mercury removal from flue gas［J］.Industrial ＆Engineering Chemistry Research，2000，39：1020－1029.

［4］彭蘇萍，王立剛.燃煤飛灰對鍋爐煙道氣的吸附研究［J］.煤炭科學技術，2002，30（9）：33－36.

［5］Otani，Yoshio，et al.Adsorption of Mercury Vaporon Particles［J］.Environm ental Science ＆ Technology，1986，20（7）：735－738.

［6］石祥建.飛灰對煙氣中汞轉化的影響及測量技術研究［D］.杭州：浙江大學，2006.

［7］王乾，吳成軍，段鈺.燃煤電廠脫硫系統的脫汞特性研究［J］.2008（1）：69－76.