汞減排帶來的機遇

汞減排帶來的機遇

1 美國的汞管制和水泥工業

美國環境保護局（EPA）制定了危險空氣污染物國家排放標準（NESHAP），1999年開始在美國的水泥廠實施，主要有：顆粒物質、看得見的煙囪排放渾濁物、碳氫化合物和二惡英、呋喃的總量。2006年提出汞排放限值為41μg/dscm（7%O2），相當于34.5μg/m3（標）（10%O2），監測要求為每年3h煙囪測試。在接下來的幾年里，此項規定受到工業和環保行業組織的挑戰。

2012年12月20日，為了應對聯邦法院的判決，以行業請愿書和有關技術資料為基礎，美國環境保護局對水泥生產過程中所產生的空氣有毒物標準完成了修改。按照修改規定，估計節省實施費用5200萬美元。

危險空氣污染物國家排放標準的排放量是按最大完成控制技術（MACT）來計算的。對現生產的水泥廠規定年汞排放量為55磅/百萬噸熟料（8～13μg/m3（標）），新建生產線為21磅/百萬噸熟料（3～5μg/m3（標））。上述數值必須連續監測，于2015年9月9日生效。

美國環境保護局（EPA）估計，汞限值實施的結果是：汞排放量將減少92%，為完成減排限值，年將多支出3.5億美元，美國水泥協會將付出34億美元的裝備費用。

2 汞對工藝過程的挑戰

在煅燒工藝過程中，汞的排放量和汞循環變化相當大，圖1所示為2011年美國各水泥廠的汞排放量，資料來自美國環境保護局有毒物質排放清單和溫室氣體排放數據。

圖1所示的每條線，代表一個水泥廠的汞排放量，按現水泥生產汞排放限值55磅/百萬噸熟料要求，超過50%的水泥生產廠需要設置減排裝置，才能滿足排放限值要求。而其中有29個廠，現排放值超過100磅/百萬噸熟料，也就是說減排數量超過40%，才能滿足限值要求。

汞排放主要有兩種形態，即汞元素和離子。圖2為水泥磨生產過程中，汞元素和汞離子的排放值，只有在生產過程中，了解汞排放產生的原因及轉變情況，才能采取正確的措施，減少排放。

圖1 2011年美國水泥廠的汞（排放）

3 汞減排技術

汞減排技術按生產過程主要分為三類，即預處理（原料、燃料）、過程處理（固相排除）和后處理（過濾器清理）。現將有關措施介紹如下：

3.1 原料選擇（預處理）

若汞問題主要源自原燃料，則可更換原燃料，但需考慮價格，若費用不高，且對現生產影響較小，對熟料水泥性能影響不大，則可考慮更換。

3.2 阻斷汞循環

水泥生產過程中，原燃料中的堿、氯化合物在窯和分解爐內揮發隨煙氣后逸，冷卻后凝結在生料表面，隨著煙氣溫度進一步降低，煙氣內相當部分的氯堿化合物被窯尾收塵器收集，隨生料重新返回入窯，形成氯堿化合物循環。減緩氯堿化合物在生產過程中濃縮的主要方式為旁路放風（bypass），放掉一部分高濃度氯堿化合物粉塵，使生產正常運行。

汞的揮發溫度低，一般的看法是，在生產過程中，揮發的汞元素和化合物隨煙氣排至大氣中，不存在汞在生產中的循環問題。但近年來的研究表明，在水泥生產過程中，汞存在循環，也就是燃料在燃燒過程中，原燃料在生料磨煤磨內烘干、粉磨過程中，原燃料內所含的汞就主要以汞元素和化合物形態揮發（圖2），這些揮發物最終隨低溫煙氣入收塵器；當煙氣溫度進一步下降時，部分汞元素和化合物冷凝在生料顆粒表面；當收塵器收下的細顆粒與生料混合入預熱器，隨著生料溫度的增高而再次揮發，冷凝富集，形成汞循環。

有文章稱，若能有效地排除部分高濃度的含汞元素和含汞化合物粉塵，其減排效率可達30%～70%。

在美國Florida水泥廠一臺生料磨上進行測試，發現當生料磨停磨時，系統內收塵器收下的粉塵中，含汞量高，隨著時間的推移，則汞含量逐漸下降（圖3）。進一步測試表明，收塵器內溫度與汞濃度有關，若能排除含汞濃度高的粉塵，則必將取得較好效益。對收塵器進行測試的效果是，每周將袋收塵器收下的500t含汞粉塵送至水泥磨作混合材（相當于1.5%的水泥磨產量），則汞減排效率可達40%。所需排除費用為13200美元/kg汞。

圖2 原料磨生產汞形態效應

圖3 袋收塵器收下的生料粉內汞濃度隨時間的變化情況

圖4 水泥窯粉塵處置系統和方式

近年來，為提高粉塵排汞效率，使含汞粉塵排汞后，仍作入窯生料用，出現了一些粉塵排汞的焙燒技術和專利，例如：在輸送裝置內加熱生料袋收塵器收下的含有較高濃度的汞粉塵，使汞得以揮發，在此過程中，適當噴入一些促使汞揮發的化合物，然后進行汞回收。在上述小型試驗裝置上，排汞效率超過90%（圖4）。

3.3 煙氣汞收集

·在汞含量較高的煙氣中，噴入能夠吸收煙氣中的汞的粉狀活性碳，此方法在美國的電力工業得到應用，許多環保組織認為這是美國水泥工業汞減排最為適合的途徑。但是系統除增加活性碳噴射裝置外，還需增加費用較高的清理過濾器投資。此外，生產過程中，需增加活性碳費用，以及增大風機能力，相應增加生產費用。此法排汞效率約80%。

活性碳噴射效率與生產工藝流程有關，使用前必須通過實驗取得效果，才能考慮使用。

·在活性碳噴射裝置中，向汞含量較高的煙氣中噴入改性硅酸鹽，可取得活性碳稍低或相接近的排汞效率。有利之處是，含有高濃度汞的硅酸鹽粉塵經收塵器收下后可作混合材入水泥磨，不足之處是必須在高濃度的氧化汞煙氣中使用才有效。

·采用固定吸附床汞洗滌器，這是一個清理過濾器（polishingfilter），其優點是簡單和安全。其組成是在現有收塵器后設置煙氣冷卻裝置，而后設置一個固定吸附組件，系統為固定部件不需粉粒噴射，操作簡單，在試驗時，除汞效率超過90%，但投資費用較活性碳噴射高得多。

·傳統的煙氣除硫濕法洗滌裝置和半干洗滌裝置也可用來除汞。各種半干洗滌器由反應室組成，煙氣和石灰漿在流態化床作試劑用，能很好地吸收汞，有報道稱除汞效率超過90%，此法在電廠大量應用，效果較好。此系統也考慮噴射活性碳，系統相對緊湊，操作簡單、靈活。系統設置在生料磨和袋收塵器之間，較清理過濾器節省投資。

4 結束語

2015年9月實施的汞排放標準，超過一半的美國水泥廠需要投資興建汞減排裝置，才能滿足汞排放標準。

目前較為有效的汞減排方法為活性碳和濕式洗滌裝置，但均遇到裝置費用以及排汞后的粉塵處置問題，有關部門正研究探索一些新途徑，以便較好地解決汞減排問題。

各廠的原燃料和工藝、生產狀況不一，所呈現的汞排放值很不一致，因而在興建汞減排裝置時，必須搞清工廠汞排放的工藝及其必須限止的排放量，采用既能滿足排放限值要求，投資又較少的減排裝置，不同效率和不同費用的排汞裝置均應考慮。

汞排放標準的實施是壓力，也是機遇，一些新的投資費用低的減排裝置和減排方法必將出現。

陳友德編譯自

No.1/2014 World Cement