中國燃煤電廠汞達標排放分析*

陳敏敏 王軍霞 張守斌 秦承華 景立新 唐桂剛#

(1.中國環(huán)境監(jiān)測總站，北京 100012；2.國家環(huán)境保護環(huán)境監(jiān)測質(zhì)量控制重點實驗室，北京 100012)

汞具有毒性和持久性，并存在生物累積效應，使用或排放不當可造成嚴重的環(huán)境污染，危及人體健康與生態(tài)安全。2005年，我國電廠燃煤量達10億t，汞排放量約為141 t；2009年，我國煤炭銷量超過30億t，其中50%用于火力發(fā)電，汞的排放量明顯超過2005年的統(tǒng)計值[1-2]；2013年，我國政府簽署了具有法律約束力的《汞問題水俁公約》，對汞的排放限值及控制提出了要求[3]。

國內(nèi)對燃煤電廠汞排放及控制技術(shù)開展了眾多研究[4-9],[10]69-70,[11-12]，但這些研究大多集中于單個燃煤電廠，分析其外排煙氣中汞的排放規(guī)律及形態(tài)分布等，缺乏對典型燃煤電廠汞排放濃度及達標情況的綜合分析。本研究選取12個省(市、自治區(qū))16家燃煤電廠的32臺機組為研究對象，對外排煙氣中的汞濃度進行手工監(jiān)測和自動監(jiān)測，對比美國、歐盟及我國的排放限值，分析汞在燃煤電廠外排煙氣中的濃度和達標情況。

1 國內(nèi)外燃煤電廠的標準限值

1.1 美 國

2011年12月16日，美國環(huán)境保護署出臺了第1個針對燃煤電廠的《汞和有毒氣體排放標準》(MATS)，內(nèi)容包括燃煤燃油機組有毒有害氣態(tài)污染物排放限值和新建化石燃料機組的鍋爐性能規(guī)范。MATS規(guī)定2011年5月3日后的新建機組、現(xiàn)有機組自2015年4月16日起執(zhí)行新的汞排放限值[13](見表1)。

表1 MATS汞排放限值

注：1)排放效率為單位發(fā)電量對應的污染物排放量；2)排放質(zhì)量濃度由排放效率計算得出，計算基于生產(chǎn)1 kW·h電約產(chǎn)生3.3 m3廢氣(標準狀態(tài)條件下)；3)以熱值19 305 kJ/kg為界劃分低階煤和非低階煤，其中低階煤的熱值不超過19 305 kJ/kg，非低階煤的熱值超過19 305 kJ/kg[14]。

我國的污染物排放限值主要基于排放濃度(多以mg/m3、μg/m3為單位)，而MATS的污染物排放限值主要基于排放效率(多以lb/(GW·h)、lb/MMBtu為單位)。干煙氣中的污染物實測排放濃度先折算成O2體積分數(shù)為7%的排放濃度，再結(jié)合煙氣水分含量、溫度、發(fā)電負荷、流量等參數(shù)，計算出排放效率[15]。由于我國對固定污染源廢氣中汞的測定方法仍不完善，所以在實際監(jiān)測過程中，大多參考美國的安大略法(采樣時間為2～3 h)或Method 30B吸附管法(采樣時間大于1 h)。

1.2 歐 盟

歐盟在《大型燃燒裝置大氣污染物排放限值指令》和《大型燃燒裝置的最佳可行技術(shù)參考文件》中對汞的排放未提出限定要求。德國于2004年修訂的《大型燃燒裝置法》(GFAVO)針對燃煤電廠的汞排放制訂了限值，規(guī)定汞及其化合物的排放限值不得超過30 μg/m3[16]。

1.3 中 國

我國缺乏現(xiàn)有燃煤電廠的汞實測排放數(shù)據(jù)和普查資料，2011年7月29日發(fā)布的《火電廠大氣污染物排放標準》(GB 13223—2011)借鑒了GFAVO的排放限值，規(guī)定我國燃煤鍋爐于2015年1月1日起執(zhí)行汞及其化合物的排放限值為30 μg/m3[17]。

與MATS的汞排放限值對比，我國的汞排放限值較為寬松；MATS中最寬松的汞排放限值是針對燃燒低階煤的現(xiàn)有機組和新建機組，均為5.40 μg/m3，但仍遠低于我國的汞排放限值。

2 燃煤電廠機組情況

開展研究的16家燃煤電廠分布在我國12個省(市、自治區(qū))，每家燃煤電廠選取2臺機組。32臺機組均配有除塵和脫硫污染控制設(shè)備。14臺機組采用選擇性催化還原(SCR)脫硝；29臺機組采用靜電除塵(ESP)，3臺機組采用布袋除塵(FF)；26臺機組采用濕法煙氣脫硫(WFGD)，6臺機組采用循環(huán)流化床煙氣脫硫(CFB-FGD)。32臺機組燃燒煤種多樣，很大程度上反映了當前我國燃煤電廠機組的基本情況(見表2)。

3 汞達標排放分析

3.1 手工監(jiān)測

剔除研究中的不完整、不合理數(shù)據(jù)，手工監(jiān)測的66臺次機組，其外排煙氣中汞的質(zhì)量濃度為0.13～14.19 μg/m3(包括氣態(tài)汞和顆粒態(tài)汞)，平均值為4.83 μg/m3，煙氣中的汞主要為氣態(tài)汞。手工監(jiān)測的汞排放濃度遠低于GB 13223—2011的排放限值(30 μg/m3)，所有機組均達標排放(見圖1)。

圖1 手工監(jiān)測的汞排放質(zhì)量濃度分布Fig.1 Distribution of mercury emission mass concentrations based on manual monitoring

50臺次機組燃燒非低階煤，其外排煙氣中汞的平均質(zhì)量濃度為3.97 μg/m3，低于總體的平均排放濃度；其中有36臺次機組高于MATS現(xiàn)有機組燃燒非低階煤排放限值(1.76 μg/m3)，占燃燒非低階煤機組總臺次的72%。16臺次機組燃燒低階煤，其外排煙氣中汞的平均質(zhì)量濃度為7.52 μg/m3，其中有8臺次機組高于MATS現(xiàn)有機組燃燒低階煤排放限值(5.40 μg/m3)，占燃燒低階煤機組總臺次的50%。因而，參考MATS現(xiàn)有機組排放限值，66臺次機組超標率為66.7%。

我國的低階煤主要包括瘦煤、褐煤等，非低階煤主要包括無煙煤、煙煤等。王海泉等[18]通過研究表明，我國各煤種的汞含量依次為瘦煤>褐煤>焦煤>無煙煤>氣煤>長焰煤，低階煤的汞含量總體高于非低階煤。非低階煤的碳含量大于低階煤，而煤中碳含量越高，充分燃燒后產(chǎn)生飛灰越多，經(jīng)過煙氣除塵和脫硫設(shè)備后，汞的去除效果更加明顯。因此，燃煤電廠燃用低階煤和非低階煤，其外排煙氣中的汞濃度存在差異。

3.2 自動監(jiān)測

對31臺機組(J電廠8#機組除外)外排煙氣中的汞濃度進行自動監(jiān)測，并計算汞的基準排放濃度(根據(jù)GB 13223—2011，作為基準的O2體積分數(shù)定為10%)的最大值、最小值、平均值及獲得有效平均值的小時數(shù)(見表3)。其中汞的最大基準排放質(zhì)量濃度為5.50～49.10 μg/m3，平均值為24.20 μg/m3；最小基準排放質(zhì)量濃度為0.01 ～3.40 μg/m3，平均值為0.51 μg/m3；平均基準排放質(zhì)量濃度為1.50～12.30 μg/m3，平均值為5.08 μg/m3。

對于31臺機組，汞的平均基準排放濃度均低于GB 13223—2011的排放限值(30 μg/m3)。基于GB 13223—2011排放限值的小時達標率為94.9%～100.0%，平均達標率為96.9%，其中19臺機組達標率為100.0%。基于MATS現(xiàn)有機組的汞排放限值(燃燒非低階煤排放限值為1.76 μg/m3，燃燒低階煤排放限值為5.40 μg/m3)，除3臺機組燃燒混合煤難以判斷是否達標，剩余的28臺機組中僅有4臺機組低于MATS現(xiàn)有機組的汞排放限值，超標率為77.4%。

對于電廠D、P，汞的平均基準排放質(zhì)量濃度較高，分別為11.60、11.20 μg/m3；對于電廠J、K，汞的平均基準排放質(zhì)量濃度較低，分別為1.60、1.70 μg/m3。由表2可知，電廠D所用煤種為貧瘦煤，碳含量較低，汞含量較高，且燃燒后汞的賦存狀態(tài)大多為元素汞，不利于汞的去除；電廠P位于我國西南部，燃煤的汞含量基本處于我國最高水平[19]，且所用煤種為褐煤。電廠J所用煤種為質(zhì)量分數(shù)60%的褐煤和質(zhì)量分數(shù)40%的無煙煤組成的混合煤，電廠K所用煤種為煙煤，這些煤種燃燒所產(chǎn)生的汞經(jīng)過除塵、脫硫設(shè)備易于去除；且電廠J、K所用煤種均屬于低硫煤，低硫煤中汞含量較低。因而，電廠D、P外排煙氣中汞濃度均較高，電廠J、K外排煙氣中汞濃度均較低。

表3 自動監(jiān)測的汞排放濃度分析

3.3 煙氣污染物處理工藝對汞的去除率

煙氣處理前后汞平衡誤差在±30%以內(nèi)[20]。除塵、脫硫設(shè)備對煙氣中汞的平均去除率分別為38.5%、52.5%；煙氣處理設(shè)備對煙氣中汞的總?cè)コ蕿?2.2%～99.5%，平均值為74.1%，說明我國的煙氣處理設(shè)備能有效降低煙氣中的汞。

《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃(2014—2020年)》要求燃煤電廠的煙塵、二氧化硫、氮氧化物等污染物超低排放。為達到超低排放要求，在除塵方面，一般采取加裝濕式靜電除塵設(shè)備；在脫硫方面，一般采取增容改造或單塔雙循環(huán)、雙塔雙循環(huán)等更高效率的脫硫設(shè)備；在脫硝方面，采取低氮燃燒、SCR脫硝等技術(shù)[21]。

對于超低排放改造的脫硝技術(shù)，安裝SCR脫硝設(shè)備后，煙氣中汞的總?cè)コ蕿?8.8%，而安裝SCR脫硝設(shè)備前，煙氣中汞的總?cè)コ蕿?9.2%，說明SCR脫硝有助于煙氣中汞的去除。而對于超低排放改造的除塵、脫硫技術(shù)，王運軍等[10]71研究表明，不同的除塵和脫硫設(shè)備對煙氣中汞的去除率存在差異，與煙氣組分、飛灰特性等因素密不可分，因此除塵和脫硫等超低排放改造技術(shù)對煙氣中汞去除率的影響還需進一步研究。

4 結(jié)論與建議

(1) 基于GB 13223—2011規(guī)定的現(xiàn)有燃煤鍋爐煙氣中汞及其化合物排放限值(30 μg/m3)，手工監(jiān)測與自動監(jiān)測的外排煙氣中汞質(zhì)量濃度分別為0.13～14.19、1.50～12.30 μg/m3，平均值分別為4.83、5.08 μg/m3，均遠低于排放限值，所有機組均達標排放。

(2) 基于MATS現(xiàn)有機組非低階煤、低階煤的汞排放限值(分別為1.76、5.40 μg/m3)，手工監(jiān)測的機組中有66.7%汞排放超標，自動監(jiān)測的機組中有77.4%汞排放超標。

(3) 將手工監(jiān)測、自動監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)合煤種及煤中汞、碳含量進行分析，發(fā)現(xiàn)煙氣中汞的排放濃度與煤種及煤中汞、碳含量存在關(guān)聯(lián)。燃燒非低階煤比燃燒低階煤的電廠汞排放濃度低；煤中汞含量越低，碳含量越高，汞排放濃度越低。

(4) 超低排放改造技術(shù)中，SCR脫硝技術(shù)有助于煙氣中汞的去除；受煙氣組分、飛灰特性等因素的影響，除塵和脫硫等超低排放改造技術(shù)對煙氣中汞去除率的影響還需進一步研究。

[1] WANG Shuxiao,ZHANG Lei,WU Ye,et al.Synergistic mercury removal by conventional pollutant control strategies for coal-fired power plants in China[J].Journal of the Air & Waste Management Association,2010,60(6):722-730.

[2] 楊凱.固定污染源煙氣汞監(jiān)測技術(shù)與設(shè)備[M].北京:中國電力出版社,2012.

[3] UNEP.Minamata convention on mercury[EB/OL].[2014-09-02].http://www.mercuryconvention.org/Convention/tabid/3426/Default.aspx.

[4] 楊立國,段鈺峰,楊祥花,等.燃煤電廠汞排放特性實驗研究[J].東南大學學報(自然科學版),2007,37(5):817-821.

[5] 周勁松,王光凱,駱仲泱,等.600 MW 煤粉鍋爐汞排放的試驗研究[J].熱能動力工程,2006,21(6):569-572.

[6] 盧平,吳江,潘偉平,等.860 MW煤粉鍋爐汞排放及其形態(tài)分布的研究[J].動力工程,2009,29(11):1067-1072.

[7] 李志超,段鈺峰,王運軍,等.300 MW燃煤電廠ESP和WFGD對煙氣汞的脫除特性[J].燃料化學學報,2013,41(4):491-498.

[8] 胡軍,傅成誠.基于實測的300 MW燃煤發(fā)電機組大氣汞排放特征分析[J].湖南師范大學自然科學學報,2013,36(4):83-87.

[9] 楊祥花,段鈺鋒,江貽滿.燃煤鍋爐煙氣和飛灰中汞形態(tài)分布研究[J].煤炭科學技術(shù),2007,35(12):55-58.

[10] 王運軍,魏繼平,段鈺峰.燃煤電廠現(xiàn)有污染物控制設(shè)備對汞形態(tài)轉(zhuǎn)化和脫除研究[J].鍋爐技術(shù),2013,44(3).

[11] 王圣,王慧敏,朱法華,等.基于實測的燃煤電廠汞排放特性分析與研究[J].環(huán)境科學,2011,32(1):33-37.

[12] 殷立寶,禚玉群,徐齊勝,等.中國燃煤電廠汞排放規(guī)律[J].中國電機工程學報,2013,33(29):2-9.

[13] 40 CFR Parts 63,Mercury and air toxics standards[S].

[14] ASTM D388-05,Standard classification of coals by rank[S].

[15] Method 19,Determination of sulfur dioxide removal efficiency and particulate matter,sulfur dioxide,and nitrogen oxide emission rates[S].

[16] STEINIKER D,DETLEF H.Zentrale erfassung und auswertung von emissionsdaten entsprechend der grossfeuerungsanlagenverordnung (GFAVO)[J].Automatisierungstechnische Praxis,1990,32(6):304-308.

[17] GB 13223—2011,火電廠大氣污染物排放標準[S].

[18] 王海泉,邱建榮,吳昊.煤燃燒過程中汞釋放的研究現(xiàn)狀[J].熱能動力工程,2002,17(6):547-550.

[19] 王立剛,劉柏謙.燃煤汞污染及其控制[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2008.

[20] YOKOYAMA T,ASAKURA K,MATSUDA H,et al.Mercury emissions from a coal-fired power plant in Japan[J].Science of the Total Environment,2000,259(1/2/3):97-103.

[21] 國家發(fā)展改革委,環(huán)境保護部,國家能源局.煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃(2014—2020年)[EB/OL].[2014-09-12].http://bgt.ndrc.gov.cn/zcfb/201409/W02014091960371702 0156.doc.