國(guó)內(nèi)典型燃煤電廠污染物控制裝置的脫汞特性分析

汪愛軍，蘇軍劃

(1.北京國(guó)電德安電力工程有限公司，北京 100120； 2.中國(guó)華電科工集團(tuán)有限公司，北京 100160)

國(guó)內(nèi)典型燃煤電廠污染物控制裝置的脫汞特性分析

汪愛軍1，蘇軍劃2

(1.北京國(guó)電德安電力工程有限公司，北京 100120； 2.中國(guó)華電科工集團(tuán)有限公司，北京 100160)

選擇國(guó)內(nèi)典型燃煤電廠，測(cè)試了電廠現(xiàn)有的污染物脫除裝置對(duì)各種形態(tài)汞的脫除效率，分析了煙氣脫硝(SCR)+布袋除塵(FF)+濕法煙氣脫硫(WFGD)的組合技術(shù)對(duì)汞的協(xié)同減排效應(yīng)，并對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的汞流向進(jìn)行了質(zhì)量衡算，提出了脫汞策略。

燃煤電廠；污染物控制；脫硝；脫硫；脫汞

0 引言

煤炭燃燒放出熱量的同時(shí)，有SO2，NOx，粉塵，Hg等污染物排放，其中，SO2，NOx和粉塵已有成熟的商業(yè)化脫除技術(shù)；GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》雖然將Hg納入檢測(cè)[1]，但目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)成熟的汞脫除技術(shù)。為了選擇合適的汞排放控制技術(shù)，需要對(duì)電廠的汞排放濃度進(jìn)行摸底，并對(duì)常規(guī)污染物控制裝置的脫汞效率進(jìn)行測(cè)試和分析。本研究選擇國(guó)內(nèi)典型電廠，分別對(duì)每個(gè)電廠的污染物控制裝置進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行質(zhì)量衡算。

1 測(cè)試結(jié)果

對(duì)電廠每天采集的入爐煤粉、爐渣、飛灰和脫硫石膏進(jìn)行汞含量分析，每天入爐煤粉中汞的質(zhì)量分?jǐn)?shù)并不相同，變化范圍為(84～210)×10-9，產(chǎn)生的固體廢物汞濃度差異很大，其中，飛灰中汞的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化范圍為(308～776)×10-9，脫硫石膏中汞的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化范圍為(74～164)×10-9，而爐渣中的汞濃度非常小，具體結(jié)果見表1。按照我國(guó)MT/T 963—2005《煤中汞含量分級(jí)》標(biāo)準(zhǔn)[2]，測(cè)定的煤粉屬于特低和低汞煤。從表1可以看出，因入爐煤粉的汞濃度變化較大，導(dǎo)致測(cè)試過(guò)程中釋放出汞的總量變化幅度也較大。

汞的輸入及輸出質(zhì)量平衡見表2。由表2可以看出，汞的主要輸出包括爐渣、除塵底灰、脫硫石膏和煙氣攜帶等，其中，除塵底灰占據(jù)了大部分(超過(guò)70%)，其次是脫硫石膏(超過(guò)10%)，爐渣和煙氣攜帶只占據(jù)了極小的比例。煙氣中汞的質(zhì)量濃度為0.13 μg/m3，超過(guò)了我國(guó)GB 3095—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[3]對(duì)汞質(zhì)量濃度的限值0.05 μg/m3，但滿足最新版GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中：“自2015年1月1日起，燃煤鍋爐汞及其化合物污染物排放限值30 mg/m3”的要求。

表1 固體樣品中汞的質(zhì)量分?jǐn)?shù) ×10-9

注：±后為標(biāo)準(zhǔn)偏差。

表2 電廠汞的輸入及輸出質(zhì)量平衡

從表2還可以看出，在經(jīng)過(guò)不同的處理設(shè)施時(shí)，煙氣中的汞被部分捕集下來(lái)，煙氣中的汞濃度降低，不同的處理設(shè)施具有不同的效率，且這種效率的變化幅度并不大，各個(gè)點(diǎn)位的汞濃度呈現(xiàn)出明顯的相關(guān)性，各峰值和谷值變化規(guī)律比較一致。

2012-12-02—11，選擇性催化還原脫硝(SCR)裝置前汞的釋放情況如圖1所示?？梢钥闯觯趸臐舛容^低，而元素態(tài)汞的比例較大，后續(xù)大約1星期的測(cè)試過(guò)程中，燃煤煙氣中的汞都主要以氧化態(tài)形式存在。顆粒態(tài)汞在測(cè)試時(shí)間段內(nèi)只有2 μg/m3左右，占了很小的比例。由于SCR前的煙氣溫度較高，大約在300 ℃以上，煙氣中的汞不易冷凝在飛灰表面，導(dǎo)致顆粒態(tài)汞的濃度不高。

圖1 燃煤過(guò)程中汞的釋放情況(2012-12)

圖2～4分別是布袋除塵器(FF)后和脫硫裝置前后汞的釋放情況。在經(jīng)過(guò)SCR裝置之后，脫硫塔之前，氧化態(tài)汞占據(jù)主導(dǎo)地位，甚至在脫硫塔前氧化態(tài)汞占據(jù)了絕對(duì)的主導(dǎo)地位。由于不同設(shè)施對(duì)不同形態(tài)的汞具有不同的脫除效率，顆粒態(tài)汞和氧化態(tài)汞易于脫除而元素態(tài)汞不易捕集，因此，最終排放口元素態(tài)汞占據(jù)了相當(dāng)?shù)谋壤?/p>

2 不同的污染物控制措施對(duì)汞的脫除效果

圖2 FF后汞的釋放情況(2012-12)

圖3 濕法脫硫裝置前汞的釋放情況(2012-12)

圖4 濕法脫硫裝置后汞的釋放情況(2012-12)

圖5和圖6展示了FF、石灰石-石膏濕法脫硫裝置(WFGD)的脫除效率?？梢钥吹?，F(xiàn)F對(duì)于顆粒態(tài)汞具有極好的脫除效率，在99%以上，這來(lái)源于良好的除塵效率。同時(shí)，F(xiàn)F對(duì)于元素汞和氧化態(tài)汞也具有較強(qiáng)的脫除效率，其中，元素態(tài)汞在80%左右，而氧化態(tài)汞在60%左右。較高的脫除效率來(lái)源于FF形成的濾餅層的吸附效果，而氧化態(tài)汞的脫除效率低于元素態(tài)汞，可能與煙氣中汞的形態(tài)主要以二價(jià)汞為主有關(guān)。

圖5 FF對(duì)于不同形態(tài)汞的脫除效率(2012-12)

圖6 WFGD對(duì)不同形態(tài)汞的脫除效率(2012-12)

WFGD對(duì)于氧化態(tài)汞具有極高的脫除效率，在本研究中達(dá)到了99%以上，這與氧化態(tài)汞易溶于水有關(guān)。脫硫塔在大部分測(cè)試期間對(duì)元素態(tài)汞有一定脫除效率，但也有部分測(cè)試過(guò)程中發(fā)生了元素態(tài)汞上升的情況，這主要與WFGD對(duì)氧化態(tài)汞和顆粒態(tài)汞具有高于99%的脫除效率，而對(duì)于元素態(tài)汞的脫除效率略低有關(guān)。但整體上，各種形態(tài)的汞在本文所研究電廠中都實(shí)現(xiàn)了極高的脫除率。

3 汞的質(zhì)量衡算

對(duì)本研究中所有位點(diǎn)的汞進(jìn)行了質(zhì)量衡算，相應(yīng)的結(jié)果如圖7所示。由圖7可以看出入爐煤粉中汞輸出的各部分比例，其中，飛灰占據(jù)了76%，脫硫石膏占據(jù)了24%，底灰和煙氣占據(jù)的比例小于1%，這和上文的論述相符合。本研究中的汞輸出飛灰占據(jù)較高比例的原因在于，所測(cè)試電廠采用了FF作為除塵設(shè)備，F(xiàn)F產(chǎn)生的飛灰濾餅層能夠進(jìn)一步捕集煙氣中的汞，提升飛灰中的汞濃度和降低煙氣中的汞濃度，從而導(dǎo)致后續(xù)煙氣中汞濃度下降，使得脫硫石膏的汞輸入下降，氧化態(tài)汞占據(jù)了煙氣汞的主要形態(tài)也使得脫硫塔的效率大大提高，增強(qiáng)了脫硫塔的脫除效果，使得脫硫石膏中的汞濃度上升，提高了脫硫石膏的汞輸出。在以上加強(qiáng)了脫除效果的情況下，最終煙氣中的汞濃度較低，從而汞排放比例也相應(yīng)較小。

圖7 測(cè)試過(guò)程中汞的輸出比例示意

4 燃煤電廠脫汞策略

中國(guó)仍是一個(gè)發(fā)展中國(guó)家，根據(jù)我國(guó)國(guó)情及燃煤電廠污染現(xiàn)狀，制定燃煤電廠脫汞策略如下。

(1)對(duì)現(xiàn)有燃煤電廠按照燃煤煤質(zhì)、煙氣特征、污染物控制裝置類別等進(jìn)行分類，針對(duì)不同電廠特征和技術(shù)參數(shù)，分別制定脫汞措施。例如，目前的污染物脫除設(shè)備對(duì)煙氣中的總汞都有一定的脫除能力，但是和煙氣中汞的形態(tài)有很大的關(guān)系。因此，汞污染控制技術(shù)方案的制定需要考慮不同電廠煙氣中汞含量和汞分布情況以及目前的脫除設(shè)備。例如：如果電廠的Hg2+含量很高，并且該電廠安裝有濕法脫硫設(shè)備，此時(shí)只需往濕法脫硫裝置中加入脫汞劑，就能達(dá)到汞脫除目的；如果電廠的HgO含量很高，安裝了濕法脫硫裝置，但是沒(méi)有安裝SCR脫硝設(shè)備，可以考慮安裝同時(shí)脫硝、脫汞的催化劑，將HgO氧化為Hg2+，然后利用WFGD進(jìn)行脫除?？傊?，汞污染控制技術(shù)方案的制定要和燃煤電廠的汞排放情況關(guān)聯(lián)，根據(jù)不同的情況制定不同的脫汞方案。

(2)推廣與應(yīng)用煙氣脫硫、脫硝技術(shù)，充分發(fā)揮聯(lián)合污染物控制裝置的脫汞效率。對(duì)于裝有選擇性催化還原煙氣脫硝、靜電/布袋除塵和濕法煙氣脫硫設(shè)施的電廠，一般利用現(xiàn)有的脫硫、除塵、脫硝設(shè)施協(xié)同脫汞。如果不能滿足環(huán)保要求，可以考慮在濕法脫硫中添加氧化劑以提高脫汞效率。

(3)對(duì)于裝有靜電除塵裝置但沒(méi)有安裝濕法煙氣脫硫裝置的電廠，可考慮通過(guò)混煤、靜電除塵裝置改造來(lái)脫汞，根據(jù)煙氣中零價(jià)汞和二價(jià)汞的比例，考慮是否需要噴射活性炭。

(4)時(shí)刻關(guān)注燃煤電廠脫汞行業(yè)前沿，對(duì)于已經(jīng)商業(yè)化/工業(yè)示范、成本低、脫汞效率高的技術(shù)或者國(guó)內(nèi)自主開發(fā)的已經(jīng)開展中試或者小試的技術(shù)，可以優(yōu)先選擇用于電廠脫汞。

(5)研究脫硫、脫硝、脫汞一體化技術(shù)。目前的許多控制系統(tǒng)都是針對(duì)1種或者2種污染物，而在污染物綜合控制中解決汞的排放問(wèn)題是最具有成本效益的一種方法。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)電廠各個(gè)位點(diǎn)各種形態(tài)汞進(jìn)行監(jiān)測(cè)，得到污染物控制裝置對(duì)汞的脫除效率及汞的輸入、輸出參數(shù)。其中，布袋除塵器的汞脫除效率最高，達(dá)99%以上；濕法脫硫的氧化態(tài)汞脫除效率也高達(dá)99%以上。在煤中汞的輸出比例中，飛灰占75%以上，脫硫石膏其次，底灰和煙氣中的比例小于1%。

燃煤電廠鍋爐爐膛內(nèi)汞全部是以單質(zhì)汞的形式存在，隨著溫度降低，一部分汞氧化為氧化態(tài)汞，還有部分汞附著在灰塵中形成顆粒態(tài)汞?，F(xiàn)有的污染物控制裝置對(duì)單質(zhì)汞、氧化態(tài)汞及顆粒態(tài)汞都有一定的去除效果。根據(jù)燃煤電廠的煤質(zhì)參數(shù)、煙氣特征及污染物控制裝置等狀況，制定不同的脫汞策略和措施。

[1]火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)：GB 13223—2011[S].

[2]煤中汞含量分級(jí)：MT/T 963—2005[S].

[3]環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn):GB 3095—2012[S].

(本文責(zé)編：白銀雷)

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汪愛軍(1971—)，女，北京人，高級(jí)工程師，副總經(jīng)理，從事電力環(huán)境保護(hù)及節(jié)能技術(shù)研究和管理及大氣污染控制方面的研究、設(shè)計(jì)工作(E-mail:wangaj@ncpe.com.cn)。