燃煤電站污染物控制設備對煙氣汞的協同脫除研究

陶 君

（大唐環境產業集團股份有限公司，北京 100097）

燃煤電站污染物控制設備對煙氣汞的協同脫除研究

陶 君

（大唐環境產業集團股份有限公司，北京 100097）

汞是我國燃煤電站繼粉塵、SOx、NOx之后的第四大污染物，會對生態環境和人體健康造成嚴重危害。在超低排放改造的大背景下，燃煤電站都配有高效的脫硝、除塵和脫硫裝置，這些裝置對煙氣中的汞都具有一定的脫除效果。基于上述原因，本文詳細分析了燃煤電站現有污染物控制設備對煙氣汞的協同脫除效果。

燃煤電站；煙氣汞；協同脫除

在超低排放改造的大背景下，燃煤電站都配有高效的脫硝、除塵和脫硫裝置，這些裝置對煙氣中的汞都具有一定的協同脫除效果。為了使人更好地認識這些污染物控制設備對煙氣汞的協同脫除效果，本文分別闡述了脫硝、除塵、脫硫裝置對煙氣汞的協同脫除效果。

1 脫硝裝置對煙氣中汞的協同脫除效果

目前，燃煤電站應用較多的脫硝技術是選擇性催化還原（SCR）技術，其中對煙氣中的汞具有協同脫除效果的主要是SCR催化劑。目前常用的SCR催化劑主要為釩鈦體系催化劑，該催化劑表面的V=O會以活性中心位的形式參與汞的氧化反應，將Hg0氧化為Hg2+[1]。這一氧化過程受多種因素影響，如煙氣成分、催化劑制備溫度、反應溫度等，表1給出了一些因素對SCR催化劑催化氧化Hg0的影響[2]。需要說明的是，雖然煙氣中SO2對催化劑脫汞有抑制作用，但是SO3能促進脫汞。

表1 影響SCR催化劑催化氧化Hg0的因素及作用機理

通常認為，SCR催化劑會分別在兩個區域進行NOx的還原和Hg0的氧化。其中，NOx的還原是在SCR入口附近進行的，因為這里的NH3濃度較高。NH3會大量占據SCR催化劑表面的活性位，從而發生NOx的還原反應；而Hg0的氧化是在SCR的后半部分進行的，因為大部分NH3已被消耗，此時占據SCR催化劑表面的主要是HCl或Cl2，從而發生Hg0的氧化反應。但是，關于Hg0的具體氧化機制，人們尚未完全探究清楚。Naik等人認為Hg0在SCR催化劑上的氧化首先是HCl吸附在V2O5表面，然后與氣相中的Hg0或者物理吸附在V2O5表面的Hg0反應[3]。而Sheng H等人則認為吸附在V2O5/TiO2表面的HCl會先產生活性Cl，生成的活性Cl會再與鄰近的吸附態的Hg0反應完成汞的形態轉化[4]。此外，通過相關試驗，人們在SCR催化劑上檢測到了Cl2，說明Hg0的氧化也有可能是Deacon反應（4HCl+O2→2H2O+Cl2）在起作用。雖然SCR催化劑對Hg0的具體氧化機制尚未完全清楚，但大量研究表明HCl和Hg0均可在催化劑表面吸附，因此Langmuir-Hinshelwood機制解釋Hg0氧化顯得更為合理，即吸附于催化劑表面的Hg0和氧化劑物種之間發生反應，促使Hg0被氧化為Hg2+[5]。

綜上所述，脫硝裝置對煙氣中汞的協同脫除主要是通過SCR催化劑將煙氣中的Hg0氧化為易溶于水的Hg2+，從而有利于在下游濕法煙氣脫硫系統（WFGD）中被洗滌脫除。所以，當煙氣經過SCR后，煙氣中HgT的濃度并不會發生明顯改變。

2 除塵裝置對煙氣中汞的協同脫除效果

除塵裝置對煙氣中汞的協同脫除主要體現在對HgP的協同脫除上，而煙氣中HgP的含量則取決于煤中汞含量、煤的性質、鍋爐燃燒方式及污染物控制設施的配置等因素。例如，除塵裝置前端是否裝有SCR對汞的脫除具有一定的影響，因為SCR催化劑可將煙氣中的Hg0轉化成Hg2+，而Hg2+易于吸附在飛灰顆粒物表面，可在除塵裝置內被協同脫除，所以安裝SCR機組的除塵裝置的脫汞效果明顯優于未安裝SCR的機組[6]。

對于常規的靜電除塵器（ESP），除了可以脫除煙氣中的HgP以外，還可以氧化部分Hg0，因為ESP電暈輝光放電產生的臭氧是一種強氧化劑，可以促使汞由Hg0向Hg2+轉化，而且電暈輝光放電產生的紫外線和高能電子流也可以促使汞由Hg0向Hg2+轉化。由于煙氣汞中HgP的比例不高，所以常規ESP對煙氣總汞的脫除效率普遍偏低。對于常規ESP，如果在其前端加裝低溫省煤器，則可以提高ESP對煙氣汞的協同脫除效率。因為煙氣經過低溫省煤器后，溫度只有90℃左右，低于酸露點，結露的SO3會形成酸霧，可與Hg2+結合，甚至氧化Hg0，形成HgSO4溶液，進而該溶液被大量飛灰包裹進入ESP，并隨著飛灰被ESP捕獲而被脫除。

除了ESP，布袋除塵器（FF）也廣泛應用于燃煤電站。與常規的ESP相比，FF的脫汞效率要更高一些。

在超低排放標準發布后，有些燃煤電站會選擇在脫硫系統和煙囪之間加裝濕式電除塵器（WESP）。WESP的加裝除了可以進一步脫除粉塵和氣溶膠等污染物以外，還可以協同脫除煙氣中的汞。與常規ESP和FF不同的是，WESP對Hg0、Hg2+和HgP都具有一定的脫除效果，對三種形態汞的平均脫除率分別為32%～40%、72%～82%、33%～100%[7]。WESP之所以能脫除煙氣中的Hg2+，是因為在WESP的集塵板上存在一層水膜，Hg2+又易溶于水。

綜上所述，常規ESP和FF都主要是協同脫除煙氣中的HgP，但FF的協同脫汞效率要更高一些。而WESP則對三種形態的汞都具有協同脫除作用，由于WESP通常布置在煙囪之前，所以其可以進一步降低最終排放到大氣中的汞含量。

3 脫硫裝置對煙氣中汞的協同脫除效果

目前燃煤電站的脫硫裝置主要為WFGD，WFGD對煙氣汞的脫除主要體現為對Hg2+的協同脫除，因為Hg2+易溶于水，所以在WESP中，絕大部分的Hg2+會被脫除掉。但WESP對煙氣中Hg0的脫除率幾乎為零，因為Hg0易揮發且難溶于水。所以，WESP對煙氣總汞的脫除效率取決于煙氣汞中Hg2+的比例。因此，如果燃煤電站裝有SCR的話，WFGD對汞的協同脫除效率也會有所提高。此外，隨著液氣比、pH的增加，WFGD脫汞效率會逐漸增大[8]。

有研究指出，當煙氣經過WFGD后，煙氣中會有部分Hg2+被還原為Hg0，而且Hg0很難被WFGD除去。Hg2+被還原為Hg0的原因可能是煙氣經過WFGD后，其溫度仍高于100℃，致使噴入WFGD的漿液液滴蒸發，從而在脫硫劑的表面形成一層水膜。

隨后，煙氣中的Hg2+和Hg0會在水膜上發生反應生成再和漿液液滴上的OH–發生反應生成Hg0和HgO，HgO又會和煙氣中的SO2發生反應生成Hg0和SO3。Hg2+被還原為Hg0的另一個原因可能是脫硫劑液滴會與煙氣中的SO2反應生成亞硫酸鹽或硫酸鹽，生成的亞硫酸鹽或硫酸鹽又會與煙氣中的Hg2+反應生成Hg2SO4或HgSO4，而Hg2SO4或HgSO4在高溫煙氣下則會發生分解，從而生成Hg0[9]。因此，要防止脫硫廢水中汞的二次釋放。

綜上訴述，WFGD對煙氣中汞的協同脫除效率會隨煙氣中Hg2+比例的增大而得到提高。雖然WFGD可以有效脫除煙氣中的Hg2+，但脫除掉的Hg2+存在二次釋放的風險。所以如何防治Hg2+的二次釋放應是將來研究的重點。

4 結語

對于燃煤電站煙氣中汞的脫除，利用現有污染物控制設備進行協同脫除是最為簡單、經濟的技術方法，而如何提高煙氣中Hg2+的比例是該方法的關鍵。因此，人們需要深入研究SCR脫硝過程中汞的催化氧化機理，進一步提高SCR催化劑的催化活性、穩定性及協同脫硝脫汞性能。此外，人們還要研究如何提高脫硫廢水中Hg2+的穩定性，防治汞的二次釋放。

1 王起超，沈文國，麻壯偉.中國燃煤汞排放量估算[J].中國環境科學，1999，19（4）：318-321.

2 夏文青，黃亞繼，李 睦.燃煤脫汞技術研究進展[J].能源研究與利用，2015，（6）：24-29.

3 Naik，V Chitralkumar，Niksa，etal.Predicting Hg emissions rates from utility gas cleaning systems[J].Fuel，2010，89（4）：859-867.

4 Sheng H，Zhou J，Zhu Y，etal.Mercury oxidation over a vanadia-based selective catalytic reduction catalyst[J].Energy amp; Fuels，2009，23（1）：253-259.

5 王紅妍，王寶冬，李俊華，等.燃煤煙氣中單質汞的催化氧化技術研究進展[J].材料導報，2017，（7）：114-120.128.

6 陳姝娟，薛建明，許月陽，等.燃煤電廠除塵設施對煙氣中微量元素的減排特性分析[J].中國電機工程學報，2015，35（9）：2224-2230.

7 王運軍，段鈺鋒，楊立國，等.燃煤電站布袋除塵器和靜電除塵器脫汞性能比較[J].燃料化學學報，2008，36（1）：23-29.

8 許月陽，薛建明，王宏亮，等.燃煤煙氣常規污染物凈化設施協同控制汞的研究[J].中國電機工程學報，2014，34（23）：3924-3931.

9 王運軍，段鈺鋒，楊立國，等.濕法煙氣脫硫裝置和靜電除塵器聯合脫除煙氣中汞的試驗研究[J].中國電機工程學報，2008，28（29）：64-69.

Study on Synergistic Removal of Flue Gas Mercury by Pollutant Control Equipment in Coal - fired Power Plants

Tao Jun
(Datang Environmental Industry Group Co., Ltd., Beijing 100097, China)

Mercury is China's coal-fired power plants following the dust, SOx, NOxafter the fourth largest pollutants, the ecological environment and human health will cause serious harm.In the context of ultra-low-emission transformation, coal-fired power plants are equipped with efficient denitrification, dust removal and desulfurization devices, these devices have a certain effect on the removal of mercury in flue gas.Based on the above reasons, this paper analyzes in detail the effect of existing pollutant control equipment on flue gas mercury removal in coal-fired power plants.

coal-fired power station; flue gas; synergistic removal

X701.7

A

1008-9500(2017)10-0077-03

2017-08-06

陶君（1986-），男，黑龍江雙鴨山人，博士研究生，工程師，從事燃煤電站大氣污染物治理技術研發工作。