超低排放燃煤火電機(jī)組汞排放特性研究

孟磊

（大唐環(huán)境產(chǎn)業(yè)集團(tuán)股份有限公司，北京 100097）

1 引言

汞是一種具有劇毒、易揮發(fā)的污染物，對人體健康具有嚴(yán)重危害。近年來，國家不斷加強(qiáng)對燃煤電廠汞排放的治理。2011年，原環(huán)境保護(hù)部發(fā)布《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 13223—2011），要求2012年后新建燃煤火電廠汞排放限值為0.03mg/m3，2015年1月1日起，所有運(yùn)行的燃煤機(jī)組都要達(dá)到此標(biāo)準(zhǔn)。因此，對燃煤火電廠汞排放特性及控制技術(shù)的研究具有重要意義。

近年來，國內(nèi)很多學(xué)者都開展了汞排放特性方面的研究，如：華能集團(tuán)鐘犁等對大氣汞排放的監(jiān)測方法進(jìn)行了研究，并列出了不同方法的優(yōu)缺點(diǎn)[1]；中國環(huán)境監(jiān)測總站陳敏敏等對32個電廠進(jìn)行了現(xiàn)場測試分析，得到了大量汞排放特性數(shù)據(jù)[2]；國電環(huán)保院王圣等對6家典型電廠進(jìn)行了汞排放特性分析，給出了汞排放量與運(yùn)行參數(shù)的函數(shù)關(guān)系[3]；國網(wǎng)江西電力公司劉發(fā)圣等對江西地區(qū)4家電廠的汞排放特性進(jìn)行了研究[4]。上述研究主要是以未實(shí)施超低排放改造的機(jī)組為研究對象[5]，因此，開展超低排放改造后的機(jī)組汞排放特性研究具有重要意義。本文主要以超低排放燃煤火電機(jī)組為研究對象，通過選取3臺典型機(jī)組進(jìn)行現(xiàn)場汞測試，掌握汞排放規(guī)律以及各污染物控制裝置對汞的協(xié)同脫除性能，為后續(xù)的汞污染治理提供基礎(chǔ)。

2 汞的測試方法

以煤的工業(yè)分析、元素分析及汞含量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合實(shí)測的入爐煤量、排灰量、排渣量及煙氣含氧量等鍋爐運(yùn)行參數(shù)，可計算出實(shí)際干煙氣、濕煙氣體積以及灰平衡。煙氣中氧化態(tài)汞、單質(zhì)汞和顆粒汞濃度根據(jù)OHM標(biāo)準(zhǔn)取樣測試分析方法，以及Hydra AA汞分析儀測定數(shù)據(jù)得到。結(jié)合Hydra II C汞分析儀得到的入爐煤、爐渣、飛灰、ESP灰、WFGD脫硫劑、脫硫產(chǎn)物石膏等固體樣品的汞濃度數(shù)據(jù)，以及原子熒光分光光度計分析得到的WFGD廢水中汞濃度數(shù)據(jù)，可計算出鍋爐全系統(tǒng)的汞質(zhì)量平衡及分布[6]。

根據(jù)燃煤鍋爐機(jī)組運(yùn)行參數(shù)和汞濃度測試數(shù)據(jù)，可獲得煙氣中氣態(tài)單質(zhì)汞、氧化汞以及顆粒汞的質(zhì)量流量。結(jié)合入爐煤、ESP排灰、底渣的汞含量以及計算得到的灰平衡數(shù)據(jù)，可計算出單位時間進(jìn)入鍋爐系統(tǒng)的總汞質(zhì)量流量Hgin以及隨煙氣、ESP排灰、底渣、脫硫石膏和脫硫廢水流出系統(tǒng)的汞質(zhì)量流量Hgout。進(jìn)而根據(jù)質(zhì)量守恒原理，可以得到燃煤電廠的汞質(zhì)量平衡式：

入爐總汞=入爐煤中的汞

=SCR前煙氣中總汞+爐渣中汞

=SCR后煙氣中總汞+爐渣中汞

=ESP后煙氣中總汞+ESP排灰中汞+爐渣中汞

=WFGD后煙氣中總汞+脫硫產(chǎn)物中汞（包括石膏和廢水中的汞）-WFGD新鮮漿液中的汞+ESP排灰中汞+爐渣中汞。

煙氣中總汞濃度與煙氣中氣態(tài)汞和顆粒汞的關(guān)系如下（汞濃度通常折算到煙氣中6%O2下的值）：

HgT=Hg0+Hg2++Hgp

式中：

HgT——煙氣中總汞濃度，μg/Nm3；

Hg0——?dú)鈶B(tài)單質(zhì)汞濃度，μg/Nm3;

Hg2+——?dú)鈶B(tài)氧化態(tài)汞濃度，μg/Nm3；

Hgp——煙氣中顆粒汞濃度，μg/Nm3。

2.1 取樣點(diǎn)分布

現(xiàn)場汞取樣點(diǎn)位置分布如下圖所示，四個取樣點(diǎn)為：選擇性催化還原脫硝裝置（SCR）前后（1和2）煙道取樣點(diǎn)、濕法煙氣脫硫裝置（WFGD）前后（3和4）煙道取樣點(diǎn)。本測試中，四個測點(diǎn)同時取樣，以保證取樣數(shù)據(jù)的同時性、完整性、準(zhǔn)確性。

燃煤鍋爐系統(tǒng)汞現(xiàn)場取樣點(diǎn)分布示意圖

2.2 汞取樣系統(tǒng)及方法

現(xiàn)場汞取樣采用美國EPA推薦使用的OHM標(biāo)準(zhǔn)方法（D 6784—02）進(jìn)行煙氣的取樣、恢復(fù)、消解等處理。使用美國Hydra AA全自動測汞儀分析消解后煙氣中元素汞、氧化汞的濃度。煙氣中顆粒汞采用OHM取樣槍前部的玻璃纖維濾筒收集，采用美國Hydra II C全自動測汞儀分析總汞濃度。固體樣品煤、底渣、飛灰、脫硫產(chǎn)物石膏中汞濃度采用美國的全自動汞分析儀進(jìn)行檢測。液體樣品WFGD新鮮漿液、WFGD脫硫廢水及WFGD脫硫石膏中汞濃度采用原子熒光分光光度計進(jìn)行檢測[7]。

3 測試電廠基本情況

為了研究不同環(huán)保設(shè)施對汞排放特性的影響，選取了同一電廠的3臺超低排放機(jī)組開展測試。3臺測試機(jī)組均采用SCR脫硝技術(shù)，脫硫塔為噴淋空塔+高效除霧器，除塵方式為靜電除塵，出口控制指標(biāo)為SO2＜35mg/Nm3，粉塵濃度＜5mg/Nm3。

4 汞測試結(jié)果分析

4.1 鍋爐全系統(tǒng)汞質(zhì)量平衡

根據(jù)鍋爐運(yùn)行數(shù)據(jù)和汞現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)，得到3臺機(jī)組鍋爐系統(tǒng)的汞質(zhì)量平衡，分別如表1、表2、表3所示。從測試結(jié)果看，不同機(jī)組在不同工況下的汞平衡率在70%～90%。

表1 1號鍋爐全系統(tǒng)汞質(zhì)量平衡

表2 2號鍋爐全系統(tǒng)汞質(zhì)量平衡

表3 3號鍋爐全系統(tǒng)汞質(zhì)量平衡

4.2 煙氣中汞形態(tài)濃度及分布

從表4、表5、表6中的數(shù)據(jù)可看出，3臺機(jī)組在鍋爐平均50%負(fù)荷、75%負(fù)荷等四種工況下，測點(diǎn)汞排放濃度值均低于《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 13223—2011）中的汞排放限值30μg/Nm3。測試結(jié)果表明，在煤中汞含量為0.20mg/kg及以下的情況下，火電機(jī)組實(shí)施超低排放改造后，不用單獨(dú)增加脫汞設(shè)備即可滿足汞排放標(biāo)準(zhǔn)。

煤在鍋爐中燃燒后產(chǎn)生的汞形態(tài)分為煙氣單質(zhì)汞、煙氣氧化汞和顆粒汞。SCR入口處的煙氣汞形態(tài)主要為氣態(tài)氧化汞和氣態(tài)單質(zhì)汞，1、2號機(jī)組氣態(tài)氧化汞約占80%。顆粒態(tài)汞占比較少。經(jīng)SCR脫硝裝置后，由于催化劑對單質(zhì)汞具有氧化作用，氣態(tài)單質(zhì)汞所占比例降低，氣態(tài)氧化汞占比增加，顆粒汞變化不明顯。經(jīng)過除塵裝置后，氣態(tài)單質(zhì)汞和氣態(tài)氧化汞變化不明顯，顆粒汞明顯降低，有些工況降低為0μg/Nm3，說明電除塵裝置對顆粒汞脫除效率較高。經(jīng)過濕法脫硫裝置后，氣態(tài)單質(zhì)汞和顆粒汞變化不明顯，氣態(tài)氧化汞明顯降低，大部分被脫除，說明濕法脫硫裝置對氣態(tài)氧化汞具有較高脫除作用。

5 結(jié)論

本文主要研究了燃煤火電超低排放機(jī)組的汞性能測試方法，完成了對同一個電廠3臺典型超低排放機(jī)組的現(xiàn)場測試，掌握了超低排放機(jī)組煙氣中的汞分布形態(tài)及排放特性。研究表明，在煤中汞含量為0.20mg/kg及以下的情況下，火電機(jī)組實(shí)施超低排放改造后，不用單獨(dú)增加脫汞設(shè)備即可滿足汞排放國家標(biāo)準(zhǔn)。SCR脫硝裝置對煙氣單質(zhì)汞具有協(xié)同氧化作用，靜電除塵裝置可以脫除煙氣中顆粒汞，濕法脫硫裝置可以高效脫除煙氣氧化汞，排放到大氣環(huán)境的汞大部分為煙氣單質(zhì)汞。本研究有助于了解并掌握燃煤火電廠汞排放特性，為火電廠開展汞污染的治理提供了依據(jù)。

表4 1號機(jī)組各取樣點(diǎn)煙氣汞形態(tài)濃度及分布

表5 2號機(jī)組各取樣點(diǎn)煙氣汞形態(tài)濃度及分布

表6 3號機(jī)組各取樣點(diǎn)煙氣汞形態(tài)濃度及分布