超低排放機組協同脫汞效益研究

王妍艷，陶雷行，陸駿超，劉志超，萬 迪

(上海明華電力科技有限公司，上海 200090)

汞是一種會對人體健康造成永久性傷害的重金屬污染物[1]，火電機組由于燃煤消耗量大而成為人為汞的主要排放源之一，2019年我國火電機組發電量50 450億kWh，電力行業全年耗煤約為22.9億t[2]，據測算我國煤中平均汞含量為159～220 ng/g，以190 ng/g計算，全年燃煤機組汞輸入量為435 t，如果不經過污染物控制設備進行脫除，這些汞將大部分隨煙氣排入大氣環境。

GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標準》已經正式對汞排放濃度提出要求，限值設定與當時的歐盟標準水平相當，但與現有國際先進水平仍有一定差距[3]，并且已有的汞監測數據顯示，當前的汞排放標準相對寬松。隨著環保要求的日益嚴格，有必要針對超低排放改造后的燃煤機組進行汞排放及減排效果測試，為建立適合我國國情的汞監測方法、控制策略提供依據。本文選用安大略法對典型機組煙氣汞的全流程形態變化和排放濃度進行測試，以掌握超低排放系統汞分布規律和協同脫除效果，為超低排放機組進一步的優化設計和后續汞排放標準的制定提供重要參考。

1 燃煤電廠超低排放改造方法研究

燃煤電廠超低排放改造采用的技術路線各有不同，為全面研究超低排放機組的協同脫汞效益，項目選取3臺典型工藝路線機組。

測試機組A容量為1 000 MW，主要工藝路線為：SCR脫硝→低溫省煤器→低溫電除塵器→低溫省煤器→濕法脫硫→濕式電除塵器→煙氣再熱器；

測試機組B容量為1 000 MW，主要工藝路線為：SCR脫硝→高效電除塵器→低溫省煤器→濕法脫硫→煙氣冷卻器→煙氣加熱器；

測試機組C容量為600 MW，主要工藝路線為：SCR脫硝→低溫省煤器→低低溫電除塵器→濕法脫硫→煙道除霧器→煙氣再熱器。

在滿負荷工況下，對各機組改造后的低溫電除塵器、高效濕法脫硫裝置、濕式電除塵器及煙氣冷卻器等協同脫汞效果進行測試。

燃煤電廠煙氣汞以顆粒汞(Hgp)、元素汞(Hg0)及氧化汞(Hg2+)等形態存在，在排放過程中受多種因素影響而發生復雜的形態變化，有效的采樣與分析決定了汞測試的準確度。項目采用美國ASTM D6784的安大略方法進行煙氣汞的采集[4]，該方法對采樣管進行120℃全程加熱以防止水蒸氣凝結以及汞在管路上的吸附，煙氣中的顆粒汞被石英濾膜捕集，氣態氧化汞被3個裝有KCl的吸收瓶捕集，氣態元素汞被裝有HNO3/H2O2和H2SO4/KMnO4的4個吸收瓶捕集。采樣結束后，附著在石英濾膜上的顆粒汞采用熱解氣化冷原子吸收分光光度法進行分析，吸收液中的汞采用高錳酸鉀和過硫酸鉀消解后再進行含量分析。

2 結果討論

2.1 燃煤汞含量

燃煤電廠煙氣中汞含量受到多種因素的影響，主要是煤種、燃燒性質、污染物控制設備等。對3臺測試機組的入爐煤進行工業分析和汞含量測試，結果如表1所示。3臺機組的燃煤中汞含量分別為58.81，47.72，42.95 ng/g，低于我國159～220 ng/g的煤中平均汞含量，根據MT/T 963—2005《煤中汞含量分級》的規定，均屬于特低汞煤。

表1 各機組入爐煤煤質分析

2.2 汞的生成與排放分析

在燃煤鍋爐燃燒條件下，煤中的汞幾乎全部揮發出來，并以Hg0的穩定形態存在于煙氣中，只有約2%的汞殘留在底灰中。隨著煙氣進入省煤器、SCR反應器及空氣預熱器，煙氣溫度逐漸降低，在多種催化作用下，部分Hg0與煙氣中的氧化性物質發生反應形成Hg2+，也有部分Hg0吸附或凝結于飛灰顆粒表面而形成Hgp。Hg2+，Hgp在煙氣總汞中所占比例影響著煙氣汞的脫除效率，Hg0的穩定性好、水溶性低，難以被濕法脫硫等設備脫除，Hg2+易溶于水，也易與顆粒表面物質反應或吸附，使汞在后續設備中被脫除[5]。煤中的氯、溴等鹵素的存在以及脫硝催化劑等有利于Hg0轉化為Hg2+，煤中灰分含量也影響著煙氣中汞形態的分布，煙氣中Hgp的含量隨著灰分含量的升高而增大，同時飛灰中的金屬氧化物等對汞的氧化具有促進作用，從而對后續系統中汞的脫除產生積極影響。

滿負荷工況下，對A，B，C 這3臺機組的汞排放濃度進行測定，結合前期已掌握的其他6臺機組汞排放數據，對超低排放改造后的機組汞排放水平進行統計分析，結果如圖1所示。

圖1 燃煤機組超低改造后汞排放濃度

由圖1可知，各電廠Hg排放濃度為1.06～3.13 μg/m3，平均濃度為1.77 μg/m3。而在超低改造以前，部分檢測顯示排放濃度為7 μg/m3，總汞脫除效率為67.9%～88.7%。所測超低排放改造后機組汞排放水平均遠小于GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標準》中規定的燃煤電廠煙氣中汞及其化合物排放限值0.03 mg/m3，但與美國2011年12月出臺的《汞和空氣有毒物質標準》中對燃用非低階煤的新建機組規定的0.42 μg/m3煙氣汞排放限值相比，仍有一定減排需求。因此，研究超低系統污染物控制設備對各種形態Hg的轉化及脫除效果，對進一步提高脫汞效率具有重要意義。

2.3 電除塵器協同脫汞效果分析

分別對3臺機組電除塵器進、出口煙氣中不同形態汞進行采樣分析，結果如表2所示。

表2 電除塵器進出口煙氣汞濃度

A，B，C這3臺機組電除塵器進口總汞含量分別為9.35，5.07，4.95 μg/m3，Hg2+占比依次為50.9%，39.6%和31.1%。文獻[5]分別對電廠汞排放進行了全面測量，發現煙氣中汞形態隨煤種不同而不同，煙煤、無煙煤和褐煤燃燒產生的煙氣中，氧化汞占比分別為35%，20%和10%，元素汞占比分別為20%，65%和85%。本項目測試的3臺機組燃煤以煙煤摻混褐煤為主，其電除塵進口Hg2+占比均高于10%，一方面可能受鍋爐燃燒特性影響，另一方面由于3臺機組在電除塵器前均安裝有SCR脫硝裝置，在催化作用下，煙氣中Hg0更易被催化氧化。

在電除塵器出口，A，B，C這三臺機組總汞含量分別降低為7.05，3.38,3.69 μg/m3，電除塵器的總汞脫除率分別為24.6%，33.3%，25.4%。從3種形態汞占比的變化中可以發現，電除塵器對Hgp具有較好的脫除效果，可以去除大部分的Hgp，入口煙氣中Hgp含量越高，電除塵器的脫汞效率也會越高。對Hg0和Hg2+的脫除效率相對較低，其中Hg0脫除效率分別為19.1%，18.8%和9.6%，Hg2+脫除效率分別為23.3%，30.8%和29.2%。超低排放改造中通常在電除塵器前加裝低溫省煤器，而低低溫電除塵器在提高除塵效率的同時，對汞的協同脫除能力也得到提高。文獻[6-7]中的檢測認為，燃煤煙煤的低低溫電除塵器脫汞效率為0～68%，荷蘭研究者認為低低溫電除塵器脫汞效率在50%左右。

2.4 石灰石/石膏濕法脫硫裝置協同脫汞效果分析

石灰石—石膏濕法脫硫技術是我國最常采用的脫硫方法，由于Hg2+極易溶于水且化學性質活潑，因而容易被濕法脫硫裝置去除[8]。在滿負荷下對 3臺機組脫硫進、出口煙氣中不同形態汞濃度進行測定，結果如圖2所示。

圖2 濕法脫硫對汞的脫除效果

在A，B，C這3臺機組脫硫系統中，總汞分別由7.05，3.38和3.69 μg/m3降低至2.60，1.54和1.75 μg/m3，脫硫裝置對汞的脫除率分別為63.1%，54.4%和52.6%。

從圖2中可以看出，脫硫裝置對Hg2+有較強的脫除效果，3臺機組的Hg2+脫除率分別達到85.2%，84.9%，76.1%。文獻[9]對300 MW機組測試表明，濕法脫硫系統對Hg2+的脫除效率為79.93%～90.53%。文獻[10]對燃煤電廠污染物控制裝置進出口煙氣汞實地采樣測試結果表明，濕法脫硫對Hg2+的脫除效率為69.66%，均與本次測試結果相符。而Hg0不易溶于水，其在脫硫系統中的脫除效果并不顯著，本次測試3臺機組Hg0脫除率分別為29.7%，33.2%和39.2%。脫硫入口煙氣中Hgp濃度水平較低，經脫硫漿液洗滌后出口Hgp濃度低于檢出限。分析顯示脫硫系統對汞的脫除能力較強，而總汞脫除率主要由煙氣中Hg2+的占比決定，燃煤煙氣協同脫汞技術主要就是通過噴射氧化劑等辦法將Hg0轉化為Hg2+，再通過脫硫裝置協同脫除。

2.5 濕式電除塵器協同脫汞效果分析

A機組在脫硫出口安裝臥式、板式濕式電除塵器作為末端排放控制設施，采用安大略法對濕式電除塵器脫汞效果進行測定，結果如圖3所示。濕式電除塵器進口煙氣中總汞濃度為2.60 μg/m3，其中Hg0占比79.2%，經過濕式電除塵后，Hg2+幾乎全部被脫除，煙氣中總汞濃度降至1.06 μg/m3，總汞脫除效率為59.2%，Hg0脫除效率為48.5%。濕式電除塵器對汞的脫除由其工作原理所決定，區別于干式電除塵的振打清灰方式，濕式電除塵器收塵極板上的荷電粉塵是隨噴淋系統沖洗水流入灰斗排除的，這種清灰方式不僅避免了二次揚塵，獲得了更高的除塵效率，而且沖洗水形成的連續水膜還可以同時帶走水溶性較好的Hg2+，起到協同脫汞的作用。

圖3 濕式電除塵器對汞的脫除效果

2.6 煙氣冷卻器協同脫汞效果分析

B機組在脫硫吸收塔后增設煙氣冷卻器，利用江水對煙氣進行冷卻，從而實現回收冷凝水，緩解有色煙羽、消除石膏雨的目的。為研究煙氣冷凝對汞的協同脫除效果，對B機組煙氣冷卻器進出口汞濃度進行測定，結果如圖4所示。從圖4中可以看出，經過煙氣冷卻器后，煙氣中汞以Hg0的形式排放，總汞濃度由1.54 μg/m3降低為1.09 μg/m3，煙氣冷卻器脫汞效率為29.2%，Hg0的脫除效率為18.0%。同時對煙氣冷凝液進行成分分析，結果顯示冷凝液中汞含量為0.65 μg/L，這也驗證了煙氣冷卻器具有一定脫汞效果。

圖4 煙氣冷卻器對Hg的脫除效果

3 結語

燃煤機組的污染物控制設備都有一定協同脫汞效果，測試機組超低排放改造后電除塵器、濕法脫硫裝置、濕式電除塵器和煙氣冷卻器的總汞脫除效率分別為24.5%～33.3%,52.6%～63.1%,59.2%和29.2%，煙氣汞排放濃度為1.06～ 3.13 μg/m3，總汞脫除效率為67.9%～88.7%。

汞的脫除效率主要受煙氣中汞存在形態的影響，其中易于被捕集和吸附溶解的Hgp和Hg2+占比的提高有利于汞的脫除，煙氣汞最終主要以Hg0的形態排入大氣中。

對于煤中汞含量偏高的機組，可以進一步關注入爐煤中氯、溴等鹵素含量，提高Hg2+占比，并考慮采用溴劑摻燒-濕法脫硫或低溫段汞吸附劑噴射等脫汞工藝以降低汞排放水平。