帶SCR脫硝的燃煤鍋爐汞排放狀態(tài)及控制

滕敏華

（浙能技術(shù)中心，杭州 310052）

2011年7月，我國環(huán)境保護(hù)部頒布了GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，首次將汞作為新增的控制指標(biāo)，要求2012年后新建電廠，煙氣排放中的汞質(zhì)量濃度限值為30μg／m3?，F(xiàn)以某電力集團(tuán)下的660MW燃煤機(jī)組為例，該機(jī)組安裝了選擇性催化還原煙氣脫硝裝置（SCR）、靜電除塵器（ESP）和石灰石—石膏濕法脫硫系統(tǒng)（WFGD），研究對鍋爐汞排放的測試、汞平衡的計算，分析脫硝（SCR）、靜電除塵（ESP）和濕法脫硫?qū)C(jī)組汞排放的影響。

1 測試方法

為了對燃煤鍋爐進(jìn)行汞平衡計算和汞排放測算，必須分別測定帶入和排出鍋爐的含汞量，為了正確測定這些項目的含汞量，選擇合適的取樣方法和地點很重要。根據(jù)美國Ontario－Hydro方法（OH法）標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)測試要求，原煤的樣品取自給煤機(jī)入口，石膏在脫水皮帶上取樣；煙氣中的汞含量測試選取鍋爐尾部煙道中的4個煙氣取樣點（分別布置在SCR前、ESP前、ESP后和WFGD后），渣樣和灰樣分別取自鍋爐的撈渣機(jī)上和電除塵灰斗，脫硫廢水在脫硫塔出口處取樣。

在燃煤機(jī)組運行的整個過程中，煙氣中的元素汞會以氧化態(tài)汞（Hg2＋）、零價汞（Hg0）和顆粒汞（Hgp）的形態(tài)出現(xiàn)。本次測試中氧化態(tài)汞和顆粒汞的采樣基于美國EPA認(rèn)定的標(biāo)準(zhǔn)方法Ontario Hydro Method進(jìn)行，而煙氣中的零價汞（Hg0）則由RA -915M高頻塞曼效應(yīng)原子吸收測汞儀通過煙氣取樣設(shè)備實時測量。煙氣的樣品取得后，Hg2＋和Hgp采用Lumex品牌的PYRO -915＋型熱解爐配合RA -915M進(jìn)行汞含量測定。在煙氣汞取樣的同時，進(jìn)行原煤、底渣、電除塵灰和脫硫附屬品的取樣，樣品使用PYRO -915＋型熱解爐配合RA -915M進(jìn)行汞含量測定。

2 測試結(jié)果

燃煤電廠汞的輸入主要來自原煤，另外原煤中的氯含量較高時對汞的形態(tài)轉(zhuǎn)換影響較大，因此測定工作對煤中的氯含量也進(jìn)行了測定。選取了某一電力集團(tuán)常用的14個煤種進(jìn)行檢測，結(jié)果見表1。

表1 煤樣品中汞和氯的質(zhì)量比含量

可以看到：汞含量最高的是褐煤和淮南煤；14個煤種的平均含汞量為0.084μg／g，低于全國煤中汞含量0.158μg／g的水平［1］。測定還表明，這些煤種的平均氯含量為0.006%，遠(yuǎn)低于我國《煤炭質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的0.050%～0.150%的低氯煤，所以試驗和分析時可以不考慮原煤中氯元素對汞排放的影響。在測試過程中，鍋爐一直燃用“神混”和“優(yōu)混”2個煤種；機(jī)組配套的5臺磨煤機(jī)煤量平均分配；3臺磨煤機(jī)磨神混，2臺磨煤機(jī)磨優(yōu)混。2個煤種中氯、氟和汞的含量測定結(jié)果見表2。

表2 燃煤的氯、氟和汞的質(zhì)量比含量10－9

測試進(jìn)行了3天，各固體樣品的測定結(jié)果見表3，三個煙氣取樣點的汞含量測定結(jié)果見表4。表4中ESP前測點的顆粒汞（Hgp）濃度測定可能受飛灰的干擾，測定值超出了原煤的汞含量，不反映該處煙氣中真實的汞含量，不予采用。由于煙氣中絕大多數(shù)的顆粒汞都已經(jīng)摻入在ESP的飛灰中，故ESP后的煙氣中測試過程中沒有收集到顆粒汞。

表3 固體樣品汞含量

表4 各采樣點煙氣中不同形態(tài)汞的濃度

3 測試結(jié)果分析

汞排放速率及質(zhì)量平衡的計算，以燃煤工業(yè)分析和元素分析為基礎(chǔ)，根據(jù)實測煙氣中含氧量計算各測點煙氣容積，將煙氣容積、煙氣中汞的濃度相乘，可以得到單位時間排放的零價汞（Hg0），氧化態(tài)汞（Hg2＋）和顆粒汞（Hgp）的質(zhì)量。測量煤、飛灰、底渣和脫硫石膏的汞含量，根據(jù)電廠的運行耗煤量和灰分平衡以及脫硫系統(tǒng)物料平衡，可計算出單位時間進(jìn)入系統(tǒng)的汞的質(zhì)量，以及在飛灰、底渣和脫硫石膏中排出系統(tǒng)的汞的質(zhì)量。計算結(jié)果表明，該機(jī)組汞的平均質(zhì)量平衡系數(shù)為108.06%；帶入機(jī)組的汞流量為20.27g／h，煙氣排放的汞流量為2.11g／h。汞在燃煤鍋爐煙氣流程中的分布和沿程變化如圖1所示。

測試結(jié)果表明，由于汞具有很高的揮發(fā)性，煤在鍋爐中燃燒后，爐膛內(nèi)的高溫幾乎使全部的汞揮發(fā)出來，煙氣里的零價汞隨著煙氣流向SCR、ESP一路降低，但最后經(jīng)過WFGD時由于FGD漿液中的SO2－4、HSO－3和金屬離子對Hg2＋的還原作用所致，從而導(dǎo)致FGD后零價汞（Hg0）有所增加［2］。爐渣中汞的含量最低，所占比例平均不到1%；在ESP底灰中汞含量最多，所占比例平均為77.65%。這是因為灰對于汞具有一定的吸附作用［3－4］。

圖1 汞在燃煤過程中的沿程變化

根據(jù)現(xiàn)場測定結(jié)果，分布在石膏中的汞占比例平均為12.72%，煙氣排放的汞平均占總汞的9.64%，主要以Hg0為主。

從測試結(jié)果也能看出，帶SCR脫硝的燃煤鍋爐最后從煙氣里排放的汞為9.64%，因此即使燃用含汞量高達(dá)0.28μg／g的褐煤，煙氣排放中汞的質(zhì)量濃度也只有27μg／m3，完全能達(dá)到目前國家環(huán)保最新的要求；如果按全國煤中汞含量0.158μg／g的水平來測算，那么對于帶SCR脫硝的燃煤鍋爐來說，煙氣排放中汞的質(zhì)量濃度就只有15.0μg／m3。

4 脫硝、靜電除塵和濕法脫硫?qū)煔庵泄欧诺挠绊?/h2>

煙氣中的汞形態(tài)分布受到多種因素的影響，如煤的性質(zhì)、燃燒的工況及現(xiàn)有的煙氣處理裝置等。SCR在脫硝過程中可將煙氣中大多數(shù)的零價汞轉(zhuǎn)化為氧化態(tài)汞，這些汞吸附在煙氣中的飛灰中，最后通過除塵器得到有效脫除，而且石灰石—石膏濕法脫硫系統(tǒng)WFGD對煙氣中的氧化態(tài)汞，也具有很好的洗滌脫除作用［2］，因此整個煙氣流程中汞的脫除率得到了很大提高。遺憾的是，因現(xiàn)場原因由于本次測試沒能在SCR后、空預(yù)器前進(jìn)行采樣，因此不能計算煙氣中汞在經(jīng)過SCR時的氧化效率，但從總的汞脫除效率和質(zhì)量平衡可以看出，燃煤鍋爐安裝了SCR煙氣處理裝置后，利用SCR系統(tǒng)的氧化作用、ESP飛灰的吸附作用和WFGD系統(tǒng)的吸收作用，實現(xiàn)對汞排放的聯(lián)合控制，可以有效提高煙氣中汞的脫除率。

ESP對燃煤煙氣汞排放的影響主要體現(xiàn)在對顆粒態(tài)汞的脫除。在煙氣流經(jīng)ESP的過程中，飛灰中的礦物成分和表面活性基團(tuán)會吸附煙氣中的單質(zhì)汞和氧化態(tài)汞。另外，由于煙氣在ESP中流速較低，并且停留時間較長，也增加了飛灰對煙氣中汞的接觸時間，從而促進(jìn)了飛灰對汞尤其是氧化態(tài)汞的吸附［5］。研究表明，影響飛灰汞含量的因素主要有煙氣成分、飛灰化學(xué)成分、飛灰顆粒大小以及飛灰中未燃燼炭等。

飛灰顆粒的大小對汞的富集能力影響較大，小顆粒對汞的富集作用更強(qiáng)［6］。本次三天的測試數(shù)據(jù)顯示，汞在ESP底灰中分布最多，通常為66.67%～83.59%，平均77.65%。初步判斷，由于該鍋爐所用的煤種較好、磨煤機(jī)的煤粉細(xì)度R85在10%左右，因此鍋爐產(chǎn)生的飛灰顆粒很細(xì)，對煙氣中的汞有很強(qiáng)的吸附作用，ESP除塵率可以達(dá)到99.8%，最后結(jié)果是該機(jī)組的ESP底灰中汞含量最多，ESP后的顆粒態(tài)汞已經(jīng)減少到檢測不到的程度。

目前，飛灰對汞的吸附機(jī)理還沒有很好的理論成果，飛灰成分、煙氣性質(zhì)對汞吸附的影響的研究也很少見報道；本次試驗時飛灰的成份為：SiO2為53.51%，Al2O3為31.14%，CaO 為5.92%，F(xiàn)e2O3為4.67%，TiO2為1.40%，K2O為1.01%，MgO為0.62%，SO3為0.54%，Na2O為0.36%，P2O5為0.33%。，沒有發(fā)現(xiàn)含特別的汞強(qiáng)氧化劑。因此，測試中除塵器底灰中的汞含量較高，應(yīng)當(dāng)認(rèn)為是SCR氧化和飛灰高效吸附的綜合作用所致。

WFGD對燃煤煙氣汞排放的影響主要體現(xiàn)在對氧化態(tài)汞的脫除［7］。氧化態(tài)汞易溶于水，當(dāng)氣態(tài)的Hg2＋溶于WFGD的漿液后，Hg2＋與漿液中溶解的硫化物反應(yīng)形成不溶于水的HgS，比較容易得到脫除［2］。在煙氣流經(jīng)WFGD前通過了SCR和ESP煙氣處理裝置，由于SCR對零價汞的氧化作用和ESP中飛灰對顆粒汞的吸附，已經(jīng)脫除了77.6%的汞，剩下的氧化態(tài)汞大部分在煙氣經(jīng)過WFGD時被石膏產(chǎn)物帶走，所占比例達(dá)12.72%，最后通過煙囪排放的9.64%絕大多數(shù)是零價汞。

5 結(jié)論

1）燃煤機(jī)組帶有SCR＋ESP＋WFGD的煙氣處理裝置后，利用SCR系統(tǒng)的氧化作用、ESP飛灰的吸附作用和WFGD系統(tǒng)的吸收作用，可有效實現(xiàn)對汞的聯(lián)合控制，大大提高了燃煤鍋爐煙氣中汞的脫除率，即使燃用汞含量很高的褐煤，煙氣中汞排放濃度也完全能達(dá)到國家環(huán)保最新排放標(biāo)準(zhǔn)要求。

2）帶有SCR的燃煤鍋爐，由于SCR對零價汞的氧化作用，電除塵器飛灰含汞量可達(dá)77%。WFGD排出的石膏中汞含量達(dá)13%，煙氣中的汞排放僅在10%左右。3）在燃煤鍋爐中，汞在鍋爐底渣中所占的比例非常小，一般小于1%。

［1］陳鵬.中國煤炭性質(zhì)、分類和利用［M］.北京：煤炭科學(xué)技術(shù)出版社，2007（第二版）.

［2］吳其榮，聶華，余于.燃煤電廠汞的控制及脫除［J］.熱力發(fā)電，2012，417（1）：8－10.

［3］E J Granite，H W Pennline，R A Hargis.Novel sorbents for mercury removal from flue gas［J］.Industrial ＆Engineering Chemistry Research，2000，39：1020－1029.

［4］彭蘇萍，王立剛.燃煤飛灰對鍋爐煙道氣的吸附研究［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2002，30（9）：33－36.

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［6］石祥建.飛灰對煙氣中汞轉(zhuǎn)化的影響及測量技術(shù)研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2006.

［7］王乾，吳成軍，段鈺.燃煤電廠脫硫系統(tǒng)的脫汞特性研究［J］.2008（1）：69－76.