淺談新標準實施的燃煤電廠汞排放控制途徑

戴偉民

（新疆電力設計院,烏魯木齊 830002）

1 引言

汞是一種非常重要的全球性污染物，燃煤電廠汞污染排放是人為汞排放源之一。2011年7月29日，環境環護部和國家質量監督檢驗檢疫局對《火電廠大氣污染物排放標準》(GB13223-2011)進行了修訂，除重新提高了煙塵、SO2、NOx排放標準外，也首次對汞污染排放標準提出了不大于0.03mg/m3的新排放要求，并從2015年1月1日起開始執行。2014年9月12日，國家發展和改革委員會、環境保護部、國家能源局又聯合發文·發改能源(2014)2093號關于印發《煤電節能減排升級與改造行動計劃(2014—2020年)》的通知，要求東部地區新建燃煤發電機組大氣污染物排放濃度基本達到燃氣輪機組排放限值,中部地區新建機組原則上接近或達到燃氣輪機組排放限值,鼓勵西部地區新建機組接近或達到燃氣輪機組排放限值，支持同步開展大氣污染物聯合協同脫除,減少三氧化硫、汞、砷等污染物排放。

中國是一個煤炭生產大國，資源儲量達5.9萬億噸，2013年生產煤炭達36.8億噸，原煤汞含量變化范圍在0.1～5.5mg/kg，平均汞含量約0.22mg/kg，可見我國燃煤中汞含量普遍偏高（世界范圍內煤的平均汞含量約 0.13mg/kg）。同時也是一個燃煤大國，能源需求總量中煤炭所占比例約66%，雖然燃煤煙氣中的汞濃度低，但總量巨大，燃煤汞排放源約占1/3。

新疆煤炭預測儲量達2.19萬億噸，約占全國煤炭資源預測總量的40%，年生產煤炭約1.5億噸，煤中汞含量變化范圍在0.020～0.17mg/kg，平均值為0.054 mg/kg，遠低于世界及全國平均值。

目前，我國燃煤電廠應用煙氣脫汞技術還在起步階段，但大部分燃煤電廠已完成煙氣脫硝、除塵、煙氣脫硫裝置，但均未考慮脫汞裝置的空間位置。因此，在新標準實施情況下，充分利用現有電廠污染物控制設備進行脫汞就顯得十分重要，尤其對新疆地區燃用低汞煤的燃煤電廠進行協同脫汞具有非常重要的現實意義。

2 汞污染的控制途徑

世界上燃煤電廠汞污染控制主要有燃燒前脫汞、燃燒中脫汞、燃燒后脫汞三種方式。

2.1 燃燒前脫汞

燃燒前脫汞主要為洗煤和熱解技術，均屬于從源頭控制，并使燃煤電廠在燃燒過程中汞的排放量大量減少。洗煤使汞大量富集在浮選廢渣中，從而起到除去煤中汞的作用，是一種相對簡單、可靠性高，維護量小，成本較低的汞排放脫除措施。如采用物理化學洗煤技術，脫除效率將不小于50%。熱解技術是利用汞的高揮發性特點，使原煤中汞受熱并揮發。一般在溫度400℃以下時，脫汞效率可以達到80%左右，但同時煤也發生了熱分解，致使煤中揮發性物質減少，發熱量降低，不利于鍋爐燃燒。

2.2 燃燒中脫汞

燃燒中脫汞主要是利用低溫燃燒技術或噴入一定量的汞吸附劑。目前主要有循環流化床鍋爐、煤粉鍋爐低氮器和加入吸附劑。循環流化床鍋爐是利用燃煤在爐內停留時間長和低溫燃燒的特點，增加了灰渣中吸附汞的機會，有利于單質汞的沉降，以及低溫燃燒可增加氧化態汞(Hg2+)的含量，同時又抑制單質汞(Hg0)的形成，更易被現有濕法脫硫設施脫除。同樣低氮燃燒技術是利用其燃燒溫度較低，提高了煙氣中氧化態汞(Hg2+)的含量。而脫汞吸附劑是利用氧化態汞(Hg2+)容易被吸附去除的機理，采用某種催化劑，使煙氣中的單質汞(Hg0)轉化成氧化態汞(Hg2+)，有利于燃煤電廠利用現有污染控制設施達到脫汞目的。

2.3 燃燒后脫汞

燃燒后脫汞主要采用開發新的脫汞吸收劑；以及對現有燃煤電廠煙氣脫硫、煙氣脫硝、除塵設施進行改造，促使其具有一定的脫汞性能。由于吸附劑費用較高，會增加燃煤電廠運行成本，燃煤電廠目前很少使用。因此，燃煤電廠使用范圍最大的還是利用現有煙氣治理設施進行協同脫汞。

綜上所述，隨著國家環保要求的不斷嚴格，燃煤電廠也要達到與燃氣相當的污染物排放水平。考慮到目前燃煤電廠的煙氣脫硝、煙氣脫硫、除塵等煙氣治理設施已是建設燃煤電廠必不可少的第四大主機設備，對如何利用好現有環保治理設施協同控制汞污染排放，將是今后一段時期的主要發展研究方向。以下通過對燃煤汞含量特點和燃煤電廠現有污染物控制措施，推薦適合我國燃煤電廠的復合式脫汞技術。

3 利用現有煙氣污染控制設備脫汞

3.1 循環流化床鍋爐

采用循環流化床鍋爐的電廠運行床溫可控制在850～950℃，可實現低溫燃燒和分級燃燒，污染物控制主要是利用低溫燃燒和選擇性非催化還原技術（SNCR）進行煙氣脫硝，電袋復合除塵器或布袋除塵器除塵，爐內或爐內與爐外相結合方式進行脫硫。

循環流化床鍋爐是一種可以噴入石灰石或其他吸附劑的裝置，其燃燒方式在降低NOx排放的同時也降低了煙氣中汞的排放。在CFB 燃煤過程中，汞主要富集在灰渣中，灰渣中汞的含量與其他燃燒過程大致相同。由于循環流化床燃燒溫度較低，煤中揮發出的氣態汞所占比例較少，且灰渣顆粒和一些添加劑導致的還原性氣氛，都有利于礦物質氣化而產生大量的亞微米級顆粒，從而增加灰渣對煙氣中汞（包括單質態和氧化態）的吸附。后續除塵設備捕集灰渣顆粒，大大減少了汞向大氣的排放。此外循環流化床燃料適應性相對較廣，使得添加石灰石或一些汞的催化劑噴入到流化床中，可以進一步提高汞的捕捉效率。

3.2 煤粉鍋爐

目前，燃煤電廠的鍋爐大多數還是采用煤粉鍋爐，現有煙氣污染控制設施主要采用低氮燃燒技術和選擇性催化還原技術（SCR）進行煙氣脫硝，利用靜電除塵器、電袋復合除塵、布袋除塵器進行除塵，利用濕式除塵器進行PM2.5和石膏雨脫除，利用石灰石-石膏濕法工藝進行脫硫。

3.2.1 低NOx燃燒技術（LNB）

低NOx燃燒技術是利用低氮燃燒器和配風來控制爐膛燃燒區域的燃燒溫度及空氣量，對控制NOx形成的同時增加煙氣灰渣中未燃盡的碳含量來抑制單質汞(Hg0)的形成，更有利于濕法脫硫設施吸附煙氣中的汞。因此，該技術對灰渣量較大的煙煤來說，比較實用。

3.2.2 除塵設備

燃煤電廠煙氣除塵裝置對顆粒態汞有一定的脫除作用，但對氣態的單質汞(Hg0)和氧化態汞(Hg2+)影響不大。目前燃煤電廠使用電除塵器（ESP）和布袋除塵器（FF）、電袋復合除塵器（FE）比較多，濕式電除塵器（WESP）也有部分電廠開始使用（主要用于去除PM2.5和脫硫石膏雨）。

（1）靜電除塵器（ESP）。靜電除塵器效率可達到99%以上，因此，在脫除煙塵的同時可脫除以灰渣形式存在的顆粒態汞(Hgp)，但灰渣中顆粒態汞的比例一般小于5%，而且灰渣中的汞多存在于亞微米級顆粒中，一般的靜電除塵器對該粒徑的灰渣脫除效率很低，所以靜電除塵器的脫汞能力有限，對燃煤電廠總汞脫除效率一般在20～40%之間。

（2）布袋除塵器（FF）。袋式除塵器作為高效的除塵器，它不受燃用煤種變化帶來的影響，能收集比電阻高、靜電除塵器難以收集的粉塵。尤其對于那些微細粉塵、重金屬（如汞）采用袋式除塵器收集更具有優勢。除塵效率可達99.9%以上。可以脫除灰渣中99.5%以上的顆粒汞，總汞脫除效率一般在30～50%之間。但布袋除塵器受高溫煙氣、點火用油、濕煙氣等影響較大，燃煤電廠對濾袋材質有一定要求。

（3）電袋復合除塵器（FE）。電袋復合式除塵器是一種兼具靜電除塵和袋式除塵技術優點的除塵技術，可去除煙氣中的顆粒物和重金屬（如汞）。電袋復合式除塵器的設計除塵效率可達99.9%以上，總汞的脫除率可達30～50%。

（4）濕式電除塵器（WESP）。濕式除塵器有控制復合污染物的強大功能，可有效收集細顆粒物PM2.5、酸霧(0.1～0.5μm)、氣溶膠、重金屬Hg等。它布置在濕法脫硫塔后，與干式除塵器、吸收塔協同工作，可使煙塵排放濃度控制在5mg/m3以內。煙氣在經過濕式除塵器時，部分氧化態汞溶于液體中被脫除，總汞的脫除率可達40～60%。

3.2.3 脫硫工藝

目前燃煤電廠使用較多的煙氣脫硫工藝主要有煙氣循環流化床煙氣脫硫和石灰石-石膏濕法脫硫，其中石灰石-石膏濕法仍是當前大中型燃煤電廠的首選，應用廣泛。

（1）煙氣循環流化床脫硫。煙氣循環流化床脫硫是通過消石灰粉在床內的內循環和高倍率的外循環，使得吸收劑與SO2間的傳熱傳質交換強烈，固體物料在床內的停留時間長達30～60分鐘，從而大大提高了吸收劑的利用率和脫除率。在干法脫硫系統中，顆粒態汞Hg(p)很容易被除去，單質汞（Hg0）和氧化態汞（Hg2+）能被吸附在灰渣、硫酸鈣或亞硫酸鈣顆粒表面。當煙氣通過布袋除塵器時，顆粒汞能很容易被吸附和捕獲。其主要特點有：

1）顆粒物在吸收塔內單程的平均停留時間長達40秒左右(考慮循環倍率，顆粒總的停留時間為60分鐘左右)，煙氣在塔內的氣固接觸時間高達8秒以上，特別是吸收劑以及循環物料與煙氣之間具有最長的接觸行程。

2）當鍋爐負荷降低時，進入煙氣脫硫系統的煙氣量和污染物量減少，所需的脫硫劑及物料循環量也相應減少，通過調整操作，使煙氣脫硫系統適應鍋爐負荷的變化。

3）為了促進消石灰和SO2的反應，通過向吸收塔內噴水來降低煙氣的溫度。抑制單質汞(Hg0)的形成，有利于脫硫設施吸附煙氣中的汞。

（2）石灰石-石膏濕法脫硫(WFGD) 。石灰石—石膏濕式煙氣脫硫工藝是目前世界上應用最廣泛，技術最為成熟的煙氣脫硫技術。石灰石小顆粒經磨細成粉狀與水混合攪拌制成吸收漿液。在吸收塔內，吸收漿液與煙氣接觸混合，煙氣中的SO2與漿液中的碳酸鈣及鼓入的氧化空氣進行化學反應被脫除，最終反應產物為石膏。煙氣經脫硫系統后排煙溫度在50℃左右，由于溫度較低，對煙氣中單質汞(Hg0)的氧化和氧化態汞(Hg2+)的吸收極為有利，是目前燃煤電廠煙氣脫汞最有效的措施之一。尤其是煙氣中氧化態汞(Hg2+)易溶于水，并與石灰石吸收劑發生反應，總汞脫除效率在7～57%之間，氧化態汞(Hg2+)脫除效率高達80～95%，但無法脫除煙氣中的單質汞(Hg0)。由于煙氣中的汞實際是以單質汞（Hg0）形態存在，我們可以利用燃煤電廠煙氣脫硝反應器中的催化劑促使煙氣中的單質汞(Hg0)轉化為氧化態汞(Hg2+)，就會大幅度提高濕法脫硫的脫汞效率。

3.2.4 煙氣脫硝工藝

應用在燃煤電站鍋爐上的成熟煙氣脫硝技術主要有選擇性催化還原技術（SCR）、選擇性非催化還原技術（SNCR），以及SNCR/SCR混合煙氣脫硝技術。煙氣脫硝工藝實際對于煙氣中的汞沒有脫除，但是對煙氣中汞的存在形態有很大影響，可以將單質汞（Hg0）氧化成氧化態汞（Hg2+），會大幅度提高濕法脫硫的脫汞效率。單質汞（Hg0）被煙氣脫硝裝置中的催化劑氧化的效率可達80%～90%。

4 影響汞形態轉化及脫除效率的因素

4.1 影響汞形態轉化因素

4.1.1 煙氣溫度

在燃煤電廠煙氣中汞的熱力穩定形態是以單質汞（Hg0）形態存在。一般發生氧化反應汞的界限溫度在800～850K之間，而煤粉爐爐膛溫度都在1000度以上，汞的化合物在這個溫度下是不穩定的，都會發生分解而生成單質汞（Hg0）。

4.1.2 煙氣組分

（1）Cl-濃度。煤和水中的Cl-濃度對汞的氧化起著關鍵性作用，而汞與HCl和Cl-之間的反應是促使煙氣中汞轉化的主要因素。同時，Cl-濃度對顆粒態汞(Hgp)的形成也有一定作用，對于堿金屬含量高的煤，灰渣中CaO和Ca(OH)2能有效地吸收HgC12和HCl，HCl也能抑制HgC12被Ca(OH)2吸收。

（2）灰渣、脫硫石膏。燃煤電廠灰渣、脫硫石膏中汞形態主要是以單質汞（Hg0）吸附，以及單質汞（Hg0）氧化為主。灰渣、脫硫石膏吸附汞主要是通過物理和化學反應。在灰渣顆粒表面含硫物質會生成HgS。灰渣中的碳含量也會影響灰渣對汞的吸附，如在未完全燃燒情況下，碳含量增加，汞在灰渣中比例升高；反之，碳含量降低，汞揮發為蒸汽的比例增大。灰渣對汞的吸附與灰渣粒徑大小有關，汞含量會隨灰渣粒徑減小而增大。

（3）其他成分。燃煤電廠煙氣中SO2、NOx對汞的形態轉化也有一定影響。煙氣中SO2可通過化學反應減少C1-濃度，可降低C1-濃度對單質汞(Hg0)的氧化作用。煙氣中SO2轉化成SO3會與煙氣中的水或在濕法脫硫中發生反應生成硫酸，煙氣中的單質汞(Hg0) 在硫酸作用下被氧化，或在還原性氣氛下, 氧化態汞(Hg2+)被還原成單質汞(Hg0)。煙氣中NOx一般情況下不與單質汞(Hg0)發生直接反應。當灰渣中含有催化劑時，能將單質汞（Hg0）氧化成氧化態汞(Hg2+)。

4.2 影響汞脫除效率的因素

4.2.1 汞的存在形態影響

煙氣中單質汞(Hg0)難溶于水，是相對比較穩定的形態，很難被現有燃煤電廠煙氣脫硫、煙氣脫硝、除塵設施收集。而HgCl2較容易溶解于水，利用濕法脫硫可有效脫除氧化態汞(Hg2+)。所以，現有燃煤電廠利用煙氣脫硝催化劑來提高單質汞(Hg0)氧化成氧化態汞(Hg2+)的比例，再通過濕法脫硫即可有效控制煙氣中汞排放量。

4.2.2 煙塵處理方式的影響

燃煤電廠所采用的除塵器只能脫除被灰渣吸附的顆粒態汞，一般不用于燃煤電廠的煙氣脫汞。石灰石-石膏濕法脫硫和煙氣循環流化床脫硫對汞均有一定的脫除作用，且石灰石-石膏濕法脫硫優于煙氣循環流化床脫硫。

4.2.3 煤種差異的影響

不同地區燃煤中單質汞(Hg0)氧化成氧化態汞(Hg2+)的比例一般在20～95%。當原煤Cl-含量較高時，氧化態汞(Hg2+)的比例較高，有利于汞的脫除；當原煤中堿金屬含量較高時，堿金屬會降低Cl-的含量，從而降低汞的氧化，不利于汞的脫除。目前，新疆準東地區原煤即屬于堿金屬含量偏高地區，電廠燃煤只能采用參燒來消除不利因素。

5 結語

目前，燃煤電廠汞污染控制技術將向兩個方向發展，一是利用現有或者改進現有大氣污染控制技術和裝置對煙氣汞進行脫除；另一個就是利用新型汞污染控制技術對煙氣汞污染進行專門治理。因此，在2015年1月1日新標準很快就要實施的情況下，對于低汞煤地區，首先利用燃煤電廠現有大氣污染控制裝置進行協同控制煙氣汞污染不失為一種既經濟又有效的技術手段，即：當煤粉爐配置低氮燃燒器 +SCR脫硝 + FF或FE除塵 + WFGD脫硫工藝時，煙氣中平均脫汞效率可達70～90%，完全能滿足新標準的要求。

[1]許月陽,薛建明.管一明等.燃煤電廠汞污染控制技術研究[J].中國電機工程學報,2011,32(S1):178-182.

[2]周秋紅,鄭娜,徐素娟,劉景雙,孫崇玉.新疆原煤中汞含量分布及燃煤大氣汞排放估算[J].地球與環境1672-9250,（2013）02-0143-07.

[3]武成利,曹晏,董眾兵,潘偉平.燃煤電廠煙氣中汞的監測方法評價[J].環境與健康雜志,2010,27(03):270-271.