中國燃煤電廠汞達標排放分析*

陳敏敏 王軍霞 張守斌 秦承華 景立新 唐桂剛#

(1.中國環境監測總站，北京 100012；2.國家環境保護環境監測質量控制重點實驗室，北京 100012)

汞具有毒性和持久性，并存在生物累積效應，使用或排放不當可造成嚴重的環境污染，危及人體健康與生態安全。2005年，我國電廠燃煤量達10億t，汞排放量約為141 t；2009年，我國煤炭銷量超過30億t，其中50%用于火力發電，汞的排放量明顯超過2005年的統計值[1-2]；2013年，我國政府簽署了具有法律約束力的《汞問題水俁公約》，對汞的排放限值及控制提出了要求[3]。

國內對燃煤電廠汞排放及控制技術開展了眾多研究[4-9],[10]69-70,[11-12]，但這些研究大多集中于單個燃煤電廠，分析其外排煙氣中汞的排放規律及形態分布等，缺乏對典型燃煤電廠汞排放濃度及達標情況的綜合分析。本研究選取12個省(市、自治區)16家燃煤電廠的32臺機組為研究對象，對外排煙氣中的汞濃度進行手工監測和自動監測，對比美國、歐盟及我國的排放限值，分析汞在燃煤電廠外排煙氣中的濃度和達標情況。

1 國內外燃煤電廠的標準限值

1.1 美 國

2011年12月16日，美國環境保護署出臺了第1個針對燃煤電廠的《汞和有毒氣體排放標準》(MATS)，內容包括燃煤燃油機組有毒有害氣態污染物排放限值和新建化石燃料機組的鍋爐性能規范。MATS規定2011年5月3日后的新建機組、現有機組自2015年4月16日起執行新的汞排放限值[13](見表1)。

表1 MATS汞排放限值

注：1)排放效率為單位發電量對應的污染物排放量；2)排放質量濃度由排放效率計算得出，計算基于生產1 kW·h電約產生3.3 m3廢氣(標準狀態條件下)；3)以熱值19 305 kJ/kg為界劃分低階煤和非低階煤，其中低階煤的熱值不超過19 305 kJ/kg，非低階煤的熱值超過19 305 kJ/kg[14]。

我國的污染物排放限值主要基于排放濃度(多以mg/m3、μg/m3為單位)，而MATS的污染物排放限值主要基于排放效率(多以lb/(GW·h)、lb/MMBtu為單位)。干煙氣中的污染物實測排放濃度先折算成O2體積分數為7%的排放濃度，再結合煙氣水分含量、溫度、發電負荷、流量等參數，計算出排放效率[15]。由于我國對固定污染源廢氣中汞的測定方法仍不完善，所以在實際監測過程中，大多參考美國的安大略法(采樣時間為2～3 h)或Method 30B吸附管法(采樣時間大于1 h)。

1.2 歐 盟

歐盟在《大型燃燒裝置大氣污染物排放限值指令》和《大型燃燒裝置的最佳可行技術參考文件》中對汞的排放未提出限定要求。德國于2004年修訂的《大型燃燒裝置法》(GFAVO)針對燃煤電廠的汞排放制訂了限值，規定汞及其化合物的排放限值不得超過30 μg/m3[16]。

1.3 中 國

我國缺乏現有燃煤電廠的汞實測排放數據和普查資料，2011年7月29日發布的《火電廠大氣污染物排放標準》(GB 13223—2011)借鑒了GFAVO的排放限值，規定我國燃煤鍋爐于2015年1月1日起執行汞及其化合物的排放限值為30 μg/m3[17]。

與MATS的汞排放限值對比，我國的汞排放限值較為寬松；MATS中最寬松的汞排放限值是針對燃燒低階煤的現有機組和新建機組，均為5.40 μg/m3，但仍遠低于我國的汞排放限值。

2 燃煤電廠機組情況

開展研究的16家燃煤電廠分布在我國12個省(市、自治區)，每家燃煤電廠選取2臺機組。32臺機組均配有除塵和脫硫污染控制設備。14臺機組采用選擇性催化還原(SCR)脫硝；29臺機組采用靜電除塵(ESP)，3臺機組采用布袋除塵(FF)；26臺機組采用濕法煙氣脫硫(WFGD)，6臺機組采用循環流化床煙氣脫硫(CFB-FGD)。32臺機組燃燒煤種多樣，很大程度上反映了當前我國燃煤電廠機組的基本情況(見表2)。

3 汞達標排放分析

3.1 手工監測

剔除研究中的不完整、不合理數據，手工監測的66臺次機組，其外排煙氣中汞的質量濃度為0.13～14.19 μg/m3(包括氣態汞和顆粒態汞)，平均值為4.83 μg/m3，煙氣中的汞主要為氣態汞。手工監測的汞排放濃度遠低于GB 13223—2011的排放限值(30 μg/m3)，所有機組均達標排放(見圖1)。

圖1 手工監測的汞排放質量濃度分布Fig.1 Distribution of mercury emission mass concentrations based on manual monitoring

50臺次機組燃燒非低階煤，其外排煙氣中汞的平均質量濃度為3.97 μg/m3，低于總體的平均排放濃度；其中有36臺次機組高于MATS現有機組燃燒非低階煤排放限值(1.76 μg/m3)，占燃燒非低階煤機組總臺次的72%。16臺次機組燃燒低階煤，其外排煙氣中汞的平均質量濃度為7.52 μg/m3，其中有8臺次機組高于MATS現有機組燃燒低階煤排放限值(5.40 μg/m3)，占燃燒低階煤機組總臺次的50%。因而，參考MATS現有機組排放限值，66臺次機組超標率為66.7%。

我國的低階煤主要包括瘦煤、褐煤等，非低階煤主要包括無煙煤、煙煤等。王海泉等[18]通過研究表明，我國各煤種的汞含量依次為瘦煤>褐煤>焦煤>無煙煤>氣煤>長焰煤，低階煤的汞含量總體高于非低階煤。非低階煤的碳含量大于低階煤，而煤中碳含量越高，充分燃燒后產生飛灰越多，經過煙氣除塵和脫硫設備后，汞的去除效果更加明顯。因此，燃煤電廠燃用低階煤和非低階煤，其外排煙氣中的汞濃度存在差異。

3.2 自動監測

對31臺機組(J電廠8#機組除外)外排煙氣中的汞濃度進行自動監測，并計算汞的基準排放濃度(根據GB 13223—2011，作為基準的O2體積分數定為10%)的最大值、最小值、平均值及獲得有效平均值的小時數(見表3)。其中汞的最大基準排放質量濃度為5.50～49.10 μg/m3，平均值為24.20 μg/m3；最小基準排放質量濃度為0.01 ～3.40 μg/m3，平均值為0.51 μg/m3；平均基準排放質量濃度為1.50～12.30 μg/m3，平均值為5.08 μg/m3。

對于31臺機組，汞的平均基準排放濃度均低于GB 13223—2011的排放限值(30 μg/m3)。基于GB 13223—2011排放限值的小時達標率為94.9%～100.0%，平均達標率為96.9%，其中19臺機組達標率為100.0%。基于MATS現有機組的汞排放限值(燃燒非低階煤排放限值為1.76 μg/m3，燃燒低階煤排放限值為5.40 μg/m3)，除3臺機組燃燒混合煤難以判斷是否達標，剩余的28臺機組中僅有4臺機組低于MATS現有機組的汞排放限值，超標率為77.4%。

對于電廠D、P，汞的平均基準排放質量濃度較高，分別為11.60、11.20 μg/m3；對于電廠J、K，汞的平均基準排放質量濃度較低，分別為1.60、1.70 μg/m3。由表2可知，電廠D所用煤種為貧瘦煤，碳含量較低，汞含量較高，且燃燒后汞的賦存狀態大多為元素汞，不利于汞的去除；電廠P位于我國西南部，燃煤的汞含量基本處于我國最高水平[19]，且所用煤種為褐煤。電廠J所用煤種為質量分數60%的褐煤和質量分數40%的無煙煤組成的混合煤，電廠K所用煤種為煙煤，這些煤種燃燒所產生的汞經過除塵、脫硫設備易于去除；且電廠J、K所用煤種均屬于低硫煤，低硫煤中汞含量較低。因而，電廠D、P外排煙氣中汞濃度均較高，電廠J、K外排煙氣中汞濃度均較低。

表3 自動監測的汞排放濃度分析

3.3 煙氣污染物處理工藝對汞的去除率

煙氣處理前后汞平衡誤差在±30%以內[20]。除塵、脫硫設備對煙氣中汞的平均去除率分別為38.5%、52.5%；煙氣處理設備對煙氣中汞的總去除率為22.2%～99.5%，平均值為74.1%，說明我國的煙氣處理設備能有效降低煙氣中的汞。

《煤電節能減排升級與改造行動計劃(2014—2020年)》要求燃煤電廠的煙塵、二氧化硫、氮氧化物等污染物超低排放。為達到超低排放要求，在除塵方面，一般采取加裝濕式靜電除塵設備；在脫硫方面，一般采取增容改造或單塔雙循環、雙塔雙循環等更高效率的脫硫設備；在脫硝方面，采取低氮燃燒、SCR脫硝等技術[21]。

對于超低排放改造的脫硝技術，安裝SCR脫硝設備后，煙氣中汞的總去除率為78.8%，而安裝SCR脫硝設備前，煙氣中汞的總去除率為69.2%，說明SCR脫硝有助于煙氣中汞的去除。而對于超低排放改造的除塵、脫硫技術，王運軍等[10]71研究表明，不同的除塵和脫硫設備對煙氣中汞的去除率存在差異，與煙氣組分、飛灰特性等因素密不可分，因此除塵和脫硫等超低排放改造技術對煙氣中汞去除率的影響還需進一步研究。

4 結論與建議

(1) 基于GB 13223—2011規定的現有燃煤鍋爐煙氣中汞及其化合物排放限值(30 μg/m3)，手工監測與自動監測的外排煙氣中汞質量濃度分別為0.13～14.19、1.50～12.30 μg/m3，平均值分別為4.83、5.08 μg/m3，均遠低于排放限值，所有機組均達標排放。

(2) 基于MATS現有機組非低階煤、低階煤的汞排放限值(分別為1.76、5.40 μg/m3)，手工監測的機組中有66.7%汞排放超標，自動監測的機組中有77.4%汞排放超標。

(3) 將手工監測、自動監測數據結合煤種及煤中汞、碳含量進行分析，發現煙氣中汞的排放濃度與煤種及煤中汞、碳含量存在關聯。燃燒非低階煤比燃燒低階煤的電廠汞排放濃度低；煤中汞含量越低，碳含量越高，汞排放濃度越低。

(4) 超低排放改造技術中，SCR脫硝技術有助于煙氣中汞的去除；受煙氣組分、飛灰特性等因素的影響，除塵和脫硫等超低排放改造技術對煙氣中汞去除率的影響還需進一步研究。

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