燃煤電廠煙氣汞排放連續監測系統研究與應用

摘 要： 本文綜述了燃煤發電廠在燃燒過程中汞的形態排放規律及其影響因素；介紹了目前國內燃煤電廠所采用的煙氣汞連續在線監測系統的應用與原理；介紹了燃煤電廠煙氣汞在線連續監系統構成及維護方法。

關鍵詞：燃煤電廠；汞排放；煙氣汞排放連續監測系統；環保

The Research and Application of the Coal-fired Power Plant Flue Gas Mercury Continuous Emission Monitoring System

Yan Yameng

（Inner Monglia Datang International Tuoketuo Power Generation Co.Ltd.，Tuoketuo 010206）

Abstract： This article reviews the regularity and influence factors of coal-fired power plants in the combustion process in the form of mercury emissions； Application with the principle of continuous online monitoring system used in the domestic coal-fired power plant flue gas mercury； The coal-fired power plant flue gas mercury line continuous monitoring system construction and maintenance methods.

Key Words： Coal fired power plant；Mercury emissions； Mercury Continuous Emission Monitoring System； Environmental protection

中圖分類號：TK229.6 文獻標識碼：A 文章編號：1003-9082（2016）05-0322-02

一、研究背景

汞（Mercury），俗稱水銀——揮發性有毒重金屬元素，是一種可在生物體內和食物鏈過程中不斷累積的有毒物質，又是一種全球性循環元素。汞的排放不僅對生態環境造成危害，也會對人體的危害產生不良影響。聯合國環境規劃署 （UNEP）報告[1]，明確指出燃煤電廠是最大的人為汞污染源，其中亞洲的燃煤電廠排放最多，每年約排放860 t，超過全世界汞排放總量的1/4。中國被認為是全球最大汞排放國，美國、印度分列2，3位，但中國的貢獻量是美與印度之和的3倍之多，約占世界1/4-1/3[2]，所以必需加強對其排放的實時監測并為有效控制做準備。

中國汞排放量取決于中國的工業結構。我國大氣汞排放量從大到小排序依次為燃煤、有色金屬冶煉、水泥生產和鋼鐵生產等，針對汞排放大戶的煤炭火電行業，加強汞排放與監測管理非常重要。根據《國務院辦公廳轉發環境保護部等部門關于加強重金屬污染防治工作指導意見的通知》，確定了華能、大唐、華電、國電、中電投、神華，6大電力集團16家電廠各2臺機組，共32臺機組，、開展汞監測試點工作。從而，根據不同機組情況分析汞污染控制方法，能精確的掌握我國燃煤電廠汞污染情況，為2013的汞文書談判提供數據依據[7]。

二、燃煤電廠汞排放形態及特點

在煤粉爐中，爐膛溫度范圍大約是1200～1500℃，幾乎所有煤中的汞（包括無機汞和有機汞）轉變成Hg0并以氣態形式停留于煙氣中[3]。在煙氣流向煙囪出口的過程中，煙氣溫度逐步降低，Hg0 會與其他煙氣成分及飛灰顆粒發生一系列化學物理反應，排放廢氣中汞主要以氣態元素汞（Hg0），氣態氧化汞（Hg2+）和顆粒態汞（HgP）形式存在。廢氣中汞形態分布主要與燃煤中氯元素含量和溫度有關系，氣相汞在小于400℃以HgC12為主，大于600℃以Hg0為主，400～600℃之間二者共存[4，5]。但受煤種等因素影響，氣相汞的形態分布變化較大，氣態汞中Hg0與Hg2+的比例從9：1到1：9不等，大約7：3左右[6]。

不同的形態的汞具有不同的物理、化學特性和生物特性。顆粒態汞（HgP）絕大部分可以被除塵、濕法脫硫等煙氣凈化裝置捕集去除。Hg2+可溶于水，也易于被顆粒物吸附，易于捕集和控制，被釋放到大氣中主要造成局地污染；Hg2+加熱至800℃左右可還原為Hg0。氣態元素汞（Hg0）不溶于水且極易揮發，難以控制，傳輸距離遠對環境影響大，但氣態元素汞（Hg0）可被催化氧化為Hg2+。若排入大氣，Hg2+和HgP在大氣中停留時間只有幾天，Hg0則極易在大氣中通過長距離的大氣運輸形成全球性的汞污染，單質汞在大氣中的平均停留時間長達半年至兩年，是最難控制的形態之一可停留1年以上[3]。

三、煙氣中汞的在線測量技術現狀

經過國內外專家學者多年的研究，燃煤電廠煙氣汞排放測量方法不斷的完善與革新。這些方法可歸為兩大類：一類是取樣分析法，另一類是在線分析法。取樣分析法主要有汞形態吸附法，美國EPA方法，Ontario Hydro Method，擴散管和擴散網技術等，取樣法是一類有效的化學分析測汞的方法，但是該類測量方法所需時間長，相對于在線分析法或多或少都會存在一定的缺點。汞的在線連續監測（Mercury Continuous Emission Monitor）技術是一項新型技術，它可是實現在線、連續和實時元素汞和氧化汞的測試分析，它是基于CVAAS（冷原子吸收光譜法）、CVAFS（冷蒸汽原子熒光光譜）、AES（原子放射光譜）和新興的化學微傳感器等先進技術而建立發展起來的。

目前美國在Hg監測方面普遍采用的方法有三個，安大略法（OHM）、30A、30B法，相對而言Hg濃度的儀器分析方法已經成熟，基本都是應用CVAAS（冷原子吸收光譜法）、CVAFS（冷蒸汽原子熒光光譜）、AES（原子放射光譜）測量原理。國內16家汞監測試點燃煤電廠的汞在線連續監測裝置測量原理都是冷蒸汽原子熒光法。它利用汞原子可以吸收254nm的紫外（UV）光變成激發態，當它衰減到基態的時候，可以發出相同波長的紫外（熒）光。當激發態的汞原子衰減到基態時，它們發出的UV光是與汞濃度成正比的。汞熒光是通過一個對可見光無效的光電倍增管（PMT）來檢測的，光電倍增管與激發光線成垂直角度，光電倍增管就可以檢測到衰減汞原子放出的UV光，從而測得汞元素含量。

四、冷蒸汽原熒光法煙氣汞排放連續監測系統

煙氣汞排放連續監測系統（Mercury Continuous Emission Monitoring System，Hg-CEMS） 是指連續采集和測試煙氣汞污染物排放濃度和排放量所需要的全部設備。一般煙氣汞在線監測儀用裝有顆粒物過濾裝置的采樣探頭將煙氣從煙道或煙囪中抽取出來后，用伴熱管線將Hg0和經過轉換器將Hg2+，送至汞分析儀器，分析出的數據又直接被傳輸到數采儀記錄、儲存。

1.煙氣汞在線監測系統構成及原理

國內31家汞監測試點燃煤電廠的汞監測設備均為美國熱電賽默飛世爾科技的80i系列設備，其汞自主系統包括一個汞探頭（83i模塊），一個汞探頭控制器（82i模塊），一個汞校準儀（81i模塊），和一個汞分析儀（80i模塊），以及零氣、伴熱管線等外圍輔助設備。

1.1 探頭采樣部分

汞采樣探頭主要包括慣性過濾器、稀釋模塊、轉換爐等部件，汞連續在線監測的很大一部分難度在于取樣，所以還需要伴熱管線、旁路抽氣組件等輔助部分。煙氣以非常低的表面流速，放射狀的流過管型過濾器的滲透管壁 ，經過外殼環面進入，從樣氣管流出，用零氣將樣氣在探頭部分稀釋后通過清洗器或者轉換器和加熱（110℃以上）的臍狀管路后送到分析儀。

慣性過濾器：顆粒慣性的沖擊效果將阻止顆粒以氣泡狀高速軸向從沉積物表面流過，或者是滲透進可滲透性過濾管壁。低速也可以抑制顆粒滲透進可滲透性管壁。

轉換爐：運行溫度在750°C，轉換爐用于分離鹽和汞的氧化物后提供元素汞。在此過程中也提供包含總汞的樣氣。

伴熱管線：分析系統通常只能對干樣品進行分析通常采用加熱采樣探頭、加熱樣品傳輸管線的方法防止水份在傳輸過程冷凝，并用經凈化的干空氣對樣氣進行稀釋。

1.2 分析儀器

80i分析儀只能測量元素汞，所以需要轉換爐將Hg2+還原為Hg0，經轉換的樣氣和未經轉換的樣氣分開進入儀器進行測量，即一分鐘測量總汞和一分鐘測量元素汞，從而獲得煙氣中汞的濃度。

圖1.汞分析儀測量原理圖

從汞探頭來的樣品氣被引入到儀器的總汞或元素汞入口（見上圖）。當80i模塊采樣總汞的時候，total（總汞）樣品氣經過電磁閥S1（常開狀態）和S3（常開狀態）進入到熒光室。同時，元素汞樣品氣經過電磁閥S2（常開狀態）繞開了熒光室。當80i模塊采樣元素汞的時候，elemental（元素汞）樣品氣經過電磁閥S2（常閉狀態）和S3（常開狀態）進入到熒光室。同時，總汞樣品氣經過S1（常閉狀態）繞開了熒光室。當檢測氣（total氣或者elemental氣）離開光學室，經過一個流量傳感器會到達一個外部泵。外部泵是用來抽取樣品氣經過儀器，并為儀器創造一個真空的環境，同時，真空度會由一個壓力傳感器來測量。

1.3校準儀器

系統可預設置校準程序、時間及校準類型，用戶根據不同的需求選擇校準類型，分別有小孔零點、小孔跨度、儀器零點、儀器跨度、系統零點、系統跨度六種類型。

系統和小孔校準都能對整個測量回路進行校準。81i 汞校準儀是通過控制在一定溫度下的，經過滲透的汞蒸氣源產生的游離汞氣流，與無汞的稀釋空氣流混合，產生一種已知濃度的氣態汞元素，經過水化器霧化（防止汞吸附在校準管道里），送至探頭的臨界小孔，系統校準從探頭開始，包括系統所有部件直至分析儀器。系統校準時，汞校準儀產生的汞標氣通過特氟龍管直接送至探頭的的臨界小孔或毛細管，經測量回路到達汞分析儀，從而對整個系統進行校準。

1.4探頭控制器

探頭控制器的主要功能是：

（1）提供一定壓力的、清潔、干燥的壓縮空氣給到83i的探頭引流和反吹氣。

（2）提供潔凈不含汞的零氣到83i的稀釋模塊。

（3）接受80i指令，以及反饋信息回80i；控制探頭、伴熱管線、轉換爐溫度。

1.5壓縮空氣系統

汞排放連續監測裝置配備了完善的零氣系統，即引用潔凈的儀用壓縮空氣（>80psi），經過Hg-CEMS的濾水、濾油、濾顆粒物、無熱除水器等裝置，以及干燥劑、分子篩、活性炭藥劑處理，成為潔凈的零氣，零氣主要用于零點校準、小孔零點校準、儀器零點校準等。此外，探頭反吹氣、引流氣、稀釋氣源均用此氣源。所以壓縮氣源的穩定性，決定了測量數值的穩定性。

2.系統維護

根據《固定污染源煙氣汞排放連續監測系統技術要求》（試行）、儀器說明書以及國外Hg-CEMS設備管理經驗總結出以下維護管理要求。

2.1定期維護保養

參照《固定污染源煙氣汞排放連續監測系統安裝、驗收和運行技術草案》（試行），為確保Hg-CEMS監測數據的有效性和可靠性，系統定期維護保養工作必須合理的安排，且定期進行。定期維護保養的項目有：

（1）每周進行儀用壓縮空氣管路過濾器定期排污，防止壓縮空氣品質變差，影響儀器的使用壽命；

（2）經常清理分析儀后部風扇濾網積灰，防止儀器內部溫度過高，損壞元件；

（3）定期經行探頭的清理，防止探頭堵塞，影響測量的準確性。

（4）根據說明書定期更換備件，并且做好備件更換臺賬。如每六個月換一次抽氣泵膜，每六個月換一次干燥劑、吸附劑。

2.2巡回檢查制度

汞CEMS維護人員應每日對各系統汞CEMS進行巡回檢查。日常巡檢以達到指控目標并數據不是空準，巡檢記錄應包括檢查項目、檢查日期、被檢項目的運行狀態等內容。檢查內容主要為各儀表電源、工作狀態、工作氣源壓力、儀表示值、歷史趨勢等是否正常。

2.3 定期校準

為了確保儀器測量的準確性，每周進行一次系統零點、跨度校準，每兩月進行一次儀器零點、跨度校準，并建立相關的校準記錄檔案。

3.數據信息診斷及報警分析

為了讓汞監測系統正常穩定的運行，需要監測很多的數據，來分析設備的運行狀況。正確及時地根據儀器數據和報警信息分析判斷設備運行狀況，能有效的防止事態進一步惡化，找出設備不正常的原因。

表2汞分析儀報警列表

五、結語

當前大部分發電企業未加裝汞在線監測裝置，不能及時監測固定污染源所含重金屬汞元素的含量，而我廠及時加裝汞在線監測裝置，在線連續監測煙氣汞排放量，對防治大氣汞污染提供真實有效地數據參考；汞在環境中具有持久性、易遷移性和高度生物蓄積性，如人體大量吸入汞蒸汽會出現急性汞中毒，無機汞主要對腎臟、肝臟產生損害，為保障人民群眾身體健康，汞排放監測起著積極的作用；中國作為發展中國家，加上煤多油少的資源結構，燃煤電廠居多，故汞排放量占據較大比例，針對汞問題具有法律約束力的2013年國際公約談判，在線汞監測為該談判提供數據基礎，做好了前期準備。一直監測煙氣汞排放，有利于發電企業做好防止污染的準備。

參考文獻

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[3]楊麗，尹衛萍.火電廠廢氣中汞監測技術發展現狀與趨勢分析，[J]北方環境，2011，10（10）：109～112.

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[6]王起超，沈文國，麻壯偉.中國燃煤汞排放清單的初步建立[J].中國環境科學，1999，19（4）：318～321.

[7]關于印發燃煤電廠大氣汞排放監測試點工作相關技術文件的通知，環辦函[2011]442號.

作者簡介：嚴亞夢，女，（1988.10-），重慶，大專，就職于內蒙古大唐國際托克托發電公司。