燃煤電廠高效協同脫汞技術分析

陳辰+田婧+陳勇

摘 要：燃煤電廠汞排放控制是目前國際上研究的熱點，文章對燃煤電廠中汞的排放特性進行研究，對脫汞的協同治理技術和吸附劑噴射脫除技術進行系統的總結，可以為燃煤電廠汞排放控制選擇合適的方法提供參考。

關鍵詞：脫汞；協同治理；吸附劑

中圖分類號：X701 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）22-0046-02

引言

燃煤電廠是人為汞排放的重要來源之一，世界各國已經引起了足夠的重視，燃煤電廠汞排放控制技術包括利用現有的煙氣治理設備來最大限度地控制電廠的汞排放和針對汞的專門控制技術，本文就這兩個方面的技術進行系統分析。

1 汞排放特性分析

燃煤煙氣中的汞主要有3種存在形態：元素汞（Hg0）、氧化態汞（Hg2+）和顆粒態汞（Hgp）。汞的脫除效率很大程度上依賴于所排放的汞的形態分布。Hg0絕大部分以氣相的形式排放到大氣中，是煙氣中最難捕獲的汞形態；氧化態汞主要以Hg2+的形式存在（如HgC12），易被濕法洗滌系統（如濕法脫硫裝置）所捕獲而脫除；顆粒態汞（Hgp）指的是能與煙塵粒子結合的那部分汞，可隨煙氣中的飛灰被除塵裝置捕獲。因此，降低燃煤煙氣中Hg0的比例是提高汞脫除效率的關鍵。

2 汞脫除技術方案分析

燃煤電站現有煙氣治理設備，包括除塵器、SCR脫硝裝置、脫硫裝置和濕式靜電除塵器，對重金屬元素都有不同程度的直接或間接脫除作用。已有的研究結果表明，目前的煙氣治理設備的綜合協同脫汞率可達50～90%以上，對于我國境內的大部分煤種，都可以達到30μg/Nm3的排放標準，因此，應優先考慮采用煙氣治理設備協同脫除，如無法達到排放指標或者需要達到更高的排放標準，可以考慮采用吸附劑脫除技術。

3 汞協同治理技術

燃煤電站煙氣治理設備都對汞都有不同程度的直接間接脫除作用，汞協同脫除技術有除塵器協同脫除、濕法脫硫協同脫除和濕式靜電除塵器協同脫除，具體介紹如下。

3.1 除塵器協同脫汞

對易揮發的重金屬Hg，其脫除效果與顆粒態汞的存在比例及除塵器的類型相關。根據美國 EPA的測試結果，靜電除塵器的自然汞脫除率可達36%，布袋對汞自然脫除率最高可達90%。

兩種類型的除塵器（ESP和FF）對各形態的汞都具有一定的脫除作用，但兩者脫除的機理有所差異。在電除塵器中，粉塵荷電向收塵極移動，在移動過程中粉塵粒子會與煙氣中各種形態的汞發生碰撞，使其附著在粉塵表面，隨粉塵一起被脫除。在布袋除塵器中，其內部以及濾袋表面形成粉塵層一方面對Hg0和Hgp有很好的吸附能力，另外一方面煙氣中的Hg0在粉塵層中通過某些金屬氧化物的催化作用轉化為Hg2+，從而提高了汞的脫除效率。

3.2 SCR脫硝裝置協同脫汞

SCR脫硝裝置本身不具有脫除重金屬的作用，但是在SCR脫硝催化劑的作用下，將NOx轉化為N2的同時，還可以促使煙氣中難以捕集的Hg0氧化為水溶性的Hg2+，Hg2+能在下游的WFGD中被脫除，因此SCR裝置有利于汞的協同脫除。典型的SCR反應溫度下汞的氧化效率為60%-80%。

SCR脫硝裝置對Hg0的氧化特性與煤中鹵素的含量、硫含量、NH3、SCR脫硝裝置運行溫度和催化劑組分等多種因素有關，其中燃煤中鹵素的含量對SCR脫硝裝置的汞氧化性能影響顯著。日立公司的研究表明，當煙氣中HCl的濃度低于12ppm時，SCR脫硝裝置的汞氧化性能急劇下降。針對鹵素含量較低的煤種，采用SCR汞氧化催化劑或者在燃煤中添加鹵族添加劑，可有效提高汞的氧化率。

3.2.1 SCR汞氧化催化劑。日立公司針對鹵素含量的燃煤，率先開發了汞氧化SCR催化劑。該催化劑在煙氣鹵化物含量極低的條件下，仍然具有很高的汞氧化能力。目前，國內也已經開發出同類型產品。SCR汞氧化催化劑的用量需根據煤質條件，選擇采用一層或多層SCR汞氧化催化劑。相比常規SCR催化劑，SCR汞氧化催化劑價格高20～30%。采用SCR汞氧化催化劑由于不改變原催化劑層數，不會產生額外的運行費用。

3.2.2 燃煤添加鹵族添加劑。早期的研究表明，煤中的氯促使煙氣中的汞轉化為 HgCl2，是煙氣中Hg2+生成的主要途徑，且HgCl2形成的主要動力學路徑為原子氯（Cl）和元素汞的直接反應，同時理論和試驗研究都表明，Cl2在汞氧化特性上比HCl更活躍。近些年的研究發現，溴對汞氧化效果相比氯更為強烈。故目前一般采用含溴化合物作為添加劑，應用最為普遍的添加劑是CaBr2，這主要是出于安全性和經濟性的考慮，CaBr2較為便宜且易于處理。溴化方法主要有氣相溴化法和溴鹽浸漬法兩種。前者利用溴蒸汽，可使添加劑到達固體深層；而后者可采用噴淋的方式，操作簡單，但只能到達固體表面層。工程應用中，常采用的方法是在輸煤管道和煤粉管道上噴射鹵素的方法。

3.3 脫硫裝置協同脫汞

濕法脫硫（WFGD）是目前應用最為廣泛的燃煤電站脫硫技術，在中國燃煤電站所占的比例超過85%。WFGD通過石灰石漿與煙氣之間的氣液兩相反應可實現對水溶性Hg2+的脫除，同時WFGD也能實現對煙氣中Hg0的部分脫除。

隨著脫硫標準的提高，脫硫塔內噴淋效果得到了大幅地強化，脫硫塔的協同脫汞能力也會得到進一步提升，有研究發現常規WFGD系統對煙氣中Hg2+脫除效率高達85%左右，但對氣態總汞的脫除效率卻僅為15%左右，Hg0含量不僅沒有下降反而有少量上升，此原因在于部分Hg2+在WFGD中被還原成Hg0。

因此，如何經濟高效地抑制漿液中Hg2+的還原和提高Hg0的脫除率已成為WFGD脫汞技術發展的關鍵。在WFGD中，通過在脫硫塔內增加氧化劑（如各種氯氧化劑）、以及適當降低脫硫塔反應溫度，可以提高系統的脫汞效果。

3.4 濕式靜電除塵器協同脫汞

濕式靜電除塵器也是電除塵器的一種，是直接將水霧噴向電極和電暈區，水霧在芒刺電極形成的強大的電暈場內荷電后分裂進一步霧化，通過電場力、荷電水霧的碰撞攔截、吸附凝并作用，共同對粉塵粒子起捕集作用，最終粉塵粒子在電場力的驅動下到達集塵極而被捕集。濕式靜電除塵器對酸霧、有毒重金屬以及PM10和PM2.5有良好的脫除效果。采用WESP對顆粒汞和氧化汞的脫除效果較明顯，對元素汞的脫除效率較低。

4 吸附劑噴射脫汞技術

吸附劑噴射技術是利用吸附劑對煙氣中的氣態重金屬（主要是汞）的吸附作用，將氣態重金屬轉化為顆粒態，并在除塵設備中除去，采用的主要吸附劑類型有活性炭吸附劑、非碳基吸附劑，其中已大規模工業應用的是活性炭吸附劑。

4.1 活性炭噴射技術

煙道活性炭噴射技術（ACI）采用活性炭作為吸附劑，是目前脫汞率最高的汞控制技術。ACI技術采用的最常規的活性炭是碳和生物質的燃燒產物焦炭。活性炭吸附劑的脫除性能主要取決于其表面的活性部分和煙氣中鹵素元素（Cl、Br等）的含量。未經處理的活性炭的汞脫除能力有限，特別是在燃用低鹵素煤種時，往往需要大量噴入才能達到較好的汞脫除效果。為了提高活性炭對汞的吸附容量及效率，提高脫汞效率，可采用改性活性碳吸附劑，能夠以較小的噴入量達到較好的控制效果。使用最為廣泛的改性方法是將活性炭表面經過鹵素元素處理，得到的產品稱為鹵化活性炭。有研究者在不同的煤種及不同煙氣治理設備的配置條件下測試噴射溴化粉末活性炭的脫汞率，脫汞率均在70%以上，最高可達95%。

4.2 非碳基吸附劑

改性活性炭的使用在帶來高脫汞率的同時，也帶來了高運行成本和飛灰含碳量增加、飛灰再利用品質下降的問題。為了改善這一問題，提供經濟有效的技術選擇，國內外許多學者都致力于非碳基吸附劑的脫汞性能研究，并且取得了一些研究成果。有研究表明非碳基載體在經過活性物質改性后，可以獲得較好的脫汞性能，具有較好的發展潛力。我國2013年已經在國華三河電廠開展飛灰基改性吸附劑噴射脫汞技術的試驗，該技術可在現有煙氣治理設備協同脫汞基礎上降低汞濃度30%～50%，使綜合脫汞效率達到75%～90%。

5 汞脫除技術路線分析

根據目前的環保政策，利用現有環保設備的協同治理，就可以滿足汞達到排放標準，不需要增加其他附屬設備。如果煤質中的汞含量偏高，或者環保標準進一步的提高，可以考慮將向煤中噴入少量的鹵素添加劑，可采用噴淋的方式，在電廠的輸煤皮帶、給煤機或者輸煤管道和煤粉管道上里加入鹵素溶液，也可直接向鍋爐爐膛內噴入鹵素溶液，提高Hg0的氧化率，可以達到比較好的脫除效果。

6 結束語

本文對燃煤電廠中汞的排放特性進行分析，并從汞的脫除技術進行較為系統的研究和分析，從協同治理技術和吸附劑噴射技術兩個方面進行了具體分析。利用現有環保設備對汞的協同脫除作用，就可以滿足汞達到排放標準，目前不需要增加其他附屬設備；如果煤質中的汞含量偏高，或者環保標準進一步的提高，可以考慮將向煤中噴入少量的鹵素添加劑，提高Hg0的氧化率，就可以達到比較好的脫除效果。

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