燃煤電站污染物控制設(shè)備對煙氣汞的協(xié)同脫除研究

陶 君

（大唐環(huán)境產(chǎn)業(yè)集團(tuán)股份有限公司，北京 100097）

燃煤電站污染物控制設(shè)備對煙氣汞的協(xié)同脫除研究

陶 君

（大唐環(huán)境產(chǎn)業(yè)集團(tuán)股份有限公司，北京 100097）

汞是我國燃煤電站繼粉塵、SOx、NOx之后的第四大污染物，會對生態(tài)環(huán)境和人體健康造成嚴(yán)重危害。在超低排放改造的大背景下，燃煤電站都配有高效的脫硝、除塵和脫硫裝置，這些裝置對煙氣中的汞都具有一定的脫除效果。基于上述原因，本文詳細(xì)分析了燃煤電站現(xiàn)有污染物控制設(shè)備對煙氣汞的協(xié)同脫除效果。

燃煤電站；煙氣汞；協(xié)同脫除

在超低排放改造的大背景下，燃煤電站都配有高效的脫硝、除塵和脫硫裝置，這些裝置對煙氣中的汞都具有一定的協(xié)同脫除效果。為了使人更好地認(rèn)識這些污染物控制設(shè)備對煙氣汞的協(xié)同脫除效果，本文分別闡述了脫硝、除塵、脫硫裝置對煙氣汞的協(xié)同脫除效果。

1 脫硝裝置對煙氣中汞的協(xié)同脫除效果

目前，燃煤電站應(yīng)用較多的脫硝技術(shù)是選擇性催化還原（SCR）技術(shù)，其中對煙氣中的汞具有協(xié)同脫除效果的主要是SCR催化劑。目前常用的SCR催化劑主要為釩鈦體系催化劑，該催化劑表面的V=O會以活性中心位的形式參與汞的氧化反應(yīng)，將Hg0氧化為Hg2+[1]。這一氧化過程受多種因素影響，如煙氣成分、催化劑制備溫度、反應(yīng)溫度等，表1給出了一些因素對SCR催化劑催化氧化Hg0的影響[2]。需要說明的是，雖然煙氣中SO2對催化劑脫汞有抑制作用，但是SO3能促進(jìn)脫汞。

表1 影響SCR催化劑催化氧化Hg0的因素及作用機(jī)理

通常認(rèn)為，SCR催化劑會分別在兩個(gè)區(qū)域進(jìn)行NOx的還原和Hg0的氧化。其中，NOx的還原是在SCR入口附近進(jìn)行的，因?yàn)檫@里的NH3濃度較高。NH3會大量占據(jù)SCR催化劑表面的活性位，從而發(fā)生NOx的還原反應(yīng)；而Hg0的氧化是在SCR的后半部分進(jìn)行的，因?yàn)榇蟛糠諲H3已被消耗，此時(shí)占據(jù)SCR催化劑表面的主要是HCl或Cl2，從而發(fā)生Hg0的氧化反應(yīng)。但是，關(guān)于Hg0的具體氧化機(jī)制，人們尚未完全探究清楚。Naik等人認(rèn)為Hg0在SCR催化劑上的氧化首先是HCl吸附在V2O5表面，然后與氣相中的Hg0或者物理吸附在V2O5表面的Hg0反應(yīng)[3]。而Sheng H等人則認(rèn)為吸附在V2O5/TiO2表面的HCl會先產(chǎn)生活性Cl，生成的活性Cl會再與鄰近的吸附態(tài)的Hg0反應(yīng)完成汞的形態(tài)轉(zhuǎn)化[4]。此外，通過相關(guān)試驗(yàn)，人們在SCR催化劑上檢測到了Cl2，說明Hg0的氧化也有可能是Deacon反應(yīng)（4HCl+O2→2H2O+Cl2）在起作用。雖然SCR催化劑對Hg0的具體氧化機(jī)制尚未完全清楚，但大量研究表明HCl和Hg0均可在催化劑表面吸附，因此Langmuir-Hinshelwood機(jī)制解釋Hg0氧化顯得更為合理，即吸附于催化劑表面的Hg0和氧化劑物種之間發(fā)生反應(yīng)，促使Hg0被氧化為Hg2+[5]。

綜上所述，脫硝裝置對煙氣中汞的協(xié)同脫除主要是通過SCR催化劑將煙氣中的Hg0氧化為易溶于水的Hg2+，從而有利于在下游濕法煙氣脫硫系統(tǒng)（WFGD）中被洗滌脫除。所以，當(dāng)煙氣經(jīng)過SCR后，煙氣中HgT的濃度并不會發(fā)生明顯改變。

2 除塵裝置對煙氣中汞的協(xié)同脫除效果

除塵裝置對煙氣中汞的協(xié)同脫除主要體現(xiàn)在對HgP的協(xié)同脫除上，而煙氣中HgP的含量則取決于煤中汞含量、煤的性質(zhì)、鍋爐燃燒方式及污染物控制設(shè)施的配置等因素。例如，除塵裝置前端是否裝有SCR對汞的脫除具有一定的影響，因?yàn)镾CR催化劑可將煙氣中的Hg0轉(zhuǎn)化成Hg2+，而Hg2+易于吸附在飛灰顆粒物表面，可在除塵裝置內(nèi)被協(xié)同脫除，所以安裝SCR機(jī)組的除塵裝置的脫汞效果明顯優(yōu)于未安裝SCR的機(jī)組[6]。

對于常規(guī)的靜電除塵器（ESP），除了可以脫除煙氣中的HgP以外，還可以氧化部分Hg0，因?yàn)镋SP電暈輝光放電產(chǎn)生的臭氧是一種強(qiáng)氧化劑，可以促使汞由Hg0向Hg2+轉(zhuǎn)化，而且電暈輝光放電產(chǎn)生的紫外線和高能電子流也可以促使汞由Hg0向Hg2+轉(zhuǎn)化。由于煙氣汞中HgP的比例不高，所以常規(guī)ESP對煙氣總汞的脫除效率普遍偏低。對于常規(guī)ESP，如果在其前端加裝低溫省煤器，則可以提高ESP對煙氣汞的協(xié)同脫除效率。因?yàn)闊煔饨?jīng)過低溫省煤器后，溫度只有90℃左右，低于酸露點(diǎn)，結(jié)露的SO3會形成酸霧，可與Hg2+結(jié)合，甚至氧化Hg0，形成HgSO4溶液，進(jìn)而該溶液被大量飛灰包裹進(jìn)入ESP，并隨著飛灰被ESP捕獲而被脫除。

除了ESP，布袋除塵器（FF）也廣泛應(yīng)用于燃煤電站。與常規(guī)的ESP相比，F(xiàn)F的脫汞效率要更高一些。

在超低排放標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布后，有些燃煤電站會選擇在脫硫系統(tǒng)和煙囪之間加裝濕式電除塵器（WESP）。WESP的加裝除了可以進(jìn)一步脫除粉塵和氣溶膠等污染物以外，還可以協(xié)同脫除煙氣中的汞。與常規(guī)ESP和FF不同的是，WESP對Hg0、Hg2+和HgP都具有一定的脫除效果，對三種形態(tài)汞的平均脫除率分別為32%～40%、72%～82%、33%～100%[7]。WESP之所以能脫除煙氣中的Hg2+，是因?yàn)樵赪ESP的集塵板上存在一層水膜，Hg2+又易溶于水。

綜上所述，常規(guī)ESP和FF都主要是協(xié)同脫除煙氣中的HgP，但FF的協(xié)同脫汞效率要更高一些。而WESP則對三種形態(tài)的汞都具有協(xié)同脫除作用，由于WESP通常布置在煙囪之前，所以其可以進(jìn)一步降低最終排放到大氣中的汞含量。

3 脫硫裝置對煙氣中汞的協(xié)同脫除效果

目前燃煤電站的脫硫裝置主要為WFGD，WFGD對煙氣汞的脫除主要體現(xiàn)為對Hg2+的協(xié)同脫除，因?yàn)镠g2+易溶于水，所以在WESP中，絕大部分的Hg2+會被脫除掉。但WESP對煙氣中Hg0的脫除率幾乎為零，因?yàn)镠g0易揮發(fā)且難溶于水。所以，WESP對煙氣總汞的脫除效率取決于煙氣汞中Hg2+的比例。因此，如果燃煤電站裝有SCR的話，WFGD對汞的協(xié)同脫除效率也會有所提高。此外，隨著液氣比、pH的增加，WFGD脫汞效率會逐漸增大[8]。

有研究指出，當(dāng)煙氣經(jīng)過WFGD后，煙氣中會有部分Hg2+被還原為Hg0，而且Hg0很難被WFGD除去。Hg2+被還原為Hg0的原因可能是煙氣經(jīng)過WFGD后，其溫度仍高于100℃，致使噴入WFGD的漿液液滴蒸發(fā)，從而在脫硫劑的表面形成一層水膜。

隨后，煙氣中的Hg2+和Hg0會在水膜上發(fā)生反應(yīng)生成再和漿液液滴上的OH–發(fā)生反應(yīng)生成Hg0和HgO，HgO又會和煙氣中的SO2發(fā)生反應(yīng)生成Hg0和SO3。Hg2+被還原為Hg0的另一個(gè)原因可能是脫硫劑液滴會與煙氣中的SO2反應(yīng)生成亞硫酸鹽或硫酸鹽，生成的亞硫酸鹽或硫酸鹽又會與煙氣中的Hg2+反應(yīng)生成Hg2SO4或HgSO4，而Hg2SO4或HgSO4在高溫?zé)煔庀聞t會發(fā)生分解，從而生成Hg0[9]。因此，要防止脫硫廢水中汞的二次釋放。

綜上訴述，WFGD對煙氣中汞的協(xié)同脫除效率會隨煙氣中Hg2+比例的增大而得到提高。雖然WFGD可以有效脫除煙氣中的Hg2+，但脫除掉的Hg2+存在二次釋放的風(fēng)險(xiǎn)。所以如何防治Hg2+的二次釋放應(yīng)是將來研究的重點(diǎn)。

4 結(jié)語

對于燃煤電站煙氣中汞的脫除，利用現(xiàn)有污染物控制設(shè)備進(jìn)行協(xié)同脫除是最為簡單、經(jīng)濟(jì)的技術(shù)方法，而如何提高煙氣中Hg2+的比例是該方法的關(guān)鍵。因此，人們需要深入研究SCR脫硝過程中汞的催化氧化機(jī)理，進(jìn)一步提高SCR催化劑的催化活性、穩(wěn)定性及協(xié)同脫硝脫汞性能。此外，人們還要研究如何提高脫硫廢水中Hg2+的穩(wěn)定性，防治汞的二次釋放。

1 王起超，沈文國，麻壯偉.中國燃煤汞排放量估算[J].中國環(huán)境科學(xué)，1999，19（4）：318-321.

2 夏文青，黃亞繼，李 睦.燃煤脫汞技術(shù)研究進(jìn)展[J].能源研究與利用，2015，（6）：24-29.

3 Naik，V Chitralkumar，Niksa，etal.Predicting Hg emissions rates from utility gas cleaning systems[J].Fuel，2010，89（4）：859-867.

4 Sheng H，Zhou J，Zhu Y，etal.Mercury oxidation over a vanadia-based selective catalytic reduction catalyst[J].Energy amp; Fuels，2009，23（1）：253-259.

5 王紅妍，王寶冬，李俊華，等.燃煤煙氣中單質(zhì)汞的催化氧化技術(shù)研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào)，2017，（7）：114-120.128.

6 陳姝娟，薛建明，許月陽，等.燃煤電廠除塵設(shè)施對煙氣中微量元素的減排特性分析[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2015，35（9）：2224-2230.

7 王運(yùn)軍，段鈺鋒，楊立國，等.燃煤電站布袋除塵器和靜電除塵器脫汞性能比較[J].燃料化學(xué)學(xué)報(bào)，2008，36（1）：23-29.

8 許月陽，薛建明，王宏亮，等.燃煤煙氣常規(guī)污染物凈化設(shè)施協(xié)同控制汞的研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2014，34（23）：3924-3931.

9 王運(yùn)軍，段鈺鋒，楊立國，等.濕法煙氣脫硫裝置和靜電除塵器聯(lián)合脫除煙氣中汞的試驗(yàn)研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2008，28（29）：64-69.

Study on Synergistic Removal of Flue Gas Mercury by Pollutant Control Equipment in Coal - fired Power Plants

Tao Jun
(Datang Environmental Industry Group Co., Ltd., Beijing 100097, China)

Mercury is China's coal-fired power plants following the dust, SOx, NOxafter the fourth largest pollutants, the ecological environment and human health will cause serious harm.In the context of ultra-low-emission transformation, coal-fired power plants are equipped with efficient denitrification, dust removal and desulfurization devices, these devices have a certain effect on the removal of mercury in flue gas.Based on the above reasons, this paper analyzes in detail the effect of existing pollutant control equipment on flue gas mercury removal in coal-fired power plants.

coal-fired power station; flue gas; synergistic removal

X701.7

A

1008-9500(2017)10-0077-03

2017-08-06

陶君（1986-），男，黑龍江雙鴨山人，博士研究生，工程師，從事燃煤電站大氣污染物治理技術(shù)研發(fā)工作。