超低排放燃煤火電機組汞排放特性研究

孟磊

（大唐環境產業集團股份有限公司，北京 100097）

1 引言

汞是一種具有劇毒、易揮發的污染物，對人體健康具有嚴重危害。近年來，國家不斷加強對燃煤電廠汞排放的治理。2011年，原環境保護部發布《火電廠大氣污染物排放標準》（GB 13223—2011），要求2012年后新建燃煤火電廠汞排放限值為0.03mg/m3，2015年1月1日起，所有運行的燃煤機組都要達到此標準。因此，對燃煤火電廠汞排放特性及控制技術的研究具有重要意義。

近年來，國內很多學者都開展了汞排放特性方面的研究，如：華能集團鐘犁等對大氣汞排放的監測方法進行了研究，并列出了不同方法的優缺點[1]；中國環境監測總站陳敏敏等對32個電廠進行了現場測試分析，得到了大量汞排放特性數據[2]；國電環保院王圣等對6家典型電廠進行了汞排放特性分析，給出了汞排放量與運行參數的函數關系[3]；國網江西電力公司劉發圣等對江西地區4家電廠的汞排放特性進行了研究[4]。上述研究主要是以未實施超低排放改造的機組為研究對象[5]，因此，開展超低排放改造后的機組汞排放特性研究具有重要意義。本文主要以超低排放燃煤火電機組為研究對象，通過選取3臺典型機組進行現場汞測試，掌握汞排放規律以及各污染物控制裝置對汞的協同脫除性能，為后續的汞污染治理提供基礎。

2 汞的測試方法

以煤的工業分析、元素分析及汞含量數據為基礎，結合實測的入爐煤量、排灰量、排渣量及煙氣含氧量等鍋爐運行參數，可計算出實際干煙氣、濕煙氣體積以及灰平衡。煙氣中氧化態汞、單質汞和顆粒汞濃度根據OHM標準取樣測試分析方法，以及Hydra AA汞分析儀測定數據得到。結合Hydra II C汞分析儀得到的入爐煤、爐渣、飛灰、ESP灰、WFGD脫硫劑、脫硫產物石膏等固體樣品的汞濃度數據，以及原子熒光分光光度計分析得到的WFGD廢水中汞濃度數據，可計算出鍋爐全系統的汞質量平衡及分布[6]。

根據燃煤鍋爐機組運行參數和汞濃度測試數據，可獲得煙氣中氣態單質汞、氧化汞以及顆粒汞的質量流量。結合入爐煤、ESP排灰、底渣的汞含量以及計算得到的灰平衡數據，可計算出單位時間進入鍋爐系統的總汞質量流量Hgin以及隨煙氣、ESP排灰、底渣、脫硫石膏和脫硫廢水流出系統的汞質量流量Hgout。進而根據質量守恒原理，可以得到燃煤電廠的汞質量平衡式：

入爐總汞=入爐煤中的汞

=SCR前煙氣中總汞+爐渣中汞

=SCR后煙氣中總汞+爐渣中汞

=ESP后煙氣中總汞+ESP排灰中汞+爐渣中汞

=WFGD后煙氣中總汞+脫硫產物中汞（包括石膏和廢水中的汞）-WFGD新鮮漿液中的汞+ESP排灰中汞+爐渣中汞。

煙氣中總汞濃度與煙氣中氣態汞和顆粒汞的關系如下（汞濃度通常折算到煙氣中6%O2下的值）：

HgT=Hg0+Hg2++Hgp

式中：

HgT——煙氣中總汞濃度，μg/Nm3；

Hg0——氣態單質汞濃度，μg/Nm3;

Hg2+——氣態氧化態汞濃度，μg/Nm3；

Hgp——煙氣中顆粒汞濃度，μg/Nm3。

2.1 取樣點分布

現場汞取樣點位置分布如下圖所示，四個取樣點為：選擇性催化還原脫硝裝置（SCR）前后（1和2）煙道取樣點、濕法煙氣脫硫裝置（WFGD）前后（3和4）煙道取樣點。本測試中，四個測點同時取樣，以保證取樣數據的同時性、完整性、準確性。

燃煤鍋爐系統汞現場取樣點分布示意圖

2.2 汞取樣系統及方法

現場汞取樣采用美國EPA推薦使用的OHM標準方法（D 6784—02）進行煙氣的取樣、恢復、消解等處理。使用美國Hydra AA全自動測汞儀分析消解后煙氣中元素汞、氧化汞的濃度。煙氣中顆粒汞采用OHM取樣槍前部的玻璃纖維濾筒收集，采用美國Hydra II C全自動測汞儀分析總汞濃度。固體樣品煤、底渣、飛灰、脫硫產物石膏中汞濃度采用美國的全自動汞分析儀進行檢測。液體樣品WFGD新鮮漿液、WFGD脫硫廢水及WFGD脫硫石膏中汞濃度采用原子熒光分光光度計進行檢測[7]。

3 測試電廠基本情況

為了研究不同環保設施對汞排放特性的影響，選取了同一電廠的3臺超低排放機組開展測試。3臺測試機組均采用SCR脫硝技術，脫硫塔為噴淋空塔+高效除霧器，除塵方式為靜電除塵，出口控制指標為SO2＜35mg/Nm3，粉塵濃度＜5mg/Nm3。

4 汞測試結果分析

4.1 鍋爐全系統汞質量平衡

根據鍋爐運行數據和汞現場測試數據，得到3臺機組鍋爐系統的汞質量平衡，分別如表1、表2、表3所示。從測試結果看，不同機組在不同工況下的汞平衡率在70%～90%。

表1 1號鍋爐全系統汞質量平衡

表2 2號鍋爐全系統汞質量平衡

表3 3號鍋爐全系統汞質量平衡

4.2 煙氣中汞形態濃度及分布

從表4、表5、表6中的數據可看出，3臺機組在鍋爐平均50%負荷、75%負荷等四種工況下，測點汞排放濃度值均低于《火電廠大氣污染物排放標準》（GB 13223—2011）中的汞排放限值30μg/Nm3。測試結果表明，在煤中汞含量為0.20mg/kg及以下的情況下，火電機組實施超低排放改造后，不用單獨增加脫汞設備即可滿足汞排放標準。

煤在鍋爐中燃燒后產生的汞形態分為煙氣單質汞、煙氣氧化汞和顆粒汞。SCR入口處的煙氣汞形態主要為氣態氧化汞和氣態單質汞，1、2號機組氣態氧化汞約占80%。顆粒態汞占比較少。經SCR脫硝裝置后，由于催化劑對單質汞具有氧化作用，氣態單質汞所占比例降低，氣態氧化汞占比增加，顆粒汞變化不明顯。經過除塵裝置后，氣態單質汞和氣態氧化汞變化不明顯，顆粒汞明顯降低，有些工況降低為0μg/Nm3，說明電除塵裝置對顆粒汞脫除效率較高。經過濕法脫硫裝置后，氣態單質汞和顆粒汞變化不明顯，氣態氧化汞明顯降低，大部分被脫除，說明濕法脫硫裝置對氣態氧化汞具有較高脫除作用。

5 結論

本文主要研究了燃煤火電超低排放機組的汞性能測試方法，完成了對同一個電廠3臺典型超低排放機組的現場測試，掌握了超低排放機組煙氣中的汞分布形態及排放特性。研究表明，在煤中汞含量為0.20mg/kg及以下的情況下，火電機組實施超低排放改造后，不用單獨增加脫汞設備即可滿足汞排放國家標準。SCR脫硝裝置對煙氣單質汞具有協同氧化作用，靜電除塵裝置可以脫除煙氣中顆粒汞，濕法脫硫裝置可以高效脫除煙氣氧化汞，排放到大氣環境的汞大部分為煙氣單質汞。本研究有助于了解并掌握燃煤火電廠汞排放特性，為火電廠開展汞污染的治理提供了依據。

表4 1號機組各取樣點煙氣汞形態濃度及分布

表5 2號機組各取樣點煙氣汞形態濃度及分布

表6 3號機組各取樣點煙氣汞形態濃度及分布