燃煤電廠現有超低排放工藝協同脫汞可行性分析

(唐山三友化工股份有限公司，河北 唐山 063305)

煤炭是世界上儲存量最大的化石能源，也是我國最主要的一次能源，開采后絕大部分應用于燃煤電力行業，在我國電力行業中占有絕對主導的地位的還是以燃煤為主的火力發電機組，我國發電總量中火電占比為70%以上。煤炭的燃燒產生大量攜帶污染物的氣體，氣體中除了SO2、NOX和粉塵等常規污染物外，還有微量的汞等重金屬，煤炭經過高溫燃燒后，一部分殘留于灰渣中，剩余的汞會以元素態汞的形式釋放至大氣環境中，對人類健康和生態環境構成了嚴重危害。通過權威機構分析環渤海區域汞排放量超過全國平均值五倍以上，國家環保部于2011年發布了《火電廠大氣污染物排放標準》(GB 13223-2011)首次對大氣污染物中汞的排放限值提出了嚴格的要求，規定汞及其化合物濃度不超過 0.03 mg/m3。河北省生態環境廳于2015年7月21日發布了《燃煤電廠大氣污染物排放標準》(DB13/2209-2015)同樣規定汞及其化合物濃度不超過 0.03 mg/m3。在未來很長一段時期，我國主要能源結構還會是以煤炭為主，并且隨著經濟的不斷發展，煤炭的消耗量只能增加不會減少，根據相關機構調研，我國煤炭的平均含汞量高達0.22 mg/kg,因此燃煤鍋爐煙氣汞污染問題必將會成為我國電力行業未來面臨的重要環境問題，控制汞污染物向環境中排放已刻不容緩。目前現有脫汞技術對污染物的控制還不成熟，只能考慮利用現有環保設施對汞進行協同脫除，我國大部分燃煤電廠已完成超低排放改造，研究利用現有超低排放設備對汞進行協同脫除將具有重要意義。

1 汞的產生及脫除方法

燃煤電廠汞的的存在形態主要有三種形式：氣態二價汞、氣態元素汞和顆粒態汞，汞的脫除效率很大程度上受到汞存在形態的分布，氣態二價汞容易被濕式洗滌法工藝捕獲脫除，氣態元素汞以大氣方式逸出，屬于最難收集和捕獲的狀態，顆粒態汞指的是吸附在灰渣上的汞，這部分汞可以通過多種除塵工藝將顆粒態汞收集。因此如何減少氣態元素汞的產生是脫汞工藝的關鍵。根據煤炭在燃燒過程汞污染控制手段進行分類，可以將現有燃煤電廠脫汞技術分為燃燒前脫汞、燃燒中脫汞和燃燒后脫汞三大類脫汞措施。燃燒前脫汞技術就是煤粉還未在鍋爐中燃燒時，基于煤粉的物理、化學性質的差異，采用物理或化學方法將煤中的汞分離出來脫除的技術。該技術主要有洗煤技術和溫和高溫分解技術，我國原煤洗選技術應用比較普遍，但相對于發達國家的45%～100%的原煤洗選率，中國只有25%，提升我國煤炭的洗選率將有助于我國環境質量的提升，從源頭上抑制汞等污染物的排放。燃燒中脫汞指的是在煤粉燃燒過程中摻燒鹵化物等方式以增加燃煤煙氣中氧化態汞的比例，從而達到降低燃煤煙氣中元素汞的排放。燃燒后脫汞指煤粉燃燒后，對排放煙氣中的汞采取脫汞措施，燃燒后脫汞技術包括吸附法脫汞、燃煤電廠煙氣脫汞技術、液相氧化吸收技術、零價汞的氧化及催化脫除技術、光催化脫除技術等。目前國內外研究者研究重點主要放在利用現有的煙氣凈化裝置如除塵器、脫硫、脫硝系統來實現汞和粉塵、SO2和NOX等污染物排放的聯合控制協同脫除。這樣不但大幅度降低設備投資和運行維護成本，還可以作為技術保障實現煙氣汞排放達標。

2 現有超低排放工藝協同脫汞效果分析

2.1 循環流化床鍋爐協同脫汞

有研究表明，燃煤電廠的汞排放在飛灰中占有很大比例，因此循環流化床鍋爐在脫汞方面具有很大優勢，一方面由于循環流化床鍋爐的屬低溫燃燒,飛灰可以長時間在爐內循環，有利于比表面積較大且具有少量微孔的飛灰對二價汞的吸附，加強了二價汞的去除。飛灰對汞的吸附主要通過化學吸附、物理吸附和化學反應三種方式相結合的途徑進行，其吸附能力主要出于以下兩個方面：一是飛灰中無機成分對汞的催化氧化作用；二是飛灰中未燃盡碳所具備的吸附作用。飛灰對汞的吸附還同時受到煙氣溫度、飛灰自身物理特性、煙氣成分等諸多因素的影響。另一方面，由于循環流化床鍋爐燃用的煤灰的成分比較高，因此更有助于元素汞向顆粒態汞轉化，從而被后續除塵裝置捕獲。

2.2 脫硝設備協同脫汞

通過國內外研究人員研究發現，目前燃煤電廠最常用的SCR脫硝工藝中，脫硝催化劑對汞的脫除具有一定的效果，脫硝催化劑脫汞效果可能會被煙氣溫度、煙氣污染物組分濃度、煙氣流場分布等多種因素干擾，通過實驗表明，脫硝催化劑反應區溫度降低有助于汞的氧化脫除。研究還發現，燃煤鍋爐不同組分的煙氣對汞的氧化具有不同的影響，氮氧化物隨著反應溫度的上升，對汞的氧化能力變差，二氧化硫隨著反應溫度的上升，對汞的氧化能力也變得下降，因此SCR脫硝前用低氮燃燒器對NO控制和燃用低硫煤將有助于汞的脫除(見圖1、圖2、圖3)。

圖1 溫度對汞的氧化的影響

圖2 NO對汞的氧化的影響

圖3 二氧化硫對汞的氧化的影響

2.3 除塵設備協同脫汞

燃煤電廠的除塵設施(布袋除塵、靜電除塵器)可以對煙氣中存在的大部分粉塵進行有效的脫除(一般除塵效率能達到99%)，而具有一定的吸附性能的粉塵，可以對顆粒態汞和氧化態汞進行有效吸附，同時，由于煙氣中含有的Cl和粉塵中具有的FeOX、CuOX等催化劑的相互作用，使得部分的零價態Hg會被吸附氧化，致使煙氣中的汞的含量與形態都產生變化，除塵設施的脫汞效率與當時反應時的煙氣的狀態和汞的存在形式有關。根據除塵設施本身不同的特性，不同的除塵設施對同一電廠中煙氣汞的脫除效果也不一樣，除塵設施中布袋除塵器的脫汞效果高于靜電除塵，冷態靜電除塵器的脫汞效果強于熱態靜電除塵器，通過相關機構測試結果表明，布袋除塵器的平均脫汞效率可以達到52.3%，靜電除塵器的平均脫汞效率可以達到11.5%，因此對除塵器的除塵效率進行提升，特別是提升對細微顆粒物的捕獲效率可以有效的提升整個系統的脫汞效率。

2.4 濕法煙氣脫硫系統協同脫汞

石灰石-石膏濕法脫硫工藝是一種使用很廣泛的工藝，具有脫硫效率高、運行維護簡單方便的優點，在燃煤電廠中得到普及。通過現場測試發現，濕法脫硫可以對二價汞進行有效的脫除，因此大家對石灰石-石膏濕法脫硫的協同脫汞效果研究一直未間斷，通過實驗表明濕法脫硫在脫硫的同時可以對煙氣中的二價汞進行有效的脫除。根據濕法脫硫的脫汞機理，為了提升汞的脫除效率，燃煤電廠一方面要將零價汞氧化為二價汞，另一方面要抑制濕法脫硫漿液中捕集的二價汞向零價汞的轉化。在濕法脫硫設施中，捕獲的氧化態汞，一部分混合在石膏中，一部分留在脫硫廢水里，脫硫廢水中的汞會在廢水處理設施中脫除，進入脫硫石膏的汞絕大部分被石膏固化，不會對環境造成二次污染。

3 結論與建議

1)我公司循環流化床鍋爐燃用的灰分較高的煤和飛灰在鍋爐內循環的特性有助于元素汞向顆粒態汞轉化，從而被后續除塵裝置捕獲，循環流化床鍋爐在協同脫汞方面存在很大的優勢，因此公司還應在生產中不斷加強鍋爐生產工藝的調整，探索最佳的控制參數，以達到汞的有效脫除。

2)雖然燃煤電廠現有煙氣凈化系統可以將煙氣中汞協同脫除，有效的降低汞對大氣的污染，但是通過脫硫、脫硝、除塵協同脫汞后污染物從氣態轉移到了石膏、灰、渣等固態產物中，可能會影響到灰渣和石膏的品質，并造成二次污染，因此需要進一步研究加以控制。

3)公司需要不斷提升自身實驗室的監測能力，增加對汞元素的監測設備或委托第三方對汞元素進行監測，以便于實時監控汞在生產各個流程中的存在狀態和濃度，對汞的排放進行有效的控制。

我公司現有污染物排放標準已達到深度治理排放要求，但隨著京津冀一體化進程的加速，國家對這一地區控制還將更加嚴格，公司現有場地條件已無法增加新的污染控制設備，因此公司應不斷探索多種污染物協同控制脫除控制技術，針對新增工藝的相關參數進行優化，將優化后的參數應用于生產實際中，最終實現多種污染物協同脫除控制的優化運行。