燃煤电厂现有超低排放工艺协同脱汞可行性分析

(唐山三友化工股份有限公司，河北 唐山 063305)

煤炭是世界上储存量最大的化石能源，也是我国最主要的一次能源，开采后绝大部分应用于燃煤电力行业，在我国电力行业中占有绝对主导的地位的还是以燃煤为主的火力发电机组，我国发电总量中火电占比为70%以上。煤炭的燃烧产生大量携带污染物的气体，气体中除了SO2、NOX和粉尘等常规污染物外，还有微量的汞等重金属，煤炭经过高温燃烧后，一部分残留于灰渣中，剩余的汞会以元素态汞的形式释放至大气环境中，对人类健康和生态环境构成了严重危害。通过权威机构分析环渤海区域汞排放量超过全国平均值五倍以上，国家环保部于2011年发布了《火电厂大气污染物排放标准》(GB 13223-2011)首次对大气污染物中汞的排放限值提出了严格的要求，规定汞及其化合物浓度不超过 0.03 mg/m3。河北省生态环境厅于2015年7月21日发布了《燃煤电厂大气污染物排放标准》(DB13/2209-2015)同样规定汞及其化合物浓度不超过 0.03 mg/m3。在未来很长一段时期，我国主要能源结构还会是以煤炭为主，并且随着经济的不断发展，煤炭的消耗量只能增加不会减少，根据相关机构调研，我国煤炭的平均含汞量高达0.22 mg/kg,因此燃煤锅炉烟气汞污染问题必将会成为我国电力行业未来面临的重要环境问题，控制汞污染物向环境中排放已刻不容缓。目前现有脱汞技术对污染物的控制还不成熟，只能考虑利用现有环保设施对汞进行协同脱除，我国大部分燃煤电厂已完成超低排放改造，研究利用现有超低排放设备对汞进行协同脱除将具有重要意义。

1 汞的产生及脱除方法

燃煤电厂汞的的存在形态主要有三种形式：气态二价汞、气态元素汞和颗粒态汞，汞的脱除效率很大程度上受到汞存在形态的分布，气态二价汞容易被湿式洗涤法工艺捕获脱除，气态元素汞以大气方式逸出，属于最难收集和捕获的状态，颗粒态汞指的是吸附在灰渣上的汞，这部分汞可以通过多种除尘工艺将颗粒态汞收集。因此如何减少气态元素汞的产生是脱汞工艺的关键。根据煤炭在燃烧过程汞污染控制手段进行分类，可以将现有燃煤电厂脱汞技术分为燃烧前脱汞、燃烧中脱汞和燃烧后脱汞三大类脱汞措施。燃烧前脱汞技术就是煤粉还未在锅炉中燃烧时，基于煤粉的物理、化学性质的差异，采用物理或化学方法将煤中的汞分离出来脱除的技术。该技术主要有洗煤技术和温和高温分解技术，我国原煤洗选技术应用比较普遍，但相对于发达国家的45%～100%的原煤洗选率，中国只有25%，提升我国煤炭的洗选率将有助于我国环境质量的提升，从源头上抑制汞等污染物的排放。燃烧中脱汞指的是在煤粉燃烧过程中掺烧卤化物等方式以增加燃煤烟气中氧化态汞的比例，从而达到降低燃煤烟气中元素汞的排放。燃烧后脱汞指煤粉燃烧后，对排放烟气中的汞采取脱汞措施，燃烧后脱汞技术包括吸附法脱汞、燃煤电厂烟气脱汞技术、液相氧化吸收技术、零价汞的氧化及催化脱除技术、光催化脱除技术等。目前国内外研究者研究重点主要放在利用现有的烟气净化装置如除尘器、脱硫、脱硝系统来实现汞和粉尘、SO2和NOX等污染物排放的联合控制协同脱除。这样不但大幅度降低设备投资和运行维护成本，还可以作为技术保障实现烟气汞排放达标。

2 现有超低排放工艺协同脱汞效果分析

2.1 循环流化床锅炉协同脱汞

有研究表明，燃煤电厂的汞排放在飞灰中占有很大比例，因此循环流化床锅炉在脱汞方面具有很大优势，一方面由于循环流化床锅炉的属低温燃烧,飞灰可以长时间在炉内循环，有利于比表面积较大且具有少量微孔的飞灰对二价汞的吸附，加强了二价汞的去除。飞灰对汞的吸附主要通过化学吸附、物理吸附和化学反应三种方式相结合的途径进行，其吸附能力主要出于以下两个方面：一是飞灰中无机成分对汞的催化氧化作用；二是飞灰中未燃尽碳所具备的吸附作用。飞灰对汞的吸附还同时受到烟气温度、飞灰自身物理特性、烟气成分等诸多因素的影响。另一方面，由于循环流化床锅炉燃用的煤灰的成分比较高，因此更有助于元素汞向颗粒态汞转化，从而被后续除尘装置捕获。

2.2 脱硝设备协同脱汞

通过国内外研究人员研究发现，目前燃煤电厂最常用的SCR脱硝工艺中，脱硝催化剂对汞的脱除具有一定的效果，脱硝催化剂脱汞效果可能会被烟气温度、烟气污染物组分浓度、烟气流场分布等多种因素干扰，通过实验表明，脱硝催化剂反应区温度降低有助于汞的氧化脱除。研究还发现，燃煤锅炉不同组分的烟气对汞的氧化具有不同的影响，氮氧化物随着反应温度的上升，对汞的氧化能力变差，二氧化硫随着反应温度的上升，对汞的氧化能力也变得下降，因此SCR脱硝前用低氮燃烧器对NO控制和燃用低硫煤将有助于汞的脱除(见图1、图2、图3)。

图1 温度对汞的氧化的影响

图2 NO对汞的氧化的影响

图3 二氧化硫对汞的氧化的影响

2.3 除尘设备协同脱汞

燃煤电厂的除尘设施(布袋除尘、静电除尘器)可以对烟气中存在的大部分粉尘进行有效的脱除(一般除尘效率能达到99%)，而具有一定的吸附性能的粉尘，可以对颗粒态汞和氧化态汞进行有效吸附，同时，由于烟气中含有的Cl和粉尘中具有的FeOX、CuOX等催化剂的相互作用，使得部分的零价态Hg会被吸附氧化，致使烟气中的汞的含量与形态都产生变化，除尘设施的脱汞效率与当时反应时的烟气的状态和汞的存在形式有关。根据除尘设施本身不同的特性，不同的除尘设施对同一电厂中烟气汞的脱除效果也不一样，除尘设施中布袋除尘器的脱汞效果高于静电除尘，冷态静电除尘器的脱汞效果强于热态静电除尘器，通过相关机构测试结果表明，布袋除尘器的平均脱汞效率可以达到52.3%，静电除尘器的平均脱汞效率可以达到11.5%，因此对除尘器的除尘效率进行提升，特别是提升对细微颗粒物的捕获效率可以有效的提升整个系统的脱汞效率。

2.4 湿法烟气脱硫系统协同脱汞

石灰石-石膏湿法脱硫工艺是一种使用很广泛的工艺，具有脱硫效率高、运行维护简单方便的优点，在燃煤电厂中得到普及。通过现场测试发现，湿法脱硫可以对二价汞进行有效的脱除，因此大家对石灰石-石膏湿法脱硫的协同脱汞效果研究一直未间断，通过实验表明湿法脱硫在脱硫的同时可以对烟气中的二价汞进行有效的脱除。根据湿法脱硫的脱汞机理，为了提升汞的脱除效率，燃煤电厂一方面要将零价汞氧化为二价汞，另一方面要抑制湿法脱硫浆液中捕集的二价汞向零价汞的转化。在湿法脱硫设施中，捕获的氧化态汞，一部分混合在石膏中，一部分留在脱硫废水里，脱硫废水中的汞会在废水处理设施中脱除，进入脱硫石膏的汞绝大部分被石膏固化，不会对环境造成二次污染。

3 结论与建议

1)我公司循环流化床锅炉燃用的灰分较高的煤和飞灰在锅炉内循环的特性有助于元素汞向颗粒态汞转化，从而被后续除尘装置捕获，循环流化床锅炉在协同脱汞方面存在很大的优势，因此公司还应在生产中不断加强锅炉生产工艺的调整，探索最佳的控制参数，以达到汞的有效脱除。

2)虽然燃煤电厂现有烟气净化系统可以将烟气中汞协同脱除，有效的降低汞对大气的污染，但是通过脱硫、脱硝、除尘协同脱汞后污染物从气态转移到了石膏、灰、渣等固态产物中，可能会影响到灰渣和石膏的品质，并造成二次污染，因此需要进一步研究加以控制。

3)公司需要不断提升自身实验室的监测能力，增加对汞元素的监测设备或委托第三方对汞元素进行监测，以便于实时监控汞在生产各个流程中的存在状态和浓度，对汞的排放进行有效的控制。

我公司现有污染物排放标准已达到深度治理排放要求，但随着京津冀一体化进程的加速，国家对这一地区控制还将更加严格，公司现有场地条件已无法增加新的污染控制设备，因此公司应不断探索多种污染物协同控制脱除控制技术，针对新增工艺的相关参数进行优化，将优化后的参数应用于生产实际中，最终实现多种污染物协同脱除控制的优化运行。