燃煤煙氣汞污染及其控制技術(shù)

　　1、汞污染現(xiàn)狀及其危害

　　全球每年排放到大氣中的汞總量約為5000t，其中4000t是人為的結(jié)果。造成汞環(huán)境污染的人為來(lái)源主要是燃燒，其中燃煤導(dǎo)致的汞污染是最為嚴(yán)重的。煤在燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的汞大部分隨著煙氣排入大氣，成為環(huán)境汞污染的主要來(lái)源。燃煤電站排放出的汞是我國(guó)汞污染的最主要來(lái)源，約占汞排量總量的40%。隨著燃煤電站總裝機(jī)容量的持續(xù)擴(kuò)大，汞污染問(wèn)題更加嚴(yán)重。據(jù)浙江大學(xué)能源潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室最新研究表明，我國(guó)10萬(wàn)kW典型燃煤鍋爐總汞排放量在40～50kg/a。2020年我國(guó)燃煤電站汞排放量約464～580t，約占同期全球化石燃料燃燒汞排放總量的42.45%～53.06%(聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署2008年報(bào)告)，形勢(shì)十分嚴(yán)峻。燃煤電站汞污染已被世界公認(rèn)為繼燃煤硫污染之后的又一大污染問(wèn)題，尤其是燃煤電站汞排放控制已成為目前國(guó)際上的研究熱點(diǎn)。

　　煙氣中的汞主要以兩種相對(duì)穩(wěn)定的形態(tài)存在：氣態(tài)汞(Hg，g)和顆粒態(tài)汞(Hg，p)。氣態(tài)汞又分為單質(zhì)汞(Hg0)和氧化態(tài)汞(Hg2+)。二價(jià)汞化合物比較穩(wěn)定，易溶于水，易脫除;單質(zhì)汞揮發(fā)性較高、水溶性較低，是最難控制的形態(tài)之一。汞及汞的化合物是一種易揮發(fā)物質(zhì)，具有巨毒性和積累性，可以通過(guò)呼吸、皮膚吸附或食物攝入等形式進(jìn)入人體，侵害人的神經(jīng)系統(tǒng)，尤其是中樞神經(jīng)系統(tǒng);通過(guò)肺泡吸收，經(jīng)血液進(jìn)入全身，傷害腦組織，并引起慢性中毒。同時(shí)，汞在大氣中停留的時(shí)間可長(zhǎng)達(dá)半年至二年，能在大氣層中飄浮成千上萬(wàn)千米，在全球范圍內(nèi)傳輸，并沉降進(jìn)入土壤或水體，其毒性在藻類、魚(yú)類和其它動(dòng)物組織中累積，導(dǎo)致處在食物鏈頂端的食肉動(dòng)物體內(nèi)的汞濃度數(shù)千倍甚至數(shù)百萬(wàn)倍于水中的汞濃度，從而污染整個(gè)食物鏈，對(duì)人類及生物環(huán)境造成的危害極大。

　　2、汞控制技術(shù)研究現(xiàn)狀

　　國(guó)內(nèi)外燃煤電站汞排放控制技術(shù)的研究主要包括燃燒前脫汞、燃燒中脫汞和燃燒后煙氣脫汞三個(gè)方面。燃燒前脫汞是通過(guò)洗選法除去原煤中的部分汞，但是該方法不能洗去與煤中有機(jī)碳結(jié)合的汞，而且成本相對(duì)較高;燃燒中脫汞主要是利用改進(jìn)燃燒方式，在降低NOX排放的同時(shí)，抑制一部分汞的排放;燃燒后脫汞的方法包括利用一些吸收劑來(lái)吸附汞的吸附法，或者改進(jìn)燃煤電站現(xiàn)有大氣污染物控制設(shè)備，以提高其協(xié)同脫汞的效率。還有一些新的煙氣汞脫除技術(shù)的研究，如電暈放電等離子體技術(shù)等。綜合來(lái)看，燃燒后煙氣脫汞是目前燃煤汞污染控制的最主要方式，相關(guān)研究最為廣泛。燃燒后脫汞(即煙氣脫汞)是未來(lái)電廠汞污染控制的主要方式，其脫汞方法主要有吸附劑法、化學(xué)沉淀法和化學(xué)氧化法。

　　2.1吸附劑法

　　吸附法主要是利用活性炭及其他吸附劑的吸附作用來(lái)處理污染物的一種常用方法，包括物理吸附和化學(xué)吸附兩種方式。對(duì)于氣流中汞等微量有害物質(zhì)的去除，吸附劑法占據(jù)重要位置。一般吸附都兼有物理吸附、化學(xué)吸附功能，兩種吸附過(guò)程可以同時(shí)進(jìn)行。長(zhǎng)期以來(lái)人們一直在努力尋找新型廉價(jià)的吸附劑來(lái)降低污染物控制設(shè)備的運(yùn)行費(fèi)用，但至今都沒(méi)有突破性的進(jìn)展。目前，用于煙氣脫汞的吸附劑主要有：活性炭、飛灰和金屬吸收劑。

　　2.1.1活性炭

　　在煙氣中噴入活性炭是煙氣脫汞技術(shù)最為集中且較成熟的一種方法。用活性炭吸附煙氣中的汞可以通過(guò)以下兩種方式，一種在顆粒脫除裝置前噴入粉末狀活性炭;另一種是將煙氣通過(guò)活性炭吸附床。盡管活性炭吸附劑在脫除汞方面有著很高的效率，但仍然存在價(jià)格昂貴，經(jīng)濟(jì)可行性不高等問(wèn)題，并且還存在很多技術(shù)難題。

　　2.1.2飛灰

　　燃煤過(guò)程中產(chǎn)生的飛灰能吸附煙氣中的汞，因此飛灰是影響煙氣中汞的形態(tài)分布的一個(gè)重要因素。由于飛灰容易獲得，且價(jià)格低廉，受到越來(lái)越多人的關(guān)注。飛灰

　　對(duì)汞的吸附主要通過(guò)物理吸附、化學(xué)吸附、化學(xué)反應(yīng)以及三者結(jié)合的方式，飛灰吸附主要受到溫度、飛灰粒徑、煙氣氣體成分等因素的影響。

　　2.1.3金屬吸收劑

　　金屬吸收劑是利用特定的金屬與汞形成合金來(lái)除去煙氣中的汞，這種新形成的合金在提高溫度的情況下能進(jìn)行可逆反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)汞的回收以及金屬的循環(huán)利用。并且，金屬吸收率與汞的化學(xué)形態(tài)無(wú)關(guān)，這樣采用金屬吸收劑就可很好的去除單質(zhì)汞。

　　2.2化學(xué)沉淀法

　　化學(xué)沉淀法是通過(guò)化學(xué)試劑與汞發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成沉淀，從而將汞除去。目前，應(yīng)用比較多的方法主要有：碘化鉀溶液洗滌法、氯化法除汞、硫化鈉法。

　　2.3化學(xué)氧化法

　　煙氣中的Hg2+化合物較易溶于水，在濕法煙氣脫硫系統(tǒng)(WFGD)中，無(wú)論是用石灰或石灰石或是活性炭作為吸收劑，均可除去約90%的Hg2+，而對(duì)Hg0沒(méi)有明顯的脫除作用。通過(guò)某些物質(zhì)的催化作用將Hg0氧化成Hg2+化合物，然后再采用常規(guī)的方法去除Hg2+，將單質(zhì)汞轉(zhuǎn)變成二價(jià)汞就比較容易去除了。

　　2.4其它方法

　　美國(guó)能源部國(guó)家能源技術(shù)實(shí)驗(yàn)室采用模擬燃煤煙氣，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)研究了紫外線照射煙氣脫汞技術(shù)。在536～662℃，采用波長(zhǎng)為253.7nm的紫外線進(jìn)行照射，這種波長(zhǎng)的紫外光能促進(jìn)汞與煙氣中的其它組分發(fā)生反應(yīng)，生成硫酸亞汞和氧化汞，然后通過(guò)除塵設(shè)備除去。在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)中，汞的脫除率達(dá)70%。但是，紫外線除汞技術(shù)的投資比活性炭噴射法還要高，這給該技術(shù)的推廣帶來(lái)困難。

　　3、現(xiàn)有煙氣處理設(shè)備脫汞效果

　　3.1除塵設(shè)備脫汞效果

　　常規(guī)的電除塵器和布袋除塵器能有效地捕獲煙氣中的顆粒物，并能夠有效脫除Hg(p)，而氣態(tài)汞能被吸附在飛灰上，并在電除塵或布袋除塵中被捕獲。

　　在利用現(xiàn)有煙氣凈化裝置除汞的研究中，最值得關(guān)注的是目前國(guó)內(nèi)正在推廣使用的電袋復(fù)合除塵器的除汞研究。電袋復(fù)合除塵器是一種兼具電除塵和袋式除塵技術(shù)優(yōu)點(diǎn)的全新除塵技術(shù)，是國(guó)際除塵技術(shù)的重要發(fā)展方向。常見(jiàn)的電袋復(fù)合除塵器為前電后袋式結(jié)構(gòu)(圖1)，它具有投資少、占地面積小、運(yùn)行阻力低、除塵效率高等優(yōu)點(diǎn)，并可以實(shí)現(xiàn)煙塵排放長(zhǎng)期穩(wěn)定控制在30mg/Nm3以下，是高效收塵與低成本運(yùn)行有機(jī)結(jié)合的新一代環(huán)境保護(hù)除塵產(chǎn)品。因此，研究電袋脫汞對(duì)于實(shí)現(xiàn)多污染物協(xié)同脫除具有重大意義。

　　3.2脫硫裝置脫汞效果

　　3.2.1干法脫硫裝置對(duì)汞脫除的效果

　　在干法脫硫系統(tǒng)中，顆粒態(tài)汞Hg(p)很容易被除去，Hg0和Hg2+能潛在地被吸附在飛灰、硫酸鈣或亞硫酸鈣顆粒表面。當(dāng)煙氣通過(guò)ESP或FF時(shí)，顆粒汞能很容易被吸附和捕獲。

　　3.2.2濕法脫硫裝置脫汞效果

　　Hg2+易溶于水，能被濕法煙氣脫硫(WFGD)循環(huán)液吸收，吸收效率可達(dá)69%。然而氣態(tài)單質(zhì)汞Hg0難溶于水，不能被循環(huán)液吸收。值得注意的是，對(duì)于大多數(shù)結(jié)合濕法洗滌的污染物控制系統(tǒng)，能夠脫除90%的Hg2+，但是對(duì)于Hg0不但不會(huì)被吸收，還略微有所增加，增加的原因是部分Hg2+被還原。

　　3.3脫硝設(shè)備脫汞效果

　　選擇性催化還原(SCR)裝置在還原NOx的同時(shí)能夠?qū)g0氧化成Hg2+。Hg2+相對(duì)更易被濕式噴淋裝置脫除。Hg0被SCR裝置催化氧化效率的高低受催化反應(yīng)器的空塔速度、反應(yīng)的溫度、氨的濃度、催化劑的壽命、氣流中氯的濃度等因素影響。

　　4、煙氣脫汞發(fā)展趨勢(shì)

　　對(duì)于汞污染控制方法，不論是成熟的，還是尚處于研究發(fā)展過(guò)程中的，均有望在電廠中得到貫徹實(shí)施，而具體的應(yīng)用效果則取決于各項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展水平和商業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力?；诋?dāng)前的發(fā)展水平，吸附劑噴射、濕法FGD和煤的洗選是最有效的脫汞方法，電廠應(yīng)結(jié)合自身?xiàng)l件和現(xiàn)場(chǎng)工況來(lái)選擇適宜的脫汞方式。未來(lái)煙氣除汞的研究將圍繞這三種方法展開(kāi)，特別是結(jié)合現(xiàn)有除塵、脫硫和脫硝裝置，通過(guò)改性吸附劑、改進(jìn)工藝等形式來(lái)提高煙氣脫汞效率，達(dá)到除塵脫汞一體化治理。