淺析燃煤電廠煙氣汞的排放及控制

淺析燃煤電廠煙氣汞的排放及控制

一、燃煤電廠煙氣汞的排放

賦存在燃煤中的汞經(jīng)過(guò)燃煤電廠的鍋爐機(jī)組后，開(kāi)始在爐內(nèi)高溫下，幾乎所有的汞會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榱銉r(jià)汞進(jìn)入高溫的煙氣，經(jīng)過(guò)各污染控制設(shè)備和其他設(shè)施的過(guò)程中，由于溫度、煙氣成分及飛灰等的影響，汞會(huì)發(fā)生復(fù)雜的物理化學(xué)變化而轉(zhuǎn)化為不同的形態(tài)，最終表現(xiàn)為三種形態(tài)：顆粒態(tài)汞、氧化態(tài)汞以及元素態(tài)汞。一般顆粒態(tài)汞易于被除塵器收集，氧化態(tài)汞易溶于水，易于被WFGD脫除;而元素態(tài)汞 揮發(fā)性高、不溶于水，不溶于酸，很難被除塵器去除。因此，汞的排放形態(tài)直接影響汞的脫除效率。

二、燃煤電廠煙氣汞形態(tài)轉(zhuǎn)化的影響因素

1.在燃煤電廠中，不同形態(tài)的汞的含量及比例受到多種因素的綜合作用，主要包括煤種、鍋爐的燃燒方式及燃燒溫度、煙氣氣氛以及煙氣中的HCl和飛灰等。燃煤電廠煙氣中的汞含量及形態(tài)與燃煤鍋爐燃燒的煤種密切相關(guān)。研究表明，煙煤燃燒產(chǎn)生的煙氣中的汞是以氧化態(tài)為主的，亞煙煤燃燒后，煙氣中的二價(jià)汞含量與零價(jià)汞含量相當(dāng)，褐煤燃燒后煙氣中以零價(jià)汞為主。

2.鍋爐燃燒溫度影響汞的形態(tài)，在爐膛溫度較高時(shí)，煙氣中零價(jià)汞含量較大，大多數(shù)的二價(jià)汞形成的氧化物不穩(wěn)定，會(huì)發(fā)生分解生成單質(zhì)汞。當(dāng)煙氣溫度降低于750K時(shí)，煙氣中汞元素的主要形態(tài)是二價(jià)汞。

3.鍋爐的燃燒方式不同，會(huì)影響煤的燃燒情況，從而影響汞的形態(tài)分布，例如，在相同的條件下，循環(huán)流化床產(chǎn)生的煙氣中的二價(jià)汞的比例較大，這與循環(huán)流化床的低燃燒溫度有關(guān)。從燃煤電廠的測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，使用循環(huán)流化床的鍋爐排放的煙氣飛灰中富集的汞含量較高，這可能是因?yàn)檠h(huán)流化床的燃燒溫度較低，形成的飛灰含有較高含量的未燃盡碳，吸附了更多的零價(jià)汞。

4.煙氣氣氛會(huì)影響零價(jià)汞的氧化作用，由于煙氣成分的復(fù)雜性，煙氣中可能含有促進(jìn)煙氣中的零價(jià)汞氧化的物質(zhì)存在，氧化性的煙氣氣氛有利于二價(jià)汞的形成，相反，還原性的氣氛造成了煙氣中汞以零價(jià)汞為主的結(jié)果。

三、燃煤電廠煙氣中汞污染控制技術(shù)

1.燃燒前脫汞

該方法主要措施是洗煤技術(shù)，就是通過(guò)一定的物理清洗技術(shù)將密度比煤大的含汞化合物分離出來(lái)。洗煤技術(shù)是在汞的源頭上進(jìn)行汞控制的方法，研究表明，洗煤過(guò)程至少能夠脫除51%的汞，目前發(fā)達(dá)國(guó)家的原煤入洗率為40%～100%，遠(yuǎn)高于中國(guó)。浮選法也是一種燃燒前脫汞技術(shù)，浮選法是將有機(jī)浮選及加入粉煤漿液，使得無(wú)機(jī)的Hg作為浮選廢渣而脫除的。

2.燃燒中脫汞

煤燃燒后二價(jià)汞的排放濃度與鹵素含量有關(guān)，因此可以在煤燃燒過(guò)程中添加含鹵化合物來(lái)提高煙氣中的二價(jià)汞比例，由于二價(jià)汞易于去除，因此該法是以中國(guó)間接的汞污染控制方法。有人對(duì)使用低氯褐煤的煙氣汞含量進(jìn)行中試測(cè)試結(jié)果表明，向燃煤中添加0.5 mg/g的氯化鈣時(shí)，排放的煙氣中二價(jià)汞比例上升50%，零價(jià)汞的濃度明顯下降。但煙氣中鹵化物濃度增大后鍋爐設(shè)備腐蝕速度可能加快。

3.燃燒后脫汞

燃燒后脫汞就是指煙氣脫汞，是燃煤電廠的煤經(jīng)鍋爐燃燒之后，對(duì)排放的煙氣所采取的脫汞措施。

基于煙氣成分及煙氣條件的復(fù)雜性，汞在煙氣中會(huì)以顆粒態(tài)汞、氧化態(tài)汞以及元素態(tài)汞等形式存在，除塵設(shè)備能夠有效地控制元素態(tài)汞，因此煙氣中的汞主要以顆粒態(tài)汞、氧化態(tài)汞的形式存在，美國(guó)國(guó)家能源部等組織對(duì)美國(guó)各燃煤電站煙氣汞的測(cè)試結(jié)果表明，不同電站對(duì)顆粒態(tài)汞和氧化態(tài)汞兩種形態(tài)的汞排放量差別較大，顆粒態(tài)汞和氧化態(tài)汞在煙氣中的含量比例范圍分別為6%～60%和40%～94%，而比較難以處理的是顆粒態(tài)汞。燃煤電廠的煙氣凈化設(shè)備如除塵器和WFGD能夠部分脫除汞，除此之外，還有吸附法、液相氧化吸收法能夠進(jìn)行脫汞，針對(duì)零價(jià)汞的難于去除特性，還提出了零價(jià)汞的催化氧化法等。

(1)吸附法脫汞

吸附法脫汞是向燃煤電廠的ESP或FF的上游噴入活性炭等具有強(qiáng)吸附特性的物質(zhì)，將煙氣中的汞吸附于這些物質(zhì)表面從而達(dá)到有效除汞的目的。用于吸附汞的物質(zhì)有很多，包括活性炭、飛灰、鈣基吸附劑以及新型吸附劑等。

活性炭吸附劑是當(dāng)前研究的重點(diǎn)之一，活性炭吸附煙氣中的汞在垃圾焚燒爐中應(yīng)用效果很好，國(guó)外活性炭也有燃煤電廠采用活性炭吸附脫除煙氣中的汞?；钚蕴繉?duì)汞的吸附能力受煙氣成分、煙氣溫度和接觸時(shí)間等影響。普通活性炭吸附容量不大，且接觸時(shí)間較短，因此對(duì)零價(jià)汞的吸附作用較差。為提高吸附效率，開(kāi)始研究改性活性炭進(jìn)行煙氣脫汞，即在活性炭表面注入硫、氯或碘，增加活性炭的吸附性。目前國(guó)外已經(jīng)開(kāi)發(fā)了載溴活性炭吸附劑并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，結(jié)果達(dá)到了實(shí)際應(yīng)用水平。盡管利用活性炭脫汞效率較高，但投資成本較高，因此活性炭吸附劑用于燃煤電廠煙氣脫汞受到了經(jīng)濟(jì)上的限制。

與活性炭相比，飛灰易于獲得，同時(shí)價(jià)格低廉，受到人們廣泛關(guān)注。研究表明，燃煤產(chǎn)生的飛灰可以吸附一部分的氣態(tài)汞，飛灰的吸附性能與溫度、飛灰本

身的特性以及煙氣的成分有關(guān)，有研究者提出，飛灰中的金屬氧化物促進(jìn)零價(jià)汞的催化氧化。

和飛灰類似，鈣基類的物質(zhì)也較容易獲得，且是有效的脫硫劑，能夠去除煙氣中的SO2。因此考慮鈣基類物質(zhì)對(duì)煙氣汞的脫除研究，美國(guó)EPA對(duì)此做了相關(guān)研究，結(jié)果表明，鈣基類吸附劑能夠有效地吸附煙氣中的二價(jià)汞，對(duì)零價(jià)汞的吸附效率較低。同時(shí)，有研究者進(jìn)行鈣基吸附劑的模擬實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，煙氣中的SO2對(duì)汞的去除有促進(jìn)作用。

(2)液相氧化吸收法

由于零價(jià)汞與二價(jià)汞在水中溶解度的不同，可以在溶液中加入強(qiáng)氧化性的物質(zhì)，使得不溶于水的零價(jià)汞首先被氧化劑氧化為二價(jià)汞而被液體吸收。美國(guó)的Argonne 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研究表明：在煙氣中不含SO2時(shí)，可以采用碘、氯或高氯酸溶液進(jìn)行零價(jià)汞的液相氧化吸收，但SO2會(huì)抑制汞的氧化，降低汞的吸收效率。

(3)零價(jià)汞的催化氧化

研究表明SCR的存在可以提高煙氣中的二價(jià)汞的含量，這是因?yàn)樵贖Cl存在時(shí)，SCR催化劑能夠催化氧化零價(jià)汞，使得零價(jià)汞轉(zhuǎn)化成為二價(jià)汞。SCR催化劑的主要成分是V2O5，除了該物質(zhì)外，很多的金屬氧化物能夠用來(lái)進(jìn)行汞的催化氧化研究。例如，研究者發(fā)現(xiàn)MnO2對(duì)汞的催化氧化具有顯著作用，因此，開(kāi)發(fā)金屬氧化物催化劑實(shí)現(xiàn)零價(jià)汞的催化氧化是未來(lái)煙氣脫汞技術(shù)的一個(gè)發(fā)展方向。

四、結(jié)語(yǔ)

燃煤電廠煙氣中排放的汞是大氣汞污染的主要來(lái)源，以顆粒態(tài)汞、氧化態(tài)汞以及元素態(tài)汞三種形式存在，對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重危害。目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)了一些煙氣脫汞技術(shù)，效果最好的是活性炭吸附脫汞技術(shù)。但目前活性炭吸附技術(shù)由于活性炭?jī)r(jià)格昂貴，性價(jià)比低，在工程上難以推廣。隨著中國(guó)實(shí)施火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(GB13223-2011)，研究開(kāi)發(fā)脫汞效率高、價(jià)格低廉的煙氣脫汞技術(shù)將是近年的熱點(diǎn)，特別是利用現(xiàn)有煙氣脫硝裝置開(kāi)發(fā)同時(shí)脫硝脫汞催化劑，將零價(jià)汞催化氧化，結(jié)合燃煤電廠的WFGD吸收脫除，將具有重要的實(shí)用價(jià)值。