燃煤機組汞排放的評估及控制

華曉宇，滕敏華，沈佩華

（浙江省潔凈煤技術(shù)研究開發(fā)中心，杭州 310052）

2011年7月，我國環(huán)境保護部門頒布了《火電廠大氣污染物排放標準》，標準要求2012年后的新建電廠，燃煤機組排放煙氣中的汞含量不得超過0.03mg／m3。本文將根據(jù)該標準對某發(fā)電集團燃煤機組的汞排放進行評估，并對汞排放控制的策略進行探索，包括對該發(fā)電集團燃煤機組的常用煤種中汞含量的檢測，并在某臺機組上對汞的形態(tài)轉(zhuǎn)換和排放量進行測定。本文還將結(jié)合相關(guān)文獻提供的汞排放數(shù)據(jù)建立該發(fā)電集團燃煤機組汞排放量估算模型，并對機組的汞排放形態(tài)和排放強度進行估算。

1 汞排放的估算方法

燃煤機組汞的年排放量與鍋爐的年平均用煤量、煤中平均汞含量和汞排放影響系數(shù)有關(guān)，不同的煤種汞的含量和排放影響系數(shù)不同，因此為了估算燃煤機組汞的年排放量就必須了解煤種平均汞含量和排放影響系數(shù)。

1.1 估算模型

燃煤機組的汞排放包括氣態(tài)汞和固態(tài)汞，其中氣態(tài)汞通過煙氣向大氣排放，固態(tài)汞通過與鍋爐底渣、除塵器飛灰、脫硫廢水和石膏結(jié)合后排放。汞排放量與鍋爐年平均用煤量、煤中平均汞含量以及汞排放影響系數(shù)有關(guān)，其中汞排放影響系數(shù)指燃煤機組氣態(tài)汞排放量占汞排放總量的比例，與機組的煙氣處理方式等有關(guān)。燃煤機組氣態(tài)汞的年排放量估算模型為：

式中：Wg為燃煤機組氣態(tài)汞的年排放量，g；Mi為鍋爐單位容量的第i種煤年平均用煤量，t／MW；Ci為第i種煤中平均汞含量，mg／kg；TFi為第i種煤的汞排放影響系數(shù)。

燃煤中的汞按TFi比例以氣態(tài)排放，固態(tài)汞排放影響因素即為（1－TFi），因此剩下的固態(tài)汞年排放量Ws估算模型為：

式中：Ws為燃煤機組固態(tài)汞的年排放量，g。

Mi的確定需要對機組的年耗煤量進行統(tǒng)計；Ci的確定需要對燃煤的汞含量進行測定，不同來源的燃煤有不同的汞含量，由于機組的燃煤來源是變化的，因此必須考慮一年內(nèi)煤種的變化，準確反映機組燃煤的汞含量；TFi的確定應(yīng)當根據(jù)燃煤機組的汞排放量進行測定，汞排放量與燃煤機組的系統(tǒng)組成有關(guān)，燃用同樣的煤種，由于燃煤機組的系統(tǒng)組成不同，汞排放量也會不同，因此汞排放影響系數(shù)也會不同。

1.2 煤種平均汞含量

集團下機組所用的燃煤以我國北方產(chǎn)的優(yōu)混、蒙混、大混等煙煤為主，以及少量（5%左右）澳洲和印尼進口煤；這些煤的汞含量測定結(jié)果見表1。

表1 集團燃用的幾種煤汞含量 mg／kg

1.3 煙氣汞排放影響系數(shù)

根據(jù)煤種特性、燃燒方式和現(xiàn)有電除塵、脫硫、脫硝等煙氣處理裝置，集團下的燃煤機組系統(tǒng)組成可以按表2分類。

表2 集團燃煤機組的系統(tǒng)組成部分和分類方式

目前，該發(fā)電集團的燃煤機組以300MW及以上的容量為主，年耗煤量約4 200萬t，大部分鍋爐采用四角切圓燃燒，部分采用前后墻對沖燃燒；鍋爐的煙氣顆粒物控制全部采用靜電除塵裝置（ESP）；SO2控制基本采用濕法脫硫（WFGD），只有1臺125MW的機組采用了半干法石灰石噴射法（SD）脫硫；氮氧化物的排放采用低NOx燃燒器控制，部分機組同時采用選擇性催化還原（SCR）技術(shù)。發(fā)電集團下的燃煤機組可以分成五類，見表3。

表3 典型電廠燃煤機組基本組成及TFi的確定

排放影響因素的確定十分困難，要得到各類組成的機組準確可靠的煙氣汞排放影響系數(shù)，必須有大量測定結(jié)果作為依據(jù)，但是目前集團還沒有設(shè)立燃煤汞的排放監(jiān)測，因此缺乏可以參考的數(shù)據(jù)。本文只能對某電廠的汞排放進行實測，結(jié)合清華大學和浙江大學的部分測試整理結(jié)果［1］，然后對相應(yīng)數(shù)據(jù)取平均值，利用平均值確定部分典型燃煤機組的汞排放影響系數(shù)。

根據(jù)文獻資料，低NOx燃燒器的安裝和鍋爐爐型對機組的汞排放幾乎沒有影響，TFi的估算可以忽略它的影響。同時由于爐內(nèi)溫度較高，絕大多數(shù)汞都轉(zhuǎn)化為零價汞隨煙氣排出，因此爐內(nèi)噴鈣脫硫?qū)Fi的估算影響也可以忽略。

根據(jù)3號機組的汞排放實測數(shù)據(jù)，安裝有ESP、WFGD和SCR脫硝裝置的鍋爐（表3第1組），TFi的估算值僅為0.096；根據(jù)其他文獻資料［2］，對于安裝有ESP和 WFGD設(shè)備的鍋爐（表3第2組第4組和第5組，TFi的估算值0.310；對于表3第3組的煙氣汞排放影響系數(shù)與只安裝有ESP的機組相同，TFi的估算值TFi在0.870左右。

2 集團燃煤機組的汞排放量

2011年，集團下20臺機組的氣態(tài)汞、固態(tài)汞和總汞的年排放量見表4，表中TFi的取值與鍋爐煙氣處理裝置有關(guān)，參見表3。從估算結(jié)果來看，2011年該集團電廠燃煤鍋爐總汞排放量約為8.680t，其中氣態(tài)汞總排放量約為2.47t，占總汞排放量的28.4%。

表4 2011年各機組的燃煤組成及汞排放情況

3 汞排放減排策略

燃煤機組汞控制的方法很多，包括燃燒前、燃燒中和燃燒后控制技術(shù)?？紤]到經(jīng)濟性、安全性和穩(wěn)定性，結(jié)合集團下燃煤機組的煙氣處理裝置和實際的汞排放情況，利用已有的污染控制設(shè)備脫汞是最可行的方法。例如機組的汞排放量與煙氣凈化裝置有關(guān)，已有的選擇性催化還原脫硝裝置、電除塵器、濕法脫硫系統(tǒng)都可以脫除煙氣中的部分汞。

該集團的機組全部都裝有ESP，而ESP對脫除顆粒汞具有極高的效率，一般大于99%。近期因為國家環(huán)保對燃煤電廠粉塵排放的要求，集團將把部分燃煤機組改造為高效控制電除塵、電袋、或濕式除塵器，此舉將進一步提高除塵設(shè)備對顆粒汞的吸附，通過除塵器可以基本除去煙氣中的顆粒汞，達到較高的煙氣汞脫除率。

3.1 零價汞的脫除

零價汞的脫除，直接從煙氣中捕捉是目前較為可行的方法，將煙氣中的零價汞氧化，然后依靠FGD脫除氧化態(tài)汞的方法也比較有效。

1）直接從煙氣中捕捉方法 采用煙氣汞吸收劑噴射技術(shù)，可以直接從煙氣中捕捉零價汞，汞脫除效率高，但運營成本較高，經(jīng)濟性有待于解決。

2）把零價汞氧化方法 安裝了SCR的機組，煙氣流經(jīng)SCR催化劑時，煙氣里大多數(shù)的單質(zhì)汞將被氧化并被煙氣中的飛灰所吸附，并且經(jīng)過電除塵器后煙氣中絕大部分的顆粒汞會隨飛灰被脫除。氧化態(tài)汞容易溶于水，當煙氣經(jīng)過濕法脫硫系統(tǒng)時，煙氣中的大部分氧化態(tài)汞會被濕法脫硫系統(tǒng)脫除而殘留在脫硫產(chǎn)物中。SCR技術(shù)的前期投資雖然較大，但為了脫硝該集團計劃在所有機組中都安裝SCR，因此利用SCR脫汞也更可行。

煙氣汞排放實測數(shù)據(jù)表明，安裝了SCR、ESP和FGD的機組，汞的總排放可以降低90.4%，如果集團下屬全部燃煤機組裝備都安裝SCR，氣態(tài)汞排放可降至0.827t，比目前減少80%。不過由于煤種、燃燒方式以及SCR催化劑成分等不同，飛灰對煙氣汞的高吸附率可能和SCR催化劑成分和煙氣成分有關(guān)，煙氣凈化裝置的脫汞能力也不盡相同，實際效果還需進一步確認。

3.2 二價汞的脫除

對于二價汞的脫除，普遍認為最有效的方式是利用二價汞的可溶性通過濕法脫硫裝置對煙氣中的二價汞進行脫除。但根據(jù)實驗結(jié)果以及文獻參考資料，雖然WFGD可以脫除煙氣中大部分二價汞，但有一部分二價汞可能會還原成零價汞，使尾氣中零價汞濃度升高。因此汞在脫硫漿液中的穩(wěn)定性還有待于進一步研究。

3.3 脫汞技術(shù)的進步

隨著國家環(huán)保政策的日趨嚴格，完全依靠現(xiàn)有污染物脫除裝置，可能達不到今后國家排放標準，因此必須關(guān)注更有效的脫汞的方法。爐前溴化添加劑脫汞技術(shù)和燃燒后的噴射溴化粉狀活性炭吸附劑等方法是一種很有發(fā)展?jié)摿Φ拿摴夹g(shù)。燃煤電廠爐前溴化添加劑脫汞技術(shù)可以在電廠輸煤皮帶上或給煤機里加入溴化鹽溶液，也可以直接將溶液噴入鍋爐爐膛，其機理與SCR催化劑的作用一樣也是把零價汞氧化后再除去，但是投資和運行成本較低，總汞脫除率控制在80%以上，適用于國家對脫汞要求不嚴的時期。燃燒后的活性碳噴射技術(shù)目前被認為是最可靠的汞控制技術(shù)，總汞脫除效率在94%左右，可適用于世界上最嚴格的汞排放要求，但投資和運行成本較高。

4 結(jié)語

根據(jù)發(fā)電燃煤機組的汞排放量估算結(jié)果，2011年該發(fā)電集團下的燃煤機組氣態(tài)汞排放量約為2.467t，固態(tài)汞排放量約為6.254t，總汞排放量約為8.680t，氣態(tài)汞排放濃度在0.001～0.030mg／m3之間，滿足國家目前環(huán)保要求。集團下的15號機組采用干法脫硫，屬汞排放濃度最高0.030mg／m3，遠高于采用濕法脫硫的機組。

燃煤機組裝置WFGD和SCR后對汞的脫除貢獻率較大，如果該發(fā)電集團下屬燃煤機組全部裝備WFGD和SCR，該發(fā)電集團的年氣態(tài)汞排放可降至0.833t，比目前減少66.2%，是目前最佳的汞控制策略。當然，隨著國家環(huán)保政策的日趨嚴格，完全依靠現(xiàn)有污染物脫除裝置不一定能達到今后的排放標準，因此要關(guān)注燃燒前的爐前溴化添加劑脫汞技術(shù)和燃燒后的噴射溴化粉狀活性炭吸附劑等脫汞技術(shù)的發(fā)展。

［1］劉飛，喬少華，晏乃強，等.燃煤煙氣中零價汞控制技術(shù)研究進展［J］.環(huán)境科學與技術(shù).2012（06）：58－63.

［2］王書肖，郝吉明.中國燃煤電廠大氣汞排放及控制潛力［R］.北京：國家環(huán)保部，2011.