浅谈新标准实施的燃煤电厂汞排放控制途径

摘 要： 我国是一个煤炭生产大国，同时也是一个燃煤大国，能源需求总量中煤炭所占比例约66%，燃煤烟气中的汞浓度虽然低，但总量巨大。文章从燃煤电厂汞的国家政策、控制途径、影响因素等方面，介绍了现有燃煤电厂在烟气脱硝、除尘、烟气脱硫装置下联合控制烟气汞污染的主要途径。

关键词：标准；燃煤电厂；脱汞；烟气脱硫；烟气脱硝；除尘

1 引言

汞是一种非常重要的全球性污染物，燃煤电厂汞污染排放是人为汞排放源之一。2011年7月29日，环境环护部和国家质量监督检验检疫局对《火电厂大气污染物排放标准》（GB13223-2011）进行了修订，除重新提高了烟尘、SO2、NOx排放标准外，也首次对汞污染排放标准提出了不大于0.03mg/m3的新排放要求，并从2015年1月1日起开始执行。2014年9月12日，国家发展和改革委员会、环境保护部、国家能源局又联合发文·发改能源（2014）2093号关于印发《煤电节能减排升级与改造行动计划（2014—2020年）》的通知，要求东部地区新建燃煤发电机组大气污染物排放浓度基本达到燃气轮机组排放限值，中部地区新建机组原则上接近或达到燃气轮机组排放限值，鼓励西部地区新建机组接近或达到燃气轮机组排放限值，支持同步开展大气污染物联合协同脱除，减少三氧化硫、汞、砷等污染物排放。

中国是一个煤炭生产大国，资源储量达5.9万亿吨，2013年生产煤炭达36.8亿吨，原煤汞含量变化范围在0.1～5.5mg/kg，平均汞含量约0.22mg/kg，可见我国燃煤中汞含量普遍偏高（世界范围内煤的平均汞含量约 0.13mg/kg）。同时也是一个燃煤大国，能源需求总量中煤炭所占比例约66%，虽然燃煤烟气中的汞浓度低，但总量巨大，燃煤汞排放源约占1/3。

新疆煤炭预测储量达2.19万亿吨，约占全国煤炭资源预测总量的40%，年生产煤炭约1.5亿吨，煤中汞含量变化范围在0.020～0.17mg/kg，平均值为0.054 mg/kg，远低于世界及全国平均值。

目前，我国燃煤电厂应用烟气脱汞技术还在起步阶段，但大部分燃煤电厂已完成烟气脱硝、除尘、烟气脱硫装置，但均未考虑脱汞装置的空间位置。因此，在新标准实施情况下，充分利用现有电厂污染物控制设备进行脱汞就显得十分重要，尤其对新疆地区燃用低汞煤的燃煤电厂进行协同脱汞具有非常重要的现实意义。

2 汞污染的控制途径

世界上燃煤电厂汞污染控制主要有燃烧前脱汞、燃烧中脱汞、燃烧后脱汞三种方式。

2.1 燃烧前脱汞

燃烧前脱汞主要为洗煤和热解技术，均属于从源头控制，并使燃煤电厂在燃烧过程中汞的排放量大量减少。洗煤使汞大量富集在浮选废渣中，从而起到除去煤中汞的作用，是一种相对简单、可靠性高，维护量小，成本较低的汞排放脱除措施。如采用物理化学洗煤技术，脱除效率将不小于50%。热解技术是利用汞的高挥发性特点，使原煤中汞受热并挥发。一般在温度400℃以下时，脱汞效率可以达到80%左右，但同时煤也发生了热分解，致使煤中挥发性物质减少，发热量降低，不利于锅炉燃烧。

2.2 燃烧中脱汞

燃烧中脱汞主要是利用低温燃烧技术或喷入一定量的汞吸附剂。目前主要有循环流化床锅炉、煤粉锅炉低氮器和加入吸附剂。循环流化床锅炉是利用燃煤在炉内停留时间长和低温燃烧的特点，增加了灰渣中吸附汞的机会，有利于单质汞的沉降，以及低温燃烧可增加氧化态汞（Hg2+）的含量，同时又抑制单质汞（Hg0）的形成，更易被现有湿法脱硫设施脱除。同样低氮燃烧技术是利用其燃烧温度较低，提高了烟气中氧化态汞（Hg2+）的含量。而脱汞吸附剂是利用氧化态汞（Hg2+）容易被吸附去除的机理，采用某种催化剂，使烟气中的单质汞（Hg0）转化成氧化态汞（Hg2+），有利于燃煤电厂利用现有污染控制设施达到脱汞目的。

2.3 燃烧后脱汞

燃烧后脱汞主要采用开发新的脱汞吸收剂；以及对现有燃煤电厂烟气脱硫、烟气脱硝、除尘设施进行改造，促使其具有一定的脱汞性能。由于吸附剂费用较高，会增加燃煤电厂运行成本，燃煤电厂目前很少使用。因此，燃煤电厂使用范围最大的还是利用现有烟气治理设施进行协同脱汞。

综上所述，随着国家环保要求的不断严格，燃煤电厂也要达到与燃气相当的污染物排放水平。考虑到目前燃煤电厂的烟气脱硝、烟气脱硫、除尘等烟气治理设施已是建设燃煤电厂必不可少的第四大主机设备，对如何利用好现有环保治理设施协同控制汞污染排放，将是今后一段时期的主要发展研究方向。以下通过对燃煤汞含量特点和燃煤电厂现有污染物控制措施，推荐适合我国燃煤电厂的复合式脱汞技术。

3 利用现有烟气污染控制设备脱汞

3.1 循环流化床锅炉

采用循环流化床锅炉的电厂运行床温可控制在850～950℃，可实现低温燃烧和分级燃烧，污染物控制主要是利用低温燃烧和选择性非催化还原技术（SNCR）进行烟气脱硝，电袋复合除尘器或布袋除尘器除尘，炉内或炉内与炉外相结合方式进行脱硫。

循环流化床锅炉是一种可以喷入石灰石或其他吸附剂的装置，其燃烧方式在降低NOx排放的同时也降低了烟气中汞的排放。在CFB 燃煤过程中，汞主要富集在灰渣中，灰渣中汞的含量与其他燃烧过程大致相同。由于循环流化床燃烧温度较低，煤中挥发出的气态汞所占比例较少，且灰渣颗粒和一些添加剂导致的还原性气氛，都有利于矿物质气化而产生大量的亚微米级颗粒，从而增加灰渣对烟气中汞（包括单质态和氧化态）的吸附。后续除尘设备捕集灰渣颗粒，大大减少了汞向大气的排放。此外循环流化床燃料适应性相对较广，使得添加石灰石或一些汞的催化剂喷入到流化床中，可以进一步提高汞的捕捉效率。

3.2 煤粉锅炉

目前，燃煤电厂的锅炉大多数还是采用煤粉锅炉，现有烟气污染控制设施主要采用低氮燃烧技术和选择性催化还原技术（SCR）进行烟气脱硝，利用静电除尘器、电袋复合除尘、布袋除尘器进行除尘，利用湿式除尘器进行PM2.5和石膏雨脱除，利用石灰石-石膏湿法工艺进行脱硫。

3.2.1 低NOx燃烧技术（LNB）

低NOx燃烧技术是利用低氮燃烧器和配风来控制炉膛燃烧区域的燃烧温度及空气量，对控制NOx形成的同时增加烟气灰渣中未燃尽的碳含量来抑制单质汞（Hg0）的形成，更有利于湿法脱硫设施吸附烟气中的汞。因此，该技术对灰渣量较大的烟煤来说，比较实用。

3.2.2除尘设备

燃煤电厂烟气除尘装置对颗粒态汞有一定的脱除作用，但对气态的单质汞（Hg0）和氧化态汞（Hg2+）影响不大。目前燃煤电厂使用电除尘器（ESP）和布袋除尘器（FF）、电袋复合除尘器（FE）比较多，湿式电除尘器（WESP）也有部分电厂开始使用（主要用于去除PM2.5和脱硫石膏雨）。

（1）静电除尘器（ESP）。静电除尘器效率可达到99%以上，因此，在脱除烟尘的同时可脱除以灰渣形式存在的颗粒态汞（Hgp），但灰渣中颗粒态汞的比例一般小于5%，而且灰渣中的汞多存在于亚微米级颗粒中，一般的静电除尘器对该粒径的灰渣脱除效率很低，所以静电除尘器的脱汞能力有限，对燃煤电厂总汞脱除效率一般在20～40%之间。

（2）布袋除尘器（FF）。袋式除尘器作为高效的除尘器，它不受燃用煤种变化带来的影响，能收集比电阻高、静电除尘器难以收集的粉尘。尤其对于那些微细粉尘、重金属（如汞）采用袋式除尘器收集更具有优势。除尘效率可达99.9%以上。可以脱除灰渣中99.5%以上的颗粒汞，总汞脱除效率一般在30～50%之间。但布袋除尘器受高温烟气、点火用油、湿烟气等影响较大，燃煤电厂对滤袋材质有一定要求。

（3）电袋复合除尘器（FE）。电袋复合式除尘器是一种兼具静电除尘和袋式除尘技术优点的除尘技术，可去除烟气中的颗粒物和重金属（如汞）。电袋复合式除尘器的设计除尘效率可达99.9%以上，总汞的脱除率可达30～50%。

（4）湿式电除尘器（WESP）。湿式除尘器有控制复合污染物的强大功能，可有效收集细颗粒物PM2.5、酸雾（0.1～0.5μm）、气溶胶、重金属Hg等。它布置在湿法脱硫塔后，与干式除尘器、吸收塔协同工作，可使烟尘排放浓度控制在5mg/m3以内。烟气在经过湿式除尘器时，部分氧化态汞溶于液体中被脱除，总汞的脱除率可达40～60%。

3.2.3脱硫工艺

目前燃煤电厂使用较多的烟气脱硫工艺主要有烟气循环流化床烟气脱硫和石灰石-石膏湿法脱硫，其中石灰石-石膏湿法仍是当前大中型燃煤电厂的首选，应用广泛。

（1）烟气循环流化床脱硫。烟气循环流化床脱硫是通过消石灰粉在床内的内循环和高倍率的外循环，使得吸收剂与SO2间的传热传质交换强烈，固体物料在床内的停留时间长达30～60分钟，从而大大提高了吸收剂的利用率和脱除率。在干法脱硫系统中，颗粒态汞Hg（p）很容易被除去，单质汞（Hg0）和氧化态汞（Hg2+）能被吸附在灰渣、硫酸钙或亚硫酸钙颗粒表面。当烟气通过布袋除尘器时，颗粒汞能很容易被吸附和捕获。其主要特点有：

1）颗粒物在吸收塔内单程的平均停留时间长达40秒左右（考虑循环倍率，颗粒总的停留时间为60分钟左右），烟气在塔内的气固接触时间高达8秒以上，特别是吸收剂以及循环物料与烟气之间具有最长的接触行程。

2）当锅炉负荷降低时，进入烟气脱硫系统的烟气量和污染物量减少，所需的脱硫剂及物料循环量也相应减少，通过调整操作，使烟气脱硫系统适应锅炉负荷的变化。

3）为了促进消石灰和SO2的反应，通过向吸收塔内喷水来降低烟气的温度。抑制单质汞（Hg0）的形成，有利于脱硫设施吸附烟气中的汞。

（2）石灰石-石膏湿法脱硫（WFGD） 。石灰石—石膏湿式烟气脱硫工艺是目前世界上应用最广泛，技术最为成熟的烟气脱硫技术。石灰石小颗粒经磨细成粉状与水混合搅拌制成吸收浆液。在吸收塔内，吸收浆液与烟气接触混合，烟气中的SO2与浆液中的碳酸钙及鼓入的氧化空气进行化学反应被脱除，最终反应产物为石膏。烟气经脱硫系统后排烟温度在50℃左右，由于温度较低，对烟气中单质汞（Hg0）的氧化和氧化态汞（Hg2+）的吸收极为有利，是目前燃煤电厂烟气脱汞最有效的措施之一。尤其是烟气中氧化态汞（Hg2+）易溶于水，并与石灰石吸收剂发生反应，总汞脱除效率在7～57%之间，氧化态汞（Hg2+）脱除效率高达80～95%，但无法脱除烟气中的单质汞（Hg0）。由于烟气中的汞实际是以单质汞（Hg0）形态存在，我们可以利用燃煤电厂烟气脱硝反应器中的催化剂促使烟气中的单质汞（Hg0）转化为氧化态汞（Hg2+），就会大幅度提高湿法脱硫的脱汞效率。

3.2.4 烟气脱硝工艺

应用在燃煤电站锅炉上的成熟烟气脱硝技术主要有选择性催化还原技术（SCR）、选择性非催化还原技术（SNCR），以及SNCR/SCR混合烟气脱硝技术。烟气脱硝工艺实际对于烟气中的汞没有脱除，但是对烟气中汞的存在形态有很大影响，可以将单质汞（Hg0）氧化成氧化态汞（Hg2+），会大幅度提高湿法脱硫的脱汞效率。单质汞（Hg0）被烟气脱硝装置中的催化剂氧化的效率可达80%～90%。

4 影响汞形态转化及脱除效率的因素

4.1 影响汞形态转化因素

4.1.1 烟气温度

在燃煤电厂烟气中汞的热力稳定形态是以单质汞（Hg0）形态存在。一般发生氧化反应汞的界限温度在800～850K之间，而煤粉炉炉膛温度都在1000度以上，汞的化合物在这个温度下是不稳定的，都会发生分解而生成单质汞（Hg0）。

4.1.2 烟气组分

（1）Cl-浓度。煤和水中的Cl-浓度对汞的氧化起着关键性作用，而汞与HCl和Cl-之间的反应是促使烟气中汞转化的主要因素。同时，Cl-浓度对颗粒态汞（Hgp）的形成也有一定作用，对于碱金属含量高的煤，灰渣中CaO和Ca（OH）2能有效地吸收HgC12和HCl，HCl也能抑制HgC12被Ca（OH）2吸收。

（2）灰渣、脱硫石膏。燃煤电厂灰渣、脱硫石膏中汞形态主要是以单质汞（Hg0）吸附，以及单质汞（Hg0）氧化为主。灰渣、脱硫石膏吸附汞主要是通过物理和化学反应。在灰渣颗粒表面含硫物质会生成HgS。灰渣中的碳含量也会影响灰渣对汞的吸附，如在未完全燃烧情况下，碳含量增加，汞在灰渣中比例升高；反之，碳含量降低，汞挥发为蒸汽的比例增大。灰渣对汞的吸附与灰渣粒径大小有关，汞含量会随灰渣粒径减小而增大。

（3）其他成分。燃煤电厂烟气中SO2、NOx对汞的形态转化也有一定影响。烟气中SO2可通过化学反应减少C1-浓度，可降低C1-浓度对单质汞（Hg0）的氧化作用。烟气中SO2转化成SO3会与烟气中的水或在湿法脱硫中发生反应生成硫酸，烟气中的单质汞（Hg0） 在硫酸作用下被氧化，或在还原性气氛下， 氧化态汞（Hg2+）被还原成单质汞（Hg0）。烟气中NOx一般情况下不与单质汞（Hg0）发生直接反应。当灰渣中含有催化剂时，能将单质汞（Hg0）氧化成氧化态汞（Hg2+）。

4.2 影响汞脱除效率的因素

4.2.1 汞的存在形态影响

烟气中单质汞（Hg0）难溶于水，是相对比较稳定的形态，很难被现有燃煤电厂烟气脱硫、烟气脱硝、除尘设施收集。而HgCl2较容易溶解于水，利用湿法脱硫可有效脱除氧化态汞（Hg2+）。所以，现有燃煤电厂利用烟气脱硝催化剂来提高单质汞（Hg0）氧化成氧化态汞（Hg2+）的比例，再通过湿法脱硫即可有效控制烟气中汞排放量。

4.2.2 烟尘处理方式的影响

燃煤电厂所采用的除尘器只能脱除被灰渣吸附的颗粒态汞，一般不用于燃煤电厂的烟气脱汞。石灰石-石膏湿法脱硫和烟气循环流化床脱硫对汞均有一定的脱除作用，且石灰石-石膏湿法脱硫优于烟气循环流化床脱硫。

4.2.3 煤种差异的影响

不同地区燃煤中单质汞（Hg0）氧化成氧化态汞（Hg2+）的比例一般在20～95%。当原煤Cl-含量较高时，氧化态汞（Hg2+）的比例较高，有利于汞的脱除；当原煤中碱金属含量较高时，碱金属会降低Cl-的含量，从而降低汞的氧化，不利于汞的脱除。目前，新疆准东地区原煤即属于碱金属含量偏高地区，电厂燃煤只能采用参烧来消除不利因素。

5 结语

目前，燃煤电厂汞污染控制技术将向两个方向发展，一是利用现有或者改进现有大气污染控制技术和装置对烟气汞进行脱除；另一个就是利用新型汞污染控制技术对烟气汞污染进行专门治理。因此，在2015年1月1日新标准很快就要实施的情况下，对于低汞煤地区，首先利用燃煤电厂现有大气污染控制装置进行协同控制烟气汞污染不失为一种既经济又有效的技术手段，即：当煤粉炉配置低氮燃烧器 + SCR脱硝 + FF或FE除尘 + WFGD脱硫工艺时，烟气中平均脱汞效率可达70～90%，完全能满足新标准的要求。

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作者简介：戴伟民（1962—），男，新疆乌鲁木齐人，主要从事：环境影响评价、烟气脱硫、烟气脱硝、除尘、节能评估等方面技术研究和设计工作。

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