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)過燃煤電廠的鍋爐機組后，開始在爐內(nèi)高溫下，幾乎所有的汞會轉(zhuǎn)變?yōu)榱銉r汞進入高溫的煙氣，經(jīng)過各污染控制設備和其他設施的過程中，由于溫度、煙氣成分及飛灰等的影響，汞會發(fā)生復雜的物理化學變化而轉(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。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，煙氣中的二價汞含量與零價汞含量相當，褐煤燃燒后煙氣中以零價汞為主。

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

3.鍋爐的燃燒方式不同，會影響煤的燃燒情況，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)生的煙氣中的二價汞的比例較大，這與循環(huán)流化床的低燃燒溫度有關。從燃煤電廠的測試結果發(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，這可能是因為循環(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，吸附了更多的零價汞。

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

三、燃煤電廠煙氣中汞污染控制技術

1.燃燒前脫汞

該方法主要措施是洗煤技術，就是通過一定的物理清洗技術將密度比煤大的含汞化合物分離出來。洗煤技術是在汞的源頭上進行汞控制的方法，研究表明，洗煤過程至少能夠脫除51%的汞，目前發(fā)達國家的原煤入洗率為40%～100%，遠高于中國。浮選法也是一種燃燒前脫汞技術，浮選法是將有機浮選及加入粉煤漿液，使得無機的Hg作為浮選廢渣而脫除的。

2.燃燒中脫汞

煤燃燒后二價汞的排放濃度與鹵素含量有關，因此可以在煤燃燒過程中添加含鹵化合物來提高煙氣中的二價汞比例，由于二價汞易于去除，因此該法是以中國間接的汞污染控制方法。有人對使用低氯褐煤的煙氣汞含量進行中試測試結果表明，向燃煤中添加0.5 mg/g的氯化鈣時，排放的煙氣中二價汞比例上升50%，零價汞的濃度明顯下降。但煙氣中鹵化物濃度增大后鍋爐設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雜性，汞在煙氣中會以顆粒態(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，美國國家能源部等組織對美國各燃煤電站煙氣汞的測試結果表明，不同電站對顆粒態(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行脫汞，針對零價汞的難于去除特性，還提出了零價汞的催化氧化法等。

(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。

活性炭吸附劑是當前研究的重點之一，活性炭吸附煙氣中的汞在垃圾焚燒爐中應用效果很好，國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奈侥芰κ軣煔獬煞?、煙氣溫度和接觸時間等影響。普通活性炭吸附容量不大，且接觸時間較短，因此對零價汞的吸附作用較差。為提高吸附效率，開始研究改性活性炭進行煙氣脫汞，即在活性炭表面注入硫、氯或碘，增加活性炭的吸附性。目前國外已經(jīng)開發(fā)了載溴活性炭吸附劑并進行了現(xiàn)場測試，結果達到了實際應用水平。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)濟上的限制。

與活性炭相比，飛灰易于獲得，同時價格低廉，受到人們廣泛關注。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，有研究者提出，飛灰中的金屬氧化物促進零價汞的催化氧化。

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)對煙氣汞的脫除研究，美國EPA對此做了相關研究，結果表明，鈣基類吸附劑能夠有效地吸附煙氣中的二價汞，對零價汞的吸附效率較低。同時，有研究者進行鈣基吸附劑的模擬實驗，結果表明，煙氣中的SO2對汞的去除有促進作用。

(2)液相氧化吸收法

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

(3)零價汞的催化氧化

研究表明SCR的存在可以提高煙氣中的二價汞的含量，這是因為在HCl存在時，SCR催化劑能夠催化氧化零價汞，使得零價汞轉(zhuǎn)化成為二價汞。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進行汞的催化氧化研究。例如，研究者發(fā)現(xiàn)MnO2對汞的催化氧化具有顯著作用，因此，開發(fā)金屬氧化物催化劑實現(xiàn)零價汞的催化氧化是未來煙氣脫汞技術的一個發(fā)展方向。

四、結語

燃煤電廠煙氣中排放的汞是大氣汞污染的主要來源，以顆粒態(tài)汞、氧化態(tài)汞以及元素態(tài)汞三種形式存在，對環(huán)境造成嚴重危害。目前已經(jīng)開發(fā)了一些煙氣脫汞技術，效果最好的是活性炭吸附脫汞技術。但目前活性炭吸附技術由于活性炭價格昂貴，性價比低，在工程上難以推廣。隨著中國實施火電廠大氣污染物排放標準(GB13223-2011)，研究開發(fā)脫汞效率高、價格低廉的煙氣脫汞技術將是近年的熱點，特別是利用現(xiàn)有煙氣脫硝裝置開發(fā)同時脫硝脫汞催化劑，將零價汞催化氧化，結合燃煤電廠的WFGD吸收脫除，將具有重要的實用價值。