燃煤机组汞排放的评估及控制

华晓宇，滕敏华，沈佩华

（浙江省洁净煤技术研究开发中心，杭州 310052）

2011年7月，我国环境保护部门颁布了《火电厂大气污染物排放标准》，标准要求2012年后的新建电厂，燃煤机组排放烟气中的汞含量不得超过0.03mg／m3。本文将根据该标准对某发电集团燃煤机组的汞排放进行评估，并对汞排放控制的策略进行探索，包括对该发电集团燃煤机组的常用煤种中汞含量的检测，并在某台机组上对汞的形态转换和排放量进行测定。本文还将结合相关文献提供的汞排放数据建立该发电集团燃煤机组汞排放量估算模型，并对机组的汞排放形态和排放强度进行估算。

1 汞排放的估算方法

燃煤机组汞的年排放量与锅炉的年平均用煤量、煤中平均汞含量和汞排放影响系数有关，不同的煤种汞的含量和排放影响系数不同，因此为了估算燃煤机组汞的年排放量就必须了解煤种平均汞含量和排放影响系数。

1.1 估算模型

燃煤机组的汞排放包括气态汞和固态汞，其中气态汞通过烟气向大气排放，固态汞通过与锅炉底渣、除尘器飞灰、脱硫废水和石膏结合后排放。汞排放量与锅炉年平均用煤量、煤中平均汞含量以及汞排放影响系数有关，其中汞排放影响系数指燃煤机组气态汞排放量占汞排放总量的比例，与机组的烟气处理方式等有关。燃煤机组气态汞的年排放量估算模型为：

式中：Wg为燃煤机组气态汞的年排放量，g；Mi为锅炉单位容量的第i种煤年平均用煤量，t／MW；Ci为第i种煤中平均汞含量，mg／kg；TFi为第i种煤的汞排放影响系数。

燃煤中的汞按TFi比例以气态排放，固态汞排放影响因素即为（1－TFi），因此剩下的固态汞年排放量Ws估算模型为：

式中：Ws为燃煤机组固态汞的年排放量，g。

Mi的确定需要对机组的年耗煤量进行统计；Ci的确定需要对燃煤的汞含量进行测定，不同来源的燃煤有不同的汞含量，由于机组的燃煤来源是变化的，因此必须考虑一年内煤种的变化，准确反映机组燃煤的汞含量；TFi的确定应当根据燃煤机组的汞排放量进行测定，汞排放量与燃煤机组的系统组成有关，燃用同样的煤种，由于燃煤机组的系统组成不同，汞排放量也会不同，因此汞排放影响系数也会不同。

1.2 煤种平均汞含量

集团下机组所用的燃煤以我国北方产的优混、蒙混、大混等烟煤为主，以及少量（5%左右）澳洲和印尼进口煤；这些煤的汞含量测定结果见表1。

表1 集团燃用的几种煤汞含量 mg／kg

1.3 烟气汞排放影响系数

根据煤种特性、燃烧方式和现有电除尘、脱硫、脱硝等烟气处理装置，集团下的燃煤机组系统组成可以按表2分类。

表2 集团燃煤机组的系统组成部分和分类方式

目前，该发电集团的燃煤机组以300MW及以上的容量为主，年耗煤量约4 200万t，大部分锅炉采用四角切圆燃烧，部分采用前后墙对冲燃烧；锅炉的烟气颗粒物控制全部采用静电除尘装置（ESP）；SO2控制基本采用湿法脱硫（WFGD），只有1台125MW的机组采用了半干法石灰石喷射法（SD）脱硫；氮氧化物的排放采用低NOx燃烧器控制，部分机组同时采用选择性催化还原（SCR）技术。发电集团下的燃煤机组可以分成五类，见表3。

表3 典型电厂燃煤机组基本组成及TFi的确定

排放影响因素的确定十分困难，要得到各类组成的机组准确可靠的烟气汞排放影响系数，必须有大量测定结果作为依据，但是目前集团还没有设立燃煤汞的排放监测，因此缺乏可以参考的数据。本文只能对某电厂的汞排放进行实测，结合清华大学和浙江大学的部分测试整理结果［1］，然后对相应数据取平均值，利用平均值确定部分典型燃煤机组的汞排放影响系数。

根据文献资料，低NOx燃烧器的安装和锅炉炉型对机组的汞排放几乎没有影响，TFi的估算可以忽略它的影响。同时由于炉内温度较高，绝大多数汞都转化为零价汞随烟气排出，因此炉内喷钙脱硫对TFi的估算影响也可以忽略。

根据3号机组的汞排放实测数据，安装有ESP、WFGD和SCR脱硝装置的锅炉（表3第1组），TFi的估算值仅为0.096；根据其他文献资料［2］，对于安装有ESP和 WFGD设备的锅炉（表3第2组第4组和第5组，TFi的估算值0.310；对于表3第3组的烟气汞排放影响系数与只安装有ESP的机组相同，TFi的估算值TFi在0.870左右。

2 集团燃煤机组的汞排放量

2011年，集团下20台机组的气态汞、固态汞和总汞的年排放量见表4，表中TFi的取值与锅炉烟气处理装置有关，参见表3。从估算结果来看，2011年该集团电厂燃煤锅炉总汞排放量约为8.680t，其中气态汞总排放量约为2.47t，占总汞排放量的28.4%。

表4 2011年各机组的燃煤组成及汞排放情况

3 汞排放减排策略

燃煤机组汞控制的方法很多，包括燃烧前、燃烧中和燃烧后控制技术。考虑到经济性、安全性和稳定性，结合集团下燃煤机组的烟气处理装置和实际的汞排放情况，利用已有的污染控制设备脱汞是最可行的方法。例如机组的汞排放量与烟气净化装置有关，已有的选择性催化还原脱硝装置、电除尘器、湿法脱硫系统都可以脱除烟气中的部分汞。

该集团的机组全部都装有ESP，而ESP对脱除颗粒汞具有极高的效率，一般大于99%。近期因为国家环保对燃煤电厂粉尘排放的要求，集团将把部分燃煤机组改造为高效控制电除尘、电袋、或湿式除尘器，此举将进一步提高除尘设备对颗粒汞的吸附，通过除尘器可以基本除去烟气中的颗粒汞，达到较高的烟气汞脱除率。

3.1 零价汞的脱除

零价汞的脱除，直接从烟气中捕捉是目前较为可行的方法，将烟气中的零价汞氧化，然后依靠FGD脱除氧化态汞的方法也比较有效。

1）直接从烟气中捕捉方法 采用烟气汞吸收剂喷射技术，可以直接从烟气中捕捉零价汞，汞脱除效率高，但运营成本较高，经济性有待于解决。

2）把零价汞氧化方法 安装了SCR的机组，烟气流经SCR催化剂时，烟气里大多数的单质汞将被氧化并被烟气中的飞灰所吸附，并且经过电除尘器后烟气中绝大部分的颗粒汞会随飞灰被脱除。氧化态汞容易溶于水，当烟气经过湿法脱硫系统时，烟气中的大部分氧化态汞会被湿法脱硫系统脱除而残留在脱硫产物中。SCR技术的前期投资虽然较大，但为了脱硝该集团计划在所有机组中都安装SCR，因此利用SCR脱汞也更可行。

烟气汞排放实测数据表明，安装了SCR、ESP和FGD的机组，汞的总排放可以降低90.4%，如果集团下属全部燃煤机组装备都安装SCR，气态汞排放可降至0.827t，比目前减少80%。不过由于煤种、燃烧方式以及SCR催化剂成分等不同，飞灰对烟气汞的高吸附率可能和SCR催化剂成分和烟气成分有关，烟气净化装置的脱汞能力也不尽相同，实际效果还需进一步确认。

3.2 二价汞的脱除

对于二价汞的脱除，普遍认为最有效的方式是利用二价汞的可溶性通过湿法脱硫装置对烟气中的二价汞进行脱除。但根据实验结果以及文献参考资料，虽然WFGD可以脱除烟气中大部分二价汞，但有一部分二价汞可能会还原成零价汞，使尾气中零价汞浓度升高。因此汞在脱硫浆液中的稳定性还有待于进一步研究。

3.3 脱汞技术的进步

随着国家环保政策的日趋严格，完全依靠现有污染物脱除装置，可能达不到今后国家排放标准，因此必须关注更有效的脱汞的方法。炉前溴化添加剂脱汞技术和燃烧后的喷射溴化粉状活性炭吸附剂等方法是一种很有发展潜力的脱汞技术。燃煤电厂炉前溴化添加剂脱汞技术可以在电厂输煤皮带上或给煤机里加入溴化盐溶液，也可以直接将溶液喷入锅炉炉膛，其机理与SCR催化剂的作用一样也是把零价汞氧化后再除去，但是投资和运行成本较低，总汞脱除率控制在80%以上，适用于国家对脱汞要求不严的时期。燃烧后的活性碳喷射技术目前被认为是最可靠的汞控制技术，总汞脱除效率在94%左右，可适用于世界上最严格的汞排放要求，但投资和运行成本较高。

4 结语

根据发电燃煤机组的汞排放量估算结果，2011年该发电集团下的燃煤机组气态汞排放量约为2.467t，固态汞排放量约为6.254t，总汞排放量约为8.680t，气态汞排放浓度在0.001～0.030mg／m3之间，满足国家目前环保要求。集团下的15号机组采用干法脱硫，属汞排放浓度最高0.030mg／m3，远高于采用湿法脱硫的机组。

燃煤机组装置WFGD和SCR后对汞的脱除贡献率较大，如果该发电集团下属燃煤机组全部装备WFGD和SCR，该发电集团的年气态汞排放可降至0.833t，比目前减少66.2%，是目前最佳的汞控制策略。当然，随着国家环保政策的日趋严格，完全依靠现有污染物脱除装置不一定能达到今后的排放标准，因此要关注燃烧前的炉前溴化添加剂脱汞技术和燃烧后的喷射溴化粉状活性炭吸附剂等脱汞技术的发展。

［1］刘飞，乔少华，晏乃强，等.燃煤烟气中零价汞控制技术研究进展［J］.环境科学与技术.2012（06）：58－63.

［2］王书肖，郝吉明.中国燃煤电厂大气汞排放及控制潜力［R］.北京：国家环保部，2011.