火力发电厂烟气脱汞技术的研究与分析

2014-04-29 15:24:13于海霞
中国机械 2014年22期
关键词:火力发电厂燃煤

于海霞

摘要:煤炭在我国能源的生产和消费结构中长期处于主导地位,而火力发电厂燃煤占煤炭消耗量的40%以上,是最主要的烟气排放源。在燃煤过程中,多种有害或潜在有害的微量元素以不同形式排放到大气中,其中汞不易被除尘器捕获、在大气中停留时间长、对环境和人体会造成极大的危害,因此有效控制燃煤汞排放是我国环境汞污染控制的重中之重。

关键词:火力发电厂;燃煤;汞排放;烟气脱汞

从1999年开始,我国火力发电厂向大气释放的汞以9%的年均速率在增长,而向电站固体废物中释放的汞也已8%的速率在增长。按现有的脱汞技术和设备,到2020年,我国燃煤烟气汞的年排放量将达到620t,如果不采取措施,按我国国民经济和社会发展对煤炭资源需求的增长,我国燃煤工业排入大气的汞势必会继续增长,因此本文将就火力发电厂烟气脱汞技术的问题展开研究。

1.我国燃煤汞排放的现状

受资源结构和技术水平等因素的影响,长期以来我国都是煤炭生产和消耗大国,煤炭的年消耗量约占能源总消费的72.5%。调查显示,2050年我国煤炭占一次性能源消耗的比例仍将超过50%,从我国能源资源的状况来看,以煤炭为主体的能源结构在今后相当长一段时间内仍然不会改变。

一般而言,煤中汞的浓度比较低,我国煤炭中汞的平均含量约为0.22mg/kg。虽然我国燃煤中汞元素的量很少,但由于数量众多的燃煤消耗,仍然会向大气中释放数量巨大的汞。Wu et al估算出我国在1978-1995年间,燃煤排放的大气汞约为2400t,以每年4.8%的增长速率增长。考虑到我国对电力需求的高速增长在未来一段时期内还将继续,因此预计到2015年前后,电力行业将超过工业排放成为我国最大的燃煤汞排放源。

2.火力发电厂烟气脱汞技术的分析

2.1 活性炭

作为一种常见吸附剂,活性炭不仅能去除烟气中的汞,还可以吸附SO2、NO和HCl等。活性炭对汞的吸附是一个多元化的过程,它包括吸附、凝结、扩散及化学反应等过程,与吸附剂本身的物理性质、温度、烟气气体成分、停留时间、烟气中汞浓度、C/Hg比例等因素有关。

粉末活性炭是目前火力发电厂烟气脱汞中使用最多的吸附剂,一般而言,随着烟气中Hg2+的增加,粉末活性炭对汞的捕集效率也会提高。但值得注意的是,对以下三类电厂的燃煤及污染控制设备的使用情况,粉末活性炭的成效却并不明显:第一类是火力发电厂燃烧低品位的煤,采用静电除尘器,煤中的氯含量较低;第二类是火力发电厂燃烧低品位的煤,采用喷雾干燥脱硫和布袋除尘系统;第三类是火力发电厂燃烧高硫煤,烟气中含有的大量的三氧化硫能富集在粉末活性炭表面上,影响汞的吸附。

2.2 钙基和飞灰

钙基类物质在火力发电厂十分常见,容易获取且价格低廉,因此成为实现同时脱硫脱汞的研究热点。现阶段对钙基类吸附剂的研究主要集中在两个方面:一方面是对钙基类材料的比表面性质进行改良,增加其比表面积;另一方面是以钙基类材料为载体,在其表面负载具有一定氧化性能的物质,以增强其对汞的脱除。

燃煤炉燃烧产生的飞灰粒径极细,具有一定的经济价值,是一种潜在的汞吸附剂。飞灰对火力发电厂烟气汞去除的效果差别很大,主要取决于飞灰中磁铁矿的含量以及飞灰中类晶石结构的氧化铁含量。飞灰吸附汞的过程是一个多元化的过程,包括吸附、凝结、扩撒以及化学反应等过程,其对汞的脱除效率与烟气温度、烟气成分、飞灰成分、飞灰汞比等因素有关,另外飞灰中的多种金属氧化物对Hg0有不同程度的催化氧化作用。

2.3 金属及氧化物

很多金属和金属氧化物都能够作为元素汞氧化的催化剂,火力发电厂使用金属及金属氧化物催化剂时,需要将金属及氧化物组分负载在载体上(如蜂窝陶瓷)。例如有学者以TiO2为载体,比较了V2O5、NiO、CuO、MoO3、Fe2O3和WO3的汞氧化性能,结果发现V2O5/TiO2和CuO/TiO2在10%的负载下表现最优的汞氧化性能。

贵金属(如金、铂、铱、银和铜)也具有较好的脱汞效果,虽然贵金属的价格较高,但是由于只需要少量的负载就可以达到较好的脱汞效果(将1%的贵金属负载在99%的氧化铝上就能在140℃使元素汞的氧化效率达到75%),并且贵金属具有较高的元素汞转换效率并能够再生使用,因此我国已经尝试将其应用在火力发电厂烟气中元素汞的氧化脱除上。

2.4 SCR催化剂

事实上,火力发电厂最优化的脱汞方式之一是将烟气中的元素汞在现有的SCR装置上,和控制氮氧化物一起,实现联合脱除的模式,这一方面可以减少场地及装置的再建和运行费用,另外也可减少含汞飞灰等电厂副产品的二次污染,实现集中控制。

SCR催化剂催化氧化元素汞的机制目前尚未完全清楚,一些学者提出了几种可能性,大多数研究都发现了元素汞可以吸附在SCR催化剂的表面。一般认为SCR催化剂还原氮氧化物以及氧化元素汞分别为两个区域进行,第一个是入口附近,这里的NH3比较多,SCR表面的活性位主要被氨占据,这个区域发生NO的还原反应;在SCR催化剂的后半程,大部分NH3被消耗,此时占据催化剂表面的主要是HCl或者Cl2,在这个区域实现元素汞的氧化反应。

目前商用SCR催化剂的主要成分是以TiO2为载体的V2O5/WO3,针对此类SCR催化剂催化氧化烟气中元素汞的研究不仅仅局限在实验室规模上,已经进行过中试尺度规模的运行测试,这些研究还考察了主要的脱汞影响因素,如烟气中主要气体组分(HCl的浓度、NO的浓度和NO/NH3比值等)、烟气温度和燃煤类型等的影响。

3.小结

目前我国火力发电厂还没有一项成熟、可应用的脱汞技术,大部分脱汞技术还处于实验室研究阶段。日后针对火力发电厂烟气脱汞的研究重点将集中在如何有效利用现有污染控制设备以提高汞的脱除效率,走复合式污染控制的道路。因此,利用烟气脱硝的控制设备来实现协同脱汞有明显的优势,其应用前景非常广阔。

参考文献:

[1]何胜.燃煤烟气汞催化氧化的试验和机理研究[D].浙江大学,2009.

[2]胡长兴.燃煤电站汞排放及活性炭稳定吸附机理研究[D].浙江大学,2007.

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如果以上分析能为这方面提供一点见解的话,我希望在不久的将来,能为解决此问题及延长衬板的使用寿命做出自己的贡献。

参考文献 :

[1]廖汉元等编著.《颚式破碎机》[M]. 北京:机械工业出版社.1998

[2]刘省秋,母福生.《复摆颚式破碎机机构分析》[J].湖南有色金属.1995

[3]刘鸿文主编.《材料力学》.高等教育出版社.2004.

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