200MW燃煤电厂汞分布特征

刘更生 胡佳佳

摘 要：燃煤电厂汞排放是大气汞污染的来源，针对某200MW燃煤电厂煤粉锅炉，本文开展了汞测试及分析，研究结果表明该厂烟气中51.06%的汞在脱硫过程中被脱除并富集于脱硫石膏中，最后烟气中45.05%的汞经过烟囱排放到大气环境中，排放烟气中汞浓度为6μg/m3。

关键词： 燃煤电厂 汞监测 汞分布

中图分类号：X83 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）02（c）-0000-00

1引言

我国已成为世界最大的煤炭消费国，2012年煤炭占我国一次能源消费总量的68.5%。煤中汞的平均含量在0.15-0.22μg/g，利用储量权值方法计算得到中国煤碳中汞的平均值为0.188μg/g。煤炭燃烧对我国大气汞排放贡献最大，根据田贺忠等的研究，2007年我国大气中由于燃煤排放的汞为306吨。燃煤电厂是最大的煤炭消耗行业，目前消费了50%左右的煤炭。根据2014年国家发改委、环保部以及国家能源局下发了关于《煤电节能减排升级与改造行动计划（2014-2020年）》，到2020年在力争使煤炭占一次能源消费比重下降到62%以内的前提下，电煤占煤炭消费比重要提高到60%以上。如果燃煤电厂不采取技术措施，汞排放及其污染将是相当严重的问题。汞随着烟气排放到大气中是燃煤电厂汞的主要排放方式。2011年中国颁布的《火电厂大气污染物排放标准》（GB 13223-2011）中也汞排放提出了明确的限制要求，其中燃煤锅炉汞及其化合物的排放限值为0.03mg/m3。

对汞的总排放的估算基于我国煤中汞含量。煤炭在燃煤电厂利用过程中，电厂的烟气污染物控制设施对控制汞排放具有一定的作用，例如，催化脱硝技术能够促进气相元素汞（Hg0）向二价汞（Hg2+）的转化，静电除尘器能够捕获部分颗粒汞，湿法脱硫能够吸收可溶的二价汞。具体到实际的电厂，不同电厂由于采用的燃烧污染物控制技术不同，汞在电厂中的分布和排放具有很大的区别。因此针对具体的电厂开展汞污染监测具有现实意义。

2取样及测试方法

本文针对某200MW燃煤电厂开展了汞监测，该机组锅炉为煤粉炉，污染物脱除装置包括静电除尘器（ESP）及石灰石-石膏湿法烟气脱硫塔（WFGD）。该机组气体采样利用美国EPA Method 30B方法通过Apex Instruments采样仪采样，固体、液体通过手动采样取得。所得样品在实验室通过Lumex915汞分析仪分析。在燃煤电厂锅炉稳定负荷运行条件下，对现场进行固体样品采集，固态样品采样包括煤粉、底渣、除尘器飞灰以及石灰石和脱硫产物石膏，取样点布置如图1所示。

EPA Method 30B用以测量烟气中的气态总汞浓度。在采样管里装入由能吸附气态汞的固体吸附剂组装而成的吸附管，将吸附管安装在采样枪的前端，直接放入烟道里面采集气体样。用适当的采样流速从烟气或者管道中采集已知体积的烟气，烟气通过装在烟道里面成对的一组吸附管。汞被吸附到吸附管内的吸附剂上。取样完成后，通过汞分析仪检测吸附管中吸附剂上汞含量，通过折算，获得烟气中汞浓度。

Lumex 915汞分析仪测量汞含量的范围宽，分析样品（包括背景干扰严重的复杂样品）不需要进行预先化学处理。在Lumex汞分析仪内，样品在800℃下加热，汞化合物被原子化。汞原子蒸气随着载气进入吸收池，经汞分析仪检测器分析检测以后，由数据采集装置进行数据采集。该仪器检测限为0.5μg/kg，测量样品质量小于0.2g。

3 结果及讨论

3.1 燃煤电厂汞分布

煤进入锅炉进行燃烧过程中，在炉膛内燃烧温度（约850～1500°C）下，煤中几乎所有的汞释放并以Hg0的形态随着烟气进入烟道。随着烟气从炉膛排入烟囱至大气的过程中，温度不断降低，一部分Hg0与烟气中的不同物质会发生反应而转化为其他形态的汞存在于燃煤飞灰、脱硫产物石膏和经烟囱排入大气中三部分。表1给出了该电厂不同样品中的汞含量，由表1可以看出，燃煤锅炉底渣中的所含的汞含量非常低，仅为4.4μg/kg，说明煤粉在进入炉膛进行燃烧过程中煤中所含有的大部分汞通过燃烧转化为气相并随烟气进入烟道。燃煤烟气在烟道内流经ESP和WFGD至烟囱排空的整个过程中，烟气温度逐渐降低，烟气中一部分Hg0与烟气中的一些其它成分（如HCl、NO、SO2等）发生反应，形成汞的化合物（HgCl2、HgS等），附着在灰颗粒上的汞化合物形成颗粒汞。在经过ESP时，烟气中被飞灰吸附存在于飞灰表面的颗粒汞将随飞灰一起被静电除尘器脱除，测得的飞灰中汞含量为44μg/kg。随后烟气在流经WFGD时，烟气中的汞在脱硫石膏中得到有效富集，石膏中汞含量为1110μg/kg。烟气中汞浓度为6μg/m3，低于《火电厂大气污染物排放标准》（GB 13223-2011）排放限值。

3.2 燃煤电厂汞质量平衡

考虑燃煤电厂的汞平衡，输入量应该等于输出量，整个燃煤电厂系统中汞输入量包括进入锅炉的煤粉中所含有的汞和石灰石-石膏法脱硫中脱硫剂石灰石所含有的汞，汞输出量主要包括四部分：锅炉底渣、ESP飞灰、脱硫产物石膏和烟气中的汞。煤中工业分析、元素分析见表2、表3，根据这些数据确定烟气量及脱硫石膏消耗量，在此基础上开展平衡计算。

图2是燃煤电厂汞质量平衡，由于底渣中汞的含量非常低，基本上煤中所有的汞都随着煤粉在锅炉中的燃烧而进入烟气中，图2显示了烟气中的汞在通过静电除尘和湿法脱硫两个烟气处理装置时的脱除率，以及烟气中最终有多少汞经烟囱排放到大气环境中。由图可以发现，烟气在经过静电除尘设备时，烟气中的汞有3.88%被燃煤飞灰吸附，存在在于飞灰中，这部分汞主要是颗粒态的汞。烟气在经过湿法脱硫装置时，烟气中51.06%的汞在脱硫过程中被脱除，烟气中的汞在脱硫产物石膏中实现了有效的富集。最后烟气中45.05%的汞经过烟囱排放到大气环境中。因此，此燃煤电厂煤燃烧过程中所产生的汞主要由烟气的汞、脱硫产物石膏中的汞和飞灰中所存在的汞三部分组成。

4结论

针对某200MW燃煤电厂煤粉锅炉，本文开展了汞测试及分析，研究结果表明该厂烟气中51.06%的汞在脱硫过程中被脱除并富集于脱硫石膏中，最后烟气中45.05%的汞经过烟囱排放到大气环境中，排放烟气中汞浓度为6μg/m3。

参考文献

[1] BP世界能源统计2012， www.bp.com/statisticalreview

[2] 任德贻，煤的微量元素地球化学[M]。科学出版社，2006.

[3] H. Z. Tian， L. Lu， J. M. Hao， J. J. Gao， K. Cheng， K. Y. Liu， P. P. Qiu， and C. Y. Zhu， A Review of Key Hazardous Trace Elements in Chinese Coals： Abundance， Occurrence， Behavior during Coal Combustion and Their Environmental Impacts， Energy Fuels， 2013， 27 （2）， pp 601–614

[4] 火电厂大气污染物排放标准.中国环境科学出版社，2011

[5] McLarnon C R， Jones M D. Pilot testing and scale-up of a multipollutant control technology at first energy[C]//Power Gen International Conference， Power Gen International Conference， 2000.