燃煤电站污染物控制设备对烟气汞的协同脱除研究

陶 君

（大唐环境产业集团股份有限公司，北京 100097）

燃煤电站污染物控制设备对烟气汞的协同脱除研究

陶 君

（大唐环境产业集团股份有限公司，北京 100097）

汞是我国燃煤电站继粉尘、SOx、NOx之后的第四大污染物，会对生态环境和人体健康造成严重危害。在超低排放改造的大背景下，燃煤电站都配有高效的脱硝、除尘和脱硫装置，这些装置对烟气中的汞都具有一定的脱除效果。基于上述原因，本文详细分析了燃煤电站现有污染物控制设备对烟气汞的协同脱除效果。

燃煤电站；烟气汞；协同脱除

在超低排放改造的大背景下，燃煤电站都配有高效的脱硝、除尘和脱硫装置，这些装置对烟气中的汞都具有一定的协同脱除效果。为了使人更好地认识这些污染物控制设备对烟气汞的协同脱除效果，本文分别阐述了脱硝、除尘、脱硫装置对烟气汞的协同脱除效果。

1 脱硝装置对烟气中汞的协同脱除效果

目前，燃煤电站应用较多的脱硝技术是选择性催化还原（SCR）技术，其中对烟气中的汞具有协同脱除效果的主要是SCR催化剂。目前常用的SCR催化剂主要为钒钛体系催化剂，该催化剂表面的V=O会以活性中心位的形式参与汞的氧化反应，将Hg0氧化为Hg2+[1]。这一氧化过程受多种因素影响，如烟气成分、催化剂制备温度、反应温度等，表1给出了一些因素对SCR催化剂催化氧化Hg0的影响[2]。需要说明的是，虽然烟气中SO2对催化剂脱汞有抑制作用，但是SO3能促进脱汞。

表1 影响SCR催化剂催化氧化Hg0的因素及作用机理

通常认为，SCR催化剂会分别在两个区域进行NOx的还原和Hg0的氧化。其中，NOx的还原是在SCR入口附近进行的，因为这里的NH3浓度较高。NH3会大量占据SCR催化剂表面的活性位，从而发生NOx的还原反应；而Hg0的氧化是在SCR的后半部分进行的，因为大部分NH3已被消耗，此时占据SCR催化剂表面的主要是HCl或Cl2，从而发生Hg0的氧化反应。但是，关于Hg0的具体氧化机制，人们尚未完全探究清楚。Naik等人认为Hg0在SCR催化剂上的氧化首先是HCl吸附在V2O5表面，然后与气相中的Hg0或者物理吸附在V2O5表面的Hg0反应[3]。而Sheng H等人则认为吸附在V2O5/TiO2表面的HCl会先产生活性Cl，生成的活性Cl会再与邻近的吸附态的Hg0反应完成汞的形态转化[4]。此外，通过相关试验，人们在SCR催化剂上检测到了Cl2，说明Hg0的氧化也有可能是Deacon反应（4HCl+O2→2H2O+Cl2）在起作用。虽然SCR催化剂对Hg0的具体氧化机制尚未完全清楚，但大量研究表明HCl和Hg0均可在催化剂表面吸附，因此Langmuir-Hinshelwood机制解释Hg0氧化显得更为合理，即吸附于催化剂表面的Hg0和氧化剂物种之间发生反应，促使Hg0被氧化为Hg2+[5]。

综上所述，脱硝装置对烟气中汞的协同脱除主要是通过SCR催化剂将烟气中的Hg0氧化为易溶于水的Hg2+，从而有利于在下游湿法烟气脱硫系统（WFGD）中被洗涤脱除。所以，当烟气经过SCR后，烟气中HgT的浓度并不会发生明显改变。

2 除尘装置对烟气中汞的协同脱除效果

除尘装置对烟气中汞的协同脱除主要体现在对HgP的协同脱除上，而烟气中HgP的含量则取决于煤中汞含量、煤的性质、锅炉燃烧方式及污染物控制设施的配置等因素。例如，除尘装置前端是否装有SCR对汞的脱除具有一定的影响，因为SCR催化剂可将烟气中的Hg0转化成Hg2+，而Hg2+易于吸附在飞灰颗粒物表面，可在除尘装置内被协同脱除，所以安装SCR机组的除尘装置的脱汞效果明显优于未安装SCR的机组[6]。

对于常规的静电除尘器（ESP），除了可以脱除烟气中的HgP以外，还可以氧化部分Hg0，因为ESP电晕辉光放电产生的臭氧是一种强氧化剂，可以促使汞由Hg0向Hg2+转化，而且电晕辉光放电产生的紫外线和高能电子流也可以促使汞由Hg0向Hg2+转化。由于烟气汞中HgP的比例不高，所以常规ESP对烟气总汞的脱除效率普遍偏低。对于常规ESP，如果在其前端加装低温省煤器，则可以提高ESP对烟气汞的协同脱除效率。因为烟气经过低温省煤器后，温度只有90℃左右，低于酸露点，结露的SO3会形成酸雾，可与Hg2+结合，甚至氧化Hg0，形成HgSO4溶液，进而该溶液被大量飞灰包裹进入ESP，并随着飞灰被ESP捕获而被脱除。

除了ESP，布袋除尘器（FF）也广泛应用于燃煤电站。与常规的ESP相比，FF的脱汞效率要更高一些。

在超低排放标准发布后，有些燃煤电站会选择在脱硫系统和烟囱之间加装湿式电除尘器（WESP）。WESP的加装除了可以进一步脱除粉尘和气溶胶等污染物以外，还可以协同脱除烟气中的汞。与常规ESP和FF不同的是，WESP对Hg0、Hg2+和HgP都具有一定的脱除效果，对三种形态汞的平均脱除率分别为32%～40%、72%～82%、33%～100%[7]。WESP之所以能脱除烟气中的Hg2+，是因为在WESP的集尘板上存在一层水膜，Hg2+又易溶于水。

综上所述，常规ESP和FF都主要是协同脱除烟气中的HgP，但FF的协同脱汞效率要更高一些。而WESP则对三种形态的汞都具有协同脱除作用，由于WESP通常布置在烟囱之前，所以其可以进一步降低最终排放到大气中的汞含量。

3 脱硫装置对烟气中汞的协同脱除效果

目前燃煤电站的脱硫装置主要为WFGD，WFGD对烟气汞的脱除主要体现为对Hg2+的协同脱除，因为Hg2+易溶于水，所以在WESP中，绝大部分的Hg2+会被脱除掉。但WESP对烟气中Hg0的脱除率几乎为零，因为Hg0易挥发且难溶于水。所以，WESP对烟气总汞的脱除效率取决于烟气汞中Hg2+的比例。因此，如果燃煤电站装有SCR的话，WFGD对汞的协同脱除效率也会有所提高。此外，随着液气比、pH的增加，WFGD脱汞效率会逐渐增大[8]。

有研究指出，当烟气经过WFGD后，烟气中会有部分Hg2+被还原为Hg0，而且Hg0很难被WFGD除去。Hg2+被还原为Hg0的原因可能是烟气经过WFGD后，其温度仍高于100℃，致使喷入WFGD的浆液液滴蒸发，从而在脱硫剂的表面形成一层水膜。

随后，烟气中的Hg2+和Hg0会在水膜上发生反应生成再和浆液液滴上的OH–发生反应生成Hg0和HgO，HgO又会和烟气中的SO2发生反应生成Hg0和SO3。Hg2+被还原为Hg0的另一个原因可能是脱硫剂液滴会与烟气中的SO2反应生成亚硫酸盐或硫酸盐，生成的亚硫酸盐或硫酸盐又会与烟气中的Hg2+反应生成Hg2SO4或HgSO4，而Hg2SO4或HgSO4在高温烟气下则会发生分解，从而生成Hg0[9]。因此，要防止脱硫废水中汞的二次释放。

综上诉述，WFGD对烟气中汞的协同脱除效率会随烟气中Hg2+比例的增大而得到提高。虽然WFGD可以有效脱除烟气中的Hg2+，但脱除掉的Hg2+存在二次释放的风险。所以如何防治Hg2+的二次释放应是将来研究的重点。

4 结语

对于燃煤电站烟气中汞的脱除，利用现有污染物控制设备进行协同脱除是最为简单、经济的技术方法，而如何提高烟气中Hg2+的比例是该方法的关键。因此，人们需要深入研究SCR脱硝过程中汞的催化氧化机理，进一步提高SCR催化剂的催化活性、稳定性及协同脱硝脱汞性能。此外，人们还要研究如何提高脱硫废水中Hg2+的稳定性，防治汞的二次释放。

1 王起超，沈文国，麻壮伟.中国燃煤汞排放量估算[J].中国环境科学，1999，19（4）：318-321.

2 夏文青，黄亚继，李 睦.燃煤脱汞技术研究进展[J].能源研究与利用，2015，（6）：24-29.

3 Naik，V Chitralkumar，Niksa，etal.Predicting Hg emissions rates from utility gas cleaning systems[J].Fuel，2010，89（4）：859-867.

4 Sheng H，Zhou J，Zhu Y，etal.Mercury oxidation over a vanadia-based selective catalytic reduction catalyst[J].Energy amp; Fuels，2009，23（1）：253-259.

5 王红妍，王宝冬，李俊华，等.燃煤烟气中单质汞的催化氧化技术研究进展[J].材料导报，2017，（7）：114-120.128.

6 陈姝娟，薛建明，许月阳，等.燃煤电厂除尘设施对烟气中微量元素的减排特性分析[J].中国电机工程学报，2015，35（9）：2224-2230.

7 王运军，段钰锋，杨立国，等.燃煤电站布袋除尘器和静电除尘器脱汞性能比较[J].燃料化学学报，2008，36（1）：23-29.

8 许月阳，薛建明，王宏亮，等.燃煤烟气常规污染物净化设施协同控制汞的研究[J].中国电机工程学报，2014，34（23）：3924-3931.

9 王运军，段钰锋，杨立国，等.湿法烟气脱硫装置和静电除尘器联合脱除烟气中汞的试验研究[J].中国电机工程学报，2008，28（29）：64-69.

Study on Synergistic Removal of Flue Gas Mercury by Pollutant Control Equipment in Coal - fired Power Plants

Tao Jun
(Datang Environmental Industry Group Co., Ltd., Beijing 100097, China)

Mercury is China's coal-fired power plants following the dust, SOx, NOxafter the fourth largest pollutants, the ecological environment and human health will cause serious harm.In the context of ultra-low-emission transformation, coal-fired power plants are equipped with efficient denitrification, dust removal and desulfurization devices, these devices have a certain effect on the removal of mercury in flue gas.Based on the above reasons, this paper analyzes in detail the effect of existing pollutant control equipment on flue gas mercury removal in coal-fired power plants.

coal-fired power station; flue gas; synergistic removal

X701.7

A

1008-9500(2017)10-0077-03

2017-08-06

陶君（1986-），男，黑龙江双鸭山人，博士研究生，工程师，从事燃煤电站大气污染物治理技术研发工作。