某660_MW燃煤发电机组汞的迁移排放特性研究_袁晓东.pdf

第二十八卷 第一期，安徽电气工程职业技术学院学报 年 月 某 燃煤发电机组汞的迁移排放特性研究袁晓东收稿日期：作者简介：袁晓东（），男，安徽寿县人，硕士，工程师，主要从事电力环保相关研究。（中国大唐集团科学技术研究院有限公司华东电力试验研究院，安徽 合肥）摘 要：为研究某 燃煤发电机组汞的迁移排放特性，采用安大略法对烟气进行采样，并对煤、灰、石膏、废水等物质中的汞含量进行了测定。结果表明：入炉煤中汞的质量浓度为 。本次测试汞的质量平衡率为 。燃煤电厂汞主要通过飞灰（）、脱硫石膏（）和烟气（）排放至环境中。系统对 的氧化率为 ，空预器会促进 和 向 转化，除尘器对 的去除率为 ，对 的去除率为。全系统对 的脱除效率为 。通过烟气排放至大气中的汞浓度为 ，满足火电厂大气污染物排放标准（）的要求。关键词：燃煤电厂；汞；迁移；排放特性中图分类号：文献标识码：文章编号：（）（，）：，（），（）（），（）：；引言汞是煤的伴生产物之一，会随着煤的燃烧释放到环境中，对社会环境和人类健康造成严重的影响。研究表明煤炭燃烧是汞的人为源的主要来源之一，约占全球人为排放源的，发电厂是我国燃煤大户，年火力发电消耗煤炭 亿吨，占全国煤炭消耗量的 。燃煤电厂超低排放改造以来，袁晓东：某 燃煤发电机组汞的迁移排放特性研究燃煤电厂烟气中汞的排放浓度有了明显降低，且远低于排放标准，但巨量的煤炭燃烧量仍会向大气中排放大量的汞。燃煤烟气中的汞有三种赋存形态，分别为单质汞（），气态二价汞（）和颗粒态汞（）。汞在煤炭燃烧过程中几乎均以 的形式释放出来，随后在烟道中发生均相或异相反应，生成 和。随着社会对环保的日益重视，尤其是超低排放改造以来，燃煤电厂均配备了烟气污染物控制设施，如选择性催化还原脱硝（）、电除尘器（）、湿法脱硫系统（）和湿式电除尘器（）等。这些环保设备在控制常规污染物的同时，也能够协同脱除烟气中的汞。具有较强的水溶性，通过 和 可大量脱除，可通过除尘器脱除，性质稳定，较难脱除，但 的催化剂会催化氧化为 ，进而被后续设备脱除。石志鹏等人通过 法研究了某 机组汞的排放特性，发现 系统对 的氧化率为 ，对 的脱除率为 ，对 的脱除率为 ，整个系统对 的脱除率为 ，研究结果与 等人相符。王文惠采用安大略法对某 机组汞的排放特性进行了研究，结果表明：对 实现了全脱除，对 的脱除率为 ，汞主要通过粉煤灰、石膏和烟气释放，烟气中汞以 为主，排放浓度为 。赵毅等人的研究结果表明，燃煤电厂环保设备对汞的协同脱除效率为 ，汞排放浓度为 。汞的排放途径主要为粉煤灰，其次为烟气。烟气冷却器对 具有明显的协同脱除作用，低温除尘器对 和 均有协同脱除作用，会造成 向 转化。陈崇明等人研究了某 机组在不同负荷下运行期间汞的迁移转化特性，结果表明，在不同负荷下，烟气汞是主要的排放形式，其次为飞灰、石膏，环保设施对总汞的脱除效率高于，且 对单质汞的氧化是降低汞排放的关键，此外，研究还表明高负荷会下 对 的还原能力更强。试验方法 机组概况本文研究对象为某 超临界燃煤机组，该机组配备、等环保设备。本次试验期间锅炉负荷和煤质基本保持稳定，测试过程中分别在 入口烟道、出口烟道、空预器出口烟道、入口烟道、总排口对烟气进行采样，同时采集入炉煤、石灰石、工艺水、炉渣、粉煤灰、石膏、脱硫废水等样品。采样期间机组平均负荷为 。烟气采样位置见图。图 采样位置示意图 样品采样方法对烟气中汞的采样选择安大略法（），通过等速采样的方式从烟道中抽取烟气，烟气依次通过滤膜和装有一定浓度吸收液的多级吸收瓶，吸收瓶按照顺序依次装入 溶液、混合液以及 混合液。被滤膜过滤、截留，留在滤膜表面。易溶于水，被 溶液吸收。被后两种混合溶液氧化成 后被溶液吸收。依照不同形态汞的特性实现不同形态汞的分离和收集，图 为安大略法采样装置示意图。安徽电气工程职业技术学院学报 第二十八卷 第一期图 安大略法采样示意图 结果与讨论 煤质化验煤中汞是燃煤电厂烟气汞的主要来源，为明确电厂燃煤中汞的含量，对入炉煤进行了工业分析和元素分析，结果见表。通过表 可以看出，该电厂燃煤中汞的质量浓度为 ，低于我国煤中汞的平均质量浓度 。表 煤质分析结果工业分析灰分 挥发分 固定碳 低位发热量（）元素分析碳 氢 氧 氮 全硫 汞（）烟气中汞形态及浓度通过 法对烟道不同位置的烟气汞进行采集，测试滤膜和吸收液中的汞浓度，并根据采样体积计算烟气中不同形态汞的浓度，测试结果见图。图 烟气中汞测试结果从图 可以看出，烟气进入 前，烟气中的汞以 为主，经过 后，浓度明显降低，浓度上升，浓度基本不变，说明 系统对 具有一定的催化氧化作用，会促进烟气中的 向 转化，转化率为 。脱硝催化剂是基于钒钨钛体系的催化剂，该催化剂具有一定的催化氧化效果，当烟气中的 和 经过脱硝系统时，催化剂会促进烟气中的 与 反应，生成 。此外，还有研究表明，烟气中的 等卤族元素可以在催化剂中的钒催化下发生反应，生成 自由基，并与 反应，促进其向 的转化。烟气经过空预器后，浓度基本不变，浓度有明显降低，浓度明显提升。空预器会将烟温从 降低至 ，飞灰为多孔结构，具有很强的吸附性，烟温降低会加强飞灰对烟气中 的物袁晓东：某 燃煤发电机组汞的迁移排放特性研究理和化学吸附作用，提高飞灰对 的吸附效果，促进 转化为。电除尘器的脱汞效果主要取决于电除尘器的除尘能力。烟气经过除尘器后，几乎完全被脱除，脱汞效率达到，和 略微降低，脱除率分别为 和。由于飞灰对 具有较强的吸附效果，依附于飞灰存在，除尘器在脱除飞灰的同时，可协同脱除。研究表明，飞灰对烟气汞的吸附效果在一定范围内与飞灰含碳量呈现正相关的关系，即在一定范围内，飞灰含碳量越高，吸附能力越强。此外，飞灰中、等成分和飞灰比表面积也是影响飞灰对汞吸附效果的重要因素。脱硫系统对 具有较好的协同脱除效果，烟气经过脱硫塔后，烟气中的 从 降至 ，脱除率为 ，无明显变化，略微增加。具有良好的水溶性，烟气通过吸收塔会与喷淋下来的浆液发生充分接触，会溶于浆液而从烟气中去除。对于 而言，脱硫系统对 无明显吸收作用。且有研究表明脱硫系统会造成 向 转化，主要原因在于浆液中亚硫酸根、，等离子会与 反应，生成，重新释放到烟气中。全系统脱汞效果为了评价各设备和全系统对烟气中汞的脱除率，定义汞的脱除率为：（）式中，为脱汞率，；为各设备进口烟道中总汞浓度，；为各设备出口烟道中总汞浓度，。对各设备进出口不同形态汞浓度的计算，得到不同设备对汞的脱除效果，结果见表。通过表 可以看出，全系统对总汞的脱除效率为 ，其中 对总汞的脱除效率最高，为 ，除尘器次之，为，和空预器对总汞几乎没有脱除效果。尽管 对总汞几乎没有脱除效果，但是其对 的氧化转化率高达，全系统对 的脱除效率为，考虑存在测量误差，可以认为全系统对的脱除主要依靠 对 的氧化转化作用。全系统对 脱除效果为 ，其中除尘器对 的脱除效率达到 。全系统对 脱除效果为 ，其中 对 脱除效率为 。由于脱硝入口烟气中的汞以 为主，而除尘器和 仅对 和 有较好的脱除效果，对 均无明显脱除效果。因此，对 的氧化效果，是提高协同脱汞效果的关键因素之一。表 烟气处理设备的脱汞效率单位：各形态汞 脱硝空预器除尘器脱硫塔全系统 汞质量平衡由于汞作为煤中的痕量元素，负荷波动、采样方法和检测方法的差异都会给测量结果带来误差。为了保证测试结果的准确性，需计算汞的质量平衡率。计算公式如公式 所示。一般来说，汞的质量平衡率在 之间是可接受的。()()（）式中，为汞的质量平衡率，；为产物中汞的浓度，；为单位时间系统产物的质量，；为消耗物质中汞的浓度，；为单位时间进入系统物质的质量，。对入炉煤、石灰石、工艺水、炉渣、粉煤灰、脱硫石膏、脱硫废水、总排口烟气中的汞含量进行测定，对各物质的日耗量和产量进行统计。根据测试结果计算汞的质量平衡，结果见表。安徽电气工程职业技术学院学报 第二十八卷 第一期表 汞质量平衡数据类型样品汞浓度（）汞质量（）输入煤 石灰石 工艺水 输出炉渣 飞灰 脱硫废水 石膏 烟气 质量平衡 图 表示炉渣、飞灰、脱硫废水、石膏、烟气中汞的排放比例示意。从表 和图 可以看出，本次测试汞的质量平衡率为 ，说明测试结果是可信的。由于煤炭消耗量大且汞含量相对较高，而石灰石和工艺水消耗量较小且其中汞含量也较少，全系统汞的来源主要是煤，通过石灰石和工艺水带来的汞很少，可以忽略。图 汞的排放比例汞主要通过粉煤灰排放出系统，占总排放量的 ，一方面由于飞灰具有多孔结构，具有较多的吸附位点，对汞具有较强的物理吸附作用；另一方面，飞灰表面的官能团和卤化物会与烟气中的汞反应，发生化学吸附。脱硫石膏也是汞的主要排放源之一，占 ，根据表 数据显示，湿法脱硫系统对烟气中 的去除效率达到 ，汞在脱硫塔内不断富集，最终通过脱硫石膏和脱硫废水排出，但由于脱硫废水排放量少，因此主要通过石膏排放。汞的第三大排放途径为烟气，占 ，结合图，通过烟气排放的汞浓度为 ，尽管排放浓度不大，但排放的烟气量很大。通过炉渣排放的汞较少，由于炉膛温度较高，在此温度下煤中几乎所有汞都会以 的形式释放到烟气中，因此只有少量的汞会残留在炉渣中。汞排放控制措施目前我国规定的燃煤电厂大气汞的限值排放浓度为 ，排放限值较为宽松，严苛程度远低于欧美国家。从本文测试结果和以往研究可以看出，脱硝入口总汞浓度已经小于排放限值，即不进行处理也能达标排放，因此，汞的排放限值仍有进一步提升的空间，国内部分地区已经将排放限值降至 。面对日益严格的环保要求，国内外燃煤电厂汞排放控制技术得到一定的发展，除 脱硝、电除尘和湿法脱硫等协同脱除技术外，目前已开展应用的有吸附法脱汞和氧化法脱汞。吸附法脱汞主要包括活性炭喷射技术、碱性吸附剂喷射技术、飞灰再注入技术等。通过向烟道中喷入具有高吸附性能的吸附剂，将烟道中的 转化为易于脱除的 和 ，再利用后续的除尘和脱硫袁晓东：某 燃煤发电机组汞的迁移排放特性研究设备进行脱除。该技术在国内外应用较多，具有良好的脱汞效果。氧化法脱汞是通过向烟道中加入氧化剂，包括臭氧喷射技术、电催化氧化脱汞和光催化氧化脱汞技术等，通过将烟道中的 氧化为易于脱除的 ，再通过后续环保设备进一步脱除。该方法对脱汞具有一定的效果但是目前应用较少。结论（）系统对 具有较强的氧化作用，氧化率为 ，空预器会促进 和 向 转化，除尘器对 的去除效较高，达到 ，对 的去除效率为 。各设备对 的脱除率分别为（），（），全系统对 的脱除效率为 。（）本次测试汞的质量平衡率为 。燃煤电厂汞主要通过飞灰（）、脱硫石膏（）和烟气（）排放至环境中去，通过炉渣（）和废水（）进入环境的汞较少。（）通过烟气排放至大气中的汞浓度为 ，满足火电厂大气污染物排放标准（）规定的 。参考文献：吴晓云，郑有飞，林克思 我国大气环境中汞污染现状 中国环境科学，（）：中华人民共和国国家统计局 中国统计年鉴 北京：中国统计出版社，：刘含笑，陈招妹，王伟忠，等 燃煤电厂烟气 排放特征及其吸附脱除技术研究进展 环境工程，（）：，（）：殷立宝，禚玉群，徐齐胜，等 中国燃煤电厂汞排放规律 中国电机工程学报，（）：吕太，冯银行，索利慧，等 燃煤电厂现有烟气净化设备脱汞特性分析 热力发电，（）：，曹晓满，刘亚文，张军梅，等 超低排放燃煤电厂污染控制设备协同脱汞研究进展 洁净煤技术，（）：石志鹏，段伦博，黄治军 超低排放机组 迁移特性 热力发电，（）：，：王文惠 某 机组燃煤电厂 的分布、排放特征及迁移、释放规律 环境工程，（）：赵毅，韩立鹏 超低排放燃煤电站汞分布特征研究 环境科学学报，（）：陈崇明，党志国，车凯，等 燃煤机组汞迁移转化特性研究 洁净煤技术，（）：杨爱勇，严智操，惠润堂，等 中国煤中汞的含量、分布与赋存状态研究 科学技术与工程，（）：陶莉，张旭楠，李彩亭，等 选择性催化还原催化剂氧化脱除烟气中单质汞 环境工程学报，（）：，：，：王铮，薛建明，许月阳，等 选择性催化还原协同控制燃煤烟气中汞排放效果影响因素研究 中国安徽电气工程职业技术学院学报 第二十八卷 第一期电机工程学报，（）