深度丨电厂烟气脱汞技术及经济分析

【摘 要】对燃煤电厂中汞的排放特性进行了研究，并依此对脱汞技术进行了简要分析。研究发现，燃煤产生的大部分汞都残留在电除尘器底灰和烟气中，分别占到约42%和39%，其中烟气中汞的排放形式主要为零价汞;在湿法脱硫系统中被脱除的二价汞绝大多数残留在石膏浆液中，脱硫废水中汞残留较少。根据分析和测试，脱硫系统和湿电系统对二价汞具有好的脱除效果，脱硝系统会将部分零价汞转化为二价汞，且可脱除部分颗粒汞。
【关键词】燃煤电厂;汞;排放;脱汞技术
1导言
汞及其衍生物含有剧毒，并具有持久性、易迁移性和生物富集性等特性，可在大气和食物链中持久存在、远距离迁移和全球传播，给全球环境及生物圈造成莫大的威胁。人类作为食物链最高层次者，所受的危害最大。医学研究表明，汞对人类的大脑、脊椎、肝脏、肾脏有不同程度的损害，且会影响人的感觉、视觉、味觉和行为举止。北美178个品种鸟类的病态与死亡;北极熊毛皮汞含量翻至14世纪的11倍;鱼、贝、虾被污染;孕妇误食含甲基苯的鱼致使胎儿发育畸形等都表明了汞污染的严重性。在这种形势下，2013年《水俣公约》正式在日本签署，标志着汞污染控制已达成全球共识。
2 研究与分析
2.1 汞存在的形态
燃煤排放到大气的汞分为3种形态：1)气态零价汞，又称气态元素汞或气态单质汞，表示为Hg0;2)气态二价汞，又称“气态氧化汞”，以HgCl2为主，表示为Hg2+;3)颗粒吸附汞(不区分价态)，表示为Hgp。不同形态的汞都有独特的物理和化学性质，因此其排放、传播和沉积特性也是不同的。由于Hg0具有化学性质不活泼和相当低的水溶性等特点，因此难以被捕获。当其被排入大气后，会停留很长时间，并随着大气的运动，输送到远离排放源的区域。而Hg2+具有水溶性，可以溶于湿法脱硫设备的石膏浆液中，并且氧化态汞也较容易被吸附到颗粒物上，其在大气中的停留周期也较短，一般在排放源附近沉降。大部分Hgp可以随颗粒物的捕获而脱除。
影响燃煤电厂烟气中汞的形态分布的因素非常复杂，其中煤种成分的影响很明显，另外当烟气通过烟气净化设备时，部分不同形态的汞会相互转化。我国燃煤煤种多样、各种成分占比各不相同，燃煤中的汞排放形态也呈现不同的状态。
2.2汞的排放特性
有研究发现，燃煤电厂所用燃煤的含汞量为17——385μg/kg，每个电厂的燃煤含汞区别较大。对某电厂进行了汞的相关测试和分析，某电厂燃煤主要采用的优混、大混和淮南煤的汞含量算术平均值213.1ng/g，汞在不同燃烧产物中的分布情况见图1。
由图1可知汞在底渣、电除尘器底灰(简称ESP底灰，下同)、脱硫石膏(含脱硫废水)及烟气中的分布情况。底渣中的汞很少，不到0.1%，几乎可以忽略不计;汞在ESP底灰中分布较多，达到42.9%;其次是分布在烟气、石膏浆液(含废水)中。另根据检测，烟气排放中汞的主要形态为Hg0，占到了39.1%，而恰恰最难脱除的汞形态就是Hg0。据理论和实测研究，湿法脱硫可脱除大量Hg2+，因此针对脱硫系统中的石膏浆液和脱硫废水进行了检测分析。由检验结果可知，石膏浆液中的汞主要以Hg2+的形式存在;Hg2+主要以HgSO4的形式存在，还有少量以HgCl2的形式存在，其总汞含量285.6μg/L，而脱硫废水中的总汞含量仅为20.6μg/L，仅为脱硫系统中汞脱除总量的6.7%。
2.3相关脱汞技术分析
根据现有的研究，针对燃煤电厂烟气脱汞的技术可知，现有的脱汞技术可分为炉前和炉后。炉前主要是指采用洗煤等洁净煤技术，使燃煤进入锅炉燃烧之前先脱除大部分的汞，如采用泡沫浮选方法进行洗煤，使煤的汞含量可减少30%以上，进而采用温和热解法，使汞受热蒸发，进一步减少煤中的汞含量，脱除效率可达80%以上。借助这2种洁净煤技术可使煤在进入锅炉燃烧前减少汞含量85%。但国内入炉前的洗煤率非常低，而发达国家则有40%以上的洗煤率。
脱硫装置(FGD)和湿式电除尘器(WESP)对汞的脱除能力较强，尤其是对Hg2+的脱除效率达到89.66%，这2个设备对Hg2+的脱除能力在之前多个研究文献[4-6,12]中均有提及。但FGD和WESP对Hg0几乎没有脱除能力，在上表可以看到经过这2个设备后Hg0含量有所增加，这在以往研究中未见相关内容。根据前文对FGD系统中循环浆液和废水的汞含量检测结果可知，循环浆液中含有大部分的Hg2+，于是可猜测烟气经过FGD后，携带了大量含有Hg2+的浆液雾滴进入WESP，可能在电场环境中Hg2+发生了还原反应，进而生成Hg0，但该结论仍需进一步实验进行验证。
3单质汞的脱除技术
3.1吸附剂喷入技术
该方法利用吸附剂的物理吸附和化学吸附性质，在颗粒吸附装置前喷入吸附剂，将单质汞捕获之后被除尘装置脱除，其吸附效率决定脱除效率。由于吸附剂对单质汞的物理吸附能力有限，故吸附剂的化学吸附能力已成为决定单质汞脱除效率的主导因素。因此，如何提高吸附剂的化学吸附能力已成为当下脱汞技术研究的核心方向。下面将介绍几种吸附剂以及它的化学改性吸附剂。
3.1.1飞灰
飞灰中所含有的无机化合物如Fe2O3、CuO也会促进汞的氧化。再者，增大比表面积及适中的颗粒粒径均有利于飞灰对单质汞的吸附;过高的温度会抑制飞灰的吸附能力。吸附了汞的飞灰最终可由布袋除尘器FF或静电除尘器ESP捕获。实验表明飞灰颗粒越细则汞含量越高，飞灰中90%以上的汞存在于粒径小于0.125mm的飞灰粒子上[15]。除尘器对1um以下的灰粒很难捕获，因此，除尘设备只能脱除部分含汞飞灰，这是飞灰作为吸附剂的缺点之一。
3.1.2活性炭
基于FF和ESP的吸附剂喷入技术所使用的就是活性炭或改性活性炭，它是当前应用较多的喷入式烟气脱汞工艺。活性炭的汞吸附过程由膜传质、颗粒内扩散和汞在活性位的吸附三步骤组成。烟气中气相汞分子先透过流体相间膜向吸附剂表面传递，之后由活性炭表面细孔扩散至内部活性位点并最终吸附在活性位上。
3.1.3其他吸附剂
价格低廉，资源丰富的黏土、有较大表面积和较低压降的化海泡石、高温和低温下吸附能力都强的沸石和添加氧化剂的钙基吸附剂等对单质汞的吸附都大有用途。
4结束语
1)2015年1月1日起实施的《火电厂烟气排放标准》(GB13223—2011)中明确规定汞及其化合物浓度不得超过0.03mg/m3，这给我国火电厂污染治理带来严峻的考验，同时也预示着国内将掀起一股脱汞技术研究热潮。
2)利用现有的污染控制设备已经能高效脱除颗粒汞与二价汞，高效脱除单质汞是目前研究难点。对于单质汞的脱除，采用改性活性炭的吸附剂喷入技术是一门成熟、应用较广的技术。而诸如飞灰、活性焦等廉价吸附剂喷入技术研究尚浅，实践应用效果差。SCR脱硝工艺脱汞是一门很有前景的技术，催化剂能有效实现单质汞的氧化，因此，寻找廉价髙效的催化剂是当前研究的核心。