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9 4 燃煤电厂汞排放控制途径分析 孙 丽梅 上海电力学院 能源与环境工程学院， 上海 2 0 0 0 9 0 摘要 大气汞污染问题 已引起各国的重视 ， 其 中汞 污染物主要来源于燃煤 电厂 ， 防治燃煤 电厂汞污染是 2 1世纪电力工业急待解决的问题 。针对该 问题 ， 笔者对燃煤电厂汞排放控制途 径进行 了分析 ， 并对燃煤电厂采用的除尘脱硫 系统的附带脱汞效果进行 了比较和分析 ， 探讨 了燃煤 电厂控 制汞排 放 的控制 途径 。 关键词 燃煤电厂； 汞排放 ； 汞控制途径 中图分类号 X 7 0 1 ． 7 文献标识码 A 文章编 号 1 0 0 6 6 7 7 2 2 0 0 9 0 5 - 0 0 9 4 -04 煤炭足 中同重要 的一次性能源 ， 目前其 主要利 用方式 是燃烧 ， 燃烧过 程中产生 的污染 物除 S O 、 N O 和 C O ，以外 ， 还有对于人体极其有害的各种形 态的汞。汞是能在食物链 中不断 累积 的一 种毒性 污染物， 自然界和人为源向大气 中所排放 的汞 已成 为全球性的环境 问题。研究资料表 明， 燃煤 电厂是 日前汞的主要人 为排放源。根据 E P A 1 9 9 7年给美 国国会 的汞研究报告 ， 全球每年 向大气中排放 的汞 总量约为 5 0 0 0 t 。1 9 9 9年美 国环保局估计 ， 美 国燃 煤电厂锅炉排放的汞约为7 5 t ， 其中烟气排放约4 8 t 。 清华大学蒋靖坤对 中国 2 0 0 0年燃煤 向大气中排放 的汞量进行了计算 ， 其值为 2 1 9 ． 5 t ， 约 占中国汞排放 量的 5 0 ％。由此可见 ， 防治 燃煤 电厂汞 污染是 2 1 世纪电力工业亟待解决的问题 。目前 ， 发达 国家相 继公布了燃煤电厂汞排放法规 ， 美 国是世 界上最先 制定燃煤电厂汞排放法规 的国家。美 国 E P A还 出 台了一项清洁大气州际法规 C A I R ， 其中进一步要 求燃煤 电厂减少 N O 和 S O 的排 放的 同时还要进 一 步减少汞的排放 ， 到 2 0 2 0年 ， 一半以上的燃煤 电 厂都将安装选择性催化还原 S C R 装置和烟气脱硫 系统。 近年来 ， 国内外科研人 员对燃煤电厂汞 的形态 分布 、 迁移转化规律 以及燃煤脱汞问题进行 了一系 列的研究 ， 并取得了一定的成果。笔者根据这些研 究成果 ， 对燃煤电厂现有 的烟气污染控制设备对汞 的脱除情况 ， 提出优化现有大气污染控制设备和工 艺以提高除汞率的措施 ， 探讨控制燃煤电厂汞排放 的切实可行的控制途径 。 1 燃煤 电厂汞排放控制途径 燃煤 电厂进行汞排放的控制技术主要有 3个方 面 燃烧前对 煤炭脱汞 、 燃烧 中脱汞 和燃烧 后烟气 脱汞 ， 目前主要以燃烧后对烟气进行脱汞的技术研 究最为广泛。 1 ． 1 燃烧前脱汞 煤炭燃烧前脱汞是燃煤 电厂使用 清洁燃 料 以 实现污染控制的一种战略性技术途径 ， 是污染预 防 的清洁生产模式。煤炭燃 前脱汞 主要是 通过煤炭 洗选的手段 ， 把煤 中以无机矿物质类型所存在 的汞 脱除 ， 从而减少煤炭 中汞 的含 量 ， 进 而实现减少煤 炭燃烧后烟气中汞排放量的 目标 。 研究表明 ， 煤 中汞与煤 中全硫分及煤的灰分呈 显著的正相关性 ， 这进一步说 明汞与煤 中硫化矿物 和其它无机矿物有 密切依存关系 ， 说 明汞可能主要 以硫化物结合态存 在 ， 且在硫 铁矿 中大量 富集 ， 从 而说明电厂燃 烧的原煤经过煤炭洗选不仅 可 以脱 硫降灰， 同时也可以脱汞， 所以燃煤电厂使用精煤 是控制烟气污染的一种切实可行 的有效手段。 收稿 日期 2 0 0 90 6 0 5 基金项目 上海市重点学科建设项目 P 1 3 0 4 作者简介 孙丽梅 1 9 6 3 一 ， 女， 辽宁沈阳人， 高级工程师， 副教授， 中国矿业大学北京校区化环学院博士。 洁净煤技术 2 0 0 9年第 l 5卷第 5期 据统计数据表明， 目前普遍使用的典型的常规 选煤方法可脱 除原煤 中 8 0 ％左右的灰分 和 7 0 ％ ～ 9 0 ％左右的硫铁矿， 因此随着部分硫矿物和灰分的 脱 除， 同时也可脱除大约 6 0 ％左右的汞 。 同时表 明 ， 煤炭 的物理洗 选 方法 对赋 存 于无 机矿物 中的汞及微量重金属元 素 的脱 除是很有效 的 ， 但对赋存 于有机 质 中 的汞 及微 量重 金属 元 素 的脱除几乎是无效 的。尽管 汞在大 多数煤炭 中都 主要赋存 于无机 矿物 中， 可采 用煤 炭洗 选方 法对 汞的脱 除效果的变化却很大 。据报道 ， 采用煤炭物 理洗选方法可脱除烟煤 中 2 6 ％的汞 ； 而在工业的 洗选过程 中汞的脱除率可达到 4 7 ％ ； 如采用更先 进的物理洗选方法 ， 其汞 的脱 除率可达到 6 4 ％ ， 采 用传 统 的煤 炭 洗 选 方 法 汞 的 脱 除 效 果 平 均 在 21 ％ ～3 7 ％ [ 另外研究 报 道表 明， 要 取得 更 高 的汞脱 除效 果 ， 可采用先 进 的选煤 工艺 ， 采 用传统 洗选工 艺和 泡沫浮选柱 的组合 工艺 ， 可脱 汞 4 0 ％ ～5 7 ％ ， 平均 为 5 5 ％ ， 其 中浮选柱可脱除汞的范围在 1 ％ ～ 5 1 ％， 平均在 2 6 ％ 以上 ， 高于传统洗选方法 J 。传统洗选 工艺加上选择性 絮凝方法 ， 可 脱汞 6 3 ％ 一8 2 ％ ， 平 均为 6 8 ％。采用 重介质旋流器 与水力旋流器 和浮 选柱 的组 合 工 艺 ， 重介 质旋 流 器 可 脱 汞 4 2 ％ ～ 4 5 ％ ， 水力旋 流器和浮选柱可脱汞 2 1 ％ ～2 3 ％ ， 该 工艺脱汞率可达到 6 3 ％ ～6 5 ％L 6 ] 。 尽管采用 煤炭洗选 技术可 以脱除煤 炭 中的一 部分汞 ， 但不能完全实现燃煤 电厂汞的排放控制 问 题 ， 开展燃煤电厂燃 中脱汞和燃后脱 汞仍是 十分必 要 的。 1 ． 2燃烧中脱汞 目前关于如何在燃烧 中脱汞 的问题 ， 还没有专 门的研究成果报道。但是 ， 针对燃煤 电厂其 它污染 物而采用 的一些燃烧 中控制技术 对汞 的脱 除作用 有所考查和研究 ， 结 果表 明， 现在 开展 的一 些燃烧 中脱硫脱硝等控制技术对 汞 的脱 除都有积极 的作 用 ， 其 中发现流化床燃烧方式能降低烟气 中相对较 少 的汞及其它微 量重金属 的排放 。据研究 数据表 明， 带有纤维织物过滤膜 F F 的流化 床 ， 其脱汞效 果最高 ， 脱除的汞其 6 6 ％ ～ 9 9 ％被含碳相对高的飞 灰所捕集 。该 流化床排放 的元素汞 要 比其 它单独 安装 纤 维 织 物 除尘 器 的锅 炉 高 ， 平 均 为 5 6 ％ 对 2 3 ％ ， 原因可能是在它能促进汞氧化前 ， 烟气受流化 床 中钙的作用使其氯快速排放的结果 。 燃煤电厂汞排放控制途径分析 全国中文核， 期刊 矿业类 核心期刊 { C A J C D 规范 执行优秀期刊_ J r 一 ] 1 ． 3燃烧后脱汞 煤燃烧过程 中， 大部分汞 随尾部烟气排人大气 环境 。烟气 中汞 主要形式 包括 3种 气态单质 汞 H g 。 ， 气态二价离子汞 H g 和附着在固体颗粒 表面的汞 H g 。不 同形态 的汞所 用脱 除方式各不 相同。现在大部分燃煤 电厂都 已经配有脱硫系统 ， 各脱硫系统对汞也有一定的脱除作用 ， 但各脱硫系 统对各种形态 的汞脱除效 果却各 不相 同。了解脱 硫系统对汞的脱除效果 ， 有助 于采取具有针对性的 脱硫方法的同时来达到高效脱汞的目的。 1 ． 3 ． 1 脱硫 系统前后烟 气中汞的形态分布 通过对 目前应 用最广泛 的湿法 脱硫 WF G D 装置和适合 中小 型电厂改造 的新 型整体一 体化脱 硫 N I D 装置 的烟气 中汞 的形态分 布分 析， 来 阐述 燃煤 电厂现在所配备 的脱硫脱硝 系统对汞 的脱 除 作用 。 WF G D系统和 N I D 系统前 后烟气 中气 态氧化 汞 ， 气态单质汞 ， 颗粒态汞含量 的最终分 析数据参 见表 1 。由此可以看出烟气在经过 WF G D系统以 后 ， 烟气 中出口处的总汞为 7 ． 0 3 t g ／ m。 ， 烟气 中的氧 化汞浓度下降很 明显 ； 而烟气 中的气态单质汞不但 没降， 反而从略有增加 ； WF G D前后都未测到颗粒汞 的存在 。烟气经过 N I D系统以后 ， 烟气 中的汞浓度 急剧降低 ， 烟气 中的气态氧化 汞和颗粒态汞在总汞 含量中的比例有所提高， 而气态单质汞的比例则有 大幅度地降低 。 表 1 WF GD系统和 NI D 系统前后烟气 中汞的浓度 m 1 ． 3 ． 2 燃 煤 电厂 WF G D 系统和 N I D 系统 的脱汞 效 果 目前燃煤电厂所采用 的除尘 、 脱 硫脱 硝系统在 去除 P M、 S O 和 N O 的同时也能削减汞 的排放 ， 不 过煤的燃烧方式和控制装置的结构决定了汞的削 减程度。不 同的烟气 污染控制 系统其 除汞效果也 不同。 从表 1中可以看出 1 WF G D系统对烟气 中氧化态汞的脱除效率 可达到 7 4 ． 6 8 ％ ， 但对 烟气 中单质汞 的脱除效率很 9 5 9 6 差。凶此提高娴气中氧化态汞的比例有利于 WF G D 系统对烟气 中汞 的脱 除效率 。烟气 中有少量 氧化 汞被还原成了单质汞 ， 烟气 中较高 的 S O ， 浓度会促 进还原作用的发生。 2 N I D系统对烟气中单质汞的脱 除效率高达 9 9 ． 9 7 ％ ， 对氧化汞 的脱除效率 也可达到 7 9 ． 0 3 ％ ， 对颗粒汞的脱除效率为 4 1 ． 6 9 ％ ， 对 总汞的脱 除效 率也达到了 8 3 ． 5 2 ％。分析 说明， N I D脱硫循环 灰 可以吸附脱除燃煤 烟气 中 的绝 大部分 汞 ， 这 说明 N I D系统可以有效地控制燃煤电厂汞的排放 ， 在多 种污染物的控制方面有很大的优势。 1 ． 3 ． 3 燃煤 电厂现有烟 气控 制装置 的 附带除汞 能 力 在没有安装任何汞控制装置 的情况下 ， 燃煤电 厂现有的烟气 污染控制装 置都具有一定 的脱 汞效 果 ， 表 2列出了燃煤电J 一 应用最J 泛的几种烟气除 尘脱硫装置的脱汞情况， 具体数据见表 2 。 表 2 燃煤 电厂不 同类型 的烟气污染治理 装置的除汞情况t． ,,g ／ m 从表 2可以看出 ， 对于燃煤 电厂现在安装 的除 尘脱硫设施来 说 ， 脱 汞效果最 高 的是袋式 除尘器 ， 平均达 5 8 ． 6 ％ ， 原因是增加 了气一固接触时问从而 有利于汞的氧化和吸附。采用袋式 除尘器后 ， 再经 过湿法或干法烟气脱硫系统处理后 ， 其气 态 H g 脱 除率更高 ， 可达到 8 0 ％ ～9 0 ％ ， 但对 Hg 几乎没有 脱除效果。脱汞效果最差 的是 I G C C和热置静电除 尘器 ， 即使烟气再经过湿 法脱 硫系统处理 ， 其脱汞 率也很低。配置冷一或热一静电除尘器的装置， 其 除汞率都不及配置袋式除尘器的装置。况且 ， 热静 电除尘器需要在较高的温度下运转， 也降低了含汞 飞灰的去除率。 另外 ， 湿法脱硫系统能较好地去除水溶性 № 十 2 成分。在某种情况下 ， 选择性催化还原法可以提高 H 氧化为 H g 的效率。分析结果显示， H 氧化 为 H g 的过程主要受生煤 的影 Ⅱ 向。大部分燃烧生 煤的电厂所 使 用 的选择 性 催化 还 原 装置 能 产生 8 5 ％ ～ 9 0 ％的 H g “。 从而看出， 在未来燃煤电厂的除尘脱硫 系统 的 选择设计时 ， 在不影 响除尘脱硫效果 的情 况下 ， 考 虑一下所选择的除尘脱硫系统 的脱汞效果 ， 尽量做 到一举两得 ， 这样即可实现燃煤电厂除尘脱硫又可 最大化的控制汞的排放 ， 是 目前燃煤 电厂控制汞排 放的一种切实可行的手段 。 2 结 论 通过上述所论 ， 可 以看 出， 目前燃煤 电 厂所配 置安装的除尘脱硫 系统 对汞的脱除都有一 定的效 果 ， 但不同的配置技术 与工艺 ， 其脱汞 的效 果差别 很大。最好的配置是袋式除尘器 干／ 湿法脱硫系 统 ， 其中最佳的配置工艺是袋式除尘器 湿法脱硫 系统。因此 ， 建议在今后燃煤 电厂除尘脱硫系统的 选择设计时 ， 考 虑选 择对脱汞效果 显著的设施 ， 做 到污染控制最佳化。 参 考文献 『 1 ] J o h n H． P a v l i s h ，E v e r e t t A ．S o n d r e a l ，M i c h a e l D ． Ma n n ，E d wi n S ． Ol s o n。 K e v i n C．G alb r e a t h ． S t a t u s r e v i e w o f me r c u r y c o n t r o l o p t i o n s f o r c o a l fir e d p o we r pl a n t s [ J ] ．F u e l P r o c e s s i n g T e c h n o l o g y ， 8 2 2 0 0 3 8 91 6 5 ． [ 2 ] C ． N e m e ， E l e c t ri c U t i l i t i e s a n d L o n g R a n g e T r a n s p o r t o f Me r c u ry a n d O t h e r T o x i c A i r P o l l u t a n t s 『 J ] ．C e n t e r f o r ． Cl e a n Ai r Po l i c y W a s hi n g t o n， DC， 1 991， No v ． [ 3 ] G ． H． L u t t r e l l ， J ． N． K o h m u e n c h ， R ． 一 H． Y o o n ，A n e v a ] 一 u a t i o n o f c o a l p r e p a r a t i o n t e c h n o l o g i e s for c o n t r o l l i n g t r a c e e l e m e n t e m i s s i o n s [ J ] ． F u e l P r o c e s s ． T e c h n o l o gy， 6 5 6 6 2 0 0 0 4 0 7 4 2 2 ． [ 4 ] T ． D． B r o w n ，D ． N ． S m i t h ，R ． A． H a r g i s ， W． J ． O9 o w d ， Me r c u r y me a s u r e me n t a n d i t s c o n t r o l wh a t we k n o w． h a v e l e a r n e d ， a n d n e e d t o f u r t h e r i n v e s t i g a t e [ M] ．J ． A i r Wa s t e Ma n a g e ．A s s o c ． 1 9 9 9， J u n e 1 9 7 ． [ 5 ] F ． J ． S m i t ，N ． Mo r o ， G． L ． S h i e l d s ， M． C ． J h a ， T ． J ． F e e l e y ，R e d u c t i o n o f t o x i c t r a c e e l e me n t s i n c o a l b y a d v a n c e d c o a l c l e a n i n g [ J ] ． P r o c e e d i n g s o f t h e 1 3 t h A n n u a l I n t e r n a t i o n a l Pi t t s bu r g h Co a l Co n f e r e nc e， Vo 1 ．2， Pi t t s bu r g h，PA ， Uni v e r s i t y o f P i t t s b ur g h， Pi t t s b ur g h， P A ， 1 9 9 6， P P． 8 7 9“ C8 8 4． 洁净煤技 术 2 0 0 9年第 l 5卷第 5期 D． D． Fe r r i s，e t a l ，En g i n e e r i n g De v e l o pme nt o f Ad v a n c e d P h y s i c a l F i n e Co a l C l e a n i n g T e c h n o l o g i e s F r o t h F l o t a t i o n [ J j ． I C F K a i s e r E n g i n e e r s F i n a l R e p o rt f o r U ． S ． D e p a 一 r n e n t o f En e r g y Ag r e e me n t No． DE AC22 88P C8 88 81， 1 99 2， De c ． EPRI．An As s e s s me n t o f Me r c ur y Emi s s i o ns f r o m U． S． Co a l Fi r e d Po we r P 1 a n t s， EPRI Pa l o Al t o， CA， 全国中文核心期刊 矿业类核心 期刊 2 00 0， 1 0 0 06 08． [ 8 ] 王乾， 段钰锋， 吴成军 ， 等．燃煤电』 一 脱硫系统的脱汞 特性研究[ J ] ． 锅炉技术 ， 2 0 0 8 ， 3 9 1 ． [ 9 ] 蒋靖坤， 郝吉明， 吴烨 ， 等． 巾国燃煤汞排放清单的初 步建立[ J ] ． 环境科学， 2 0 0 5， 2 6 2 3 4 3 9 ． 1 1 0] 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 ， 1 9 9 9 ， l 9 4 3 1 8 3 2 1 ． An a l y s i s o f me r c ur y c o n t r o l me t ho d s f o r c o a l - fir e d po we r pl a nt SUN Li me i D e p a r t m e n t o f E n v i r o n m e n t E n g i n e e r i n g ， S h a n g h a i u n i v e r s i t y o f e l e c t r i c p o w e r ， S h a n g h a i 2 0 0 0 9 0， C h i n a Ab s t r ac t At mo s p h e r i c me r c u r y po l l u t i o n p r o b l e m h a s a r o us e d t h e a t t e n t i o n o f s t a t e s ，me r c ur y p o l l u t i o n c o me s ma i n l y f r o m c o a l ’ fi r e d p o we r p l a n t ．Me r c u r y p o l l u t i o n p r e v e n t i o n h a s b e e n t h e mo s t p r o c e s s i n g p r o b l e m i n e i e c t r i c p o we r i n d u s t r y i n 2 1 t i 1 c e n t u r y．An a l y z e d me t h o d s o f c o n t r o l l i n g me r c ur y e mi s s i o n ．Co mp a r e a n d a n a l y s z e me r c u ry r e mo v a l o f de s u l f u r i z a t i o n s y s t e m i n c o a l fir e d p o we r p l a n t ． Re c i e w me r c u r y c o nt r o l me t h o d s o f c o a 1 ． fir e d p o we r p l a n t ． Ke ywo r d s c o a l fir e d p o we r p l a n t ；me r c u r y e mi s s i o n；me r c u ry r e mo v a l 上接第 8 6页 参考文献 [ 1 ] 王其 藩．系统 动力 学 [ M] ． 北 京 清 华大 学 出 版 社 ， 1 9 9 4 ． 贾仁安， 丁荣华． 系统动力学反馈动态性复杂分 析[ M] ． 北京 高等教育出版社， 2 0 0 2 ． 王 灵梅 ， 张金屯 ， 倪 维斗． 火 电厂生 态工业 园的系 统动 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d t o s i mu l a t e a n d f o r e c a s t me t h a n o l ’ S pr o d u c t i o n a n d o p r a t i n g i n L H I nd u s t r i a l P a r k ． T he r e s e a r c h S H O WS t ha t t h e mo d e l ，s i mu l a t i ng a d e qu a t e l y t h e pr a c t i c a l c o n di t i o n s ，i s e f f e c t i v e a n d c r e d i b l e ． I t wi l l h e l p t o e l i c i t c o r r e c t d e v e l o p me n t s t r a t e g i e s f o r Ch i n e s e p r ud u c t i o n a n d o p r a t i n g o f u s i n g c o k e o v e n g a s t o p r o du c e me t ha n o l ； Me a n wh i l e， bo t h i n t h e o ry a n d p r a c t i c e， i t c a n f a c i l i t a t e t h e c o o r di na t e a n d s u s t a i na b l e de v e l o p me n t for t h o s e a r e a s ． Ke y wo r ds s y s t e m d y n a mi c s；me t h a n o l ；s i mu l a t i o n mo d e 燃煤 电厂汞排放控制途径分析 9 7 一 鼾 一 保袱 一 环 I _ i