燃煤电厂汞排放特性实验研究.pdf

第 ３ ７卷第 ５期 ２ ０ ０ ７年 ９月 东 南 大 学 学 报（自 然 科 学 版 ） Ｊ Ｏ Ｕ Ｒ Ｎ Ａ Ｌ Ｏ ＦＳ Ｏ Ｕ Ｔ Ｈ Ｅ Ａ Ｓ Ｔ Ｕ Ｎ Ｉ Ｖ Ｅ Ｒ Ｓ Ｉ Ｔ Ｙ（ Ｎ ａ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅＥ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ） Ｖ ｏ ｌ  ３ ７ Ｎ ｏ  ５ Ｓ ｅ ｐ ｔ ．２ ０ ０ ７ 燃煤电厂汞排放特性实验研究 杨立国 段钰锋 杨祥花 江贻满 王运军 赵长遂 （ 东南大学洁净煤发电及燃烧技术教育部重点实验室， 南京 ２ １ ０ ０ ９ ６ ） 摘要选取了我国６个比较有代表性的燃煤电厂， 采用美国 Ｅ Ｐ Ａ推荐使用的 Ｏ Ｈ方法， 对其入炉 煤、 底渣、 飞灰、 脱硫产物及烟气进行了取样分析， 并针对系统汞的排放进行了平衡计算． 测量了 不同电厂的除尘器灰的含碳量， 以分析其对飞灰中汞富集因子的影响． 实验结果表明 在所测的 ６个燃煤电厂中， 底渣排汞量不到总汞的 １ ％， 煤中的汞在燃烧区域以后绝大部分以气态和飞灰 吸附态的形式排放， 并随着机组容量的增大， 气态汞的排放比例也有所增大． 飞灰中的残碳对气 态汞向飞灰的富集有促进作用， 飞灰的含碳量与飞灰中汞的富集因子呈正相关关系． 烟气中的氯 元素可以提高可溶性二价汞的含量． 实验研究表明， 循环流化床燃烧方式可以极大地减少气态汞 的排放量， 其机理还有待于进一步研究． 关键词燃煤电站； 汞排放； 汞平衡； 飞灰 中图分类号Ｔ Ｋ ２ ２ ４  ９ ＋３ 文献标识码Ａ 文章编号 １ ０ ０ １－ ０ ５ ０ ５ （ ２ ０ ０ ７ ） ０ ５  ０ ８ １ ７  ０ ５ Ｍｅ ｒ ｃ ｕ ｒ ｙｅ ｍｉ ｓ ｓ ｉ ｏ ｎｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｓ ｆ ｒ ｏ ｍ ｃ ｏ ａ ｌ  ｆ ｉ ｒ ｅ ｄｐ ｏ ｗ ｅ ｒｐ ｌ ａ ｎ ｔ ｓ Ｙ ａ ｎ ｇＬ ｉ ｇ ｕ ｏ Ｄ ｕ ａ ｎＹ ｕ ｆ ｅ ｎ ｇ Ｙ ａ ｎ ｇＸ ｉ ａ ｎ ｇ ｈ ｕ ａ Ｊ ｉ ａ ｎ ｇＹ ｉ ｍ ａ ｎ Ｗａ ｎ ｇＹ ｕ ｎ ｊ ｕ ｎ Ｚ ｈ ａ ｏＣ ｈ ａ ｎ ｇ ｓ ｕ ｉ （ Ｋ ｅ ｙＬ ａ ｂ ｏ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ｙｏ ｆ Ｃ ｌ ｅ ａ ｎＣ ｏ ａ ｌ Ｐ ｏ ｗ ｅ ｒ Ｇ ｅ 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厂锅炉系统进行实验研究， 各个电厂系统配置如表 １所示． 实验对电厂的入炉煤样、 底渣、 预除尘器 灰、 除尘器灰、 脱硫产物和烟气等进行了取样分析 研究． 固态产物的取样与烟气采样同时进行． 取样 点的布置如图 １所示． 表 １ ６个燃煤电厂锅炉容量和污染物控制装置 电厂地点锅炉类型机组容量／ ＭＷ设计煤种污染物控制 １ ＃ 北京Ｗ 型火焰、 飞灰复燃、 液态排渣直流炉２ ２ ０神华煤静电除尘器 ２ ＃ 内蒙古四角切圆燃烧方式煤粉炉２ ０ ０准格尔烟煤布袋除尘器 ３ ＃ 内蒙古单炉膛 Π型煤粉炉５ ０准格尔烟煤布袋除尘器 ４ ＃ 内蒙古直流式燃烧器四角切圆燃烧方式、 固态排渣煤粉炉６ ０ ０准格尔烟煤静电除尘器 ５ ＃ 河北四角切圆方式、 单炉膛 Π型露天布置、 固态排渣煤粉炉６ ０ ０神华煤 静电除尘器 ＋ 湿法脱硫 ６ ＃ 江苏固态排渣、 超高压循环流化床蒸汽锅炉１ ３ ５混和煤种静电除尘器 图 １ 电场飞灰取样点示意图 烟气取样采用美国环保署（ Ｅ Ｐ Ａ ） 和能源部 （ Ｄ Ｏ Ｅ ）等机构推荐的汞测试分析的标准方法 Ｏ Ｈ 方法， 如图 ２所示， 其流程为 采样系统从烟气流中 等速取样，取样管线的温度维持在 １ ２ ０℃以上． 取 样系统主要由石英取样管及加热装置、 过滤器（ 玻 璃纤维滤筒） 、 吸收瓶（ 置于冰浴中） 、 流量计、 真空 泵等组成． 颗粒态汞由位于取样枪前端的玻璃纤维 滤筒捕获， 氧化态汞由 ３个盛有 Ｋ Ｃ ｌ 溶液的吸收 瓶收集， 元素汞由 １个装有 Ｈ Ｎ Ｏ ３＋ Ｈ２Ｏ２溶液和 ３ 个装有 Ｋ Ｍｎ Ｏ ４＋Ｈ２Ｓ Ｏ４溶液的吸收瓶收集， 最后 由盛有干燥剂的吸收瓶吸收烟气中的水分． 取样结 束后， 进行样品的恢复和消解； 所有消解过的样品 称重后立即送入全自动测汞仪 Ｈ ｙ ｄ ｒ ａＡ Ａ进行检 测． 固态产物中汞含量的测定采用全自动汞测量仪 Ｄ ＭＡ ８ ０来进行， Ｄ ＭＡ ８ ０固液相自动测汞仪将样 品的加热过程和原子吸收光谱检测装置集于一身， 能直接测定固体或液体中的总汞含量． 图 ２ Ｏ Ｈ方法烟气汞等速取样系统简图 ２ 结果与分析 通过对 ６个燃煤电厂全负荷运行条件下的煤、 底渣、 飞灰、 烟气（ 及脱硫产物） 汞浓度数据和运行 工况的计算分析， 可以得到电厂在全负荷运行工况 下的汞平衡， 如表 ２和图 ３所示． 表 ２ 不同电厂不同形态汞的排放量ｇ ／ ｈ 电厂 煤中 汞 底渣 中汞 除尘器前不同形态汞排放量 Ｈ ｇ ０ Ｈ ｇ ２ ＋ Ｈ ｇ Ｐ 除尘器 脱除汞 除尘器后不同形态汞排放量 Ｈ ｇ ０ Ｈ ｇ ２ ＋ Ｈ ｇ Ｐ ＷＦ Ｇ Ｄ 脱除汞 脱硫装置后不同形态汞排放量 Ｈ ｇ ０ Ｈ ｇ ２ ＋ Ｈ ｇ Ｐ １ ＃ ０  ８ １ ０  ０ ００  ７ ２０  ０ ７０  ０ ２０  ０ ４０  ５ ７０  ０ ５０  ０ ０ ２ ＃ ２ ６  ４ ０  ０ ４１ ０  ８１ ２  ００  ７ ２０  ４ ５５  ７ ０１ ７  ６０  ０ ０ ３ ＃ ８  ７ ０ ０  ０ １０  ８ ６２  ５ ５２  ８ ０４  ４ ００  １ ８１  １ ７０  １ ５ ４ ＃ ６ ９  ６ ０  ２ ８８ ６  ７１ ３  ２０  ３ ７２  １ ２３ ６  ５３ ０  ９０  ０ ０ ５ ＃ １ ０  ０ ０  ７ ５７  ９ ９０  ３ １０  ０ ３０  ０ ４９  ５ ４１  ２ ３０  ０ ００  ８ ６９  ７ ４０  ４ １０  ０ ０ ６ ＃ ２  ７ ２ ０  １ ３０  ０ ２０  ０ ０１  ３ １１  ９ ７０  ０ １０  ０ ００  ０ ２ ２ ． １ 汞平衡及排放因子 煤燃烧后， 汞被再分配到粉煤灰、 炉渣和烟气 中， 通过实验研究， 发现所测试的 ６个电厂中， 进入 飞灰中的汞占 ３  ３ ％ ～ ９ ９ ％， 其中江苏某电厂 １ ３ ５ ８１８东南大学学报（ 自然科学版） 第 ３ ７卷 图 ３ ６个燃煤电厂的汞平衡 ＭＷ 的循环流化床锅炉高达 ９ ９ ％． 进入炉渣中的 汞占 ０  ０ ０ ％ ～ ０  ９ ７ ％． 排入大气中的汞占 ０  ９ ６ ％ ～９ ０  ９ ％，１ ３ ５ ＭＷ 的 循 环 流 化 床 锅 炉 只 有 ０  ９ ６ ％． 汞排放因子（ Ｅ Ｆ ） 表示燃煤电厂烟气中的汞排 放到大气中的排放量， 即人们通常所说的最终向大 气排放的汞强度． 根据 １ ９ ９ ６年美国 Ｄ Ｏ Ｅ对 ９个电 厂的汞浓度现场测试， 结果显示其排放因子为 ０  ８ ２～ ９ ． ４ ６ｍ ｇ ／ Ｇ Ｊ ［ ５ ］， 本文汞排放因子计算参照 此文献， 但使用了国际单位， 具体定义如下 Ｅ ｆ＝ ｍ Ｈ ｇ Ｇ Ｑ 式中， Ｅ ｆ为汞排放因子； ｍＨ ｇ为排放到大气中的汞 量； Ｇ为给煤量； Ｑ为煤的低位发热量． 图 ４ 燃煤电厂不同形态汞排放比例 由图 ４可以看出， 不同电厂燃煤汞的排放因子 有很大差别， 这主要是由煤质特性（ 主要是汞含量 和低位发热量） 决定的． 而不同电厂又由于燃烧设 备、 运行工况以及污染物控制设备的不同， 导致燃 煤烟气汞排放因子有所不同． １ ＃ ， ２ ＃ ， ４ ＃和 ５＃电厂表 明在全负荷运行条件下， 现有的污染物控制装置对 气态汞排放的控制没有多大作用， 煤中汞几乎全部 以不同气态汞形态排入大气； ３ ＃ 和 ６ ＃ 电厂由于机组 容量较低和循环流化床燃烧方式， 导致飞灰含碳量 较高（ 见表 ３ ） ， 从而使得煤中汞绝大多数以固态产 物形式得以脱除， 只有极小一部分被排入大气． 表 ３ 各个电厂飞灰含碳量 电厂 取样 编号 除尘器（ Ｅ Ｓ Ｐ或 Ｆ Ｆ ） 灰含碳量％ 一电场二电场三电场四电场 １ ＃ ５ ０ ７ ２ １２  ９ ２２  ６ ３２  ５ ９２  ５ ７ ５ ０ ７ ２ ４１  ４ ３２  ０ ４３  ８ ３３  ０ ３ ５ ０ ７ ２ ５２  ８ ５３  １ ５３  １ ９２  ５ ４ ５ ０ ７ ２ ６２  ８ ２２  ０ ８２  ５ ３２  ２ ４ ２ ＃ ５ ０ ８ ０ ３ Ａ０  ９ ２ ５ ０ ８ ０ ３ Ｂ０  ９ ２ ５ ０ ８ ０ ４１  ３ ３ ３ ＃ ５ ０ ８ ０ ７ Ａ２  ８ ７ ５ ０ ８ ０ ７ Ｂ３  １ ８ ５ ０ ８ ０ ９２  ５ ９ ４ ＃ ５ ０ ８ １ ３１  ３ ４０  ７０  ７ ９ ５ ０ ８ １ ４ Ａ０  ９０  ９ ２０  ９ ３０  ８ ３ ５ ０ ８ １ ４ Ｂ０  ８ ２ ６ ＃ ５ ０ ９ １ ２ Ａ１ １  ２９  ８ ９ ５ ０ ９ １ ２ Ｂ１ ２  ０ ３１ ０  １ ５ ５ ０ ９ １ ２ Ｃ１ １１ ０  ３ ４ 图 ５所示为电厂汞以不同形态的排放比例按 电厂机组容量的变化情况． 说明汞的排放形式与电 厂机组容量有很大关系． 从本实验所得结果来看， 较低的锅炉容量和循 环流化床燃烧方式可以比较有效地控制燃煤电厂 汞的大气排放． Ｃ Ｆ Ｂ对汞的高脱除效率也被 Ｅ Ｐ Ａ 的现场测试所报道． 美国 Ｅ Ｐ Ａ对 ８ ４台锅炉进行了 现场测试工作， 其中共选取了 ５台带 Ｆ Ｆ的 Ｃ Ｆ Ｂ锅 炉， 发现这种燃烧方式具有从 ６ ６ ％ ～ ９ ９ ％的汞脱 除效率［ ６ ］， 平均值为 ８ ６ ％． 图 ５ 燃煤电厂不同形态汞排放比例 ２  ２ 飞灰含碳量对汞排放特性的影响 近年来， 国内外学者对汞的吸附脱除做了大量 的研究， 取得了一系列成果， 普遍认为燃煤飞灰能 吸附烟气中的汞［ ７９ ］． 飞灰作为汞的一种廉价吸附 剂正日益受到人们的重视． 表 ３列出了不同电厂除尘器灰的含碳量． 图 ６ 所示为不同电厂的除尘器电场灰中汞的富集因子 Ｉ ｋ随飞灰含碳量的变化趋势． 由图 ６可以看出， 同一电厂的不同除尘器电场 ９１８第 ５期杨立国， 等 燃煤电厂汞排放特性实验研究 灰中汞的富集因子随着含碳量的增大而增大； 不同 电厂的除尘器灰其汞的富集因子基本上也是与含 碳量呈正相关性， 只不过受烟气成分（ 主要是 Ｃ ｌ 元 素） 等其他因素的影响而有所偏离． 图 ６ 电场灰中汞的富集因子随飞灰含碳量的变化 如图 ７所示， 可以从飞灰含碳量来解释不同机 组容量对汞排放特性的影响 锅炉容量越小， 炭颗 粒在炉内的停留时间越短， 则飞灰中含碳量越高， 导致飞灰中汞的富集因子增大， 从而汞的气态排放 量越小； 反之则越大． 循环流化床锅炉飞灰含碳量 最高， 所以汞的富集因子较高． 图 ７ 除尘器灰的含碳量随电厂锅炉容量及锅型变化 ２ ． ３ 烟气成分对燃煤电厂汞形态分布的影响规律 文献［ １ ０ ］ 研究了 ２ ０～ ９ ０ ０℃范围内燃煤烟气 中各气体成分的化学反应性质， 发现 Ｈ ｇ ０ （ ｇ ）与 Ｈ Ｃ ｌ （ ｇ ）， Ｃ ｌ２ （ ｇ ）可迅速反应． 以下为 Ｈ ｇ ０ （ ｇ ）与烟气中 Ｃ ｌ ２和 Ｈ Ｃ ｌ 可能发生的反应 Ｈ ｇ ０ （ ｇ ）＋ Ｃ ｌ２ （ ｇ ）→Ｈ ｇ Ｃ ｌ２ （ ｓ ， ｇ ） Ｈ ｇ ０ （ ｇ ）＋ Ｃ ｌ２ （ ｇ ）→Ｈ ｇ２Ｃ ｌ２ （ ｓ ） Ｈ ｇ ０ （ ｇ ）＋ Ｈ Ｃ ｌ（ ｇ ）→Ｈ ｇ Ｃ ｌ２ （ ｓ ， ｇ ）＋ Ｈ２ （ ｇ ） Ｈ ｇ ０ （ ｇ ）＋ Ｈ Ｃ ｌ（ ｇ ）＋ Ｏ２ （ ｇ ）→Ｈ ｇ Ｃ ｌ２ （ ｓ ）＋ Ｈ２Ｏ（ ｇ ） Ｈ ａ ｌ ｌ 等［ １ ０ ］同时还发现汞 氯系统中 Ｃ ｌ ２ （ ｇ ）的活 性更大． 本文通过对 ６个燃煤电站汞排放特性和烟气 成分的分析研究， 总结了几个影响烟气中气态二价 汞 Ｈ ｇ ２ ＋ （ ｇ ）含量的因素， 如图 ８和图 ９所示． 图 ８ 氧化汞所占烟气总汞百分比随 Ｈ Ｃ ｌ 浓度的变化 图 ９ 氧化汞所占烟气总汞百分比随 Ｃ ｌ ２浓度的变化 可以看出， 烟气中二价汞比例与烟气中 Ｃ ｌ 的 含量基本上是正相关性的． 烟气中的气态二价汞 Ｈ ｇ ２ ＋ （ ｇ ）易溶于水， 可以被湿法脱硫装置（ ＷＦ Ｇ Ｄ ） 脱 除， 因此提高烟气中气态二价汞 Ｈ ｇ ２ ＋ （ ｇ ）的含量， 是一 种汞排放控制的有效手段． 这表明烟气中的 Ｃ ｌ 有 利于燃煤电厂气态汞排放的控制． ３ 结论 １ ） 对 ６个燃煤电厂的煤、 底渣、 飞灰、 烟气（ 及 脱硫产物） 进行了取样分析， 并针对系统汞的排放 进行了平衡计算， 得到了燃煤电站汞的富集规律和 排放特性． ２ ） 现阶段还缺乏基于实验数据的对我国燃煤 电厂汞排放总量和排放特性的研究． 本文所选取的 ６个有代表性的燃煤电厂的实验研究表明， 不同装 机容量， 燃用不同煤种的电厂其汞排放总量有很大 差异， 而我国不同煤种， 甚至相同煤种的不同煤层 之间汞含量的差距很大， 这给估算我国燃煤电厂汞 排放总量造成困难． ３ ） 不同的煤种、 机组容量和污染物控制装置 造成燃煤电厂汞排放特性的不同， 随着机组容量的 增大， 汞的大气排放量有增大的趋势． ４ ） 就本文的研究来看， 循环流化床锅炉可以 有效地控制汞向大气的排放； 烟气中的氯元素可以 提高烟气中可溶性二价汞的含量． ５ ） 飞灰中的残碳可以增强飞灰对气态汞的吸 附作用． 不同的燃烧工况和燃烧设备会造成飞灰的 ０２８东南大学学报（ 自然科学版） 第 ３ ７卷 物理化学性质的不同， 这导致烟气中颗粒态汞含量 差异极大， 并直接导致汞向大气中排放量的不同， 飞灰对烟气中汞的吸附机理和吸附脱除能力值得 进一步研究分析和开发利用． 本实验工作是与清华大学热能工程系禚玉群 副研究员、 陈雷硕士、 张亮博士研究生等共同努力 工作完成的， 在此表示感谢． 参考文献 （ Ｒ ｅ ｆ ｅ ｒ ｅ ｎ ｃ ｅ ｓ ） ［ １ ］Ｍｅ ｉ ｊ Ｒ ． Ｔ ｈ ｅｆ ａ ｔ ｅｏ ｆ ｍ ｅ ｒ ｃ ｕ ｒ ｙｉ ｎｃ ｏ ａ ｌ  ｆ ｉ ｒ ｅ ｄｐ ｏ ｗ ｅ ｒ ｐ ｌ ａ ｎ ｔ ｓ ａ ｎ ｄｔ ｈ ｅｉ ｎ ｆ ｌ ｕ ｅ ｎ ｃ ｅｏ ｆ ｗ ｅ ｔ ｆ ｌ ｕ ｅ  ｇ ａ ｓ ｄ ｅ ｓ ｕ ｌ ｐ ｈ ｕ ｒ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ［ Ｊ ］ ． Ｗａ ｔ ｅ ｒ ， Ａ ｉ ｒ ａ ｎ ｄＳ ｏ ｉ ｌ Ｐ ｏ ｌ ｌ ｕ ｔ ｉ ｏ ｎ ， １ ９ ９ １ ， ５ ６ （ ４ ） ２ １ ２ ３ ． ［ ２ ］Ｃ ｈ ｕＰ ， Ｐ ｏ ｒ ｃ ｅ ｌ ｌ ａ ＤＢ ． Ｍｅ ｒ ｃ ｕ ｒ ｙｓ ｔ ａ ｃ ｋｅ ｍ ｉ ｓ ｓ ｉ ｏ ｎ ｓ ｆ ｒ ｏ ｍＵ Ｓ Ａ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ ｕ ｔ ｉ ｌ ｉ ｔ ｙｐ ｏ ｗ ｅ ｒ ｐ ｌ ａ ｎ ｔ ｓ ［ Ｊ ］ ． Ｗａ ｔ ｅ ｒ ， Ａ ｉ ｒ ａ ｎ ｄＳ ｏ ｉ ｌ Ｐ ｏ ｌ  ｌ ｕ ｔ ｉ ｏ ｎ ， １ ９ ９ ５ ， ８ ０ （ １ ／ ２ ／ ３ ／ ４ ） １ ３ ５ １ ４ ４ ． ［ ３ ］王起超， 马如龙． 煤及其灰渣中的汞［ Ｊ ］ ． 中国环境科 学， １ ９ ９ ７ ， １ ７ （ １ ） ７ ６ ７ ９ ． Ｗａ ｎ ｇＱ ｉ ｃ ｈ ａ ｏ ，ＭａＲ ｕ ｌ ｏ ｎ ｇ ．Ｔ ｈ ｅｍ ｅ ｒ ｃ ｕ ｒ ｙｉ ｎｃ ｏ ａ ｌ ａ ｎ ｄｉ ｔ ｓ ｃ ｉ ｎ ｄ ｅ ｒ ［ Ｊ ］ ．Ｃ ｈ ｉ ｎ ａＥ ｎ ｖ ｉ ｒ ｏ ｎ ｍ ｅ ｎ ｔ ａ ｌＳ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ，１ ９ ９ ７ ， １ ７ （ １ ） ７ ６ ７ ９ ． （ ｉ ｎＣ ｈ ｉ ｎ ｅ ｓ ｅ ） ［ ４ ］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 ， １ ９ （ ４ ） ３ １ ８ ３ ２ １ ． Ｗａ ｎ ｇＱ ｉ ｃ ｈ ａ ｏ ，Ｓ ｈ ｅ ｎＷｅ ｎ ｇ ｕ ｏ ，Ｍａ Ｚ ｈ ｕ ａ ｎ ｇ ｗ ｅ ｉ ．Ｔ ｈ ｅ ｅ ｓ ｔ ｉ  ｍ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｏ ｆｍ ｅ ｒ ｃ ｕ ｒ ｙｅ ｍ ｉ ｓ ｓ ｉ ｏ ｎｆ ｒ ｏ ｍ ｃ ｏ 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