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燃煤电厂烟气中汞处理技术及监测方法探讨

2016年06月14日 12:00点击数量:1154次


      汞是有剧毒性的微量元素,它具有挥发性和积累性。作为重点控制的重金属之一,过量的汞排放不仅会污染空气,而且会通过各种环境界面的交换,向水、土壤迁移,对生态环境和人体健康产生危害。如果汞直接或者通过大气沉降进入水体,它将以毒性更大的形态在鱼和动物组织中积累,人体接触汞主要通过食用被汞污染的鱼,高浓度的汞接触将对人体的神经系统和生长发育产生影响。

  根据有关资料,人为的活动中汞主要来源于燃煤,火电厂的重金属污染主要来自煤的燃烧。煤燃烧过程中,部分易挥发的重金属如Hg、Pb、Zn、Ni、Cd、Cu等极易气化挥发进入烟气,然后随粉煤灰颗粒一起向烟囱移动并逐渐降温,被粉煤灰颗粒吸附,经冲灰渣水排至贮灰场。在这一过程中灰渣中部分可溶的重金属微量元素转入水中,如果冲灰渣水外排至江河,则可能对环境水体造成污染。

  据统计,燃煤电厂的汞排放量占到大气汞排放总量的1/3,位居各行业之首。目前,在现有的排放标准基础上,现行的污染控制技术已经大大减少火电厂烟尘、SO2和NOx的污染问题,相应的大气污染物处理设备也得到了广泛应用。然而,烟气中汞排放的危害与控制技术研究相对滞后。据统计,自1978年至2008年,我国燃煤工业累计向大气排放汞已达8000余吨,随着经济的发展,汞的排放量还将持续增加。美国环保署于2005年3月颁布了汞排放控制标准,成为世界上第一个针对燃煤电厂汞排放实施限制标准的国家。然而,我国除对生活垃圾焚烧和危险废物焚烧出台相关的控制标准外,目前国家还没有制定针对火电厂燃煤过程汞排放的控制标准。因此,一直以来对全国燃煤电厂的汞排放水平缺乏了解。

  同时我国燃煤电厂大气汞监测技术体系也比较欠缺,各级监测部门开展大气汞监测工作也较少,也没有相关的监测设备开展工作,由于江苏省燃煤电厂数量多、装机总容量大,因此开展燃煤电厂汞的监测方法研究可以为我国研究燃煤电厂汞排放限值、制定相应的排放标准提供有力的依据。

  1 现有脱汞技术

  1.1 洗煤技术

  煤中的汞与黄铁矿物有密切的关系,利用磁分离法去除黄铁矿,同时也可以除去与黄铁矿结合在一起的汞。另外,化学方法、微生物法等也可以将汞从原煤中分离。有研究表明,传统的洗煤技术能够去除煤中约38.8%的汞,如果利用先进的化学物理洗煤技术的话,则能使原煤中汞的去除率达到64.5%。

  1.2 煤的热处理技术

  由于汞的高挥发性,在煤加热的过程中,汞会由于受热而挥发出来。有研究结果显示在400℃范围内可以最高达到80%的脱汞率。

  1.3 燃烧中脱汞

  主要是利用改进燃烧方式,在降低NOx的同时,抑制一部分汞的排放,流化床燃烧方式在降低NOx排放的同时可以降低烟气中汞及其他微量重金属的排放。

  1.4 燃烧后脱汞

  燃煤电厂现有的废气处理设施对烟气中的汞具有一定的去除作用。包括除尘器、脱硫装置和脱硝装置。

  静电除尘器:目前大型燃煤电厂除尘以电除尘为主,且除尘效果一般可达99%以上。烟气中以颗粒态形式存在的固相汞在经过电除尘器时可以得到去除。但以颗粒态形式存在的汞占煤燃烧中汞排放的比例较低,且这部分汞大多存在于亚微米级颗粒中,而一般电除尘器由于受自身工艺的限制对这部分粒径范围内的颗粒脱除效果较差,因此电除尘器的除汞能力有限。

  布袋除尘器:相比静电除尘器,布袋除尘器能够脱除高比电阻粉尘和细粉尘,尤其在脱除细粉尘方面效果更佳。由于了大量的汞富集在细颗粒上,因此布袋除尘器在脱除烟气中汞的效果远比静电除尘器要好。但是,大型燃煤电厂进入除尘器的烟气温度较高,同时袋式除尘器自身存在滤袋易破损、不耐高温、压力损失大、运行费用高等局限性,所以目前燃煤电厂使用布袋除尘器的比较少。

  脱硝设施:电厂原有的老机组大部分没有脱硝设施,随着国家对火电厂污染物控制的进一步严格,老机组将进行脱硝改造,加装脱硝装置。目前常见的脱硝工艺有选择性催化还原(SCR)和选择性非催化还原(SNCR)两种。脱硝工艺能够加强烟气中汞的氧化而增加将来烟气脱硫(FGD)对汞的去除率,随着脱硝装置的应用,脱硝设施对烟气中汞的去除作用将进一步显现。

  脱硫设施:目前大部分的燃煤电厂使用石灰石-石膏湿法脱硫,脱硫设施温度相对较低,有利于HgO的氧化和Hg2+的吸收。在湿法脱硫系统中,由于Hg2+易溶于水,容易与石灰石或石灰吸收剂反应,能去除约90%的Hg2+。Hg2+所占比例是影响脱硫设施对汞去除率的主要因素,因此提高烟气中Hg2+的比例,将直接影响脱硫设施对汞的去除效果。在湿法脱硫系统中,洗涤液有时会使氧化态汞通过还原反应还原成元素汞,造成汞的二次污染。使用一些化学添加剂能够阻止这种情况发生。

  2 现有汞排放监测技术

  我国燃煤电厂大气汞污染排放监测正处于探索阶段目前,燃煤电厂大气汞监测技术体系比较欠缺,各级监测部门开展大气汞监测工作也较少,也没有相关的监测设备开展工作。目前烟气中汞的监测方法大致有以下几种。

  2.1 颗粒物中汞的浓度测定

  该方法参照《氢化物发生-原子荧光分光光度法》(《空气和废气监测分析方法》(第四版))。

  原理是通过等速采样,将颗粒物从固定污染源中抽取到玻璃纤维滤筒中或将无组织排放颗粒物收集到过氯乙烯滤膜上。所采集的样品用混合酸消解处理。在酸性介质中,加热消解使样品溶液中的汞以二价汞的形式存在,再被硼氢化钾还原成单质汞,形成汞蒸气,被引入原子荧光光度计进行测定。当将采集10m3气体的滤膜制备成50mL样品时,最低检出限为3×10-3mg/m3。

  2.2 废气中的气态汞浓度测定

  该方法来源于《固定污染源废气汞的测定冷原子吸收分光光度法(暂行)》(HJ/T 543-2009)。原理是废气中的汞被酸性高锰酸钾溶液吸收并氧化形成汞离子,汞离子被氯化亚锡还原为原子态汞,用载气将汞蒸气从溶液中吹出带入测汞仪,用冷原子吸收分光光度法测定。检出限为:0.025μg/25mL试样溶液,当采样体积为10L时,检出限为0.0025mg/m3。

  2.3 美国环境保护署(EPA)推荐的安大略方法(Ontario Hydro Method,简称OHM)

  该方法采用等速取样、加热和防止吸附的手段,具有真实样品的代表性和准确性;采用汞的冷蒸气原子吸收原理分析汞的浓度,因而精度较高;被美国EPA和能源部(DOE)等机构推荐为美国的汞标准测试和分析方法。

  3 监测方法探讨

  (1)煤种的变化、燃烧工况的改变对于烟气中重金属汞的形态分布特征的影响十分复杂,所以进行不同的煤种、不同燃烧工况的情况下汞的排放水平的相关性分析研究是目前需要攻克的难点之一。

  (2)电厂烟道的不同位置,由于受到温度和污染物控制设备的影响,污染物的成分和特性是有差异的,因此,如何采集到具有代表性的样品是准确统计烟气中汞含量的关键和难点。

  (3)采用半自动测汞仪(SCEM)和OHM方法进行比对,实时SCEM采样结果更强烈的受到烟道内湍流烟气中不均匀汞浓度分布的影响。在相对高温环境下零价汞浓度的SCEM与OHM检测结果偏差较大,需要对SCEM采样方法做更多深入的研究与完善。