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美国新出台的“汞及大气有毒物排放标准”(MercuryandAirToxicsStandards,MATS)于2016年春季生效。为达到MATS标准,美国的公用事业行业已在数百个燃煤电厂安装了汞排放控制设施。与此同时,发展中国家的公用事业运营部门也在关注有关颗粒物、硫氧化物和氮氧化物排放的新规定。但就全球人为汞排放的分布[1]来看,这种有毒物质的排放强度与对燃煤发电的依赖程度有极高的相关性。此外,由个体和小规模金矿开采和燃煤导致的汞排放占总排放量的60%,其中黄金开采约占50%,高于燃煤的比例。这使得实际情况更加复杂。发达国家的电厂已经应用了汞排放控制技术。为了有效降低全球汞排放,发展中国家也亟需应用该技术。
在联合国环境规划署(UnitedNationsEnvironmentProgramme,UNEP)牵头组织下,各国齐心协力全方位控制汞排放,制订了《水俣公约》[2]。在控制汞排放的技术层面,联合国环境规划署发布了《汞排放识别和量化标准工具包》(MercuryInventoryToolkit)[3],作为地方实地测量团队检测汞排放的技术与工具。该《工具包》已为俄罗斯、南非、印度、中国、泰国、印度尼西亚和越南等国的发电厂提供了指导。无论是在国家、地区还是地方层面,联合国环境规划署都十分支持电厂的汞排放控制工作,也十分支持个体电厂的汞排放控制战略规划。为此,环境署开发了“过程优化指南”(InteractiveProcessOptimizationGuidance,iPOG)程序。这个操作简便的计算机程序以美国公用事业公司在现场试验获得的大数据库为依据。利用该程序,非专家人士可以简便地估计实际燃料或虚拟燃料以及电厂煤气净化装置的汞排放量。本文将介绍该程序的界面、用户体验和输入数据的要求。此外,本文也将通过案例分析来展示iPOG的强大功能。
通过广泛的研究和开发,最先进的汞排放控制优化系统已经可以使用
汞排放的演化过程
燃煤烟气中的汞有三种存在形式:单质汞(Hg0)、与氯或溴结合的二价汞(Hg2+)和吸附在飞灰上的固态颗粒汞(HgP)。烟道气中的悬浮物被称为飞灰,主要来自煤或燃烧过程中的矿物质和未燃碳(unburnedcarbon,UBC)。存在于氯蒸气和溴蒸气中的未燃碳极易吸附Hg0和Hg2+。在控制汞排放过程中,需要通过净化系统尽可能地将Hg0转化为HgP和Hg2+。烟道气中吸附在颗粒上的汞元素最容易被颗粒控制装置捕捉,因此最理想的方法是将汞元素转化为HgP,以便于捕捉。无论电厂安装的是静电除尘器、纤维过滤器还是文丘里湿式洗涤器,都能够捕捉所有的HgP。
烟气脱硫(FGD)洗涤器在捕捉二氧化硫的同时,还能收集所有随烟气进入的Hg2+,但是捕捉不了Hg0,因此Hg2+的存在形态是较为理想的。在该过程中所捕集的汞最终被分解成最细微的颗粒,用来制造燃煤电厂中常见的盈利性副产品——石膏。由此可见,控制汞排放有两个关键步骤:一是尽可能地把烟气脱硫洗涤器上游的Hg0氧化为Hg2+;二是尽可能地把颗粒收集装置上游的Hg0和Hg2+转化为HgP。
汞排放控制是一项极具挑战性的工作。首先,煤炭中汞的含量一般约为100ppb。经过燃烧之后,汞含量就会被稀释为约10ppb。为了使读者更好地理解该浓度,文中以足球场和乒乓球类比。例如,一个巨大的足球场里布满了白色的小乒乓球。如果向其中添加几把黑色乒乓球,大约就是10ppb左右的浓度。这个过程就如Hg0从锅炉移动到煤气净化系统中浓度的变化。汞排放控制过程就如在这些乒乓球飞速流出门口期间只捕捉黑球的过程。
第二,另一个障碍是,锅炉和净化系统的数目决定汞的捕集量和泄漏量(请参照文献[4])。如果在气流到达颗粒收集装置之前,相对未燃碳,煤中的氯含量不足以结合汞元素,或者烟道气中的氯和未燃碳的比例不足以把所有的Hg0转化为HgP,那么操作人员可以在将煤填入锅炉之前,把溴溶液喷到煤的表面上,也可在颗粒收集装置上游的烟道气中注入活性炭以补充未燃碳。
第三,虽然有几种技术可以达到排放控制目标,但成本却截然不同。一般而言,当前和即将实施的排放规定十分重要。它们决定了能否仅对颗粒物、氮氧化物和硫氧化物的排放控制设施进行微调或补充就能达到汞排放标准;或者是否需要额外增加汞排放控制技术。第一个方案具有协同效益的优势;第二个方案需要使用专门的或外部的汞排放控制设施。这两种控制模式都可通过iPOG来分析。
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