我国燃煤锅炉汞减排工艺措施探讨

2汞减排措施

欧洲燃煤电厂大气汞排放量由1995年的52吨下降至2005年的29吨[7]。这样显著的减排效果是通过燃料替代（煤改气）、提高工厂能效以及利用二氧化硫和氮氧化物控制设施的协同效应综合实现的。

美国环境保护署通过调查总结了燃用不同煤种和使用不同燃烧后控制设施电厂总汞平均减排量。受煤种，飞灰（包括未燃碳）特性，污染物控制装置及其他因素的影响，不同控制技术对汞的脱除效率可以从微量到高达90%以上[12]。根据国美国燃煤汞排放控制技术和实践经验，通过综合分析煤质、燃烧方式、现有污染物控制设施及运行状况的基础上，采取提高能效措施，燃烧前洗煤或混煤，充分利用现有的大气污染控制设备，在必要时增加专门控汞技术——活性炭喷射脱汞技术（ACI）等措施可最大限度地控制燃煤汞排放。

2.1提高工厂能效

对任何燃煤锅炉及其大气污控设备运行情况而言，其汞排放量取决于单位产品/发电耗煤量。因此，减少单位产品/发电耗煤量，就可全面减少工厂汞排放量。这可以通过提高工厂能效的措施来实现，这些措施包括：替换/升级燃烧炉，改进空气预热器，改进省煤器，燃烧调整及燃烧优化，短期循环最小化，气热传送设施表面沉积物最小化以及空气泄漏最小化。因此，汞减排首先应考虑采取一切可行措施提高工厂能效。提高工厂能效不仅可以减少汞排放，同时还可减少包括温室气体在内的其他污染物的排放。

2.2煤处理

提高锅炉能效，去除汞的煤处理技术包括:传统洗煤、选煤、配煤和使用煤添加剂。传统洗煤虽然主要目的是使煤中灰份和硫含量最低化，但它同时也能减少煤中汞含量。选煤包括洗煤以及为减少煤汞含量而进行的额外处理。其他煤处理技术（配煤和使用煤添加剂）主要是通过促进燃烧过程中汞的化学转化和燃烧后脱汞以便最大限度采取协同效应减少汞排放。

2.2.1洗煤

洗煤是提高能效的重要因素，因为它能减少灰份，从而提高热值。煤矿中的原煤含岩石，粘土及其他矿物杂质。当对原煤进行加工（或清洗）时，可减少灰份，增加热值，减少硫及汞的含量，传统洗煤将不可燃烧的矿物质夹带的汞份去除，但不能去除煤中与有机碳结构结合的汞。汞去除率的差异可能与洗煤的工艺种类和煤体汞的特性有关。此外，煤炭除了一些金属汞之外，可能含有汞与黄铁矿或有机成分的结合体。较重的黄铁矿可以通过基于密度的工艺去除，但基于硫的工艺却无法将它驱除，因为黄铁矿与有机物的表面特性相似，很难将二者分开。为进一步提高除汞效率，可采用先进的洗煤技术，如使用天然微生物和温和的化学反应等。

2.2.2煤的改质

煤的改质可在洗煤的基础上改善煤的性质。洗煤作为主要手段，然后用额外的处理方法来减少煤的含汞量。煤改质的一个例子就是K-燃料工艺。该工艺也可称作燃烧前多污染物控制工艺，因其不仅可以降低颗粒物，二氧化硫和氮氧化物排放，还可减少汞的排放。K-燃料是从次烟煤或褐煤中改质出来的煤。该燃料低灰，高热值，要比未处理的煤排放更少的污染物。它使用可以改善煤质的燃烧前工艺——包括去除汞，湿份，灰份，硫和一些燃料氮氧化物的前身。这些成分在电厂燃煤之前就得以去除，因此就减少了安装后燃烧控制需求。

2.2.3煤混合/替代

烟煤在烟气中生成的氧化汞远比次烟煤生成的要多出很多。因为氧化汞是水溶性的，它更容易在烟气脱硫设施中捕获。因此，烟气脱硫设施的汞捕获效率很大程度上取决于烟气脱硫设施入口处氧化汞的含量，在烟煤与次烟煤混合中，烟煤的比例越高，烟气脱硫系统的汞捕获量就越多。可见，混合煤可以使汞捕获量增加近80%。这种在煤混合中，越多的烟煤导致越多的汞捕获量趋势，如果在烟气脱硫系统的上游安装选择性催化还原系统（选择性催化还原)，就会更加明显。

另一种配煤形式是将生物质和/或废物与煤混烧。考虑到生物质是碳零排放的特点，作为共同燃料的生物质的用量可能会增加。这意味着单位产品将燃烧更少的化石燃料。

2.2.4煤添加剂

氧化汞随着煤中氯含量的增加而增加。然而，煤中氯含量常常不足以生成高水平的氧化汞。通过加入卤素化合物，如溴或氯盐，也可选择使用氯化氢(HCl)或氯化氨(NH4Cl)，来解决这一问题。卤素添加剂可氧化金属汞，为下游设施捕获汞做准备。它们可能对使用含低氯的次烟煤的燃煤锅炉烟气除汞很有帮助。这些添加剂可喷在煤上，注入锅炉，或在磨煤机上游以固态形式添加。燃烧前将氯化氢向锅炉注入或直接加入煤体，会加快锅炉的腐蚀。为减少腐蚀的可能性，可以在选择性催化还原工艺中加入氯化氢。

2.3协同效应除汞

利用非汞大气污染物控制设备，实现协同效应除汞，有两个基本模式：一是去除湿法烟气脱硫洗涤器中的氧化汞，二是去除颗粒物控制设施（静电除尘或布袋除尘）中的颗粒汞。因此，协同效应除汞量会随着烟气总汞中氧化汞含量的增加而增加。可以通过添加化学化合物（氧化剂）或催化剂，对汞进行氧化。催化剂可以专门为生成氧化汞而放置在烟气中，或用于其它用途（例如，控制氮氧化物排放），从而达到协同效应。根据污控设施的不同，汞去除量也各不相同。

2.3.1湿法烟气脱硫设施协同效应除汞

如上所述，气态氧化汞通常是水溶性的，因此湿法烟气脱硫设施可以有效地捕获这些成分。但是气态零价汞是非水溶性的，因此不能被吸收剂捕获。当二价汞的气态化合物在湿法烟气脱硫系统中，被液体吸收剂吸收时，其溶解物质与烟气中的溶解硫化物（如硫化氢）发生化学反应，生成硫化汞；硫化汞在液体溶剂中以污泥形式出现。在液体溶剂中缺少充足的硫化物，因此它与亚硫酸盐发生反应，并将二价汞还原成零价汞[13]。当这个还原发生时，零价汞被传送到烟气中，从而增加了烟气中零价汞的含量。二价汞还原及零价汞的再释放现象，尤其在镁强化的石灰洗涤器中更为突出。这些洗涤器与石灰石系统相比，亚硫酸盐含量更高。在一些情况下，硫化物试剂可以减少二价汞还原成零价汞的数量。此外，吸收剂中的过渡金属（由烟气中的飞灰生成）在转化反应中非常活跃，可以作为催化剂或反应物，来还原氧化物种。在湿法烟气脱硫系统中随着液态汞含量的增多，汞的再释放潜力似乎很大。

2.3.2氮氧化物控制技术的协同脱汞效应

在一定条件下，选择性催化还原催化剂，可以通过促进零价汞而生成二价汞，并改变汞的化学形态。使用烟煤更是如此。需要指出的是，选择性催化还原本身并不能除汞，而是增加了湿法烟气脱硫上游二价汞的数量，因此增加了湿法烟气脱硫中的汞捕获量，从而达到协同除汞的效果。

选择性催化还原催化剂究竟能氧化多少零价汞，以及在湿法烟气脱硫中能去除多少氧化汞，都取决于以下几方面的要素:（1）煤的氯含量，（2）处理气体所需的催化剂，（3）选择性催化还原反应，（4）氨的浓度及其在烟气中的分布，（5）催化剂的已使用年限。

因为氮氧化物控制策略涉及选择性催化还原的运行参数，包括温度、烟气中氨的浓度、催化剂床的尺寸及催化剂已使用的年限，因此，优化除汞的关键是煤炭中氯的含量。

因此，要想在燃用低质煤的锅炉，通过使用选择性催化还原，将零价汞转化为二价汞，除了需改变氮氧化物的控制参数之外，还必须改变烟气中的化学成分（如烟气中活跃的氯含量）或降低催化剂温度。因此，通过适当的混合煤，可以优化选择性催化还原的协同效应。

2.3.3颗粒物控制设施协同脱汞

了解颗粒物控制设施的功效很重要，因为它会影响汞减排的能力。通过提高颗粒物收集器的效率提高或改造烟气性质，可使其脱汞能力更加完善。

（1）静电除尘器

静电除尘实际去除的汞量因具体位置而异，它与静电除尘器的设计，燃煤的类型及其生产的参数（飞灰中未燃烧碳的数量）都息息相关。

静电除尘器在收集颗粒物过程中，通常只去除颗粒汞。颗粒汞通常与未燃烧碳相结合。与飞灰中未燃烧碳相比，汞吸收无机成分的能力（飞灰）通常很低。未燃烧碳的数量是影响汞吸收的主要因素，与静电除尘器汞去除率密切相关。通常在使用高氯煤的锅炉，烟气中会产生更多的未燃烧碳，安装静电除尘可以捕获更多的汞。研究发现[14]：当飞灰中未燃烧碳的数量随着颗粒物的减少而下降时，未燃烧碳的汞含量通常随着颗粒物的减少而增加。研究资料表明[15]：静电除尘器所捕获的飞灰中,当有5%的未燃烧碳时，汞捕获率在20～40%之间。未燃烧碳的含量更高时，其汞捕获量可以高达80%。未燃烧碳除其含量之外，其特点如表面特性、颗粒物的尺寸、它的多孔特性及其成分，都可能会影响静电除尘的汞捕获量。其它影响从飞灰中汞捕获量的主要因素还包括静电除尘器的温度和煤的类型。这两个参数都会促成氧化汞和颗粒汞的形成，因而使其在静电除尘中比零价汞更容易捕获。因此，静电除尘效率的提高，和细微灰尘及未燃烧碳捕获数量的增加都可能会减少汞排放。