燃煤电厂脱汞技术研究与发展.doc

燃煤电厂脱汞技术研究与发展 1 概述 我国是世界产煤大国，煤炭产量占世界的37%，同时也是一个燃煤大国，能源消耗主要以煤炭为主，能源结构中煤的比例高达75%，燃煤产生的污染物SOx和NOx早已引起人们的广泛关注。现在燃煤造成的痕量元素(如Hg、Pb、As、Se等)污染问题也正在引起人们的重视，特别是燃煤造成的汞污染。在世界范围内，由于人类活动造成的汞排放占汞排放总量的10%～30%[1]，燃煤电厂汞的排放占主要地位。据美国环境保护机构估计，1994年至1995年，美国由于人类活动排出的汞达150t，其中约87%是由燃烧源排出的[2]。我国1978年至1995年，燃煤造成的汞排放量累计达到2500t，每年增速为14.8%，2000年燃煤造成的汞排放量估算为273t[3]。 汞作为煤中一种痕量元素，在燃煤过程中，大部分随烟气排入大气，进入生态环境的汞会对环境、人体产生长期危害。烟气中的汞主要以两种形式存在：单质汞和二价汞的化合物。单质汞具有熔点低、平衡蒸气压高、不易溶于水等特点，与二价汞化合物相比更难从烟气中除去。汞的毒性以有机化合物的毒性最大，大量的汞通过干沉降或湿性沉降使甲基汞侵入沉降污染水体。生物反应后形成剧毒的甲基汞，与-SH基结合形成硫醇盐，使一系列含-SH某酶的活性受到抑制，从而破坏细胞的基本功能和代谢。甲基汞能使细胞的通透性发生变化，破坏细胞离子平衡，抑制营养物质进入细胞，导致细胞坏死。汞能在鱼类和其他生物体内富集后循环进入人体，对人类造成极大危害，并对植物产生毒害，导致植物叶片脱落、枯萎[4]。由于汞在大气中的停留时间很长，毒性也大，因此对于汞的排放控制研究已成为研究热点。 2 汞在煤燃烧过程中的化学行为 根据对已发掘煤矿的分析，虽然全球原煤中汞的含量仅为0.012～33.000mg/kg，但是由于煤的大量燃烧，全世界每年燃煤产生的汞总量达到3000t以上[5]。世界范围内煤的平均汞含量约0.13mg/kg，王起超等人曾对中国各省煤中的汞含量进行了测量，汞的平均含量为0.22mg/kg，可见我国燃煤中汞含量普遍偏高，汞在煤中处于富集状态12J。 汞的熔点为-38.87℃，在常温下具有很强的挥发性，这使它在燃煤过程中与其他微量元素有着不同的化学行为。在燃煤电厂中，原煤首先进入制粉系统。煤在破碎的过程中产生热量，一部分汞从煤中挥发出来。煤粉进入炉膛燃烧，高温将煤中的汞气化成气态汞(即单质汞，Hg0)，随着燃烧气体的冷却，气态汞与其他燃烧产物相互作用产生氧化态汞(Hg2+)和颗粒态汞(Hgp)，这3种形态总称为总汞(HgT)。 经过燃烧后，一部分汞伴随着灰渣的形成，直接存留于飞灰和灰渣中；另一部分汞在很高的火焰温度(超过1400℃)下，随着煤中含汞物质的分解，以单质形态释放到烟气中。 进入炉膛的煤粉中的汞，绝大部分在火焰温度下转化为单质汞[6]。任建莉等人研究发现，煤燃烧时汞大部分随烟气排入大气，进入灰渣的只占小部分。飞灰中汞占23.1%～26.9%，烟气中汞占56.3%～69.7%，进入灰渣的汞仅占约2%[7]。因此，控制燃煤汞污染，关键是控制烟气中的汞向大气中排放。 3 燃煤电厂脱汞技术研究现状 煤汞污染的控制方式主要分为燃烧前脱汞、燃烧中脱汞、燃烧后尾部烟气脱汞。目前，国内外对于燃烧中脱汞的研究较少，主要是利用改进燃烧方式，在降低NOx排放的同时，抑制一部分汞的排放。这里主要介绍燃烧前脱汞与燃烧后尾部烟气脱汞。 ① 燃烧前脱汞 洗煤和煤的热处理是减少汞排放简单而有效的方法。传统的洗煤方法可洗去不燃性矿物原料中的一部分汞，但是不能洗去与煤中有机碳结合的汞。这样只能是将煤中的汞转移到了洗煤废物中，但这对减少烟气中的汞还是有积极意义的。在洗煤过程中，平均51%的汞可以被脱除[8]。目前，发达国家原煤入洗率为40%～100%，而我国只有22%。从保护环境和经济可持续性的角度出发，应尽快提高我国原煤入洗率。 由于汞具有高挥发性，在煤热处理的过程中，汞会受热挥发出来。对热处理脱汞技术研究表明[9]，在400℃下可以达到最高80%的脱汞率。然而，在400℃下也发生了煤的热分解，导致挥发性物质的减少，煤的发热量也有很大的降低。热处理脱汞技术还处于实验室阶段，有待进一步研究。 ② 燃烧后尾部烟气脱汞 对于燃煤烟气汞的排放控制，研究者们提出了各种各样的控制方法。目前，尾部烟气脱汞技术的研究主要包括以下几种方法：一种是以活性炭吸附为代表的吸附法，另一种是利用现有脱硫除尘装置的脱汞法，再者就是电晕放电等离子体脱汞法[10、11]、电催化氧化联合处理脱汞法等[12]。选择性催化还原(SCR)技术不但是一种可以有效控制NOx排放的方法，而且对脱除氧化汞也是十分有效的。对德国电厂选择性催化还原设备的入口(温度接近380℃)和出口烟气的检测显示：