燃煤电厂烟气脱汞技术与应用前景分析

燃煤电厂烟气脱汞技术与应用前景分析

季财辉

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摘要：汞是一种有毒金属，可在生物体内积聚，并通过食物链传递。在环境中任何形态的汞都可在某种条件下转化为甲基汞，汞污染对环境及人类危害较大。燃煤电厂是目前最大的人为汞排放源本文主要分析燃煤电厂烟气脱汞技术与应用前景分析

关键词：脱汞；燃煤；烟气

引言

目前对燃烧前与燃烧时脱汞技术的研究还不成熟，但是洗煤技术成本低廉、循环流化床有利于脱硫脱硝，这都将有利于脱汞技术发展。

1、燃煤烟气中汞的存在形式

在燃煤烟气中汞主要以三种形式存在，分别是：气态单质汞（Hg0）、气态二价汞（Hg2+）、颗粒态汞（Hgp）。通常Hg2+易溶于水，可被锅炉尾部湿法脱硫工艺捕集；Hgp可被后续除尘系统除去；单质Hg0挥发性强，在大气中停留时间长，且最难脱除，是脱汞技术研究的重点、难点。影响烟气中汞存在形态的因素很多，主要有煤种、燃烧方式、燃烧温度、烟气成分等。弄清汞的存在形式对烟气脱汞技术的选择很重要。

2、烟气脱汞技术

2.1燃烧前脱汞

燃烧前脱汞技术有很多，目前主要是选煤技术与煤的热解技术。选煤技术是通过物理、化学、物理化学以及微生物的方法将原煤中的杂质（矸石、伴生矿物、有害物质等）分离出来，从而选出符合用户要求的精煤。选煤技术在脱除煤中汞的同时降低煤的水分、硫分和灰分，提高煤的热值，是一个成本低廉、经济实惠的工艺。对于脱除下来的汞的处理，目前煤中汞含量与煤种、分选技术等有很大的关系，所以洗煤技术中的脱汞技术还需完善。量化了煤中有害元素的环境标准含量限值，其中汞是0.13μg/g，如果煤中汞含量超过此限值，燃煤就可能造成环境污染。通过测试我国3个洗煤厂不同洗选产品中汞的含量，发现汞在中煤、矸石和煤泥中会被富集，且矸石富集程度最为严重。这意味着，在煤的洗选过程中，中煤、矸石和煤泥中汞含量可能会增加，并超过煤中汞的环境标准含量限值（0.13μg/g），造成环境污染。煤的热解技术原理是利用汞的高挥发性特质，在煤不断加热过程中，汞会由于受热而挥发出来。通过实验研究发现：燃煤热解过程中，汞释放受温度影响较大，随着温度升高，汞的释放会急剧上升，释放的汞蒸气以元素汞为主。由于热解温度升高会降低煤的热值，不利于后续发电，而元素汞的脱除费用昂贵，所以热解技术脱汞目前还不成熟。

2.2污染物控制设备脱汞技术

污染物控制设备的除汞技术主要包括静电除尘器(ESP)、袋式除尘器(FF)和湿法脱硫装置(WFGD)。ESP主要影响Hgp，对气态Hg0和Hg2+含量影响不大。研究了燃煤烟气净化设施对汞排放特性的影响。实验表明，烟气中汞的比例可以从电除尘器前的5.7%降低到电除尘器后的几乎为零。FF不仅能去除Hgp，而且飞灰滤饼中高比表面积的未燃碳能有效氧化吸附Hg0。研究表明，电除尘器只能去除烟气中不到20%的汞。单独使用除尘设备除汞效率较低，不能满足汞排放要求。WFGD主要用于去除Hg2+。烟气经过WFGD后，总汞的平均去除率一般为7% ~ 57%，Hg2+的去除率可达90%左右，但Hg0的捕集效果不好，去除率几乎为零。燃煤烟气中的汞主要以Hg0的形式存在，因此需要考虑将烟气中的Hg0氧化成Hg2+后再由WFGD去除，同时还要考虑Hg0的二次排放。烟气中的飞灰、HCl和NOX会影响Hg0向Hg2+的转化率，从而影响烟气脱硫的除汞能力。为了提高除汞效率，充分利用这些除尘设备，常用的方法是结合吸附法。上一节提到的吸附剂可以不同程度的吸附烟气中的汞，通过改进催化作用，吸附能力得到了很大的提高。汞污染物从气态转移到固体产品，如粉煤灰。因此，汞对这些固体产物的稳定性、对自身的影响和二次污染仍然值得研究者关注。

2.3光催化氧化脱汞技术

光催化氧化除汞技术是通过光催化氧化手段去除烟气中汞的重要手段。其原理是用紫外光或可见光照射半导体材料，激发电子从全价带跃迁到空导带，并在价带产生带正电荷的空穴，从而产生强氧化性自由基，高效氧化Hg0，而氧化产物Hg2+在吸收介质中被吸收和去除。与其他传统除汞技术相比，该方法具有去除效率高、成本低、环境友好、二次污染少等优点。在光催化剂的研发中，二氧化钛因其活性高、稳定性好、无二次污染、安全无毒、成本低廉而得到广泛研究。

3、未来脱汞技术展望

3.1协同脱汞

实现多种污染物的协同去除是一种高效、经济的途径。目前，根据汞的排放特性，研究协同汞去除的污染物包括一氧化氮、二氧化硫、盐酸和PCDD/氟硫等。采用溶胶-凝胶法制备了TiCe0.25Sn0.25Ox，催化剂对NO和Hg0有很好的协同去除作用。MnOx/TiO2催化剂在不同气氛下协同脱除NO和Hg的实验表明，催化剂的活性也受气氛的影响很大。在选择性催化还原气氛下(NH3+NO+O2+N2)，催化剂具有良好的反应活性。但在含有SO2的烟气中，活性会受到明显抑制。提出了一种SO2和汞的协同去除方法，分为两个阶段。第一阶段是用硫酸铁可以吸附烟气中90%的SO2，第二阶段是用0.1g/LHgSO4，1.0%H2O2和H2SO4的组合吸收液可以去除95%以上的Hg0和剩余的SO2。这也减少了SO2对汞去除的不利影响。CuBTC金属有机骨架用于汞的捕集，当HCl浓度为15ppm时，汞的去除效果最好。因此，最终生成的氯化汞为协同脱汞和脱氯提供了研究方向。同时，脱氯是控制有机污染物PCDD/氟的一个重要步骤，这也提供了协同去除PCDD/氟和汞的可能性。

3.2用纳米吸附剂除汞

高比表面积是提高除汞效率的重要因素。为了进一步提高吸附剂的比表面积，将纳米技术应用于吸附剂改性是一个很有前途的研究方向。目前，学者们在各种纳米材料方面进行了有益的探索。在多层碳纳米管的基础上，对二氧化钛进行改性，用于光催化除汞。碳纳米管的作用是抑制二氧化钛的生长，改善光催化剂的孔特性。高比表面积有利于吸附气态氧。透射电镜测试表明，表面化学吸附的氧和碳氧键可作为除汞的活性位点。氧可以促进Hg0的去除，因为它可以补充表面化学吸附的氧，辅助电子空位对的分离。采用纳米银对锆金属有机材料UiO66进行改性，以达到除汞的目的。研究表明，纳米银对UiO66的晶体结构和形貌没有影响，纳米银改性可以提高UiO66材料的氧化还原性能，表现出较高的热稳定性和比表面积。脱汞机理是低温下银汞合金的形成和吸附通道的形成。高温下用Ag活化氧实现氧化，形成陷阱通道。一些学者对纳米吸附剂制备中的具体参数进行了优化。

3.3可再生脱汞

为了进一步降低脱汞成本，一些学者尝试了可再生脱汞技术。制备了汞吸附剂cuxmn (3-x) O4尖晶石。程序升温脱附实验结果表明，经过10次循环再生后，CuMn2O4尖晶石的除汞效率仍在95%以上。选择磁性天然铁矿石作为除汞吸附剂，在模拟烟气条件下，在固定床反应器中进行除汞性能测试，并对其回收性能进行分析。测试结果表明，在100℃时，除汞率最高，可达96.67%。10次吸附回收实验的汞去除率均在80%以上。针对低氯或无氯烟气，选择磁珠作为载体，负载活性组分(Co3O4)或(CuCl2 _ 2)，提出磁珠再生除汞的工艺路线，即， 磁珠磁选→磁珠催化剂制备→在静电除尘器最后一个电场前将磁珠喷入烟气中捕获零价汞→除尘器从烟气中捕获磁珠和细颗粒飞灰→磁珠再次与飞灰磁选→磁珠活化/再生、回收和释放。 实验结果证实了磁珠的良好重现性。可见，进一步增加除汞吸附剂的循环次数是降低吸附剂应用成本的有效措施。在增加吸附剂循环次数的研究中，结合工程应用，更需要有可实施的条件参数。对于各种可再生除汞吸附剂的经济评价，需要结合循环次数建立吸附剂生命周期综合评价指标。

结束语

利用现有设备脱汞，资金投入较少，可以节约设备占地面积，有利于现有的燃煤电厂改造。将现有设备与吸附剂脱汞结合起来，可以大大提高对Hg0的控制，实现脱硫脱硝一体化。

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