燃煤烟气汞污染及其控制技术

醉清风

1、汞污染现状及其危害

全球每年排放到大气中的汞总量约为5000t，其中4000t是人为的结果。造成汞环境污染的人为来源主要是燃烧，其中燃煤导致的汞污染是最为严重的。煤在燃烧过程中产生的汞大部分随着烟气排入大气，成为环境汞污染的主要来源。燃煤电站排放出的汞是我国汞污染的最主要来源，约占汞排量总量的40%。随着燃煤电站总装机容量的持续扩大，汞污染问题更加严重。据浙江大学能源洁净利用国家重点实验室最新研究表明，我国10万kW典型燃煤锅炉总汞排放量在40～50kg/a。2020年我国燃煤电站汞排放量约464～580t，约占同期全球化石燃料燃烧汞排放总量的42.45%～53.06%(联合国环境规划署2008年报告)，形势十分严峻。燃煤电站汞污染已被世界公认为继燃煤硫污染之后的又一大污染问题，尤其是燃煤电站汞排放控制已成为目前国际上的研究热点。

烟气中的汞主要以两种相对稳定的形态存在：气态汞(Hg，g)和颗粒态汞(Hg，p)。气态汞又分为单质汞(Hg0)和氧化态汞(Hg2+)。二价汞化合物比较稳定，易溶于水，易脱除;单质汞挥发性较高、水溶性较低，是最难控制的形态之一。汞及汞的化合物是一种易挥发物质，具有巨毒性和积累性，可以通过呼吸、皮肤吸附或食物摄入等形式进入人体，侵害人的神经系统，尤其是中枢神经系统;通过肺泡吸收，经血液进入全身，伤害脑组织，并引起慢性中毒。同时，汞在大气中停留的时间可长达半年至二年，能在大气层中飘浮成千上万千米，在全球范围内传输，并沉降进入土壤或水体，其毒性在藻类、鱼类和其它动物组织中累积，导致处在食物链顶端的食肉动物体内的汞浓度数千倍甚至数百万倍于水中的汞浓度，从而污染整个食物链，对人类及生物环境造成的危害极大。

2、汞控制技术研究现状

国内外燃煤电站汞排放控制技术的研究主要包括燃烧前脱汞、燃烧中脱汞和燃烧后烟气脱汞三个方面。燃烧前脱汞是通过洗选法除去原煤中的部分汞，但是该方法不能洗去与煤中有机碳结合的汞，而且成本相对较高;燃烧中脱汞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;燃烧后脱汞的方法包括利用一些吸收剂来吸附汞的吸附法，或者改进燃煤电站现有大气污染物控制设备，以提高其协同脱汞的效率。还有一些新的烟气汞脱除技术的研究，如电晕放电等离子体技术等。综合来看，燃烧后烟气脱汞是目前燃煤汞污染控制的最主要方式，相关研究最为广泛。燃烧后脱汞(即烟气脱汞)是未来电厂汞污染控制的主要方式，其脱汞方法主要有吸附剂法、化学沉淀法和化学氧化法。

2.1吸附剂法

吸附法主要是利用活性炭及其他吸附剂的吸附作用来处理污染物的一种常用方法，包括物理吸附和化学吸附两种方式。对于气流中汞等微量有害物质的去除，吸附剂法占据重要位置。一般吸附都兼有物理吸附、化学吸附功能，两种吸附过程可以同时进行。长期以来人们一直在努力寻找新型廉价的吸附剂来降低污染物控制设备的运行费用，但至今都没有突破性的进展。目前，用于烟气脱汞的吸附剂主要有：活性炭、飞灰和金属吸收剂。

2.1.1活性炭

在烟气中喷入活性炭是烟气脱汞技术最为集中且较成熟的一种方法。用活性炭吸附烟气中的汞可以通过以下两种方式，一种在颗粒脱除装置前喷入粉末状活性炭;另一种是将烟气通过活性炭吸附床。尽管活性炭吸附剂在脱除汞方面有着很高的效率，但仍然存在价格昂贵，经济可行性不高等问题，并且还存在很多技术难题。

2.1.2飞灰

燃煤过程中产生的飞灰能吸附烟气中的汞，因此飞灰是影响烟气中汞的形态分布的一个重要因素。由于飞灰容易获得，且价格低廉，受到越来越多人的关注。飞灰

对汞的吸附主要通过物理吸附、化学吸附、化学反应以及三者结合的方式，飞灰吸附主要受到温度、飞灰粒径、烟气气体成分等因素的影响。

2.1.3金属吸收剂

金属吸收剂是利用特定的金属与汞形成合金来除去烟气中的汞，这种新形成的合金在提高温度的情况下能进行可逆反应，实现汞的回收以及金属的循环利用。并且，金属吸收率与汞的化学形态无关，这样采用金属吸收剂就可很好的去除单质汞。

2.2化学沉淀法

化学沉淀法是通过化学试剂与汞发生化学反应生成沉淀，从而将汞除去。目前，应用比较多的方法主要有：碘化钾溶液洗涤法、氯化法除汞、硫化钠法。

2.3化学氧化法

烟气中的Hg2+化合物较易溶于水，在湿法烟气脱硫系统(WFGD)中，无论是用石灰或石灰石或是活性炭作为吸收剂，均可除去约90%的Hg2+，而对Hg0没有明显的脱除作用。通过某些物质的催化作用将Hg0氧化成Hg2+化合物，然后再采用常规的方法去除Hg2+，将单质汞转变成二价汞就比较容易去除了。

2.4其它方法

美国能源部国家能源技术实验室采用模拟燃煤烟气，在实验室内研究了紫外线照射烟气脱汞技术。在536～662℃，采用波长为253.7nm的紫外线进行照射，这种波长的紫外光能促进汞与烟气中的其它组分发生反应，生成硫酸亚汞和氧化汞，然后通过除尘设备除去。在实验室试验中，汞的脱除率达70%。但是，紫外线除汞技术的投资比活性炭喷射法还要高，这给该技术的推广带来困难。

3、现有烟气处理设备脱汞效果

3.1除尘设备脱汞效果

常规的电除尘器和布袋除尘器能有效地捕获烟气中的颗粒物，并能够有效脱除Hg(p)，而气态汞能被吸附在飞灰上，并在电除尘或布袋除尘中被捕获。

在利用现有烟气净化装置除汞的研究中，最值得关注的是目前国内正在推广使用的电袋复合除尘器的除汞研究。电袋复合除尘器是一种兼具电除尘和袋式除尘技术优点的全新除尘技术，是国际除尘技术的重要发展方向。常见的电袋复合除尘器为前电后袋式结构(图1)，它具有投资少、占地面积小、运行阻力低、除尘效率高等优点，并可以实现烟尘排放长期稳定控制在30mg/Nm3以下，是高效收尘与低成本运行有机结合的新一代环境保护除尘产品。因此，研究电袋脱汞对于实现多污染物协同脱除具有重大意义。

3.2脱硫装置脱汞效果

3.2.1干法脱硫装置对汞脱除的效果

在干法脱硫系统中，颗粒态汞Hg(p)很容易被除去，Hg0和Hg2+能潜在地被吸附在飞灰、硫酸钙或亚硫酸钙颗粒表面。当烟气通过ESP或FF时，颗粒汞能很容易被吸附和捕获。

3.2.2湿法脱硫装置脱汞效果

Hg2+易溶于水，能被湿法烟气脱硫(WFGD)循环液吸收，吸收效率可达69%。然而气态单质汞Hg0难溶于水，不能被循环液吸收。值得注意的是，对于大多数结合湿法洗涤的污染物控制系统，能够脱除90%的Hg2+，但是对于Hg0不但不会被吸收，还略微有所增加，增加的原因是部分Hg2+被还原。

3.3脱硝设备脱汞效果

选择性催化还原(SCR)装置在还原NOx的同时能够将Hg0氧化成Hg2+。Hg2+相对更易被湿式喷淋装置脱除。Hg0被SCR装置催化氧化效率的高低受催化反应器的空塔速度、反应的温度、氨的浓度、催化剂的寿命、气流中氯的浓度等因素影响。

4、烟气脱汞发展趋势

对于汞污染控制方法，不论是成熟的，还是尚处于研究发展过程中的，均有望在电厂中得到贯彻实施，而具体的应用效果则取决于各项技术的发展水平和商业竞争力。基于当前的发展水平，吸附剂喷射、湿法FGD和煤的洗选是最有效的脱汞方法，电厂应结合自身条件和现场工况来选择适宜的脱汞方式。未来烟气除汞的研究将围绕这三种方法展开，特别是结合现有除尘、脱硫和脱硝装置，通过改性吸附剂、改进工艺等形式来提高烟气脱汞效率，达到除尘脱汞一体化治理。