美国燃煤火力发电厂汞控制技术的发展及现状

美国燃煤火力发电厂汞控制技术的发展及现状一、引言汞是一种地方性、区域性和全球性的污染物，危害人体健康。研究表明，汞与胎儿中枢神经系统先天缺陷、儿童语言和运动能力发育迟缓、儿童自闭症、成年人心血管疾病，包括心脏病发作等有关联。减少汞排放有利于人类健康和环境。汞可以通过多种渠道进入大气，包括自然过程（如火山爆发）和人为活动（如电厂燃煤），现在电厂燃煤已经成为美国最大的人为汞污染源。美国及欧洲国家对工业汞排放控制经验表明，减少汞的排放会迅速和有效地降低食物链中的汞量，进而减少人类对汞的摄入，防止由此而产生的病变和危害。通过控制燃煤电厂汞排放将显著地降低生物群中汞，增强公众的健康。二、美国汞控制的立法和技术发展历程美国最早大规模对工业上的汞排放控制开始于20世纪90年代初，主要针对的是医药废物焚化炉及城市垃圾焚烧炉。从图1中的数据统计可以看出，通过采用汞控制技术，美国人为汞的排放已从1990年的220吨/年降到了1999年的120吨/年。现今美国最大的汞排放源为燃煤火力发电厂。1999年通过10年的研究,克林顿时期的环保署认为对火力发电厂进行汞的控制是“正确和必须的”，计划在2007年达到90%的汞控制率。布什政府废除了这个计划，并在2005年6月制定了清洁空气汞法规“cleanairmercuryrule”，计划在2010年达到20%的汞控制率,并可以交易；最终于2018年达到70%的汞控制率。这个法规相比克林顿时期的决定有着很大的差距，于是20多个州决定自己制定更严格的政策来控制本州火力发电厂汞排放，并同时把布什政府送上了法庭。2008年，美国上诉法庭判决：布什政府败诉，取消“清洁空气汞的法规”并责成布什政府环保署制定更严格的汞控制法规。newjersey，massachusetts，connecticu州政府要求境内火电厂在2008年达到85%的汞控制率；illinois州政府要求在2009年实现90%的汞控制率；pennsylvania州长已签署了在2010实现80%汞控制率的法规；minnesota，maryland，newyork，montana也已经行动起来。新建电厂要执行更严格的政策，工业锅炉、钢厂、水泥厂也将对汞排放进行严格控制。针对燃煤火力发电厂的汞排放，美国对汞控制技术的研究发展进程如下：(1990?1997)基础研究，美国环保署提交国会八卷报告书,结论是汞排放必须控制。(1995?2000)icr数据库对美国200多有代表性的燃煤火力发电厂进行了汞排放的测量及研究，分析了烟气中汞的浓度、形式及自然脱除率，为脱汞技术研究和发展提供基本事实依据。(2000?2007)美国能源部资助现场演示项目，在50多个电厂进行一个月以上的实地测试。一期项目(2000-2003)主要演示各种未处理的活性碳在电厂除汞(主要是焚烧炉除汞技术)，除汞效率低,对次烟煤效果差,需大量的活性碳。二期项目(2003?2006)主要演示了经化学处理的活性碳、汞氧化添加剂的除汞效果。发现溴化活性碳除汞效果显著，活性炭喷射经济有效，尤其是喷射溴化活性炭最为有效。(2005?至今)活性炭喷射（aci）技术商用化，现在全美10%的锅炉已经订购或安装了活性炭喷射系统。三、美国燃煤电厂主要除汞方法所有的煤里都含有或多或少的汞，汞主要富存于煤里硫化矿物中，部分为有机汞。它的含量从几个ppb到几百ppb。它在燃烧中成挥发组分。烟气中汞的存在形式主要有三种：元素汞(hg0)，二价汞(hgcl2，hgo)还有被粉尘吸附的汞，如：未燃炭吸附的汞。烟气中汞的浓度一般是几到几十μg/nm3。它们排放于大气，沉降于地表的水和土壤中，然后进入生物圈，形成污染源。当煤进入锅炉炉膛，在高温下煤中所有形态的汞都挥发成元素汞(hg0)，元素汞随烟气通过水冷壁、过热器、再热器、省煤器后被冷却并进入锅炉尾部烟道。随着烟气温度的降低部分元素汞被烟气里的酸性物质氧化形成二价汞。少数二价汞会被飞灰中的未燃炭吸附形成粉尘“吸附”汞，飞灰及粉尘“吸附”汞可被静电除尘器捕集。又因二价汞溶于水，烟气脱硫装置也可捕集大部分的二价汞；最后从烟囱排到大气的是所有的元素汞和小部分的二价汞(如图2)。现今美国火力发电厂对汞排放的控制主要就是针对的从烟囱排到大气的汞。由于粉尘“吸附”汞和二价汞都可被现成的静电除尘器或烟气脱硫装置所捕获，所以降低元素汞含量，相应增加粉尘“吸附”汞和二价汞含量可有效的控制烟囱汞排放。1.炉后喷射溴化粉状活性炭吸附剂主要就是粉状溴化活性碳在静电除尘器或布袋除尘器前喷入，烟气里的汞和活性碳上的溴反应并被活性碳所吸附，最后被静电除尘器所捕集，图3示意了吸附剂的喷射过程，吸附剂占粉煤灰中的比例取决于喷射率和燃煤的灰分含量，一般在0.1%到3%左右。飞灰里被收集下来的汞不会再次释放从而达到除汞的目的。炉后喷射溴化粉状活性炭吸附剂技术包括选择和生产吸附剂、吸附剂储存和喷射及汞测量三个环节。溴化活性炭吸附剂从生产的工厂运送到电厂，储存于贮料罐中，压缩空气将进料机分配到喷射器的吸附剂注入导管，再通过一批喷嘴喷射到烟气中，连续测汞仪（cmm）将烟气中的汞含量记录下来。吸附剂是该技术的核心。雅保吸附剂技术公司的三种气相溴化汞吸附剂（b-pactm，c-pactm，h-pac）是为不同的应用范围而开发的，都极为有效。b-pac是标准汞吸附剂，能有效地去除烟煤、次烟煤、褐煤或配煤烟气中的汞；c-pac，是为出售粉煤灰在混凝土中部分代替水泥的电厂脱汞而开发的；h-pactm可注入热端esp上游脱除高温（550°f）烟气中的汞。优化的喷射系统可以大大地提高吸附剂的脱汞效率和降低成本。优化的喷射系统将吸附剂颗粒均匀地喷射在烟气中，让吸附剂颗粒涵盖所有的烟道空间，以最快的速度和烟气混合，使吸附剂颗粒与汞化合物最大限度地接触和反应，以达到最佳的脱汞效果。流体动力学计算机模型（cfd）对确定喷射点和优化喷射技术起到了重要的作用。案例：底特律爱迪生×圣克莱尔(detroitedison’sstclair)电厂汞控制st.clair电厂的汞排放情况是一大批美国的燃煤电厂的代表，即电厂仅配有静电除尘器作为粉尘控制设备。美国约有75％的燃煤电厂将要采用st.clair电厂控制汞排放的技术。该电厂燃烧85％的次烟煤和15％的烟煤的配煤。雅保吸附剂技术公司的b-pac和未处理活性炭进行了短期条件试验，测试结果表明，喷射1磅/mmacf的b-pac可以脱除70％的气相汞，3磅/mmacf可以脱除90％以上的气相汞（图4）。锅炉燃烧100％的次烟煤时比正常燃烧85％的次烟煤和15％的烟煤的配煤，脱汞率更高。b-pactm的脱汞效果明显优于未处理的普通活性炭。b-pac被选为长期测试的吸附剂，不间断地以3磅/mmacf的速度喷射了30天，平均94％的汞被吸附（图5）。st.clair电厂汞控制揭示：（1）溴化活性炭b-pactm的脱汞效果明显优于普通活性炭。（2）在仅配有静电除尘器作为粉尘控制设备的电厂，高脱汞率（90％）是能够实现的。（3）喷射溴化活性炭脱汞对电厂的运行没有影响。2.炉前溴化添加剂技术燃煤电厂炉前溴化添加剂脱汞技术就是在电厂输煤皮带上或给煤机里加入溴化盐溶液，也可直接将溶液喷入锅炉炉膛(如图6)。在烟气中溴离子氧化元素汞形成二价汞，脱硝装置scr可加强元素汞和溴的氧化形成更多的二价汞，二价汞溶于水从而被脱硫装置所捕获，从而达到除汞目的。这种技术对装备了scr和脱硫装置的燃煤电厂脱汞效果好，成本低。而且由于加入煤里的溴相对煤里本身含有的氯很少,所以添加到煤里的溴化盐不会对锅炉加重腐蚀。现在很多装备了scr和wfgd的美国燃煤电厂正在测试这种脱汞技术，其中一些电厂已取得了很好的汞控制效果。案例：炉前溴化添加剂脱汞技术在一台60万千瓦燃煤机组的应用（fromrini,m.）在2007年底溴化添加剂脱汞技术被应用到一台装备了脱硝装置(scr)、静电除尘器和烟气湿法脱硫的60万千瓦燃煤机组上，锅炉烧prb煤。溴化钙溶液以4ppm，8ppm，12ppm，22ppm（溴煤比）加入煤中。22ppm溴含量相当于大约11升溴化钙溶液或19公斤溴化钙加入315吨煤里。未控制前汞的平均排放浓度为13微克/米3。锅炉喷入溴化钙溶液后脱汞效果显著（如图7）。在煤里加入4ppm的溴，汞的净脱除率可达到64%，总汞控制率达80%，如果加入12ppm的溴可接近88%的总脱汞率。溴化添加剂脱汞技术在一台装备了scr、静电除尘器和烟气湿法脱硫的60万千瓦燃煤机组上应用证明了溴化钙溶液是一种很好的汞氧化剂，利用烟气湿法脱硫装置能有效的控制汞的排放。而且喷射系统简单，除汞成本低。唯一值得注意的是被控制的汞都进入烟气湿法脱硫装置的排出物石膏或废水里，需要二次处理。但由于除汞成本低，此技术对现今装备了scr和湿法脱硫装置的电厂吸引力非常大。四、总结——燃煤电厂脱汞溴化技术是关键溴化活性炭或溴化添加剂使烟气里的元素汞转化为二价汞，从而使汞能被静电除尘器和脱硫装置所捕获。溴化活性炭吸附剂大大地优于普通活性炭吸附剂，此技术对于只装备了静电除尘器的电厂脱汞效率最高，成本最低。对销售飞灰代替水泥用于混凝土中的电厂，“混凝土之友”的c-pac既可以有效地脱汞，又不吸附aea，可以大大地节约成本。燃煤电厂炉前溴化添加剂脱汞技术则是对于装备了scr，静电除尘器和烟气脱硫装置的电厂脱汞效果好，除汞成本低，是一种非常有发展前景的电厂高效脱汞技术。