燃煤电厂汞排放特性实验研究

1、第37卷第5期2007年9月东南大学学报(自然科学版)JOURNALOFSOUTHEASTUNIVERSITY(NaturalScienceEdition) Vol 37No 5Sep.t2007燃煤电厂汞排放特性实验研究杨立国 段钰锋 杨祥花 江贻满 王运军 赵长遂(东南大学洁净煤发电及燃烧技术教育部重点实验室,南京210096)摘要:选取了我国6个比较有代表性的燃煤电厂,采用美国EPA推荐使用的OH方法,对其入炉煤、底渣、飞灰、脱硫产物及烟气进行了取样分析,并针对系统汞的排放进行了平衡计算.测量了不同电厂的除尘器灰的含碳量,以分析其对飞灰中汞富集因子的影响.实验结果表明:在所测的6个燃煤电

2、厂中,底渣排汞量不到总汞的1%,煤中的汞在燃烧区域以后绝大部分以气态和飞灰吸附态的形式排放,并随着机组容量的增大,气态汞的排放比例也有所增大.飞灰中的残碳对气态汞向飞灰的富集有促进作用,飞灰的含碳量与飞灰中汞的富集因子呈正相关关系.烟气中的氯元素可以提高可溶性二价汞的含量.实验研究表明,循环流化床燃烧方式可以极大地减少气态汞的排放量,其机理还有待于进一步研究.关键词:燃煤电站;汞排放;汞平衡;飞灰+中图分类号:TK224 93 文献标识码:A 文章编号:1001-0505(2007)05 0817 05Mercuryemissioncharacteristicsfromcoal firedpo

3、werplantsYangLiguo DuanYufeng YangXianghua JiangYiman WangYunjun ZhaoChangsui(KeyLaboratoryofCleanCoalPowerGenerationandCombustionTechnologyofMinistryofEducation,SoutheastUniversity,Nanjing210096,China)Abstract:Toevaluatethemercuryemissions,andtocomprehendandcomparethespeciationcharac teristicsofmer

4、curyindifferentpowerplants,sixrepresentativecoal firedpowerplantswereselected,ofwhichtherewerefivepulverizedcoalboilersandonecirculatingfluidizedbedboiler,whosecapaci tiesrangedfrom50MWto600MWwithdifferentfluegascleaningupdevicessuchaselectrostaticprecipitator(ESP),fabricfilter(FF)andfluegasdesulfur

5、ization(FGD).Samplesoffeedingcoa,lbottomash,flyash,desulfurizationsorbentandfluegasweretakenattheinletandoutletofpollutioncontroldevicesfromthesixdifferentcoal firedpowerplants.Theresultsofmercuryemissionandmercurybalanceshowthatthemercuryspeciationdistributionchangesgreatlydependingoncoaltypes,comb

6、ustionboilersanddifferentairpollutioncontroldevices(APCD).Theflyashexertsdif ferentinfluencesonmercuryadsorption,andthechlorinecontentinfluegascanconvertmoreoxidizedmercury.Itisshownthatcirculatingfluidizedbedcombustion(CFBC)candecreasethetotalgaseousmercuryemission,howeverthemechanismneedstobefurth

7、erinvestigated.Keywords:coal firedpowerplan;tmercuryemission;mercurybalance;flyash汞是一种神经毒物,而且是一种生物积累物质,对人类健康威胁很大.研究表明1,燃煤汞排2中国一次性能源以煤炭为主,1995年我国煤炭消3耗量为13 8亿,t居世界第一位,中国燃煤大气汞排放量自1978年至1995年年平均增长速度为44 8%,全国累积汞排放量为2493 8t.煤炭利用过程中,大量的汞被释放到大气中,对人类健康造成直接或潜在的危害.本文采用美国国家环保署(EPA)标准燃煤电厂汞取样分析方法对选取的我国6个燃煤电厂进行了系统

8、全面的取样分析测试研究工作,获取了我国现阶段燃煤电站配置条件下汞排放特性的实验放是主要的人为大气汞排放源.根据Chu等研究,目前全球人为源汞散发量约4000t/a,1995年中国燃煤大气排汞量为213 8,t约占总量的5%.收稿日期:2007 01 08.基金项目:国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2002CB211604,2006CB200301)、985教育部 振兴行动计划 一期联合资助项目.作者简介:杨立国(1978!),男,博士生;段钰锋(联系人),男,博,.818东南大学学报(自然科学版) 第37卷数据,掌握了目前我国部分燃煤电厂汞排放现状和规律,为将来我国燃煤电厂汞排

9、放控制政策的制定提供了有益的参考.厂锅炉系统进行实验研究,各个电厂系统配置如表1所示.实验对电厂的入炉煤样、底渣、预除尘器灰、除尘器灰、脱硫产物和烟气等进行了取样分析研究.固态产物的取样与烟气采样同时进行.取样点的布置如图1所示.1 实验系统本文选取了我国6个比较有代表性的燃煤电表1 6个燃煤电厂锅炉容量和污染物控制装置电厂1#2#3#地点北京内蒙古内蒙古内蒙古河北江苏锅炉类型W型火焰、飞灰复燃、液态排渣直流炉四角切圆燃烧方式煤粉炉单炉膛 型煤粉炉直流式燃烧器四角切圆燃烧方式、固态排渣煤粉炉四角切圆方式、单炉膛 型露天布置、固态排渣煤粉炉固态排渣、超高压循环流化床蒸汽锅炉机组容量/MW2202

10、0050600600135设计煤种神华煤准格尔烟煤准格尔烟煤准格尔烟煤神华煤混和煤种污染物控制静电除尘器布袋除尘器布袋除尘器静电除尘器静电除尘器+湿法脱硫静电除尘器4#5#6#称重后立即送入全自动测汞仪HydraAA进行检测.固态产物中汞含量的测定采用全自动汞测量仪DMA80来进行,DMA80固液相自动测汞仪将样品的加热过程和原子吸收光谱检测装置集于一身,能直接测定固体或液体中的总汞含量.图1 电场飞灰取样点示意图烟气取样采用美国环保署(EPA)和能源部(DOE)等机构推荐的汞测试分析的标准方法OH方法,如图2所示,其流程为:采样系统从烟气流中等速取样,取样管线的温度维持在120以上.取样系统

11、主要由石英取样管及加热装置、过滤器(玻璃纤维滤筒)、吸收瓶(置于冰浴中)、流量计、真空泵等组成.颗粒态汞由位于取样枪前端的玻璃纤维滤筒捕获,氧化态汞由3个盛有KCl溶液的吸收瓶收集,元素汞由1个装有HNO3+H2O2溶液和3个装有KMnO4+H2SO4溶液的吸收瓶收集,最后由盛有干燥剂的吸收瓶吸收烟气中的水分.取样结束后,进行样品的恢复和消解;所有消解过的样品除尘器前不同形态汞排放量02+HgPHgHg0 720 070 0210 812 00 720 862 552 8086 713 20 377 990 310 030 020 001 31图2 OH方法烟气汞等速取样系统简图2 结果与分析

12、通过对6个燃煤电厂全负荷运行条件下的煤、底渣、飞灰、烟气(及脱硫产物)汞浓度数据和运行工况的计算分析,可以得到电厂在全负荷运行工况下的汞平衡,如表2和图3所示.g/hWFGD脱除汞!0 86!脱硫装置后不同形态汞排放量02+HgPHgHg!9 740 410 00!表2 不同电厂不同形态汞的排放量电厂#1#2#3#4#5#6煤中底渣汞中汞0 810 0026 40 048 700 0169 60 2810 00 752 720 13除尘器脱除汞0 040 454 402 120 041 97除尘器后不同形态汞排放量02+HgPHgHg0 570 050 005 7017 60 000 181

13、170 1536 530 90 009 541 230 000 010 000 022.1 汞平衡及排放因子煤燃烧后,汞被再分配到粉煤灰、炉渣和烟气中,通过实验研究,发现所测试的6个电厂中,进入飞灰中的汞占3 3%99%,其中江苏某电厂135第5期杨立国,等:燃煤电厂汞排放特性实验研究表3 各个电厂飞灰含碳量电厂取样编号5072150724507255072650803A2#50803B5080450807A#819除尘器(ESP或FF)灰含碳量%一电场2 921 432 852 82二电场2 632 043 152 080 920 921 332 873 182 591 340 911 21

14、2 03110 70 920 829 8910 1510 340 930 790 83三电场2 593 833 192 53四电场2 573 032 542 241#50807B5080950813图3 6个燃煤电厂的汞平衡的循环流化床锅炉高达99%.进入炉渣中的汞占0 00%0 97%.排入大气中的汞占0 96%90 9%,135MW的循环流化床锅炉只有0 96%.汞排放因子(EF)表示燃煤电厂烟气中的汞排放到大气中的排放量,即人们通常所说的最终向大气排放的汞强度.根据1996年美国DOE对9个电厂的汞浓度现场测试,结果显示其排放因子为0 829.46mg/GJ,本文汞排放因子计算参照此文献

15、,但使用了国际单位,具体定义如下:Ef=mHgGQ54#50814A50814B50912A50912B50912C6#图5所示为电厂汞以不同形态的排放比例按电厂机组容量的变化情况.说明汞的排放形式与电厂机组容量有很大关系.从本实验所得结果来看,较低的锅炉容量和循环流化床燃烧方式可以比较有效地控制燃煤电厂汞的大气排放.CFB对汞的高脱除效率也被EPA的现场测试所报道.美国EPA对84台锅炉进行了现场测试工作,其中共选取了5台带FF的CFB锅炉,发现这种燃烧方式具有从66%99%的汞脱除效率6式中,Ef为汞排放因子;mHg为排放到大气中的汞量;G为给煤量;Q为煤的低位发热量.由图4可以看出,不同

16、电厂燃煤汞的排放因子有很大差别,这主要是由煤质特性(主要是汞含量和低位发热量)决定的.而不同电厂又由于燃烧设备、运行工况以及污染物控制设备的不同,导致燃煤烟气汞排放因子有所不同.1,2,4和5电厂表明在全负荷运行条件下,现有的污染物控制装置对气态汞排放的控制没有多大作用,煤中汞几乎全部以不同气态汞形态排入大气;3和6电厂由于机组容量较低和循环流化床燃烧方式,导致飞灰含碳量较高(见表3),从而使得煤中汞绝大多数以固态产物形式得以脱除,只有极小一部分被排入大气.#,平均值为86%.图5 燃煤电厂不同形态汞排放比例2 2 飞灰含碳量对汞排放特性的影响近年来,国内外学者对汞的吸附脱除做了大量的研究,取

17、得了一系列成果,普遍认为燃煤飞灰能吸附烟气中的汞7-9.飞灰作为汞的一种廉价吸附剂正日益受到人们的重视.表3列出了不同电厂除尘器灰的含碳量.图6所示为不同电厂的除尘器电场灰中汞的富集因子图4 燃煤电厂不同形态汞排放比例Ik随飞灰含碳量的变化趋势.820东南大学学报(自然科学版) 第37卷灰中汞的富集因子随着含碳量的增大而增大;不同电厂的除尘器灰其汞的富集因子基本上也是与含碳量呈正相关性,只不过受烟气成分(主要是Cl元素)等其他因素的影响而有所偏离.图8 氧化汞所占烟气总汞百分比随HCl浓度的变化图6 电场灰中汞的富集因子随飞灰含碳量的变化如图7所示,可以从飞灰含碳量来解释不同机组容量对汞排放特

18、性的影响:锅炉容量越小,炭颗粒在炉内的停留时间越短,则飞灰中含碳量越高,导致飞灰中汞的富集因子增大,从而汞的气态排放量越小;反之则越大.循环流化床锅炉飞灰含碳量最高,所以汞的富集因子较高.2+图9 氧化汞所占烟气总汞百分比随Cl2浓度的变化可以看出,烟气中二价汞比例与烟气中Cl的含量基本上是正相关性的.烟气中的气态二价汞Hg(g)易溶于水,可以被湿法脱硫装置(WFGD)脱除,因此提高烟气中气态二价汞Hg(g)的含量,是一种汞排放控制的有效手段.这表明烟气中的Cl有利于燃煤电厂气态汞排放的控制.2+3 结论1)对6个燃煤电厂的煤、底渣、飞灰、烟气(及脱硫产物)进行了取样分析,并针对系统汞的排放图

19、7 除尘器灰的含碳量随电厂锅炉容量及锅型变化进行了平衡计算,得到了燃煤电站汞的富集规律和排放特性.2)现阶段还缺乏基于实验数据的对我国燃煤电厂汞排放总量和排放特性的研究.本文所选取的6个有代表性的燃煤电厂的实验研究表明,不同装机容量,燃用不同煤种的电厂其汞排放总量有很大差异,而我国不同煤种,甚至相同煤种的不同煤层之间汞含量的差距很大,这给估算我国燃煤电厂汞排放总量造成困难.3)不同的煤种、机组容量和污染物控制装置造成燃煤电厂汞排放特性的不同,随着机组容量的增大,汞的大气排放量有增大的趋势.4)就本文的研究来看,循环流化床锅炉可以有效地控制汞向大气的排放;烟气中的氯元素可以提高烟气中可溶性二价汞

20、的含量.5)飞灰中的残碳可以增强飞灰对气态汞的吸.2.3 烟气成分对燃煤电厂汞形态分布的影响规律文献10研究了20900范围内燃煤烟气中各气体成分的化学反应性质,发现Hg(g)与HCl(g),Cl2(g)可迅速反应.以下为Hg(g)与烟气中Cl2和HCl可能发生的反应:Hg(g)+Cl2(g)#HgCl2(s,g)Hg(g)+Cl2(g)#Hg2Cl2(s)Hg(g)+HCl(g)#HgCl2(s,g)+H2(g)Hg(g)00+HCl(g)+O2(g)#HgCl2(s)+H2O(g)10Hall等活性更大.同时还发现汞-氯系统中Cl2(g)的本文通过对6个燃煤电站汞排放特性和烟气成分的分析研

21、究,总结了几个影响烟气中气态二价汞g,89.2+第5期杨立国,等:燃煤电厂汞排放特性实验研究821物理化学性质的不同,这导致烟气中颗粒态汞含量差异极大,并直接导致汞向大气中排放量的不同,飞灰对烟气中汞的吸附机理和吸附脱除能力值得进一步研究分析和开发利用.本实验工作是与清华大学热能工程系禚玉群副研究员、陈雷硕士、张亮博士研究生等共同努力工作完成的,在此表示感谢.WangQichao,ShenWenguo,MaZhuangwe.iTheesti mationofmercuryemissionfromcoalcombustionofChinaJ.ChinaEnvironmentalScience,1

22、999,19(4):318-321.(inChinese)5EERC.Acomprehensiveassessmentoftoxicemissionsfromcoal firedpowerplants:phase,resultsfromtheU.S.DepartmentofEnergyStudyR.NorthDakota:GrandForks,1996.6JohnH,PavlishEAS,MichaelDMann,eta.lStatusre viewofmercurycontroloptionsforcoal firedpowerplantsJ.FuelProcessingTechnology,2003,82(2/3):89-165.7AuroraRube,lRodneyAndrews,RolandoGonzalez,eta.lAdsorptionofHgandNOxoncoalby productsJ.Fuel,2005,84(7/8):911-966.8GraniteEJ,PennlineHW,HargisR