燃煤电厂大气重金属排放控制策略

顾永正

(国电电力发展股份有限公司)

DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.221649

富煤贫油少气是我国的国情，以煤为主的能源结构短期内难以改变。“十三五”期间，随着超低排放或近零排放技术的推广应用，我国常规大气污染物(烟尘､SO₂､NO_x)的排放控制技术已达国际领先水平，区域大气复合污染防治成效显著，生态环境质量明显改善。与常规污染物相比，燃煤烟气排放的汞等重金属污染物浓度很低，但由于重金属及其化合物在大气环境中具有强毒性､累积性和生物富集性等特点，会对人类健康和生态环境构成严重威胁，已成为国际社会广泛关注的问题。燃煤行业Hg、As、Pb、Se、Cd、Cr等6种重金属的环境影响程度高、排放控制研究热，其污染防治工作已成为国内外攻关重点，持续加强煤电重金属污染排放控制对于保护生态环境和公众健康具有重要的现实意义。

目前，我国现行环保法规只对燃煤电厂烟气汞污染排放加以限制(汞及其化合物排放限值为30μg/m3)，与美国､欧盟､加拿大等发达国家/地区相比，排放标准限值较为宽松，限定重金属污染物种类较为单一，且未从煤种､机组情况等角度进行细分。随着人们对重金属危害认识的深入以及环境质量要求的提高，未来我国对于煤电大气重金属污染排放的限定必将更加严格和广泛。

本文系统分析我国原煤中典型重金属的含量和分布特征､燃煤电厂重金属释放特性､大气重金属排放控制措施，建立最佳可行技术/最佳环境实践(best available technique/best environment practice，BAT/BEP)的决策树模型，评估不同控制目标所对应BAT/BEP选择的大气重金属减排效果。结果可为煤电大气重金属减排决策､相关排放标准/环保法规的制定提供依据。

      3.1、煤中重金属的含量和分布特征

      燃煤电厂大气重金属排放特征受多方面因素影响，主要包括煤质特性(煤中重金属含量、煤种、重金属赋存形态)、锅炉运行条件(锅炉负荷、燃烧温度、燃烧方式)、烟气成分、常规烟气污染物控制设备(air pollution control devices，APCDs)协同脱除效果等。煤中重金属含量是确定锅炉出口烟气重金属初始浓度的重要参数之一。本文给出了中国和世界原煤中Hg、As、Pb、Se、Cd、Cr的含量，中国原煤中典型重金属含量加权平均值分别为：Hg为0.15−0.20mg/kg；As为3.79−5.77mg/kg；Pb为15.10−23.01mg/kg；Se为2.47−3.67mg/kg；Cd为0.25−0.81mg/kg；Cr为15.35−30.44mg/kg。与美国煤和世界煤中重金属平均含量相比，中国煤中As含量相对较低，而Hg、Pb、Se、Cd、Cr的含量处于相当或更高的水平。

      随着不同煤种变质程度的提高，煤中Hg、Pb、Se、Cd、Cr含量有增加趋势，As含量表现出递减的趋势。煤形成过程中及成煤后期的沉积环境､气候､水文条件､构造环境等也影响着重金属的富集程度。此外，中国煤中重金属含量一定程度上呈现出自北向南增加的趋势，西南地区煤中Hg、As、Pb、Cd、Cr含量处于更高的水平。

      3.2、燃煤电厂重金属的释放特性

     燃煤电厂锅炉类型主要有煤粉炉(pulverized coal boiler，PC)和循环流化床锅炉(circulating fluidized bed boiler，CFB)两大类。两种燃烧方式均足以使得煤中的Hg和Se以气态形式释放出来，这与两种元素挥发性极强显著有关。对于As、Pb、Cd和Cr四种元素，PC炉中释放程度与挥发性相关联，平均释放率分别为97.54%、96.32%、95.19%和86.70%，明显高于CFB锅炉，结果详见图1。

图1  不同炉型重金属释放率

      3.3、最佳可行技术/最佳环境实践

     （1）APCDs组合协同控制技术

      APCDs组合协同控制技术是减少燃煤电厂大气重金属排放的首选措施，主要利用机组现有的除尘(静电除尘器(eletrostatic precipitator，ESP)/布袋除尘器(fabric filter，FF)/湿式静电除尘器(wet electrostatic precipitator，WESP))、湿法烟气脱硫(wet flue gas desulfurization，WFGD)、选择性催化还原(selective catalytic reduction，SCR)脱硝等常规污控设施对重金属进行协同脱除。

      对于重金属Hg。燃煤烟气中Hg的形态与煤种、炉型、烟气脱硝装置投运情况有关，很大程度上影响着现有APCDs对汞的协同脱除效果。SCR+ESP+WFGD组合和SCR+FF+WFGD(+WESP)组合的平均脱汞效率分别超过70%和85%。因此，如果控制目标设定为脱汞效率达到80%时，APCDs组合协同控制技术可作为最佳可行技术。

       对于重金属As、Pb、Se、Cd、Cr。煤燃烧后，烟气中As、Pb、Se、Cd、Cr主要以气态和颗粒态形式存在，且倾向于富集在细颗粒表面。WFGD､WESP和WFGD+WESP组合对5种重金属的平均脱除效率分别为53.03%~64.92%､22.10%~53.91%和69.84%~81.85%。SCR+ESP+WFGD+WESP组合协同脱除As、Pb、Se、Cd、Cr的效果最佳，平均脱除效率可分别达到99.71%、99.67%、96.51%、99.26%、99.71%。

       （2）强化协同控制技术

        对于重金属Hg。现有APCDs提效手段主要有燃烧过程控制的卤素添加技术(halogen injection，HI)和末端治理的WFGD稳定化技术。HI技术是一项运行成本较低的脱汞技术，适用于卤素含量低的低阶煤，配合常规APCDs构成HI+SCR+ESP+WFGD(+WESP)组合，处理烟煤和褐煤时，可分别获得85%~90%和80%的脱汞效率。

      对于重金属As、Pb、Se、Cd、Cr。现有APCDs强化协同脱除技术主要包括基于除尘设施的细颗粒强化捕集技术和基于脱硫设施的强化吸收技术，通过提升ESP和WESP脱除易富集重金属的细颗粒物的性能，以及WFGD吸收气态重金属和浆液中沉淀稳定的能力，强化颗粒态和气态重金属的协同脱除。SCR+ESP+WFGD+WESP组合对As、Pb、Se、Cd、Cr的强化协同脱除效率预计分别提升至99.92%、99.91%、99.40%、99.75%､99.90%，详见图2。

图2  强化协同控制技术的重金属脱除效果

     （3）专门控制技术

      对于重金属Hg。燃煤电厂应用经济高效的飞灰吸附剂喷射脱汞技术(bromide modified fly ash injection，Br−FAI)后，可以实现90%以上的脱汞效果；对于使用SCR+ESP+WFGD+WESP组合的机组，适当增加吸附剂喷射量，综合脱汞效率可以控制在95%以上。

      对于重金属As、Pb、Se、Cd、Cr。通过煤中添加､炉膛投加硅铝基或钙基吸附剂，抑制炉内重金属的释放，锅炉出口烟气中5种重金属的浓度均可降低50%以上。燃烧后重金属联合脱除技术主要有两种：一是在除尘设施上游喷入复合吸附剂，深度脱除气态重金属；二是基于电场､湍流场､温度场等多场协同作用，深度脱除颗粒态重金属。结合现有APCDs的协同控制，预计烟气重金属的排放浓度均可降低70%以上。

       3.4、燃煤电厂重金属排放控制模型

      （1）决策树模型

       根据燃煤电厂大气重金属排放控制措施的效果和成本分析，本文建立了BAT/BEP的决策树模型。燃煤电厂大气汞和其他重金属污染排放控制最佳可行技术的选择如图3所示。决策树模型首先分析该厂的煤质､燃烧方式､洗煤情况，确定锅炉出口汞和其他重金属的初始浓度；随后，进一步确定各种烟尘、SO2和NOx排放控制设施，以制定最佳控制策略。

（a）汞

(b) 其他5种重金属

图3  气重金属排放控制BAT/BEP选择的决策树

      对于重金属Hg。由图3(a)可见，决策树主要针对不同汞减排目标进行了强化协同和专门控制技术的选择。燃用烟煤/无烟煤时，最佳控制策略是应用经济高效的飞灰吸附剂喷射脱汞技术(Br−FAI)；燃用Cl含量较低的褐煤时，优先考虑卤素添加技术，提高烟气中Hg2+的比例，如果强化协同控制措施无法实现目标脱汞效果，则应采用飞灰吸附剂喷射脱汞技术。

     对于重金属As、Pb、Se、Cd、Cr。现有SCR+ESP+WFGD组合的协同脱除效率都超过90%，故决策树中采用更加直观的浓度控制作为减排目标。由图3(b)可见，决策树主要判断是否通过运行优化调整强化APCDs的协同脱除效果。针对超低或近零排放机组，最佳控制策略是APCDs提效使其对5种重金属的协同脱除效应最大化，控制技术的选择依据为不同形态重金属的脱除难易度。

      （2）排放控制效果评估

       对于重金属Hg。图4给出了我国不同炉型和煤种条件下BAT/BEP控制策略的大气汞减排效果。PC炉在SCR+ESP/FF+WFGD(+WESP)组合的基础上应用HI技术和Br−FAI技术，可将平均汞排放浓度分别降至2.02和1.01mg/m3。对于燃烧烟煤和无烟煤的机组(PC炉)来说，Br−FAI与现有APCDs结合使用得到的平均汞排放浓度分别降至1.01和1.49mg/m3。飞灰吸附剂喷射脱汞技术对于燃煤电厂大气汞的排放控制效果最显著，适用范围最为广泛，且具有良好的经济性，适合推广应用。

(a) 炉型

(b) 煤种
图4  不同BAT/BEP控制策略的大气汞减排效果分析

 对于重金属As、Pb、Se、Cd、Cr。图5给出了不同BAT/BEP控制策略的大气重金属(As、Pb、Se、Cd、Cr)减排效果。对于配置了SCR+ESP/FF+WFGD(+WESP)组合的机组，强化协同控制技术得到的大气重金属减排效果最显著，尾部烟气联合脱除技术的效果稍次之，简单的炉内控制技术的脱除效果相对较差。通过采用APCDs提效措施，As、Pb、Se、Cd、Cr的平均排放浓度分别为0.38、1.56、1.83、0.07、1.68μg/m3。进一步应用细颗粒多场团聚技术，深度脱除富集在PM2.5中的重金属，可将As、Pb、Se、Cd、Cr的平均排放浓度分别降至为0.11、0.47、0.55、0.02、0.50μg/m3，达到国际先进的排放水平。

图5  不同BAT/BEP控制策略的大气重金属减排效果分析

      顾永正(1991)，男，博士，高级工程师，国电电力发展股份有限公司科技信息部高级主管，主要从事清洁低碳发电技术研究及工程实践工作。近年主持或参加了10余项国家科技支撑计划、863计划、重点研发计划、煤炭清洁高效利用科研攻关等国家级和企业级重大科研项目，攻克了燃煤污染物深度脱除、CCUS、重金属吸附等一批达到国际领先水平的关键核心技术。发表核心论文40篇（SCI/EI收录26篇），参编专著4部；申请发明专利24项，已获授权8项；制定国标、团标2项；先后获中国电力、中电联等行业级、集团级科学技术奖12项；2020年荣获中国电力优秀科技工作者；2022年入选第七届中国科协“青年人才托举工程”。