典型燃煤电厂烟气脱汞改造可行性研究.pdf

1、 2019 年中国电机工程学会年会论文集 典型燃煤电厂烟气脱汞改造可行性研究 王乐乐1，刘晓敏2，刘元峰3，徐仁博4，郭效源4，马宝林4 1 西安热工研究院有限公司苏州分公司，江苏 苏州 215153 2 厦门华夏国际电力发展有限公司，福建 厦门 361026 3 胜利国电（东营）热电有限公司，山东 东营 257087 4 华能大连电厂，辽宁 大连 116100 Feasibility study on flue gas mercury removal modification for coal-fired power plant Wang Le-le1,LIU Xiao-min2，LIU Y

2、uan-feng3，XU Ren-bo4，GUO Xiao-yuan4，MA Bao-lin4(1 Xian Thermal Power Research Institution Co.Ltd.(SuZhou Branch),Suzhou 215153 Jiangsu,China；2 Xiamen Huaxia International Power Development Co.Ltd.,Xiamen 361026,Fujian,China；3 Shengli Guodian(Dongying)Thermal Power Co.Ltd.,Dongying 257087,Shandong,Ch

3、ina；4 Huaneng Dalian Thermal Power Co.Ltd.,Dalian 116100,Liaoning,China)摘要：燃煤电 厂普 遍实施 大气 污染物 超低排 放改 造后，烟气 中非常 规污染 物汞 的排放 问题日益突 出。针 对某 典型燃煤电厂 烟气中汞的 排放控 制，通过对 现有环 保设 施汞污 染物 迁移规 律和烟气 汞脱除效果 的测试，确定了 脱汞 改造工程的设计边界条件。针对烟气中 0.5g/m3的汞排放目标，通过对更换 SCR 协同汞氧化催化 剂、煤 中 添加卤素及烟气中喷入 改性活 性炭 等一种 或多 种工艺 组合方案 的对比分 析，从技术 适用

4、性、经 济性及 对机 组运行 可能造 成的 运行风险等综合考虑，推荐了采用“SCR 协同汞氧化催化剂+改性活性炭喷射”的技术工艺路线，但针对低浓度汞排放目标需考虑湿 法脱硫 浆液 中汞的 二次 释放问 题。本 文可 行性研 究的方法及 结果为 后续 国内火 电厂 烟气脱 汞改造 方案 的确定提供了借鉴。关键词：燃煤电厂；汞迁移规律测试；脱汞改造；可行性研究 ABSTRACT:Since coal power plants generally carried out ultra-low emission modification,mercury emissions as non-conventi

5、onal pollutant in flue gas has become increasingly prominent.In order to control the emissions of mercury from flue gas in a typical coal-fired power plant,the design boundary conditions of the mercury removal modification project were determined by testing the regulation of mercury pollutants trans

6、port and the effect of mercury release from existing environmental protection facilities.For the mercury emission targets of 0.5 g/m3,a comparative analysis of one or more processes,such as replacing SCR catalyst with mercury oxidation catalyst,Adding halogen to coal,and spraying modified activated

7、carbon into flue gas.Considering the technical applicability,economy and possible operational risk to the unit operation,it is recommended to use the technical process route of“SCR in coordination with mercury oxidation catalyst and modified activated carbon injection”.The feasibility study method a

8、nd the result of this paper provide reference for the determination of flue gas mercury removal modification scheme in domestic.KEY WORD:Coal fired power plants;Testing of mercury transport patterns;Mercury removal modification;Feasibility study.1 引言 近年来，国内 燃煤 电厂 全面 实施了 大气 污染物超低 排放 改造，其 主 要 烟气污染 物烟

9、尘、二 氧化硫和 氮氧 化物 得到 了有 效控制，而非 典型 气态污染物 汞、三 氧化 硫和 氨逃 逸的排 放问 题则 日益突出1。国内针对火电厂烟气汞排放的控制标准也日 趋 严厉，其中 火 电厂 大气 污 染物 排放 标准（GB 13223-2011）规定 燃煤 锅炉 烟气 汞 排放 浓度 不得超过 0.03mg/m3，北京市 锅炉 大气 污染 物排 放 2019 年中国电机工程学会年会论文集 标准（DB11/139-2015）要 求高污 染燃 料禁 燃区燃煤锅炉 汞排 放浓 度不 得高 于 0.0005mg/m3，上海市大气污染物综合排放标准（DB31/933-2015）规定汞排放浓度不得

10、高于0.01mg/m3。针 对 国内 某城市 电厂 2300MW 机组烟气 汞 排放 控制，通过 对当 前 成熟 的火 电厂 烟气汞控 制技 术工艺 分析，在测 试 掌握 现有 烟气 净化设施 协同 脱除 烟气 汞能 力的基 础上，为实 现不同的汞 控制 目标，通过 对更 换脱硝 协同 汞氧 化催化 剂、煤中 添加 卤素 及改 性活 性 炭喷 射等 不同 技术方案 组合 进行 技术 论证，并进一 步通 过经济 性分析评估，推 荐了 适合 于本 项目的 最佳 烟气 脱汞改 造 方案。本项 目所采 用的 可行性 研究 方法 及结果 为 国内后续火电厂烟气脱汞改造方案的确定提供了 借鉴。2 设备概述

11、及其协同脱汞效果分析 某燃煤电厂 2300MW 机 组锅炉烟气从 锅炉省煤 器出 来后 依次 进入 烟气脱 硝 SCR 装置、空 气 预热 器、低 低温 静电 除尘 器、海水 脱硫 FGD及湿式 电除 尘器，最后 进 入烟囱，烟气 流程 如图1 所示，现场 烟 气脱 硝及 低低 温 电除 尘系 统如 图2 所示，海水 脱硫 及湿 式电 除尘系 统如 图 3 所示。根据相 关研 究，烟气 中的 汞 污染 物 HgT主要以 单质汞 Hg0、二 价 汞 Hg2+及颗 粒汞 HgP三种形 态2存在，火 电厂 现有 污染 物脱 除设施 对烟 气中 汞具有较好 的脱 除效 果，尤 其 SCR 脱硝 催化

12、剂对 Hg0具有较 好的 氧化 效果，将 Hg0氧化成 容易 被 水溶液吸 收的 Hg2+形态，电除 尘器对 烟气 中 HgP具有较好的 脱除作 用，脱 硫设 施（石 灰石-石膏 法脱硫 系统和海 水脱硫系 统）对 烟气中二 价汞 Hg2+具有明 显脱 除效 果3。图 1 典型燃煤电厂烟气超低排放流程 Fig.1 Typical coal fired flue gas system of ultra-low emission 图 2 烟气脱硝及低低温静电除尘器系统 Fig.2 SCR denitrification and electrostatic precipitator system 图

13、 3 海水脱硫及湿式电除尘器系统 Fig.3 Seawater desulfurization and wet electrostatic precipitator system 为掌握现有污染物脱除设施对烟气中汞的脱除效 果4，确定脱 汞改 造的边 界条 件，特 进行了针对 本项 目的 烟气 汞迁 移规律 测试。现 场测 试试验在 机组 300MW 负荷 下进行，测 试位 置分 别位 于图 1 中烟 气流 程上 的测 点 1-测点 6，测 试方法采用 美国 EPA 推荐 的安 大略（OHM）法，烟气经过 前置 滤筒 采集 烟尘 中的颗 粒汞 Hgp、通过KCl 溶液吸收氧化汞 Hg2+，最后

14、通过 H 2O 2 和KMnO 4 溶液 氧化 吸收 单质汞 Hg0。通过 等速 采样法采集 的汞 吸收 液样 品经 消解后 通过 ICP-MS 测试其中汞浓度。测试结果 表明：300MW 负荷条件下，机组 现有 环保 设施 对烟气 中 总 汞 HgT的 整体协 同脱 除效 率为 79.8%，净烟 气出 口 HgT浓度为 2.90g/m3。SCR 反应 器入 口 单质汞 Hg0浓度为6.98g/m3，出口为 2.37g/m3，SCR 脱硝 装置 三层催化 剂的 整 体汞 氧化 率为 61.3%。静电 除 尘器可以去 除绝 大部 分颗 粒态 汞 HgP，其对 HgT的脱 2019 年中国电机工程

15、学会年会论文集 除效率 仅 为 19.1%。烟气流 经 海水 脱硫 后，大部分氧化态 汞 Hg2+被脱除，海水脱硫系统入口 烟气中 HgT浓度为 11.33g/m3，Hg2+浓度为8.26g/m3，海水 脱硫 系统 对 Hg2+的脱除 效率 为80.3%，对 HgT的 脱除 效率为 61.1%。湿式 电除尘 器对 HgT的脱除 效率 为 34.2%。本项目 SCR 脱硝系统对 Hg0氧化效率约60%；电除 尘器 可以 去除 烟 气中的 绝大 部分 HgP，但对其 他形 态汞 污染 物脱 除作用 不明 显；海水 脱硫 系统能够 脱除烟气 中大部分 Hg2+，烟气流 经湿式电 除尘 后汞 污染 能

16、够 得到进 一步 脱除。若电厂 需 进一 步控制 Hg 污 染 排放，建议 使用 脱 硝汞氧化催化 剂，增加 SCR 催 化 剂对 Hg0的氧化效果，以便生成更多 的 Hg2+能够在后续的海水 脱硫、湿 式电 除尘 器中进 一步 脱 除。3 烟气脱汞技术路线 目 前，控制 烟 气中 汞污 染排 放的主 要思 想有两种：一是 利用 SCR 脱硝 协同汞 氧化 催化 剂，或向入炉煤、烟气中/脱硫 浆液中添加氧化剂，促使烟 气中 的 Hg0向 Hg2+转 化，Hg2+直接溶 解于湿法脱 硫浆 液而 得以 脱除。二是采 用具 有一 定氧化作用的吸附剂（如活性炭、飞灰等）将 Hg0氧 化成 Hg2+，H

17、g2+吸附在 吸收剂 上形 成 Hgp，继而被除 尘设 备捕 集5。3.1 SCR 氧化协同脱除 根据相关 研究 结 果表 明，SCR 脱 硝催 化剂可 促进 Hg0氧化为 Hg2+。SCR 催化 剂对 Hg0的氧化效率 主要 取决 于锅炉 燃煤 类 型及 SCR 系统 的烟气条件。煤中 氯含量（或烟气 中 的 HCl 含量）是 影响 Hg0化的最主 要因 素之一，当煤 中氯 含量较低 时，Hg0的氧 化率仅在 8%左右，但 当煤中氯 含 量较 高时，Hg0的氧化 率可 达 80%。在 SCR催化剂 作用 下，烟气 中 HCl 与 Hg0氧化 反应 过程如下：022Hg(g)2HCl(g)Hg

18、Cl(g)H+2 224HCl(g)O(g)2Cl(g)2H O(g)+22Hg(g)Cl(g)HgCl(g)+HCl H Cl+2Hg 2Cl HgCl+烟 气 通过 催化 剂时，烟气中 NH 3 的 含量 和单质汞主 要脱 除位 置如 图 4 所示：图 4 典型 SCR 脱硝催化剂氧化单质汞示意图 Fig.4 Typical SCR catalyst oxidized elemental mercury 4 改造方案论证 当前，燃煤电厂主流的汞排放控制技术为SCR 催化 剂氧 化协 同脱 汞技 术、煤中 添加 卤素 和吸附剂 喷射 脱汞 技术。本 项目为 达到 最终 烟气 汞排放浓 度低

19、于 0.5g/m3的目标，可采 用上述 一项或多项 技术组 合的 方案。4.1 更换高效 SCR 协同汞氧化催化剂 针 对 本工 程，根据 摸底 测试 结 果，在燃 煤氯含 量在 0.0510.092g/g 条件 下，在役 三层 催化 剂的汞氧 化效 率约 为 57.562.9%，机组 的汞 排放 浓度为 1.162.90g/m3，在役脱硝 催化 剂与 成熟 的脱硝汞 氧化 催化 剂相 比，对零价 汞的 氧化 效率 明显偏低。本 工程 在锅 炉燃 用当前 煤质 及脱 硝入 口汞 浓 度的 情况 下，通过 将现役 SCR 第三 层催 化剂更换为 高效 脱硝 协同 汞氧 化催化 剂，使新 旧三 层

20、催化剂 在入 口零 价汞 浓度 为 15g/m3时对零 价汞的 氧 化效 率高于 80%，进 一步经 后续 电除 尘器 及FGD 脱硫 系统 的协 同脱 汞 作用，可最 终将 烟 气中汞排放 浓度 控制 在 1.5g/m3以 内。但 针 对机 组实际情况，该 种方 案难 以将 汞排放 浓度 稳定 控制 在0.5g/m3以内，若 要实 现 烟 气中 汞污 染物 排放 浓度 低于 0.5g/m3，可考虑 采取多种 汞脱 除技 术组合的方 案。4.2 SCR 协同汞氧化+煤中添加卤素 本项目 燃煤 中氯含 量较 低，可考虑 在煤 中添加少量 卤素（如 溴化 钙溶 液，大 概 20-30ppm），可进

21、一 步提 高在 役催 化剂 汞氧化 效率。与此 同时，将第 三层 催化剂 更换 为 SCR 协 同汞 氧化 催化剂。2019 年中国电机工程学会年会论文集 大量试 验结 果表明，卤族 元 素是有 效的 汞氧化 剂，在电 厂烟 气中 添加 适量 的 卤族 元素 可强化催化剂 的汞 氧化 能力，在溴 化 物中，推荐 使用 溴化钙溶 液6。原因主 要是：一是溴 化钙 热分 解温度低，二是 适量 添加 溴化 钙不会 明显 影响 锅炉、磨煤机 等设 备正常 运行。由图 5 可 知，随 着煤 中溴的 添 加，在 采用 当前常规 脱硝 催化 剂情 况下，零价汞 在总 汞中 的比例 迅 速降 低，即 大部 分

22、零价 汞 转化 成二 价汞。同时图中曲线还表明当溴的添加量达到一定值以后，烟气 中的 二价 汞含 量 达到最 大值。即 再增 加溴含量，对零价汞氧化贡献不大，存在一个“最佳添加”。根 据核 算，本项目 设计 溴 的添 加量（溴在煤中 的质量 浓度）为 20-30ppm。按 照浓 度为52%的溴化钙溶液，满负荷下 的 锅炉煤耗量90t/h，每小 时大 需添 加溴化 钙 溶液 4-5L。图 5 烟气中单质汞含量变化与煤中溴 含 量的关系 Fig.5 The relationship between elemental mercury of flue gas and bromine content

23、in coal 卤素溴化钙添加系统是将溴化钙溶液按照一定的 量，连续 添加 到给 煤 机中。如下 图 6 所 示，设计的溴化钙添加系统配置了多台正压排量计量泵。这些 计量 泵可 同时 工作，也可 分别 运 行。图中所示溴化钙添加系统共用控制系统和储罐液体输送 系统，实现 对两 台机 组 的给煤 机进 行多点或单 点溴 化钙 溶液 的添 加。图 6 溴化钙溶液添加系统 Fig.6 Calcium bromide solution addition system 该方案 采用“SCR 脱硝 协同 汞氧化 催化 剂+煤中添 加卤 素”技术 路线，通过燃 煤中 添 加 CaBr 2进一步 提高 三层

24、催化 剂对 零价汞 的氧 化效 率至90%以上。考虑 机组 现有 湿法脱 硫、电除 尘器 等环保设 施的 协同 脱除 能力，可最 终可 将 汞排 放浓度控制 在 0.5g/m3以内。4.3 SCR 协同汞氧化+改性活性炭喷射技术 在机组 SCR 脱硝 入口 烟 气中 HgT为 15g/m3的 条 件下，可通 过 更换 一层 SCR 协 同汞 氧化 催化剂的方 式提 升 SCR 系统整 体的 Hg0氧化效率 至80%以上。吸附剂喷射系统是利用传统的低密度气相输送干粉原理，实现往烟道里喷射脱汞吸附剂（如载溴活 性炭，改性活性 炭等），达到 脱除烟气中汞 的目 的7。如图 7 所示，即吸 附剂 喷射

25、 系统的组 成，包括 料仓、正 压输送 系统、喷 枪，控制系统 等组 成。由于我国用于燃煤电厂脱汞固体吸附剂的发展相 对缓 慢，没有 专用 的吸附 剂运 输罐 车。吸附剂的 运输 大多 采用 吨袋，吨袋 到现 场后，可以采用吨袋卸料机或真空卸料机将吨袋内的固体吸附剂 粉末 充到 储料 仓内，储料 仓的 吸 附剂 周期性地进入 称重 料仓，根 据汞 排放 控制 的要 求，动态调整 活性 炭的 喷射 量。本项目 可考虑 考虑 两台机组共 用一 个储 料仓 及卸 料设备。储 料仓 建造 费用和储 料大 小有 直接 关系。根据 设计 计算，单 台机组所 需的 吸附 剂量 为 40kg/h，设 置料 仓

26、容 积为30m3，一 次上 料，满足 10 天的使 用需 求。同时配置两台罗茨风机分别为两台机组 提供 粉 体传 输动 力，将载 溴活 性 炭喷 入烟 道。系统设计可 以预 留一 台罗 茨风 机备用，从而 在机 组检修维护 期间，不 影响 喷射 系统正 常运 行。图 7 吸附剂喷射系统 Fig.7 Adsorbent injection system 2019 年中国电机工程学会年会论文集 该方案 采用“SCR 脱硝 协同 汞氧化 催化 剂+改性活 性炭 喷射”的技 术路线，通过 更换 汞氧 化催 化 剂提升 SCR 系统 对 Hg0氧化效 率，同时 在除尘器 前增 加改 性活 性炭 喷射系

27、统，其 对 Hg0的吸附 效率 不小 于 70%，可 最终将 汞排 放浓 度控制在 0.5g/m3以内。4.4 不同方案经济性分析 根据上 述分 析，若单纯 采用 SCR 协同 汞氧化催化剂方案时，仅能将汞污染物排放控制在1.5g/m3以下，该方 案两台 机 组投 资约 1080 万元，年运行成本 210 万元（主要考虑催化剂折旧）；若 采用 SCR 协 同汞氧 化 催化 剂+煤中 添加卤素的 方案 或 SCR 协同汞氧化 催化剂+改性 活性炭喷 射技 术的 方案，均可 将汞污 染物 排放 控制0.5g/m3以下，前者 两 台机组 投 资为 1160 万元，年运行 成本 约 240 万元；后者

28、方案 投资为 1450万元，年运 行成 本 约 320 万元。综合上述分析，在汞污染物控制目标为0.5g/m3的情况下，综合 技术、经济 及考 虑对 锅炉运行可能 造成的影 响，本 项目推荐 采用“SCR协同汞氧化催化剂+改性活性炭喷射”的 技术工艺路线。5 结论（1）摸底测试结果表明，现有环保设施对烟 气中 HgT的整体 协 同脱除 效 率为 79.8%，其中三层 SCR 脱硝 催化 剂对 Hg0的氧 化率为 61.3%，电除尘器可以去除绝大部 分 HgP，海水脱硫对Hg2+的脱除 效率 为 80.3%，湿式 电除 尘器 对 HgT的脱除 效率 为 34.2%。（2）根据不同脱汞方案对 比，

29、本项目烟气中 HCl 含 量低，仅更 换烟 气脱汞 催化 剂只 能将汞 污 染物 排放 浓度 控制在 1.5g/m3以内，采用 更换脱硝协同汞氧化催化剂+煤种添加卤素或烟 气中改性活性炭喷入均可将汞污染物排放浓度控制在 0.5g/m3以内。（3）根据 不同 工艺 技术 经济 分析，并考 虑可能对锅炉运行造成的风险，本 项目针对0.5g/m3的排放目 标，推 荐 采用“SCR 协同 汞氧 化催化剂+改 性活 性炭 喷射”组合的技 术工 艺路 线。致谢 本论文中的相关实验得到了国投电力控股股份有限公司科技项目“燃煤电厂烟气 SO3 及重金属污染物迁移规律与控制技术研究”资金支持和西安热工院烟气脱硝

30、技术实验室相关技术人员支持。参 考 文 献 1 王乐 乐,孔凡 海,何金 亮,等 超低 排放形 式下 SCR 脱硝 系统 运行存在的 问题 与对 策J 热力 发电，2016,45(12):19-24 2 赵毅,聂国欣,贾里 杨.燃煤 电厂烟 气脱汞技术 的研究J.华北 电力大学 学报,2019,46(2):103-110.3 付康 丽,赵婷 雯,姚明 宇,等 燃煤 烟气 脱 汞技 术研 究进 展J热 力发电，2017,46(6):1-5 4 Sheng Su,Lijun Liu,Lele Wang.Mass Flow Analysis of Mercury transformation and

31、 Effect of Seawater Flue Gas Desulfurization on Mercury Removal in a Full-Scale Coal-Fired Power Plant.Energy&Fuel.2017,31,1109-1116.5 张文 博,李芳 芹,吴江,等 电厂 烟气脱 汞 技术 J 化学 进展，2017,29(12):1435-1445 6 兰吉 勇,许 月阳,张勇,等320MW 机组燃煤 添加 剂脱汞试验 研究 J 电力 科技 与环 保，2018,34(4):22-24 7 白勇.燃煤 电厂 汞测 量及 控制 技术R.苏州,2017,11.作者简 介：王乐乐（1984-），男，河 南洛 阳人，工学博士，高 级工 程师，主要从 事 火电厂 SCR 脱硝 运 行优 化及 催化 剂 寿命 管理 技术 研究。