燃煤电厂烟道喷射吸附剂脱Hg技术研究

骆建友，许东旭，刘含笑，赵胜清，王建忠，方小伟，颜士娟

（浙江菲达环保科技股份有限公司，浙江 诸暨 311800）

引言

Hg等有毒重金属对环境和人类健康均有较大危害，中国的Hg排放量世界第一，约占全球的40%，是美国和印度排放量的3倍。我国燃煤电厂的Hg排放量占国内全部排放量的35%，其中，各种形态的汞（Hg0、Hg2+和Hgp）分别约为16%、61%、23%[1]。我国现有的燃煤电厂超低排放要求各项指标均优于美国，但未对Hg提出更严格的排放指标，《火电厂大气污染物排放标准》（GB13223-2011）要求燃煤电厂的Hg排放限值是30μg/m3，但可以预计，随着超低排放的全面实施，对燃煤电厂Hg等有毒重金属排放限值要求也将日益趋严[2]。

燃煤电厂Hg控制技术主要有燃烧前、燃烧中和燃烧后脱Hg技术，其中，燃烧后烟气Hg脱除技术又可分为利用现有设备协同脱Hg和外加设备吸附脱Hg两种，按吸附系统或装置不同，吸附脱Hg有固定床脱Hg和吸附剂喷射脱Hg两种[3]，前者一般布置在除尘后的低烟尘浓度区域，但依然会存在堵灰、阻力大、能耗高等问题；后者的布置位置相对灵活，且用于烟道喷射的吸附剂也有活性炭类、改性飞灰、钙基类吸附剂、矿物（硅、铝、钙）等多种。烟道喷射吸附脱Hg技术可行性强，对原有设备的影响较小，是发展前景最好的脱Hg技术。本文对各类烟道喷射吸附脱汞技术的原理、特点、适用范围、性能、研究进展等进行总结和分析，旨在为后续技术优化提供借鉴。

1 活性炭吸附脱Hg

活性炭吸附脱Hg技术原理如右图所示，其表面具有良好的微孔结构，比表面积大，吸附性强，既有物理吸附，也有化学吸附，活性炭表面的含氧官能团（如羟基-OH、羰基C=O、羧基-COOH内酯基等）可将零价Hg0氧化成二价Hg2+。

活性炭脱汞原理

活性炭吸附脱Hg装置一般布置在除尘装置前，吸附Hg后的活性炭在除尘装置中收集后，与粉煤灰一起输送至灰库。活性炭对Hg的吸附效率与烟气中Hg浓度、活性炭喷射量、活性炭在烟气中停留时间等因素正相关，当烟温超过100℃时，活性炭比表面积物理吸附对脱Hg性能的影响开始减小。但值得注意的是，活性炭的吸附特性是非选择性的，不仅能吸附烟气中的Hg，还能吸附其他成分，且吸附后不容易再生，因此往往对新鲜活性炭的消耗量较大[4]，一般活性炭跟烟气中Hg的质量比在2000 ∶ 1～15,000 ∶ 1，成本较高。该技术目前在美国应用最多，据美国能源局估计，脱除1磅Hg（0.45kg），需25,000～70,000美元[5]。

2 改性活性炭吸附脱Hg

活性炭的改性主要是通过卤族元素（如Cl、Br等）、金属（如Mn、Fe、Cu等）及其化合物等方式来实现，在活性炭表面形成新的活性中心，提高活性炭吸附性能。相关研究表明，通过氯化物改性活性炭，在实验条件140℃时，对Hg的吸附效率大于90%；掺杂CeO2的活性炭脱Hg效率可达70%，再加入Mn之后，效率可达90%。

目前，国外成熟的改性活性炭产品有美国Cabot公司的DARCO HG系列、Albemarle公司的B- PAC溴化活性炭系列等。脱Hg效率可达70%～98%，每吸附1磅Hg的成本约为2000～20,000美元。

通过卤族元素或金属及其化合物改性的活性炭虽然吸附效率增强，但仍然无法实现和飞灰分离回用，脱Hg成本较高。相关研究发现，通过活性炭内加入永磁物质（如铁离子），可使脱Hg吸附剂具有较好的可回收特性[6、7]；近年来，第三代活性炭材料——活性碳纤维的使用，进一步提高了活性炭的脱Hg效率[8、9]。

3 飞灰吸附脱Hg

燃煤飞灰对Hg具有吸附能力，尤其是飞灰中的未燃尽炭对Hg具有较好的吸附效果[10]。相关研究表明，飞灰颗粒表面的碳元素能与M（Ti、Si等）元素形成C-M键，从而有效促进零价Hg0氧化成Hg2+，并被吸附在颗粒表面形成颗粒Hgp。

脱Hg性能方面，在较高Hg浓度的试验条件（＞0.25mg/m3）下，飞灰对Hg的吸附效率约为活性炭的1/3；而低浓度Hg环境中，飞灰可实现与活性炭相当的脱Hg效率。因此，对于燃煤电厂的低Hg烟气，在性能方面，是可以采用飞灰脱Hg的。有研究表明，通过机械研磨粗颗粒飞灰，使得飞灰暴露新鲜表面，可进一步提高Hg的吸附效率，且提效幅度与研磨时间（≤50min）正相关[11]。

4 改性飞灰吸附脱Hg

为进一步提高飞灰对Hg的吸附脱除能力，可通过卤族元素（如Cl、Br等）、金属（如Mn、Fe、Cu等）及其化合物等进行改性。如相关试验研究表明，HBr改性的飞灰脱汞效率（98.4%）明显高于CaCl2（67.5%）和CaBr2（46.4%），远远优于原始飞灰（8.1%）。

5 结语

活性炭喷射脱Hg技术较为成熟，但其成本较高，且增大了除尘负荷；燃煤飞灰吸附脱Hg技术受飞灰组分（尤其是飞灰含碳量）等影响较大，性能不稳定；改性飞灰吸附脱Hg技术兼顾的脱Hg性能和投资、运行费用的经济性，是当前技术经济性最好的吸附脱Hg技术。