超低排放电厂脱硫及湿式电除尘废水中汞排放分析

宋畅1，张翼2，郝剑2，彰金宝2，王家伟1，安连锁1，张永生1

（1.华北电力大学能源动力与机械工程学院，北京 102206；2.三河发电有限责任公司，河北廊坊 065200）

摘 要：为达到烟气超低排放目的，神华国华三河发电有限责任公司300 MW亚临界自然循环燃煤机组实施了一系列改造项目，如低氮燃烧器改造，SCR脱硝改造，新增低低温省煤器，静电除尘器高频电源改造，湿法脱硫塔脱硫提效并增加管式除雾器，新增湿式静电除尘器等。为研究超低排放改造后脱硫废水及湿式静电除尘器废水中汞浓度变化，以该机组为研究对象，取样分析了脱硫塔、湿式电除尘器补充水及排放废水中汞含量。研究结果表明：由于燃煤、石灰石及补充水中汞含量较低，实验期间该超低排放改造电厂脱硫废水及湿式电除尘器废水中汞含量均较低，分别为0.140~0.468 μg/L和0.094~0.102 μg/L；脱硫塔所排52 m3/h废水中汞增加量为1.75~5.50 mg；湿式电除尘器所排废水中汞含量没有明显变化。

关键词：燃煤电厂；超低排放；湿式电除尘废水；脱硫废水；汞排放

0 引言

2013年以来，中国针对燃煤电厂开展了 “超低排放”工程实践。通过对烟尘、二氧化硫（SO2）、氮氧化物（NOx）等常规污染物控制单元的改造升级或采用相关新技术、新设备，燃煤电厂上述污染物实现了向大气中的减排[1-3]。

汞（Hg）也是燃煤电厂关注的重要污染物，GB 13223—2011对燃煤电厂烟气中汞及其化合物给出了排放限值。在传统污染物控制设备中，选择性催化还原（SCR）脱硝催化剂对零价汞（Hg0）有一定的氧化作用[4-6]，静电除尘器（ESP）能够捕集颗粒汞（HgP）[4-5]， 湿式脱硫塔（WFGD）能够吸收二价汞（Hg2+）[4-5]，这些设备的共同作用会有效促使烟气中汞浓度降低。改造或新建的一些超低排放电厂采用了湿式静电除尘器，据文献[7]报道，在美国湿式电除尘器实验中，湿式静电除尘器对汞有一定的脱除作用；而文献[8]认为，湿式电除尘对元素汞脱除效率较低。实际上，燃煤电厂汞污染主要来源于煤中的含汞物质，根据工艺的不同，燃烧后的含汞物质会在烟气、灰、渣及脱硫废水等排放物中以不同的形态和含量分布。文献[9]的研究认为，脱硫废水中溶解的汞沉淀在固体中。相对而言，湿式静电除尘器废水中汞含量研究较为缺乏。

超低排放改造后，理论上烟气中汞浓度的降低会导致灰渣或废水中汞浓度的升高。对于脱硫废水水质的控制，DL/T 997—2006《火电厂石灰石-石膏湿法脱硫废水水质控制指标》规定汞的最高排放限值为0.05 mg/L。目前，尚没有湿式电除尘器废水排放标准。事实上，目前较为缺乏超低排放电厂脱硫废水、湿式电除尘器排放废水等相关废水中汞浓度数据，难以进行相关定量分析及判断。基于此，本文以实施了超低排放改造的燃煤机组为研究对象，考察超低排放改造后脱硫塔、湿式电除尘器所排液体中汞的排放特征。

1 电厂情况

本文研究机组为神华国华三河发电有限责任公司300 MW亚临界自然循环燃煤机组，超低排放改造前污染物控制单元包括低氮燃烧器、SCR脱硝反应器、静电除尘器及湿法脱硫塔。超低排放改造所实施的项目：（1）低氮燃烧器改造；（2）SCR 脱硝改造； （3）新增低低温省煤器； （4）静电除尘器高频电源改造；（5）湿法脱硫塔脱硫提效并增加管式除雾器；（6）新增刚性极板湿式静电除尘器。超低排放改造后的系统如图1所示。

图1 超低排放机组污染物控制单元
Fig.1 The ultra-low emission system of coal-fired power plant

1.1 脱硫系统

脱硫系统包括吸收塔、喷淋层、管束式除雾器、浆液循环泵等（见图2）。脱硫系统钙硫摩尔比小于1.03，锅炉运行满负荷时石灰石用量为2.9 t/h，脱硫副产品石膏产量为5.06 t/h。

图2 脱硫系统示意
Fig.2 Sketch map of desulfurization system

根据工艺要求，脱硫系统需要连续排放一定量的废水以维持吸收塔浆池Cl-浓度。额定负荷下机组脱硫系统烟气蒸发和废水排放总量约为52 m3/h。为了维持脱硫系统水平衡，需向脱硫系统补充工艺用水，其水源为机组循环冷却水系统排水，而循环冷却水补水为城市中水。

1.2 湿式电除尘器系统

湿式电除尘器为刚性极板喷淋式电除尘器，设计入口烟气温度58℃，粉尘去除率（含石膏）大于86%，PM2.5去除率大于86%。该电厂湿式电除尘系统如图3所示。沿气流方向布置12组喷淋分管，在垂直气流方向上每组分管上布置23只喷嘴，对持续放电的阴极线及阳极板进行连续稳定的冲洗。湿式电除尘器收集到的液体进入到循环水箱，水箱内水的pH值保持在7~10，通过补给碱液对水箱水pH值进行调配。合格的循环水用于喷淋系统的补水，悬浮物浓度较大的废水排出。补充水水源和脱硫系统相同，也为机组循环冷却水系统排水。设计废水排出量及工艺水补充量为3.2 t/h。

图3 湿式电除尘系统示意
Fig.3 Sketch map of wet electrostatic precipitator system

2 取样测试分析方法

测试样品包括固体与液体，具体为：给煤机煤样、除尘器灰样、锅炉排渣机渣样、脱硫塔石膏样、WFGD除雾器冲洗水水样、WESP补充水水样、脱硫废水样、WESP出口排污水样和石灰石样。实验时间共9天，实验期间机组负荷为满负荷的80%左右。

煤、灰渣等固体样品中汞采用Lumex RA915固体汞分析仪分析，液体样品汞采用Leman Hydra IIA液相汞分析仪分析。

3 结果与讨论

3.1 固体样品分析结果

实验期间煤样的元素分析及工业分析结果如表1所示，煤、灰、渣、石灰石及石膏等固体样品中汞的质量分数如表2所示。

表1 煤样元素分析及工业分析
Table 1 Proximate and elemental analysis of coal

%C H N O S 挥发分水分灰分固定碳4.5 6 1 6.1 9 6 6.3 5 1.1 2 0.7 0 2 6.7 7 1 0.9 6 4 9.0 9 1 3.1 8

表2 超低排放后固体样品汞的质量分数
Table 2 Mercury content of solid samples

项目煤灰渣石膏石灰石1 0-9数值3 0 1 4 7 3 6 0 1 3

3.2 水样分析结果

脱硫塔补充水及脱硫废水汞浓度如图4所示。由图4可见，第1天脱硫塔补充水样品中汞含量低于仪器检出限1 ng/L，除此之外汞质量浓度在0.060~0.080 μg/L；第1天脱硫废水样品中汞质量浓度较高，达到了0.468 μg/L，之后汞质量浓度在 0.140~0.197 μg/L， 其远低于 DL/T 997—2006对汞的排放限值。根据脱硫塔补充水和脱硫废水中汞浓度，可计算出脱硫系统所排废水单位时间（h）在脱硫过程吸收的汞质量（见图5，计算方法为52 m3/h×（实验时机组负荷/机组额定负荷）×（脱硫废水汞浓度-补充水汞浓度））。由图5可见，第1天脱硫塔排水中汞增加量为18.6 mg/h，其余为1.75~5.50 mg/h。

图4 脱硫塔补充水和排放废水中汞含量
Fig.4 Mercury concentration of WFGD makeup water and wastewater

图5 单位时间FGD与WESP废水中汞增加量
Fig.5 Mercury increment of WFGD and WESP wastewater

实验期间湿式电除尘器补充水及排污水中汞质量浓度分别为0.096~0.111 μg/L和0.094~0.102 μg/L，可见经湿式电除尘器后，液体中汞浓度变化不明显。

文献[10]研究结果表明，湿式电除尘器对烟气中汞浓度基本没有影响，本文研究结果与该研究结论基本一致。文献[11]报道了美国Bruce Mansfield plant电厂的湿式电除尘器实验，该实验台用316不锈钢制成，入口烟气总汞质量浓度4.88 μg/m3，出口总汞质量浓度2.85 μg/m3，计算得到 WESP烟气脱汞效率为41%（其中颗粒汞脱除率76%，氧化汞脱除率86%，元素汞脱除率18%）。本文试验中，烟气中汞质量浓度较低，WESP入口为0.50 μg/m3， WESP 出 口 为 0.46 μg/m3， WESP 烟气脱汞效率为8%。该电厂WESP脱汞效果不明显，原因可能归因为超低排放改造后，脱硫塔后颗粒物浓度较低，导致颗粒汞含量较低，同时超低排放改造后脱硫塔吸收氧化汞能力较强，经过脱硫塔后烟气中的汞基本上为元素汞，而WESP本身对元素汞脱除能力较弱。

4 结语

本文研究结果表明，所研究的燃煤机组由于其燃煤、石灰石及补充水中汞含量较低，超低排放改造后脱硫废水及湿式电除尘器废水中汞含量均较低，且远低于DL/T 997—2006对汞排放限值要求。根据目前国家及行业相关规定，该机组无须进行排水汞治理。

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Analysis on Mercury Emission From WFGD and WESP Wastewater in Ultra-Low Air Pollutant Emission Coal-Fired Power Plants

SONG Chang1,ZHANG Yi2,HAO Jian2,ZHANG Jinbao2,WANG Jiawei1,AN Liansuo1,ZHANG Yongsheng1
（1. School of Energy Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China;2. Sanhe Power Generation Co., Ltd., Langfang 065200, China）

Abstract:In order to achieve the goal of ultra-low flue gas emission,a series of retrofit projects have been carried out on the 300 MW subcritical natural circulation coal-fired unit of Sanhe Power Generation Co.,Ltd.,such as low NOxburner modification,SCR denitration modification,low-low temperature economizer installation,high frequency power source modification for the electrostatic precipitator(ESP),efficiency improvement and tubular demister installation for the WFGD absorber,as well as the installation of wet ESP(WESP).Taking the unit as the study object to explore the changes of the mercury concentrations in the WFGD and WESP wastewater after the retrofits,the makeup water and discharge water of both the FGD absorber and WESP are sampled to analyze the mercury contents.The results show that due to the low mercury content in coal,limestone and the makeup water,the mercury concentration in WFGD and WESP wastewater is also very low which ranges between 0.140 and 0.468 μg/L and between 0.094 and 0.102 μg/L respectively.The mercury contents in the 52 m3/h WFGD discharge water increase by 1.75 to 5.50 mg while no significant changes of the mercury concentration is observed in the WESP discharge water.

This work is supported by Key Projects in the National Scienceamp;Technology of China(No.2015BAA05B02).

Keywords:coal-fired power plant;ultra-low emission;WESP wastewater;WFGD wastewater;mercury emission

中图分类号：X705；TM621.9

文献标志码：A

DOI：10.11930/j.issn.1004-9649.201610054

收稿日期：2016-10-09

基金项目：国家科技支撑计划资助项目(2015BAA05B02)

作者简介：宋畅（1965—），男，四川合江人，高级工程师，从事电力生产技术管理和燃煤电站污染物控制技术应用研究。

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