超低排放燃煤机组重金属协同减排和分布特性_中国煤炭行业知识服务平台

创新点

（1）研究确定了典型超低排放燃煤机组烟气重金属(As、Pb、Se、Cr)的排放特征。

（2）提出了适用于超低烟尘含量燃煤烟气的气态和颗粒态重金属同步采样测试方法。

（3）掌握了不同形态重金属在烟气净化过程中的协同控制规律和分布特性。

（4）获得了超低排放机组WFGD+WESP深度脱除气态和颗粒态重金属的协同减排贡献和强化脱除建议。

长按识别二维码阅读全文

超低排放燃煤机组重金属协同减排和分布特性

作者：顾永正，魏书洲

单位：国电电力发展股份有限公司

研究背景

RESEARCH BACKGROUND

煤炭在过去相当长的时间内一直是我国的主体能源，为积极稳妥推进碳达峰碳中和，仍需全力提升能源生产供应保障能力，发挥煤炭兜底保障作用，进一步加强煤炭清洁高效利用。煤中含有大量矿物组分和痕量元素，在高温燃烧过程中挥发性重金属元素易释放，随着烟气冷却会经过均相成核、凝聚、异相凝结等物理化学变化，最终迁移转化到烟气、飞灰、炉渣、石膏和废水中进入生态环境。根据重金属环境危害性的分类，砷(As)、铅(Pb)、硒(Se)、铬(Cr)等挥发性重金属值得关注。As是致癌、有毒元素，会对人体呼吸系统、血液及心血管系统、肝脏等造成不可逆的破坏；Pb是一种可致人体全身中毒的元素，会侵犯造血系统、神经系统及肾脏等；Se的过量摄入会对人体产生毒害作用，引起脱发、脱指甲、偏瘫等病症；Cr的毒性与其存在的价态有关，具有致癌、致畸、致突变的危害。相关研究表明，从分行业大气重金属排放构成来看，燃煤是我国人为源大气重金属的主要排放源，其中As、Pb、Se、Cr均超过了一半。因此，燃煤电厂重金属污染物的排放控制及分布特性已成为当前国内外研究的热点。

煤中重金属的赋存形态和物化特性存在较大差异，在燃煤机组锅炉燃烧区域和烟气处理系统中会表现出不同的迁移转化行为。国内外学者针对燃煤电厂烟气重金属的协同控制和排放特性开展了大量研究。王超等在一台220 MW燃煤锅炉上开展颗粒物采集，研究了As、Pb、Cr等痕量元素在烟道沿程上的迁移及分布特性，发现烟气从SCR到ESP的过程中，As、Pb、Cr在颗粒物上的含量明显增加；从ESP到WFGD过程中，颗粒物上重金属质量分数变化较小。SWANSON等采集了美国2台燃煤机组的入炉煤、炉渣、飞灰等固体样品，研究了As、Pb、Se、Cr等重金属在燃煤副产品中的分布规律。邓双等对6个燃煤电厂Pb的排放特性进行了实测研究，结果显示ESP和FF对Pb的平均脱除效率分别为91.85%和95.12%，WFGD对Pb的脱除效率为35.67%～77.81%。CÓRDOBA等研究了WFGD系统对痕量重金属的减排效果，发现其对颗粒态As、Se、Cr等具有一定捕获效果，但无法有效去除富集于细颗粒中的重金属。WANG等在一台300 MW燃煤机组上采用EPA Method 29开展烟气重金属浓度测试，发现WESP对As、Pb、Se、Cr等重金属具有一定减排效果，脱除效率分别为24.6%、32.87%、23.06%和9.39%。ZHAO等采用EPA Method 29测试一台660 MW燃煤机组的烟气重金属质量分数，发现WESP对As、Pb的脱除效率可达到80%以上。值得关注的是，多个现场测试结果表明，采用EPA标准方法多数未能测出净烟气中颗粒态重金属质量分数，这主要和相应点位烟气中颗粒物浓度低及标准采样时间短有关，可能对协同减排效果数据分析的准确性有一定影响。

近年来，我国燃煤机组全面实施超低排放或近零排放升级改造，常规烟气污染物控制设备(APCDs)的性能得到了大幅提高，且WESP等细颗粒物深度脱除装置也得到了广泛应用，这对烟气中重金属污染物浓度、形态分布、排放特征均有影响，同时考虑到当前现场测试研究的采样点位和采样方法较为局限，有必要针对典型超低排放燃煤机组开展更为系统的重金属污染全流程监测，以更好地阐释分形态重金属在烟道沿程的迁移转化过程，这方面研究鲜有报道。基于此，笔者在一台配置SCR、LLT-ESP、WFGD、WESP的350 MW超低排放燃煤机组上，采用美国EPA 29法和TSP采样系统对不同点位烟气中气态和颗粒态重金属(As/Pb/Se/Cr)进行了同步等速采样分析，并采集了煤、灰、渣、脱硫副产物等固体/液体样品，研究了烟气重金属在燃煤电厂中的富集、迁移、分布、排放特性，着重分析了主要污控设施对不同重金属的协同减排效果。

摘要

ABSTRACT

煤燃烧排放的砷(As)、铅(Pb)、硒(Se)、铬(Cr)等重金属污染物已受到广泛关注。为探究超低排放燃煤机组烟气重金属的排放特征及分布规律，采用美国环境保护署(EPA) 29法和总颗粒物(TSP)采样系统对某350 MW超低排放机组(配置选择性催化还原(SCR)脱硝+低低温静电除尘(LLT-ESP)+湿法烟气脱硫(WFGD)+湿式静电除尘(WESP))不同点位烟气中气态和颗粒态重金属(As、Pb、Se、Cr)进行同步等速采样分析，考察了分形态重金属在燃煤电厂中的富集、迁移、分布、协同控制特性。

结果表明：重金属(As、Pb、Se、Cr)在燃烧产物飞灰中的相对富集因子明显高于炉渣，飞灰/炉渣中不同重金属的富集程度与其挥发性具有较为明显的正/负相关关系；不同区域重金属质量平衡系数均在可接受范围内，燃煤过程中重金属(As、Pb、Se、Cr)主要分布在ESP飞灰和炉渣中，分别占总输出量的92.12%～95.33%和2.31%～6.70%，而在脱硫石膏和排放烟气中的合计占比仅为0.47%～2.98%；ESP、WFGD、WESP对4种重金属的脱除效率分别为98.70%～99.52%、13.03%～41.63%、23.67%～53.18%，ESP+WFGD+WESP组合对气态和颗粒态重金属的脱除效率分别为62.96%～92.99%和99.72%～99.96%，促进烟气中重金属向飞灰中富集和可溶性化合物中转化可成为燃煤电厂重金属污染物高效脱除的有效技术手段；排放到大气中的气态和颗粒态重金属(As、Pb、Se、Cr)质量浓度分别为0.11～1.89 、0.06～3.83 μg/m³，4种重金属的排放因子为0.15～1.72 g/TJ，不同分形态重金属排放的差异主要取决于其在煤中含量和挥发特性。

部分图片

图 1 试验机组采样点示意

图 2 EPA 29 法采样装置示意

图 3 重金属在飞灰、炉渣中的相对富集因子

图 4 重金属质量平衡系数

图 5 燃煤机组重金属的质量分布

图 6 ESP、WFGD、WESP、APCDs 组合对烟气重金属的脱除效率

图 7 燃煤机组烟气重金属的排放因子

作者简介

顾永正，男，1991年3月生，江苏滨海人，中共党员，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。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7项；参编国标、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；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”。

研究方向

清洁低碳发电技术研究及工程实践

主要成果

围绕能源电力清洁低碳、安全高效发展方向，主持或参加了10余项国家级、企业级科技项目，为保障国家能源安全、助力绿色低碳转型作出了重要贡献。开发了燃煤烟气多污染物深度脱除关键技术，建成世界首个5万m³/h燃煤烟气中试平台，完成1000MW机组工程应用，实现低能耗深度减排；突破了燃煤电站低能耗碳捕集关键技术，建成国内最大15万吨/年燃烧后CO₂捕集-驱油/封存全流程示范工程，性能指标国际领先；发明了改性飞灰吸附脱除重金属关键技术，建成世界首个300MW和1000MW示范工程，汞、砷、硒、铅综合脱除效率均提高到90%以上，实现低成本高效捕集。

来源：

顾永正，魏书洲. 超低排放燃煤机组重金属协同减排和分布特性[J]. 煤炭学报，2023，48(8):3252−3262.

责编：张晓宁

编辑：赵泽维

审核：张晓宁

　　责任编辑：宫在芹

超低排放燃煤机组重金属协同减排和分布特性

煤问提

煤传媒

煤视界

科技创新50强

会员中心