海水脱硫电站燃煤过程中汞的形态转化与排放特性研究

摘要

汞是一种剧毒、高挥发性、易在生物体内富集并导致病变的持久性环境污染物。由于原煤中含有汞，耗煤量巨大的燃煤电站成为环境中汞污染的最主要人为排放源。目前，燃煤电站汞排放特性及控制技术研究已成为各国研究的前沿及热点。 本文以燃煤过程产生的汞污染物为对象，以配有完整烟气净化装置的大型滨海电站燃煤锅炉烟气的排放流程为主线，研究燃煤过程汞的形态转化与排放特性，结合锅炉燃煤烟气净化工艺，讨论汞污染的控制技术。主要内容和结果如下： (1)论文研究了燃煤电站常用的烟煤中汞的含量，分析汞含量与煤种的相关性，发现煤中汞含量与硫含量具有较强的相关性。本研究采用小型管式炉进行燃煤排放烟气中汞的形态分布模拟实验。在600℃的燃烧条件下，实验煤种汞的析出率大于95％。模拟实验还发现，烟气中二价汞(Hg2+)所占的比例随燃烧温度、燃烧供气流量的增加而上升；零价汞(Hg0)所占的比例则随燃烧温度、燃烧供气流量的增加而下降。 (2)本研究采用Ontario—Hydro Method(OH法)，在300 MW工业燃煤锅炉进行烟气中汞的浓度水平分析，同时取样分析锅炉的煤、底渣、飞灰等固体样品，以及脱硫塔进出口、曝气池之后海水样品中的汞含量。研究发现，电站燃煤排放烟气中气态汞的浓度在12.63～15.71μg/Nm3之间变动，飞灰中的汞含量与煤中的汞含量大体相当，底渣中的汞含量则仅为飞灰含汞量的1/10～1/100左右。脱硫曝气池的海水在排向海域前的汞含量仍为新鲜海水的5～6倍左右。经物料衡算，单位发电量产生的汞源强约为62.40μg/kW·h，实测数据计算结果表明，单位发电量排向大气环境的汞约13.78μg/kW·h，以灰渣形式排向环境的汞约3.53μg/kW·h，排向海水环境的汞约33μg/kW·h。 (3)本研究利用了OH法的分析数据以及对飞灰粒径和残碳量的测试结果，并采用连续在线测汞仪(CEMs)监测不同运行工况下烟气中汞的排放浓度变化趋势，同时结合烟气净化设施(FCDs)的工艺特点，分析FCDs工艺及运行方式对汞排放特性的影响。研究发现：在选择性催化还原(SCR)脱硝催化剂的作用下，烟气中83.4％的气态Hg0被氧化成气态Hg2+，强烈地影响汞的后续排放特性。作为SCR工艺中的还原剂，NH3不会对烟气中汞的形态变化造成可视性(discernable)的影响。烟气经过静电除尘(ESP)的脱尘作用后，颗粒态汞在烟气总汞中所占的比例由ESP前的5.66％降至ESP后的近似于零，静电除尘对颗粒态汞的去除率几乎达到100％。ESP各电场飞灰吸附汞能力与飞灰粒径呈负相关性，与飞灰残碳量有较强的正相关性。采用烟气海水(SW—FGD)脱硫装置时，海水对烟气中汞的洗脱率高达73.6％，海水转移了本应排向大气的汞污染物。本研究中SCR十ESP+SW—FGD的FCDs组合方式对烟气中汞的脱除率达74.1％。因此认为，烟气净化设施能有效地削减燃煤过程汞的向大气的排放量，有必要充分利用现有烟气净化设施优先控制燃煤锅炉烟气中汞向大气的排放。 (4)本研究采用金丝捕汞法富集脱硫海水曝气池逸出的汞，考察脱硫海水曝气工艺对汞向大气释放的影响。曝气池上空气体中汞的浓度平均值为10.01ng/m3，高出当地背景值的20倍以上。汞的浓度还与曝气池海水中汞的质量浓度、曝气强度呈正相关性。研究还发现，汞的浓度在曝气池周边的垂直高度上呈现递减的规律。曝气池上空汞的浓度在白昼时段高于夜间时段，并在中午日光照射较强的时段出现峰值，光致还原对曝气池海水中的汞释放起到了促进作用。 (5)本研究建立了三维水动力数学模型，采用具有二次精度的六节点三角形单元，并利用粗细网格共存及多套网格一次剖分的非结构化网格技术，模拟和预测脱硫海水中汞在附近海域的排放规律，通过对排水口附近海域海水中汞含量的实地监测，验证预测模型的准确性。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：缩略语表

声明

第1章绪论

1.1引言

1.2汞的性质及环境行为

1.2.1汞的理化性质

1.2.2汞的迁移规律

1.2.3汞的毒性效应

1.3煤中汞的来源、赋存及含量

1.3.1煤中汞的来源

1.3.2煤中汞的赋存形态

1.3.3煤中汞的含量

1.4燃煤过程中汞的迁移转化

1.5汞的分析方法

1.5.1固体样品

1.5.2海水样品

1.5.3烟气样品

1.5.4大气总汞

1.6烟气中汞的控制技术

1.6.1飞灰除汞法

1.6.2液体吸收法

1.6.3活性炭法

1.6.4烟气净化设施除汞法

1.7本文的研究背景

1.8国内外研究的进展与不足

1.8.1国内外研究的进展

1.8.2国内外研究的不足

1.9研究目的、内容与技术路线

第1章参考文献

第2章煤及其模拟燃烧烟气中汞的形态分析

2.1引言

2.2实验部分

2.2.1仪器与试剂

2.2.2实验方法

2.2.3燃煤过程中汞的形态分布模拟实验

2.3结果与讨论

2.3.1煤质

2.3.2煤中汞含量

2.3.3模拟燃烧的烟气中汞的形态分布

2.4本章小结

第2章参考文献

第3章锅炉燃煤产物中汞的形态分析

3.1引言

3.2实验部分

3.2.1仪器与试剂

3.2.2实验方法

3.2.3锅炉与煤种

3.2.4采样点设置

3.2.5烟气等速采样设计

3.2.6实验工况

3.2.7烟气采样注意事项

3.3结果与讨论

3.3.1煤的工业分析

3.3.2燃煤中汞含量

3.3.3灰(渣)中汞含量

3.3.4海水中汞含量

3.3.5烟气中汞含量

3.3.6汞的质量平衡率

3.3.7汞的排放浓度

3.3.8汞的排放强度

3.4本章小结

第3章参考文献

第4章锅炉烟气净化设施对汞排放特性的影响

4.1引言

4.2实验部分

4.2.1实验仪器

4.2.2实验方法

4.2.3 FCDs工艺

4.3结果与讨论

4.3.1 SCR对汞排放特性的影响

4.3.2 ESP对汞排放特性的影响

4.3.3 FGD对汞排放特性的影响

4.4利用FCDs控制汞排放的可行性分析

4.4.1 SCR对汞的氧化

4.4.2 ESP对汞的去除

4.4.3 FGD对汞的去除

4.4.4 FCDs组合对汞的去除

4.5本章小结

第4章参考文献

第5章脱硫海水曝气过程中汞的释放

5.1引言

5.2实验部分

5.2.1实验仪器

5.2.2实验方法

5.2.3曝气工艺

5.2.4仪器参数

5.3结果与讨论

5.3.1检出限与热解释放率

5.3.2曝气池和周边大气中的汞浓度

5.3.3曝气池上空汞浓度与池中海水汞浓度的关系

5.3.4曝气池上空汞浓度与曝气强度的关系

5.3.5曝气池周围垂直高度大气中汞的浓度变化

5.3.6曝气池上空汞浓度的日变化趋势

5.4本章小结

第5章参考文献

第6章脱硫海水中的汞向海域排放的趋势预测

6.1引言

6.2模型理论

6.2.1模型介绍

6.2.2理论方程

6.2.3方程求解

6.3水力模型应用

6.3.1模型网格

6.3.2边界条件

6.3.3水力模型验证

6.3.4流场流态模拟结果

6.4汞的排放趋势预测

6.4.1排水量与汞浓度

6.4.2预测结果

6.4.3汞的排放预测模型验证

6.5本章小结

第6章参考文献

第7章结语

7.1本研究的贡献

7.2本研究的不足

7.3研究展望

攻读博士学位期间完成的论文、专著与专利

致谢