浅谈燃煤中重金属控制技术

浅谈燃煤中重金属控制技术

发表时间：2018-12-21T09:31:25.423Z 来源：《电力设备》2018年第23期作者：啜广毅1 孙钰2 [导读] 摘要：我国作为一个煤炭大国，煤炭在一次能源结构中占比高，重金属主要存在于煤炭中，因此重金属控制已成为燃煤污染中的一个新领域。我国在相关标准中对汞等重金属的排放已做了规定。 (1大唐环境产业集团股份有限公司北京 100097;2北京大唐恒通科技有限公司北京 100097) 摘要：我国作为一个煤炭大国，煤炭在一次能源结构中占比高，重金属主要存在于煤炭中，因此重金属控制已成为燃煤污染中的一个新领域。我国在相关标准中对汞等重金属的排放已做了规定。本文首先介绍了痕量重金属的理化特性，说明了重金属对人体的危害。又对我国重金属的排放现状做了简要地介绍。最后对燃煤重金属控制技术做了重点介绍，得出流化床燃烧技术和添加吸附剂技术在现阶段得到

了普遍的应用，这两种技术都具有重金属脱除效果明显。同时高效电除尘技术、湿法脱硫、织物过滤技术和湿式电除尘技术在炉后脱除重金属方面也有着非常显著的作用。

关键词：燃煤重金属控制技术大气污染 1引言

我国作为一个煤炭大国，煤炭在一次能源结构中占比非常高，并且预期在相当长的一段时间内我国一次能源生产和消费仍会以煤炭为主。煤是一种不清洁燃料，燃煤造成的大气污染是全球共同面临的难题，更是制约我国国民经济和社会可持续发展的一个重要因素。因此对燃煤造成的大气污染是我国需要重点关注的热点。

痕量重金属主要存在于燃煤中，因此控制痕量重金属排放已成为燃煤污染中一个新兴领域，也越来越受到各界关注。以往，欧美国家主要关注的是固体废物和垃圾焚烧过程中产生的重金污染，其目的是为了避免焚烧带来更严重的二次污染。近年来，由于燃煤电厂的大量建设，并且我国的能源还将继续依赖煤电产能，因而继SOx、NOx和CO2等污染物之后，燃煤排放重金属污染问题也被提上了全球污染控制的议事日程。随着人们环保意识的提高和认识的深入，燃煤电厂重金属控制必然会愈来愈广泛和严格。

我国在2011年就颁布了新的《火电厂大气污染物排放标准》（GB13223-2011），规定燃煤电厂Hg排放浓度限值为30μg/m3，同年由国务院正式批复的《重金属污染综合防治“十二五”规划》中，明确提出对重点污染物为铅（Pb）、汞（Hg）、镉（Cd）、铬（Cr）和类金属砷（As）等重点区域和重点行业制订严厉的整治措施。因此，研究燃煤过程中重金属的控制技术，对于燃煤电厂重金属减排有着及其重要意义。

2 煤中痕量元素的理化特性[1]

汞作为煤中一种痕量元素，燃烧后大部分随烟气排入大气，生态环境中的汞会对环境、人体产生长期危害。烟气中的汞主要以两种形式存在：单质汞和二价汞的化合物。汞的毒性以有机化合物的毒性最大，大量的汞通过干沉降或湿沉降变为甲基汞侵入沉降污染水体。甲基汞能使细胞的通透性发生变化，破坏细胞离子平衡，抑制营养物质进入细胞，导致细胞坏死。汞能在生物体内富集后循环进入人体，对人类造成危害，并对植物产生毒害，使植物叶片脱落、枯萎。由于汞在大气中的停留时间很长，毒性也大，因此对于汞的排放控制研究已成为研究热点。

砷在地壳中含量不多，主要以硫化物存在。砷化合物为原生质毒物，所有可溶性的砷化合物都是有毒的。砷中毒可以使人体内的酶失去活性，影响细胞正常代谢，导致细胞死亡，引起中毒性神经衰弱症，多发性神经炎，皮肤癌，畸形。砷污染对生态环境的破坏是不可逆的，即使停止排放后，环境中的砷也不会自行消减。煤燃烧、垃圾焚烧和金属冶炼等都会产生含砷废气污染环境。燃煤是大气中砷的主要来源，因此燃煤电厂成为了控制砷排放的重点区域。

硒是谷胱肽氧化酶的活性中心，具有抗脂质过氧化保护生物膜的作用。研究表明适量的硒具有防癌抗癌，预防和治疗心血管疾病，克山病和大节骨病，防衰老，抗辐射及增强机体免疫力等多种功能。但高硒又将出现硒中毒，引起脱发，脱指甲，偏瘫等病症，可见硒的摄入量必须控制在一个很窄的范围内，含量过多或过少都能引起疾病和中毒。

铅是两性金属，具有吸收放射线的性能。铅进入人体后，除部分通过粪便、汗液排泄外，其余在数小时后溶入血液中，阻碍血液的合成，导致人体贫血，出现头痛、眩晕、乏力、困倦、便秘与肢体酸痛等；有的人口中有金属味，动脉硬化、消化道溃疡与眼底出血等症状也与铅中毒有关。小孩铅中毒则出现发育迟缓、食欲不振、失眠，伴有多动、听觉障碍、注意不集中、智力低下等现象。 3我国燃煤电厂烟气重金属排放现状[2] 一些学者对我国部分燃煤电厂烟气重金属元素进行了现场采样分析，但所测重金属元素种类大都较少，并且就全国各省市电厂来说，进行的重金属测试远远不够，表1整理了部分研究者在某些省市实测的的燃煤电厂汞排放数据。

表1 我国部分燃煤电厂汞排放实测数据

目前我国对燃煤电厂汞排放的研究结果显示我国多数燃煤电厂烟气汞排放浓度低于《火电厂大气污染物排放标准》GBl3223—2011汞及其化合物标准限值0.03mg/m3(30μg/m3)。我国学者在研究燃煤电厂汞排放特征的同时，还研究了电厂污控设施对汞的脱除效果。研究表明，燃煤电厂污控设施中除尘装置、脱硫装置、脱硝装置的运行均对烟气中汞的去除有一定的作用。

4 燃煤重金属控制技术[3-4]

4.1燃烧前预处理

燃烧前预处理主要指煤炭加工技术，包括选煤、动力配煤、型煤、水煤浆、化学脱硫等，这些技术一般通过提高煤燃烧效率，减少烟气的排放量来达到降低重金属污染的目的。

（4.1.1）物理清洗技术

这是一种建立在煤粉中有机物与无机物的密度不同及它们的有机亲和力不同的基础上的技术。一般来说，重金属元素主要存在于无机物中，当在煤粉浆液中加入有机浮选剂进行浮选时，大部分有机物能够成为浮选物，而无机矿物质就成为了浮选矿渣，这样，重金属元素将会富集在浮选废渣中，从而起到除去煤中重金属的目的。

（4.1.2）化学清洗技术

煤中重金属元素有一部分存在于硫化物、硫酸盐中。如果采用一定的化学方法脱去原煤中的硫酸盐与硫化物，也就相应除去了存在于其中的重金属元素。化学方法既可以减少煤灰中的重金属，又可减少SO2对大气的污染，但这种方法的效果与重金属元素在煤中的存在形式有关。

4.2燃烧中控制

目前，燃烧中控制重金属排放的技术主要有以下几种：

（4.2.1）流化床燃烧技术

流化床燃烧技术（FBC）具有高效燃烧、低污染、综合利用率较高的优点，近年来发展迅速。有研究指出，它可以减少燃煤重金属如汞的排放。众多实验结果表明，燃烧后烟气中汞浓度低于国家标准，并且灰渣中的重金属不会对水体造成污染。虽然流化床燃烧技术研究起步比较晚，但是由于其具有卓越的脱除效果，现在已被普遍使用。

（4.2.2）吸附剂吸附技术

在煤燃烧过程中添加固体吸附剂来捕获重金属被广泛认为是一项极有前景的技术。在金属蒸汽还未结核前，使有毒重金属与活化了的吸附剂进行吸附和化学反应，从而达到捕获或固化重金属元素的目的。

目前被广泛使用的吸附剂主要有：飞灰吸附剂、活性炭吸附剂、钙基吸附剂、矿物吸附剂。其中钙基吸附剂对重金属硒和砷的脱除效果比较好，矿物吸附剂对铅和镍具有较强的吸附作用。

（4.2.3）残渣处理方法

残渣处理法是在多床炉中完成对含重金属残余物进行热处理的方法，可以从残余物中还原出金属，并可对排出的废气和生成的混合物分别处理。在国外，常将处理过的燃煤残渣用作建筑材料。

4.3燃烧后控制

（4.3.1）高效电除尘技术

高效电除尘器脱除亚微米颗粒，使之与重金属一起减少。因为重金属元素大多是富集在烟气中的颗粒上，实验表明95%以上的重金属元素可以被除掉，但对小于5μm颗粒的捕集效率较低，所以，微粒上重金属的脱除效率要比实际除尘效率低。若在烟气中加入少量的NH3、SO3就可大大提高除尘器脱除小颗粒的效率。因为添加这些化学物质后可是灰的粘性增加，从而改变了灰粒的特性，提高除尘效率。

（4.3.2）湿法烟气脱硫技术

湿式FGD能有效地控制易挥发性痕量重金属元素（但对As、Hg、Se效果不大）。但由于痕量重金属元素也富集于废渣和废水系统中，仍存在固态和废渣的污染，故需要综合性控制。

（4.3.3）织物（布袋）过滤技术

布袋过滤器常用于含重金属成分的飞灰的分离，当颗粒物粒径在0.1～10μm范围时，过滤效率可达99％。此技术的缺点是更换布袋需时长，费用高。

（4.3.4）湿式电除尘技术

湿式电除尘（简称WESP）技术是一种能深度脱除复杂污染物的技术。它能去除微细的水雾、烟尘以及硫酸根、重金属等污染物，能对脱硫后的污染物综合治理。WESP可以较好的脱除细微粒子，而重金属多富集在亚微米级颗粒物上，所以WESP高效脱除PM10、PM2.5的同时也能高效脱除重金属。WESP作为电厂烟气净化的最后一个设备，对减少重金属排放具有及其重要的意义。

（4.3.5）其他技术

a微生物技术：国外在利用微生物处理重金属研究方面起步比较早，在利用细菌、藻类和酵母等减轻重金属污染方面已有大量报道，相信随着这方面理论技术的不断发展，未来将微生物处理重金属技术引入燃煤电站重金属污染与控制领域具有很大的可行性和广阔的前景。

b光化学技术：光化学法作为一种高效节能的现代污染防治处理技术，近年来发展迅速。但这种方法目前主要集中在有机物的形态转变上，对无机物尤其是重金属的研究还不够。由于燃煤产物成份复杂，相互作用机理尚在探索，所以直接或间接地将在有机物治理上取得的成果转移到燃煤中重金属抑制方面会遇到很大困难。

c热等离子体处理技术：热等离子技术用于处理含有毒挥发成分的燃煤烟气时具有独特优势。但此项技术以电力作为能源，经济成本高，同时需要更多的过程控制参数，在过程控制中要求自动化程度高。因此这种设备的工业化仍然缺乏—个坚实的工程基础。

综上所述，流化床燃烧技术和在煤燃烧过程中添加吸附剂技术在现阶段得到了普遍的应用，这两种技术都具有重金属脱除效果明显、经济性高等特点。并且在吸附剂技术中，有的吸附剂还可以同时减少SO2的排放。高效电除尘技术、湿法脱硫、织物过滤技术和湿式电除尘技术在炉后脱除重金属方面也有着非常显著的作用。因此采用燃烧中和燃烧后处理重金属技术相结合的方法比较适合我国技术水平和经济状况，是我国燃煤电厂重金属污染控制研究的主要方向。

5 结语

燃煤中重金属的控制研究是现今全球最重要的大气环保课题之一。本文介绍的众多重金属脱除技术无论在理论上还是实用上都已经达到了一个新的高度和深度。但是，目前研究主要集中在局部技术，大多停留在传统的研究方法上或者是基本方法的延伸、深入方面上，缺乏基础理论和跨学科方面的突破性技术成果，也缺乏将多种技术结合协同脱除的技术研究。只有解决了这些问题才能会大大减少二次污染和交叉污染。因此，燃煤中重金属的控制仍然是今后电力环保行业研究的一个重要课题。