汞减排带来的机遇

1 美国的汞管制和水泥工业

美国环境保护局（EPA）制定了危险空气污染物国家排放标准（NESHAP），1999年开始在美国的水泥厂实施，主要有：颗粒物质、看得见的烟囱排放浑浊物、碳氢化合物和二恶英、呋喃的总量。2006年提出汞排放限值为41μg/dscm（7%O2），相当于34.5μg/m3（标）（10%O2），监测要求为每年3h烟囱测试。在接下来的几年里，此项规定受到工业和环保行业组织的挑战。

2012年12月20日，为了应对联邦法院的判决，以行业请愿书和有关技术资料为基础，美国环境保护局对水泥生产过程中所产生的空气有毒物标准完成了修改。按照修改规定，估计节省实施费用5200万美元。

危险空气污染物国家排放标准的排放量是按最大完成控制技术（MACT）来计算的。对现生产的水泥厂规定年汞排放量为55磅/百万吨熟料（8～13μg/m3（标）），新建生产线为21磅/百万吨熟料（3～5μg/m3（标））。上述数值必须连续监测，于2015年9月9日生效。

美国环境保护局（EPA）估计，汞限值实施的结果是：汞排放量将减少92%，为完成减排限值，年将多支出3.5亿美元，美国水泥协会将付出34亿美元的装备费用。

2 汞对工艺过程的挑战

在煅烧工艺过程中，汞的排放量和汞循环变化相当大，图1所示为2011年美国各水泥厂的汞排放量，资料来自美国环境保护局有毒物质排放清单和温室气体排放数据。

图1所示的每条线，代表一个水泥厂的汞排放量，按现水泥生产汞排放限值55磅/百万吨熟料要求，超过50%的水泥生产厂需要设置减排装置，才能满足排放限值要求。而其中有29个厂，现排放值超过100磅/百万吨熟料，也就是说减排数量超过40%，才能满足限值要求。

汞排放主要有两种形态，即汞元素和离子。图2为水泥磨生产过程中，汞元素和汞离子的排放值，只有在生产过程中，了解汞排放产生的原因及转变情况，才能采取正确的措施，减少排放。

图1 2011年美国水泥厂的汞（排放）

3 汞减排技术

汞减排技术按生产过程主要分为三类，即预处理（原料、燃料）、过程处理（固相排除）和后处理（过滤器清理）。现将有关措施介绍如下：

3.1 原料选择（预处理）

若汞问题主要源自原燃料，则可更换原燃料，但需考虑价格，若费用不高，且对现生产影响较小，对熟料水泥性能影响不大，则可考虑更换。

3.2 阻断汞循环

水泥生产过程中，原燃料中的碱、氯化合物在窑和分解炉内挥发随烟气后逸，冷却后凝结在生料表面，随着烟气温度进一步降低，烟气内相当部分的氯碱化合物被窑尾收尘器收集，随生料重新返回入窑，形成氯碱化合物循环。减缓氯碱化合物在生产过程中浓缩的主要方式为旁路放风（bypass），放掉一部分高浓度氯碱化合物粉尘，使生产正常运行。

汞的挥发温度低，一般的看法是，在生产过程中，挥发的汞元素和化合物随烟气排至大气中，不存在汞在生产中的循环问题。但近年来的研究表明，在水泥生产过程中，汞存在循环，也就是燃料在燃烧过程中，原燃料在生料磨煤磨内烘干、粉磨过程中，原燃料内所含的汞就主要以汞元素和化合物形态挥发（图2），这些挥发物最终随低温烟气入收尘器；当烟气温度进一步下降时，部分汞元素和化合物冷凝在生料颗粒表面；当收尘器收下的细颗粒与生料混合入预热器，随着生料温度的增高而再次挥发，冷凝富集，形成汞循环。

有文章称，若能有效地排除部分高浓度的含汞元素和含汞化合物粉尘，其减排效率可达30%～70%。

在美国Florida水泥厂一台生料磨上进行测试，发现当生料磨停磨时，系统内收尘器收下的粉尘中，含汞量高，随着时间的推移，则汞含量逐渐下降（图3）。进一步测试表明，收尘器内温度与汞浓度有关，若能排除含汞浓度高的粉尘，则必将取得较好效益。对收尘器进行测试的效果是，每周将袋收尘器收下的500t含汞粉尘送至水泥磨作混合材（相当于1.5%的水泥磨产量），则汞减排效率可达40%。所需排除费用为13200美元/kg汞。

图2 原料磨生产汞形态效应

图3 袋收尘器收下的生料粉内汞浓度随时间的变化情况

图4 水泥窑粉尘处置系统和方式

近年来，为提高粉尘排汞效率，使含汞粉尘排汞后，仍作入窑生料用，出现了一些粉尘排汞的焙烧技术和专利，例如：在输送装置内加热生料袋收尘器收下的含有较高浓度的汞粉尘，使汞得以挥发，在此过程中，适当喷入一些促使汞挥发的化合物，然后进行汞回收。在上述小型试验装置上，排汞效率超过90%（图4）。

3.3 烟气汞收集

·在汞含量较高的烟气中，喷入能够吸收烟气中的汞的粉状活性碳，此方法在美国的电力工业得到应用，许多环保组织认为这是美国水泥工业汞减排最为适合的途径。但是系统除增加活性碳喷射装置外，还需增加费用较高的清理过滤器投资。此外，生产过程中，需增加活性碳费用，以及增大风机能力，相应增加生产费用。此法排汞效率约80%。

活性碳喷射效率与生产工艺流程有关，使用前必须通过实验取得效果，才能考虑使用。

·在活性碳喷射装置中，向汞含量较高的烟气中喷入改性硅酸盐，可取得活性碳稍低或相接近的排汞效率。有利之处是，含有高浓度汞的硅酸盐粉尘经收尘器收下后可作混合材入水泥磨，不足之处是必须在高浓度的氧化汞烟气中使用才有效。

·采用固定吸附床汞洗涤器，这是一个清理过滤器（polishingfilter），其优点是简单和安全。其组成是在现有收尘器后设置烟气冷却装置，而后设置一个固定吸附组件，系统为固定部件不需粉粒喷射，操作简单，在试验时，除汞效率超过90%，但投资费用较活性碳喷射高得多。

·传统的烟气除硫湿法洗涤装置和半干洗涤装置也可用来除汞。各种半干洗涤器由反应室组成，烟气和石灰浆在流态化床作试剂用，能很好地吸收汞，有报道称除汞效率超过90%，此法在电厂大量应用，效果较好。此系统也考虑喷射活性碳，系统相对紧凑，操作简单、灵活。系统设置在生料磨和袋收尘器之间，较清理过滤器节省投资。

4 结束语

2015年9月实施的汞排放标准，超过一半的美国水泥厂需要投资兴建汞减排装置，才能满足汞排放标准。

目前较为有效的汞减排方法为活性碳和湿式洗涤装置，但均遇到装置费用以及排汞后的粉尘处置问题，有关部门正研究探索一些新途径，以便较好地解决汞减排问题。

各厂的原燃料和工艺、生产状况不一，所呈现的汞排放值很不一致，因而在兴建汞减排装置时，必须搞清工厂汞排放的工艺及其必须限止的排放量，采用既能满足排放限值要求，投资又较少的减排装置，不同效率和不同费用的排汞装置均应考虑。

汞排放标准的实施是压力，也是机遇，一些新的投资费用低的减排装置和减排方法必将出现。

陈友德编译自

No.1/2014 World Cement