陈敏敏 王军霞 张守斌 秦承华 景立新 唐桂刚#

(1.中国环境监测总站，北京 100012；2.国家环境保护环境监测质量控制重点实验室，北京 100012)

汞具有毒性和持久性，并存在生物累积效应，使用或排放不当可造成严重的环境污染，危及人体健康与生态安全。2005年，我国电厂燃煤量达10亿t，汞排放量约为141 t；2009年，我国煤炭销量超过30亿t，其中50%用于火力发电，汞的排放量明显超过2005年的统计值[1-2]；2013年，我国政府签署了具有法律约束力的《汞问题水俣公约》，对汞的排放限值及控制提出了要求[3]。

国内对燃煤电厂汞排放及控制技术开展了众多研究[4-9],[10]69-70,[11-12]，但这些研究大多集中于单个燃煤电厂，分析其外排烟气中汞的排放规律及形态分布等，缺乏对典型燃煤电厂汞排放浓度及达标情况的综合分析。本研究选取12个省(市、自治区)16家燃煤电厂的32台机组为研究对象，对外排烟气中的汞浓度进行手工监测和自动监测，对比美国、欧盟及我国的排放限值，分析汞在燃煤电厂外排烟气中的浓度和达标情况。

1 国内外燃煤电厂的标准限值

1.1 美 国

2011年12月16日，美国环境保护署出台了第1个针对燃煤电厂的《汞和有毒气体排放标准》(MATS)，内容包括燃煤燃油机组有毒有害气态污染物排放限值和新建化石燃料机组的锅炉性能规范。MATS规定2011年5月3日后的新建机组、现有机组自2015年4月16日起执行新的汞排放限值[13](见表1)。

表1 MATS汞排放限值

注：1)排放效率为单位发电量对应的污染物排放量；2)排放质量浓度由排放效率计算得出，计算基于生产1 kW·h电约产生3.3 m3废气(标准状态条件下)；3)以热值19 305 kJ/kg为界划分低阶煤和非低阶煤，其中低阶煤的热值不超过19 305 kJ/kg，非低阶煤的热值超过19 305 kJ/kg[14]。

我国的污染物排放限值主要基于排放浓度(多以mg/m3、μg/m3为单位)，而MATS的污染物排放限值主要基于排放效率(多以lb/(GW·h)、lb/MMBtu为单位)。干烟气中的污染物实测排放浓度先折算成O2体积分数为7%的排放浓度，再结合烟气水分含量、温度、发电负荷、流量等参数，计算出排放效率[15]。由于我国对固定污染源废气中汞的测定方法仍不完善，所以在实际监测过程中，大多参考美国的安大略法(采样时间为2～3 h)或Method 30B吸附管法(采样时间大于1 h)。

1.2 欧 盟

欧盟在《大型燃烧装置大气污染物排放限值指令》和《大型燃烧装置的最佳可行技术参考文件》中对汞的排放未提出限定要求。德国于2004年修订的《大型燃烧装置法》(GFAVO)针对燃煤电厂的汞排放制订了限值，规定汞及其化合物的排放限值不得超过30 μg/m3[16]。

1.3 中 国

我国缺乏现有燃煤电厂的汞实测排放数据和普查资料，2011年7月29日发布的《火电厂大气污染物排放标准》(GB 13223—2011)借鉴了GFAVO的排放限值，规定我国燃煤锅炉于2015年1月1日起执行汞及其化合物的排放限值为30 μg/m3[17]。

与MATS的汞排放限值对比，我国的汞排放限值较为宽松；MATS中最宽松的汞排放限值是针对燃烧低阶煤的现有机组和新建机组，均为5.40 μg/m3，但仍远低于我国的汞排放限值。

2 燃煤电厂机组情况

开展研究的16家燃煤电厂分布在我国12个省(市、自治区)，每家燃煤电厂选取2台机组。32台机组均配有除尘和脱硫污染控制设备。14台机组采用选择性催化还原(SCR)脱硝；29台机组采用静电除尘(ESP)，3台机组采用布袋除尘(FF)；26台机组采用湿法烟气脱硫(WFGD)，6台机组采用循环流化床烟气脱硫(CFB-FGD)。32台机组燃烧煤种多样，很大程度上反映了当前我国燃煤电厂机组的基本情况(见表2)。

3 汞达标排放分析

3.1 手工监测

剔除研究中的不完整、不合理数据，手工监测的66台次机组，其外排烟气中汞的质量浓度为0.13～14.19 μg/m3(包括气态汞和颗粒态汞)，平均值为4.83 μg/m3，烟气中的汞主要为气态汞。手工监测的汞排放浓度远低于GB 13223—2011的排放限值(30 μg/m3)，所有机组均达标排放(见图1)。

图1 手工监测的汞排放质量浓度分布Fig.1 Distribution of mercury emission mass concentrations based on manual monitoring

50台次机组燃烧非低阶煤，其外排烟气中汞的平均质量浓度为3.97 μg/m3，低于总体的平均排放浓度；其中有36台次机组高于MATS现有机组燃烧非低阶煤排放限值(1.76 μg/m3)，占燃烧非低阶煤机组总台次的72%。16台次机组燃烧低阶煤，其外排烟气中汞的平均质量浓度为7.52 μg/m3，其中有8台次机组高于MATS现有机组燃烧低阶煤排放限值(5.40 μg/m3)，占燃烧低阶煤机组总台次的50%。因而，参考MATS现有机组排放限值，66台次机组超标率为66.7%。

我国的低阶煤主要包括瘦煤、褐煤等，非低阶煤主要包括无烟煤、烟煤等。王海泉等[18]通过研究表明，我国各煤种的汞含量依次为瘦煤>褐煤>焦煤>无烟煤>气煤>长焰煤，低阶煤的汞含量总体高于非低阶煤。非低阶煤的碳含量大于低阶煤，而煤中碳含量越高，充分燃烧后产生飞灰越多，经过烟气除尘和脱硫设备后，汞的去除效果更加明显。因此，燃煤电厂燃用低阶煤和非低阶煤，其外排烟气中的汞浓度存在差异。

3.2 自动监测

对31台机组(J电厂8#机组除外)外排烟气中的汞浓度进行自动监测，并计算汞的基准排放浓度(根据GB 13223—2011，作为基准的O2体积分数定为10%)的最大值、最小值、平均值及获得有效平均值的小时数(见表3)。其中汞的最大基准排放质量浓度为5.50～49.10 μg/m3，平均值为24.20 μg/m3；最小基准排放质量浓度为0.01 ～3.40 μg/m3，平均值为0.51 μg/m3；平均基准排放质量浓度为1.50～12.30 μg/m3，平均值为5.08 μg/m3。

对于31台机组，汞的平均基准排放浓度均低于GB 13223—2011的排放限值(30 μg/m3)。基于GB 13223—2011排放限值的小时达标率为94.9%～100.0%，平均达标率为96.9%，其中19台机组达标率为100.0%。基于MATS现有机组的汞排放限值(燃烧非低阶煤排放限值为1.76 μg/m3，燃烧低阶煤排放限值为5.40 μg/m3)，除3台机组燃烧混合煤难以判断是否达标，剩余的28台机组中仅有4台机组低于MATS现有机组的汞排放限值，超标率为77.4%。

对于电厂D、P，汞的平均基准排放质量浓度较高，分别为11.60、11.20 μg/m3；对于电厂J、K，汞的平均基准排放质量浓度较低，分别为1.60、1.70 μg/m3。由表2可知，电厂D所用煤种为贫瘦煤，碳含量较低，汞含量较高，且燃烧后汞的赋存状态大多为元素汞，不利于汞的去除；电厂P位于我国西南部，燃煤的汞含量基本处于我国最高水平[19]，且所用煤种为褐煤。电厂J所用煤种为质量分数60%的褐煤和质量分数40%的无烟煤组成的混合煤，电厂K所用煤种为烟煤，这些煤种燃烧所产生的汞经过除尘、脱硫设备易于去除；且电厂J、K所用煤种均属于低硫煤，低硫煤中汞含量较低。因而，电厂D、P外排烟气中汞浓度均较高，电厂J、K外排烟气中汞浓度均较低。

表3 自动监测的汞排放浓度分析

3.3 烟气污染物处理工艺对汞的去除率

烟气处理前后汞平衡误差在±30%以内[20]。除尘、脱硫设备对烟气中汞的平均去除率分别为38.5%、52.5%；烟气处理设备对烟气中汞的总去除率为22.2%～99.5%，平均值为74.1%，说明我国的烟气处理设备能有效降低烟气中的汞。

《煤电节能减排升级与改造行动计划(2014—2020年)》要求燃煤电厂的烟尘、二氧化硫、氮氧化物等污染物超低排放。为达到超低排放要求，在除尘方面，一般采取加装湿式静电除尘设备；在脱硫方面，一般采取增容改造或单塔双循环、双塔双循环等更高效率的脱硫设备；在脱硝方面，采取低氮燃烧、SCR脱硝等技术[21]。

对于超低排放改造的脱硝技术，安装SCR脱硝设备后，烟气中汞的总去除率为78.8%，而安装SCR脱硝设备前，烟气中汞的总去除率为69.2%，说明SCR脱硝有助于烟气中汞的去除。而对于超低排放改造的除尘、脱硫技术，王运军等[10]71研究表明，不同的除尘和脱硫设备对烟气中汞的去除率存在差异，与烟气组分、飞灰特性等因素密不可分，因此除尘和脱硫等超低排放改造技术对烟气中汞去除率的影响还需进一步研究。

4 结论与建议

(1) 基于GB 13223—2011规定的现有燃煤锅炉烟气中汞及其化合物排放限值(30 μg/m3)，手工监测与自动监测的外排烟气中汞质量浓度分别为0.13～14.19、1.50～12.30 μg/m3，平均值分别为4.83、5.08 μg/m3，均远低于排放限值，所有机组均达标排放。

(2) 基于MATS现有机组非低阶煤、低阶煤的汞排放限值(分别为1.76、5.40 μg/m3)，手工监测的机组中有66.7%汞排放超标，自动监测的机组中有77.4%汞排放超标。

(3) 将手工监测、自动监测数据结合煤种及煤中汞、碳含量进行分析，发现烟气中汞的排放浓度与煤种及煤中汞、碳含量存在关联。燃烧非低阶煤比燃烧低阶煤的电厂汞排放浓度低；煤中汞含量越低，碳含量越高，汞排放浓度越低。

(4) 超低排放改造技术中，SCR脱硝技术有助于烟气中汞的去除；受烟气组分、飞灰特性等因素的影响，除尘和脱硫等超低排放改造技术对烟气中汞去除率的影响还需进一步研究。

[1] WANG Shuxiao,ZHANG Lei,WU Ye,et al.Synergistic mercury removal by conventional pollutant control strategies for coal-fired power plants in China[J].Journal of the Air & Waste Management Association,2010,60(6):722-730.

[2] 杨凯.固定污染源烟气汞监测技术与设备[M].北京:中国电力出版社,2012.

[3] UNEP.Minamata convention on mercury[EB/OL].[2014-09-02].http://www.mercuryconvention.org/Convention/tabid/3426/Default.aspx.

[4] 杨立国,段钰峰,杨祥花,等.燃煤电厂汞排放特性实验研究[J].东南大学学报(自然科学版),2007,37(5):817-821.

[5] 周劲松,王光凯,骆仲泱,等.600 MW 煤粉锅炉汞排放的试验研究[J].热能动力工程,2006,21(6):569-572.

[6] 卢平,吴江,潘伟平,等.860 MW煤粉锅炉汞排放及其形态分布的研究[J].动力工程,2009,29(11):1067-1072.

[7] 李志超,段钰峰,王运军,等.300 MW燃煤电厂ESP和WFGD对烟气汞的脱除特性[J].燃料化学学报,2013,41(4):491-498.

[8] 胡军,傅成诚.基于实测的300 MW燃煤发电机组大气汞排放特征分析[J].湖南师范大学自然科学学报,2013,36(4):83-87.

[9] 杨祥花,段钰锋,江贻满.燃煤锅炉烟气和飞灰中汞形态分布研究[J].煤炭科学技术,2007,35(12):55-58.

[10] 王运军,魏继平,段钰峰.燃煤电厂现有污染物控制设备对汞形态转化和脱除研究[J].锅炉技术,2013,44(3).

[11] 王圣,王慧敏,朱法华,等.基于实测的燃煤电厂汞排放特性分析与研究[J].环境科学,2011,32(1):33-37.

[12] 殷立宝,禚玉群,徐齐胜,等.中国燃煤电厂汞排放规律[J].中国电机工程学报,2013,33(29):2-9.

[13] 40 CFR Parts 63,Mercury and air toxics standards[S].

[14] ASTM D388-05,Standard classification of coals by rank[S].

[15] Method 19,Determination of sulfur dioxide removal efficiency and particulate matter,sulfur dioxide,and nitrogen oxide emission rates[S].

[16] STEINIKER D,DETLEF H.Zentrale erfassung und auswertung von emissionsdaten entsprechend der grossfeuerungsanlagenverordnung (GFAVO)[J].Automatisierungstechnische Praxis,1990,32(6):304-308.

[17] GB 13223—2011,火电厂大气污染物排放标准[S].

[18] 王海泉,邱建荣,吴昊.煤燃烧过程中汞释放的研究现状[J].热能动力工程,2002,17(6):547-550.

[19] 王立刚,刘柏谦.燃煤汞污染及其控制[M].北京:冶金工业出版社,2008.

[20] YOKOYAMA T,ASAKURA K,MATSUDA H,et al.Mercury emissions from a coal-fired power plant in Japan[J].Science of the Total Environment,2000,259(1/2/3):97-103.

[21] 国家发展改革委,环境保护部,国家能源局.煤电节能减排升级与改造行动计划(2014—2020年)[EB/OL].[2014-09-12].http://bgt.ndrc.gov.cn/zcfb/201409/W02014091960371702 0156.doc.