重金属控制技术优化方案

国家生态环境部已颁布指令限制有毒有害废物焚烧烟气中重金属的排放。

该指令中规定了10种金属被认为有毒有害或可致癌。其中的可致癌金属包括砷、铍、镉和铬；其中的有毒有害金属包括锑、钠、铅、汞、银和铊。由于这些金属元素本身所固有的特性，它们在焚烧过程中并没有破坏。

由此，重金属污染物必然随烟气从焚烧炉排出或存在于焚烧残渣中，从炉底排出；受某些操作参数如助燃空气流速及气流分配方式的影响，一部分重金属随烟气流从焚烧炉排出。也就是说，受金属种类本身特性及焚烧炉操作条件的影响，重金属污染物在焚烧炉中蒸发后以气态的形式存在于烟气中，也可以固态的形式附着在颗粒物上随烟气排出。这些重金属污染物进入烟气之后，受多种因素的影响，气态形式的一部分可能发生凝聚从而被净化设备捕集，也可能由于净化设备能力不足等原因没有被捕集而排入大气，也可能以气态的形式穿过净化设备并在排放过程中发生凝聚。

重金属污染物排放的可能性都存在，焚烧炉烟气污染物排放途径如图6-9所示。

图6-9　焚烧炉烟气污染物排放途径［26］

1）重金属存在形式

重金属污染物在烟气中的存在形式与相应金属成分的蒸发点（挥发温度）有密切关系。由于汞和砷的挥发温度很低，因此，这两种重金属污染物的净化较困难。

重金属及其化合物的凝聚方式主要有两种。其一为均质凝聚，其二为非均质凝聚，这两种凝聚过程在飞灰和吸收剂表面完成以形成新的固体颗粒物。研究表明，均质凝聚过程可“双向”进行，即可在亚微米级的细小颗粒物和粒径约为10μm的较大颗粒物表面完成均质凝聚过程；而非均质凝聚过程则主要在亚微米级的颗粒物表面完成，这是由于细小的颗粒物具有较大的比表面积。因此，烟气中亚微米级的细小颗粒物比粒径较大的颗粒物所含的挥发性重金属量高得多，即挥发性重金属成分大部分存在于亚微米级的细小颗粒物上。典型的焚烧炉尾气净化系统最初设计成以去除飞灰为目的，这样的设计极易导致含有大量金属污染物的细小颗粒物排入大气。由于这个原因，在烟气排入大气之前利用净化设备高效捕集亚微米级的颗粒物就显得极为重要。

砷和汞受到特别的关注。这两种物质以气态的形式存在于烟气净化系统内的烟气流中，在焚烧炉内更是如此。

最近的研究表明，某些物理的或化学的因素可能使砷的挥发性减弱。该研究还表明，随着焚烧炉内温度的增加，砷的挥发性增强，这与热力学理论是吻合的。这项研究还发现，气态形式的砷占其总量的60%。还有几组测试数据表明，在焚烧残渣中含有较多的砷。

汞具有极强的挥发性。这一性质决定了汞在焚烧过程中必将以气态的形式存在于烟气中直至从烟囱排入大气为止。然而，一些研究人员认为，汞可能以其他形式（非单质）存在于烟气中，如亚汞（一价汞，Hg+）或氯化汞（HgCl2）。这些汞的化合物成分可在较低的温度条件下发生凝聚，甚至以氧化汞（HgO）的形式存在，而HgO在较高的温度条件下仍呈固态。

2）汞处理工艺

为了减少汞的排放，可在低温条件下采用干法吸收并辅之以下列工艺：采用石灰或石灰浆液吸收剂；使烟气的温度降至300°F（149℃）；GORE/SPC技术，汞净化器；布袋除尘器；添加活性炭吸附剂。

活性炭和活性粉煤灰对HgO的形成具有催化作用，即使在较高的温度下也可完成催化反应。该催化反应过程一般发生在570～930°F（299～499℃）的温度范围内。这样，以气态形式存在的单质汞转化为固态的化合物。尽管如此，由于亚微米级的颗粒物中还含有大量的汞及其他种类的重金属，高效膜法布袋除尘器仍是不可缺少的净化设备。

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图6-10　GORE/SPC脱汞技术与应用

最新开发出了吸附性高分子催化剂（GORE/SPC）技术（见图6-10）。该催化剂是通过化学反应，以稳定的汞化合物固化汞，从气流中有效吸附元素汞和氧化汞的一种特殊物质。这种物质具有极强的汞储存能力，从而延长模块的使用时间。

SPC的研发针对气相吸附，可在苛刻的环境下运行：如含有酸性气体的水分饱和的低温气流中。疏水结构不仅能避免被液体充斥，而且该物质也将二氧化硫转化为硫酸，该排放控制系统是一项协同效应。持续产生的酸性有助于防止模块受到残留的灰尘或洗涤器遗留物的影响。

此外，在气流中，GORE/SPC不受三氧化硫的影响，避免了传统的汞吸附剂的渗入问题。

安装在特定收集系统末端的离散堆叠模块具有抗腐蚀性，在无须任何调整、更新或替换的情况下就可以持续多年吸附汞。此外，它还可产生消除二氧化硫的协同效应，减少对洗涤器更换的需求。

3）SPC技术特点

无须注入吸附剂：不影响飞灰性质。不影响颗粒排放。

无须使用氧化剂：空气预热器无腐蚀情况。无WWT系统并发问题。

零排放技术：无须增压风机。可靠的适用性解决方案。

对煤的变化或负载变化不敏感。

不受三氧化硫的影响。

二氧化硫协同精细控制效应。

模块化分析：可脱除20%～90%以上的汞。

4）案例

美国东部某550 MW燃煤电厂由AECOM技改工程总承包，2016年春季调试，实现汞排放小于1μg/m3。长期稳定运行。通常入口汞浓度为5～10μg/m3。预计使用寿命10年。

SPC脱汞技术可应用于燃煤火电机组上。有关脱汞内容参见本书第3.4节“脱汞研究”。