燃煤电厂烟气汞排放连续监测系统研究与应用 摘 要： 本文综述了燃煤发电厂在燃烧过程中汞的形态排放规律及其影响因素；介绍了目前国内燃煤电厂所采用的烟气汞连续在线监测系统的应用与原理；介绍了燃煤电厂烟气汞在线连续监系统构成及维护方法。关键词：燃煤电厂；汞排放；烟气汞排放连续监测系统；环保The Research and Application of the Coal-fired Power Plant Flue Gas Mercury Continuous Emission Monitoring SystemYan Yameng（Inner Monglia Datang International Tuoketuo Power Generation Co.Ltd.，Tuoketuo 010206）Abstract： This article reviews the regularity and influence factors of coal-fired power plants in the combustion process in the form of mercury emissions； Application with the principle of continuous online monitoring system used in the domestic coal-fired power plant flue gas mercury； The coal-fired power plant flue gas mercury line continuous monitoring system construction and maintenance methods.Key Words： Coal fired power plant；Mercury emissions； Mercury Continuous Emission Monitoring System； Environmental protection：TK229.6 ：A ：1003-9082（2016）05-0322-02一、研究背景汞（Mercury），俗称水银挥发性有毒重金属元素，是一种可在生物体内和食物链过程中不断累积的有毒物质，又是一种全球性循环元素。汞的排放不仅对生态环境造成危害，也会对人体的危害产生不良影响。联合国环境规划署 （UNEP）报告1，明确指出燃煤电厂是最大的人为汞污染源，其中亚洲的燃煤电厂排放最多，每年约排放860 t，超过全世界汞排放总量的1/4。中国被认为是全球最大汞排放国，美国、印度分列2，3位，但中国的贡献量是美与印度之和的3倍之多，约占世界1/4-1/32，所以必需加强对其排放的实时监测并为有效控制做准备。中国汞排放量取决于中国的工业结构。我国大气汞排放量从大到小排序依次为燃煤、有色金属冶炼、水泥生产和钢铁生产等，针对汞排放大户的煤炭火电行业，加强汞排放与监测管理非常重要。根据国务院办公厅转发环境保护部等部门关于加强重金属污染防治工作指导意见的通知，确定了华能、大唐、华电、国电、中电投、神华，6大电力集团16家电厂各2台机组，共32台机组，、开展汞监测试点工作。从而，根据不同机组情况分析汞污染控制方法，能精确的掌握我国燃煤电厂汞污染情况，为2013的汞文书谈判提供数据依据7。二、燃煤电厂汞排放形态及特点在煤粉炉中，炉膛温度范围大约是12001500，几乎所有煤中的汞（包括无机汞和有机汞）转变成Hg0并以气态形式停留于烟气中3。在烟气流向烟囱出口的过程中，烟气温度逐步降低，Hg0 会与其他烟气成分及飞灰颗粒发生一系列化学物理反应，排放废气中汞主要以气态元素汞（Hg0），气态氧化汞（Hg2+）和颗粒态汞（HgP）形式存在。废气中汞形态分布主要与燃煤中氯元素含量和温度有关系，气相汞在小于400以HgC12为主，大于600以Hg0为主，400600之间二者共存4，5。但受煤种等因素影响，气相汞的形态分布变化较大，气态汞中Hg0与Hg2+的比例从9：1到1：9不等，大约7：3左右6。不同的形态的汞具有不同的物理、化学特性和生物特性。颗粒态汞（HgP）绝大部分可以被除尘、湿法脱硫等烟气净化装置捕集去除。Hg2+可溶于水，也易于被颗粒物吸附，易于捕集和控制，被释放到大气中主要造成局地污染；Hg2+加热至800左右可还原为Hg0。气态元素汞（Hg0）不溶于水且极易挥发，难以控制，传输距离远对环境影响大，但气态元素汞（Hg0）可被催化氧化为Hg2+。若排入大气，Hg2+和HgP在大气中停留时间只有几天，Hg0则极易在大气中通过长距离的大气运输形成全球性的汞污染，单质汞在大气中的平均停留时间长达半年至两年，是最难控制的形态之一可停留1年以上3。三、烟气中汞的在线测量技术现状经过国内外专家学者多年的研究，燃煤电厂烟气汞排放测量方法不断的完善与革新。这些方法可归为两大类：一类是取样分析法，另一类是在线分析法。取样分析法主要有汞形态吸附法，美国EPA方法，Ontario Hydro Method，扩散管和扩散网技术等，取样法是一类有效的化学分析测汞的方法，但是该类测量方法所需时间长，相对于在线分析法或多或少都会存在一定的缺点。汞的在线連续监测（Mercury Continuous Emission Monitor）技术是一项新型技术，它可是实现在线、连续和实时元素汞和氧化汞的测试分析，它是基于CVAAS（冷原子吸收光谱法）、CVAFS（冷蒸汽原子荧光光谱）、AES（原子放射光谱）和新兴的化学微传感器等先进技术而建立发展起来的。目前美国在Hg监测方面普遍采用的方法有三个，安大略法（OHM）、30A、30B法，相对而言Hg浓度的仪器分析方法已经成熟，基本都是应用CVAAS（冷原子吸收光譜法）、CVAFS（冷蒸汽原子荧光光谱）、AES（原子放射光谱）测量原理。国内16家汞监测试点燃煤电厂的汞在线连续监测装置测量原理都是冷蒸汽原子荧光法。它利用汞原子可以吸收254nm的紫外（UV）光变成激发态，当它衰减到基态的时候，可以发出相同波长的紫外（荧）光。当激发态的汞原子衰减到基态时，它们发出的UV光是与汞浓度成正比的。汞荧光是通过一个对可见光无效的光电倍增管（PMT）来检测的，光电倍增管与激发光线成垂直角度，光电倍增管就可以检测到衰减汞原子放出的UV光，从而测得汞元素含量。四、冷蒸汽原荧光法烟气汞排放连续监测系统烟气汞排放连续监测系统（Mercury Continuous Emission Monitoring System，Hg-CEMS） 是指连续采集和测试烟气汞污染物排放浓度和排放量所需要的全部设备。一般烟气汞在线监测仪用装有颗粒物过滤装置的采样探头将烟气从烟道或烟囱中抽取出来后，用伴热管线将Hg0和经过转换器将Hg2+，送至汞分析仪器，分析出的数据又直接被传输到数采仪记录、储存。1.烟气汞在线监测系统构成及原理国内31家汞监测试点燃煤电厂的汞监测设备均为美国热电赛默飞世尔科技的80i系列设备，其汞自主系统包括一个汞探头（83i模块），一个汞探头控制器（82i模块），一个汞校准仪（81i模块），和一个汞分析仪（80i模块），以及零气、伴热管线等外围辅助设备。1.1 探头采样部分汞采样探头主要包括惯性过滤器、稀释模块、转换炉等部件，汞连续在线监测的很大一部分难度在于取样，所以还需要伴热管线、旁路抽气组件等辅助部分。烟气以非常低的表面流速，放射状的流过管型过滤器的渗透管壁 ，经过外壳环面进入，从样气管流出，用零气将样气在探头部分稀释后通过清洗器或者转换器和加热（110以上）的脐状管路后送到分析仪。惯性过滤器：颗粒惯性的冲击效果将阻止颗粒以气泡状高速轴向从沉积物表面流过，或者是渗透进可渗透性过滤管壁。低速也可以抑制颗粒渗透进可渗透性管壁。转换炉：运行温度在750C，转换炉用于分离盐和汞的氧化物后提供元素汞。在此过程中也提供包含总汞的样气。伴热管线：分析系统通常只能对干样品进行分析通常采用加热采样探头、加热样品传输管线的方法防止水份在传输过程冷凝，并用经净化的干空气对样气进行稀释。1.2 分析仪器80i分析仪只能测量元素汞，所以需要转换炉将Hg2+还原为Hg0，经转换的样气和未经转换的样气分开进入仪器进行测量，即一分钟测量总汞和一分钟测量元素汞，从而获得烟气中汞的浓度。图1.汞分析仪测量原理图从汞探头来的样品气被引入到仪器的总汞或元素汞入口（见上图）。当80i模块采样总汞的时候，total（总汞）样品气经过电磁阀S1（常开状态）和S3（常开状态）进入到荧光室。同时，元素汞样品气经过电磁阀S2（常开状态）绕开了荧光室。当80i模块采样元素汞的时候，elemental（元素汞）样品气经过电磁阀S2（常闭状态）和S3（常开状态）进入到荧光室。同时，总汞样品气经过S1（常闭状态）绕开了荧光室。当检测气（total气或者elemental气）离开光学室，经过一个流量传感器会到达一个外部泵。外部泵是用来抽取样品气经过仪器，并为仪器创造一个真空的环境，同时，真空度会由一个压力传感器来测量。1.3校准仪器系统可预设置校准程序、时间及校准类型，用户根据不同的需求选择校准类型，分别有小孔零点、小孔跨度、仪器零点、仪器跨度、系统零点、系统跨度六种类型。系统和小孔校准都能对整个测量回路进行校准。81i 汞校准仪是通过控制在一定温度下的，经过渗透的汞蒸气源产生的游离汞气流，与无汞的稀释空气流混合，产生一种已知浓度的气态汞元素，经过水化器雾化（防止汞吸附在校准管道里），送至探头的临界小孔，系统校准从探头开始，包括系统所有部件直至分析仪器。系统校准时，汞校准仪产生的汞标气通过特氟龙管直接送至探头的的临界小孔或毛细管，经测量回路到达汞分析仪，从而对整个系统进行校准。1.4探头控制器探头控制器的主要功能是：（1）提供一定压力的、清洁、干燥的压缩空气给到83i的探头引流和反吹气。（2）提供洁净不含汞的零气到83i的稀释模块。（3）接受80i指令，以及反馈信息回80i；控制探头、伴热管线、转换炉温度。1.5压缩空气系统汞排放连续监测装置配备了完善的零气系统，即引用洁净的仪用压缩空气（80psi），经过Hg-CEMS的滤水、滤油、滤颗粒物、无热除水器等装置，以及干燥剂、分子筛、活性炭药剂处理，成为洁净的零气，零气主要用于零点校准、小孔零点校准、仪器零点校准等。此外，探头反吹气、引流气、稀释气源均用此气源。所以压缩气源的稳定性，决定了测量数值的稳定性。2.系统维护根据固定污染源烟气汞排放连续监测系统技术要求（试行）、仪器说明书以及国外Hg-CEMS设备管理经验总结出以下维护管理要求。2.1定期维护保养参照固定污染源烟气汞排放连续监测系统安装、验收和运行技术草案（试行），为确保Hg-CEMS监测数据的有效性和可靠性，系统定期维护保养工作必须合理的安排，且定期进行。定期维护保养的项目有：（1）每周进行仪用压缩空气管路过滤器定期排污，防止压缩空气品质变差，影响仪器的使用寿命；（2）经常清理分析仪后部风扇滤网积灰，防止仪器内部温度过高，损坏元件；（3）定期经行探头的清理，防止探头堵塞，影响测量的准确性。（4）根据说明书定期更换备件，并且做好备件更换台账。如每六个月换一次抽气泵膜，每六个月换一次干燥剂、吸附剂。2.2巡回检查制度汞CEMS维护人员应每日对各系统汞CEMS进行巡回检查。日常巡检以达到指控目标并数据不是空准，巡检记录应包括检查项目、检查日期、被检项目的运行状态等内容。检查内容主要为各仪表电源、工作状态、工作气源压力、仪表示值、历史趋势等是否正常。2.3 定期校准为了确保仪