摘要：煤炭在燃烧过程中除生成大量的SO 2、NO x和CO 2外，其所含有的各种微量重金属也会进入烟气中，汞是其中之一。汞对人体健康和生态环境危害极大，因烟气中汞含量相对较低，燃煤烟气汞在线监测及烟气中汞脱除工作此前并未在我国开展。
关键词：燃煤电厂；汞排放；汞监测；在线监测系统；
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。
一、概述
煤燃烧过程中，汞将经历复杂的物理和化学变化，最终大部分进入烟气，小部分残留在底灰和熔渣中。在通常的炉膛温度范围内，煤中的汞几乎全部以元素汞（Hg 0）的形式进入烟气中。在烟气冷却过程中，部分Hg 0同其他燃烧产物相互作用转化为Hg 2+和颗粒态汞，因此进入烟气中的汞主要以Hg 0、气态氧化汞（Hg 2+）和颗粒态汞3种形态存在，且含量很低，加之烟气排放工况复杂，导致燃煤烟气中汞的监测困难。在燃煤锅炉上进行过短时间的监测试验，但均缺乏数据的系统性。目前我国对汞排放源监测数据偏少，难以获得有规律性的大气汞排放清单，因此有必要开展燃煤烟气中汞的在线监测，研究典型大气汞排放源的汞排放特征和排放规律，以便准确掌握大气中汞的排放状况，制定汞污染控制相关法律法规，确定汞污染控制策略。
二、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。汞的在线连续监测（MercuryContinuousEmissionMonitor）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(冷原子吸收光谱法)、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。
三、烟气汞在线监测系统组成、监测原理及工作流程
烟气汞在线监测系统（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，主要包括采样系统（烟气采集、输送和转化等处理系统），测试系统（烟气汞污染物、烟气参数检测系统），数据采集、处理系统等。某电厂采用美国Thermo-Fisher公司生产的烟气汞连续监测系统，该系统主要由分析单元、校准单元、探头控制单元、采样探头/转化炉单元、零空气发生单元等5部分组成。系统符合美国环保总署（EPA）针对汞排放监测的相关法规40 CFR Part60，40 CFR Part 75的要求，可以连续在线监测排放烟气中的元素汞、氧化态汞和总汞。主要仪器及部件包括：80i汞分析仪、81i汞校准仪、82i探头控制器和83i稀释探头。分析方法为冷原子吸收荧光法，采样为稀释法。汞原子被紫外线照射时会吸收波长为254 nm的紫外线能量，跃迁至激发态，激发态汞原子在衰减回基态的过程中，放出254 nm的荧光，所放荧光的强度正比于被紫外光照射气体中汞原子的浓度。当气体样品进入仪器反应室后，气体中的元素汞被254 nm的紫外光照射后放出254 nm的荧光，位于反应室一侧的光电倍增管监测到激发态元素汞放出的荧光，并将光信号转成电信号，该电信号经仪器的放大电路放大后被送入仪器的处理器进行处理，最后计算出所对应的元素汞浓度。冷原子荧光汞分析仪无法直接测定烟气中的二价汞（Hg 2+），需通过760℃的转化炉将待测气体样品中的Hg 2+转化成Hg 0，之后仪器将经转化炉转化后的气体送入汞分析仪反应室，所测汞浓度为气体样品中的总汞浓度。烟气中Hg 0可直接采样测定，烟气中Hg 2+浓度即为烟气中总汞浓度与直接采样测得的Hg 0浓度之差。80 i型汞分析仪工作流程如图1所示。
图1 80 i型汞分析仪工作流程示意图
气体样品均由采样探头（83 i）采集，总汞和元素汞分别通过不同管路，经由仪器背板进入分析仪。
四、汞分析仪的校准
在线监测中需经常对测汞仪进行校准。81 i型汞校准仪工作流程如图2所示。
图2 81i型汞校准仪工作流程示意图
81 i汞校准仪的主要部件为汞源（汞蒸汽渗透管）和2个气体流量计。其中：0～50 mL/min的气体流量计用于控制经过汞源的气体流量，0～20 L/min的流量计用于控制稀释所用零气（干净的压缩空气）的流量，通过2个流量计不同的流量配比，可配制出不同浓度的汞校准气。汞源的工作温度一般控制在6℃。
五、监测结果及讨论
2015年9月，在某电厂2号机组进行烟气汞在线监测仪的安装调试工作，2015年10月初步安装调试完毕后开始试运行。试运行1个月内仪器运行比较稳定。自2015年11月，烟气汞在线监测仪正式投入连续运行，烟气中Hg 0的变化范围1.7～11.8μg/m 3，Hg 2+的变化范围0.3～9.6μg/m 3，总汞变化范围2.0～14.3μg/m 3；汞的存在形态以元素汞为主，其约为总汞的79%，氧化态汞约为总汞的21%。相比于GB13223—2011《火电厂大气污染物排放标准》中燃煤电厂汞及其化合物30μg/m 3的排放限值，某发电公司的烟气汞排放浓度较低，满足国家排放标准要求。为了研究已有大气污染控制设备对烟气中不同形态汞排放控制的影响，2015年12月3日—5日和2016年2月18日—2月19日，2号机组脱硫系统申请退出运行，对烟气中总汞、Hg 0和Hg 2+进行了测定。可以看出Hg 2+数据均出现异常，即机组脱硫系统退出运行后Hg 2+浓度明显升高，2016年2月19日尤为显著。这表明脱硫系统的投运可有效降低烟气中Hg 2+的浓度。2016年1月5日—7日，某环境监测中心站对烟气汞在线监测仪进行了比对监测，结果如表1所示。
表1 2种方法测汞结果
由表1可见，2组监测数据平均值分别为4.60μg/m 3和4.34μg/m 3，绝对误差为-0.34μg/m 3，在误差允许范围内，证明某电厂烟气汞在线监测仪的测定数据准确、可靠。
总之，为保障人民群众身体健康，汞排放监测起着积极的作用；中国作为发展中国家，加上煤多油少的资源结构，燃煤电厂居多，故汞排放量占据较大比例，一直监测烟气汞排放，有利于发电企业做好防止污染的准备。
参考文献：
[1]张靖明.浅谈烟气汞在线监测系统在燃煤电厂的应用.2018.
[2]杨卫萍.火电厂废气中汞监测技术发展现状与趋势分析，2017.
作者简介：刘月生（1980.12—），男，苗族，贵州黔西南，硕士研究生，高级工程师，研究方向：火力发电厂热能与动力工程技术
论文作者:刘月生
论文发表刊物:《电力设备》2019年第6期
论文发表时间:2019/7/8
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