燃煤電站汞排放及活性炭穩(wěn)定吸附機(jī)理研究.pdf

1、燃煤汞排放作為主要的環(huán)境污染問題之一，其危害已引起國(guó)內(nèi)外研究者及相關(guān)政府部門的關(guān)注，并積極開展了這方面的控制研究工作。本文依托國(guó)家863計(jì)劃及國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目，圍繞當(dāng)前燃煤汞污染及其控制方法的新興研究，對(duì)我國(guó)燃煤電站汞排放污染情況及活性炭噴射煙氣除汞過程中的穩(wěn)定吸附機(jī)理問題開展研究。 通過對(duì)中國(guó)典型燃煤電站鍋爐汞排放特性研究，深入準(zhǔn)確地了解我國(guó)燃煤電站汞排放的現(xiàn)狀。針對(duì)活性炭噴射這一目前主要的煙氣汞控制技術(shù)，著重研究了汞

2、在活性炭吸附產(chǎn)物中的穩(wěn)定性，吸附機(jī)理以及增強(qiáng)穩(wěn)定的途徑和方法，并提出相應(yīng)的燃煤電站汞排放估算模型和煙道活性炭噴射汞吸附模型，對(duì)于推動(dòng)我國(guó)燃煤汞污染排放控制機(jī)理研究及控制技術(shù)的工程應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實(shí)和未來意義。 首先利用大型燃煤鍋爐汞排放分析測(cè)試平臺(tái)對(duì)國(guó)內(nèi)6套典型燃煤鍋爐進(jìn)行了系統(tǒng)的汞排放測(cè)試研究。研究表明當(dāng)電站尾部只布置靜電除塵(ElectrostaticPrecipitator，ESP)時(shí)，燃燒生成的80％以上的汞以氣態(tài)形式排

3、入大氣；當(dāng)ESP和濕法脫硫(Wet Flue Gas Desulfurization，WFGD)共同布置時(shí)，氣態(tài)汞比例降低到了25％以下；當(dāng)ESP、WFGD和選擇性催化還原脫硝設(shè)備(Selective CatalyticReduction，SCR)共同布置時(shí)，氣態(tài)汞的比例甚至降低到了7％以下。通過模型估算，每100MW機(jī)組總汞排放量在40～50Kg/年左右，氣態(tài)汞排放量受尾部污染物控制設(shè)備的影響較大。2005年全國(guó)電站燃煤鍋爐總汞排放量

4、約為193.644噸，其中氣態(tài)汞排放量約為147.014噸，約占總汞排放量的75.92％；固態(tài)汞約為30.023噸。 針對(duì)活性炭噴射汞吸附方法可能形成汞再次釋放而引起二次污染的問題，著重研究了水環(huán)境，受熱環(huán)境以及自然堆積環(huán)境下活性炭吸附汞的穩(wěn)定性問題。首先通過實(shí)驗(yàn)證明了毒性特性浸出程序(TCLP，Toxicity Characteristic LeachingProcedure)是一種可靠的實(shí)驗(yàn)室加速評(píng)估方法，可作為評(píng)估燃煤汞排

5、放活性炭汞吸附產(chǎn)物是否穩(wěn)定的參考方法。研究表明在水環(huán)境下活性炭吸附的汞比較穩(wěn)定。但當(dāng)活性炭經(jīng)過強(qiáng)氧化性的浸漬改性后，汞的吸附穩(wěn)定性有所下降。受熱環(huán)境下的穩(wěn)定性研究表明，隨著受熱溫度的增加和時(shí)間的延長(zhǎng)均不利于汞在活性炭吸附劑中的穩(wěn)定；尤其在較高溫度段活性炭中汞變得相當(dāng)不穩(wěn)定，易造成二次污染。另外研究表明以Hg<'2+>汞源吸附的活性炭中汞穩(wěn)定性要比以Hg<'0>汞源的差。飛灰中汞及活性炭吸附的汞在自然環(huán)境下較穩(wěn)定，對(duì)周圍環(huán)境影響不大。

6、 在研究增強(qiáng)活性炭汞吸附穩(wěn)定的方法和途徑之前，首先利用實(shí)驗(yàn)的手段研究了活性炭汞吸附機(jī)理。從吸附機(jī)理實(shí)驗(yàn)來看，活性炭對(duì)Hg<'0>的吸附不是簡(jiǎn)單的直接的物理吸附過程，而是復(fù)雜的化學(xué)吸附過程。如果孔表面不存在任何有關(guān)的化學(xué)元素組分(如Cl元素等)，在N<,2>氣氛下活性炭不會(huì)通過孔隙間的范德華力作用以物理形式吸附Hg<'0>，也不會(huì)以C-Hg直接化學(xué)結(jié)合的形式吸附Hg<'0>。而活性炭對(duì)hg<'2+>的吸附具有化學(xué)和物理吸附的雙重特征。

7、研究表明在模擬煙氣下活性炭對(duì)Hg<'0>的吸附過程中主要以這樣的方式進(jìn)行：在活性炭表面C催化作用下模擬煙氣中的Hg<'0>被酸性氣氛氧化成HGHg<'2+>并同時(shí)被活性炭孔表面吸附位所吸附。而活性炭孔及表面物理結(jié)構(gòu)特性可能在最終完成化學(xué)吸附及吸附容量方面起著比較大的作用。酸性氣氛在吸附過程中氧化作用可通過預(yù)先在活性炭注入或增加具有氧化性的化學(xué)元素來代替，這為獲得或制造高吸附效力和高穩(wěn)定性的吸附劑提供了直接的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。根據(jù)活性炭汞吸附機(jī)理

8、研究及汞化合物特性，主要研究了以S為基本元素的增強(qiáng)活性炭汞吸附穩(wěn)定的改性途徑和方法。以不同改性方式，從不同的角度將S元素引入活性炭，并進(jìn)行了吸附能力和穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)。從對(duì)汞的吸附能力來看，各種改性方式的按優(yōu)到差的順序是：600℃高溫滲硫>200℃高溫滲硫>(NH<,4>)<,2>S浸漬>SO<,2>分子源自由基簇射>S(CCl<,2>)浸漬>Na<,2>S浸漬。TCLP實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明各種硫改性活性炭吸附的汞在非強(qiáng)酸強(qiáng)堿的水環(huán)境下非常穩(wěn)定。對(duì)各

9、改性活性炭進(jìn)行的熱穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)表明，改性滲硫溫度越低似乎活性炭中汞越不穩(wěn)定。YK-AC-600℃-S-Hg和MZ-AC-600℃-S-Hg在熱穩(wěn)定實(shí)驗(yàn)的低溫區(qū)段表現(xiàn)了穩(wěn)定性增強(qiáng)的趨勢(shì)。(NH<,4>)<,2>S浸漬改性后活性炭吸附汞的穩(wěn)定性加強(qiáng)。綜合考慮吸附能力及穩(wěn)定性，在各種硫改性的方法中(NH<,4>)<,2>S浸漬改性活性炭為最佳改性手段。 結(jié)合實(shí)際燃煤電站的尾部煙道結(jié)構(gòu)，在活性炭吸附機(jī)理研究的基礎(chǔ)上，建立了以化學(xué)吸附理論為