李玲

(中州大學(xué)，河南 鄭州 450033)

?

燃煤煙氣中汞脫除技術(shù)的研究進(jìn)展

李玲

(中州大學(xué)，河南 鄭州 450033)

摘要：本文概述了目前人類社會(huì)利用燃煤發(fā)電而排放的汞導(dǎo)致的全球汞污染的情況，分析了燃煤排放汞的各種形態(tài)；主要綜述了燃煤過(guò)程中汞污染的控制方法現(xiàn)狀及主要研究結(jié)果。論文從煙氣中汞的吸附劑技術(shù)、常規(guī)污染控制裝置脫汞技術(shù)、電暈放電等離子體技術(shù)及電催化氧化聯(lián)合處理技術(shù)等四個(gè)方面介紹了國(guó)內(nèi)外汞控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀和進(jìn)展；針對(duì)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，提出了適合我國(guó)國(guó)情的煙氣汞控制技術(shù)的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：燃煤煙氣;汞脫除;吸附劑;電催化氧化

1前言

汞是一種神經(jīng)毒物，而且是一種生物積累物質(zhì)，對(duì)人群健康有很大威脅。目前認(rèn)為造成汞環(huán)境污染的來(lái)源主要是天然釋放和人為因素[1]。2003年初, 聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署(UNEP)發(fā)表的一份調(diào)查報(bào)告指出，燃煤電廠是最大的人為汞排放源[2]。在燃煤過(guò)程中，汞主要是以氣態(tài)形式排放，成為環(huán)境污染的主要來(lái)源之一。煙氣中汞的主要存在形態(tài)有三種：元素汞(Hg0)、氧化態(tài)汞(Hg2+)和顆粒態(tài)汞(HgP)。不同形態(tài)的汞具有不同的物理和化學(xué)性質(zhì)。Hg2+易溶于水且易附著在顆粒物上， 故可用常規(guī)的污染物控制設(shè)備除去；HgP在大氣中的停留時(shí)間很短，也可用除塵設(shè)備收集；而Hg0易揮發(fā)且難溶于水，很難被除塵設(shè)備捕獲，幾乎全部排放到大氣中，形態(tài)相對(duì)比較穩(wěn)定且停留時(shí)間很長(zhǎng)，平均可達(dá)1年左右，且易長(zhǎng)距離輸送而形成大范圍的汞污染[3]。因此，有效脫除煙氣中的汞，特別是Hg0，并開發(fā)有發(fā)展前景的汞控制技術(shù)對(duì)于21世紀(jì)環(huán)境污染治理是非常必要的。

2燃煤過(guò)程中汞控制技術(shù)

2.1吸附煙氣中汞的吸附劑技術(shù)

2.1.1活性炭吸附法?；钚蕴繉?duì)汞的吸附是一個(gè)多元化的過(guò)程，包括吸附、凝結(jié)、擴(kuò)散以及化學(xué)反應(yīng)等過(guò)程，與吸附劑本身的物理性質(zhì)(顆粒粒徑、孔徑、表面積等)、溫度、煙氣氣體成分、停留時(shí)間、煙氣中汞濃度、C/Hg比例等因素有關(guān)。直接應(yīng)用活性炭的主要障礙是運(yùn)行成本高，若要達(dá)到90%的汞脫除效率，每處理一磅汞需要25 000～70 000美元。目前活性炭噴射技術(shù)的改進(jìn)，主要是提高活性碳的吸附能力，降低活性碳用量，節(jié)省成本[4-6]。

2.1.2飛灰吸附法。用飛灰樣品在不同煙溫下進(jìn)行比較試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)較低溫度下飛灰對(duì)汞的吸附更有利。不同煤種的飛灰脫汞特性也有差別，煙煤比次煙煤、褐煤的飛灰表現(xiàn)出更高的氧化率和吸附率。Dunham等在固定床上用含Hg0和HgCl2的模擬煙氣對(duì)不同來(lái)源和煤種的飛灰樣品進(jìn)行試驗(yàn)。通過(guò)表面積、燒失量、灰中鐵的形態(tài)等因素描述了飛灰樣品的特性。Hg0的氧化隨灰中磁鐵礦含量的增加而增加，但一種高含碳量的亞煙煤飛灰不含磁鐵礦卻顯示出比較強(qiáng)的氧化Hg0的能力，這與其中的炭含量有關(guān)；同時(shí)發(fā)現(xiàn)飛灰中類晶石型結(jié)構(gòu)的氧化鐵是汞氧化的活性物質(zhì)，飛灰表面積以及表面特性對(duì)Hg0的氧化和吸收具有十分重要的影響。溫度升高，飛灰吸收能力下降。燃煤飛灰作為一種比較經(jīng)濟(jì)的吸附劑可去除煙氣中的汞，將飛灰重新噴入煙氣管道，可有效增加汞的吸附程度[7-9]。

2.1.3鈣基材料吸附法。鈣基吸附劑主要是為了代替活性炭以減少操作成本，因此鈣基材料一般用來(lái)與活性炭進(jìn)行比較。研究結(jié)果表明鈣基吸附劑對(duì)化合態(tài)汞的吸附能力要強(qiáng)于活性炭，但對(duì)元素汞的吸附能力要弱于活性炭。SO2和高溫有利于鈣基吸附劑對(duì)元素汞的吸附，但對(duì)HgCl2的吸附正好相反。鈣基吸附劑相對(duì)于活性炭，總體上來(lái)講吸附能力要差一半，這可能導(dǎo)致飛灰副產(chǎn)品質(zhì)量嚴(yán)重下降，這是因?yàn)槭褂免}基吸附劑控制汞污染，其使用量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于活性炭的使用量。目前，鈣基吸附劑尚處于實(shí)驗(yàn)室研究階段, 還未用于工業(yè)實(shí)踐[10,11]。

2.1.4礦物材料吸附法。由于沸石具有獨(dú)特的四面體結(jié)構(gòu)，在吸附和催化過(guò)程中顯示出很高的選擇性，尤其在氣體分離方面表現(xiàn)良好，因此有人希望利用沸石材料在汞的吸附方面有所突破。美國(guó)PSI(Physical Science Inc.)使用沸石材料作為工業(yè)鍋爐控制汞排放的吸附劑，發(fā)現(xiàn)沸石材料具有一定的汞吸附能力[12]。Morency[13]在燃煤煙氣中加入己知含量的單質(zhì)汞(Hg0)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明沸石在高溫和低溫下都可以吸附Hg0和Hg2+。這方面的工作目前主要集中在添加劑的研究方面，希望找到某種試劑，利用之將沸石材料進(jìn)行處理，從而能大幅度提高對(duì)汞的吸附能力。另外，蛙石、高嶺土和膨閏土以及其他礦物類物質(zhì)也可以作為脫汞吸附劑進(jìn)行研究，這些物質(zhì)本身雖然吸附性能不高，但是經(jīng)過(guò)改性處理后的吸附性能會(huì)大大提高，是尋找廉價(jià)吸附劑的一種重要選擇。

2.1.5鈦基材料吸附法。美國(guó)辛辛那提大學(xué)的研究者們利用TiO2來(lái)捕捉汞。他們?cè)趯?shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)中，將TiO2噴入到高溫燃燒器中，產(chǎn)生大量TiO2凝聚團(tuán)，凝聚團(tuán)的大比表面積可氧化并吸附汞蒸氣，然后通過(guò)除塵裝置加以去除。但由于其松散的結(jié)構(gòu)和反應(yīng)效率低，對(duì)汞的捕捉效果不明顯。如果加以低強(qiáng)度的紫外光照射，Hg0在TiO2表面氧化為Hg2+并與TiO2結(jié)合為一體，就能表現(xiàn)出很好的除汞能力[14]。

2.2常規(guī)污染控制裝置脫汞技術(shù)

利用脫硫裝置(FGD)可以達(dá)到某些除汞目的。煙氣中的Hg2+化合物如HgCl2是可溶于水的，濕法脫硫裝置(WFGD)可以將煙氣中80-95%的H2+去除，但對(duì)于不溶于水的Hg0捕捉效果不顯著。美國(guó)Argonne國(guó)家實(shí)驗(yàn)室采用以氯酸為主要物質(zhì)NOxSORB(17.8%氯酸HC1O3和22.3%氯酸鈉NaC1O3的混合物，Olin公司生產(chǎn))作為單質(zhì)汞的新型氧化劑，煙氣主要成分為1000ppmSO2和200ppmNO、HgO含量為33μg/m3，將NOxSORB噴入到149℃的煙氣中(NOxSORB含量為4%)，測(cè)試結(jié)果表明大約24min之內(nèi)100%的氣態(tài)Hg0被氧化為Hg2+，全部被去除；同時(shí)煙氣中NO的含量也接近于零，因而認(rèn)為NOxSORB使NO對(duì)單質(zhì)汞的脫除也有促進(jìn)作用[15,16]。

2.3電暈放電等離子體技術(shù)

吳彥等人利用窄脈沖電暈放電方法來(lái)消除垃圾焚燒爐煙氣中的汞蒸氣，并進(jìn)行了l0m3/h煙氣流量的小型工業(yè)試驗(yàn)，汞蒸氣的減少率隨氣體溫度的增加而減小，并與氣體在電場(chǎng)中的停留時(shí)間、脈沖電壓頻率以及電暈功率有一定關(guān)系。對(duì)于初始濃度為2mg/m3的汞蒸氣，在一定條件下可達(dá)100%的消除率，HCl的存在可以促進(jìn)汞蒸氣的消除。由于燃煤煙氣中汞的濃度很低，且難以捕捉等原因限制了等離子體這種新型技術(shù)在燃煤煙氣除汞領(lǐng)域的應(yīng)用([17])。

2.4電催化氧化聯(lián)合處理技術(shù)

美國(guó)FirstEnergy公司和Powerspan公司聯(lián)合研制的ECO Process，其工藝流程中最主要的部分就是利用介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生等離子體，可用于燃煤電站煙氣污染物一體化控制。ECO Process可以同時(shí)脫除燃煤電站煙氣中的NOx、SO2、小顆粒PM(Particulate matter)、Hg和其它重金屬等污染物[18]。

3結(jié)論與展望

目前燃煤電廠還沒有一項(xiàng)成熟、可應(yīng)用的脫汞技術(shù)，最接近應(yīng)用的技術(shù)是煙氣中噴入活性炭顆粒脫汞，但該技術(shù)費(fèi)用過(guò)高。除汞技術(shù)在燃煤電廠中的應(yīng)用還存在很多問(wèn)題，尤其是吸附劑在吸附過(guò)程中的機(jī)理性問(wèn)題還遠(yuǎn)未搞清楚，其他脫汞技術(shù)還都處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。因此，結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究的經(jīng)驗(yàn)，以下兩個(gè)方面將成為適合我國(guó)國(guó)情的煙氣汞控制技術(shù)的發(fā)展方向：

3.1提高現(xiàn)有污染物控制設(shè)備對(duì)汞的脫除效率

主要是提高除塵、脫硫和脫硝裝置對(duì)總汞的脫除效率，包括：廉價(jià)高效脫汞添加劑的開發(fā)利用，抑制WFGD 體系中Hg2+的還原，加強(qiáng)Hg0的脫除等。

3.2結(jié)合我國(guó)豐富的地礦資源來(lái)開發(fā)新型高效廉價(jià)的吸附劑和新工藝，通過(guò)催化、光觸媒催化以及改良吸附劑特性等新技術(shù)來(lái)提高常見吸附劑對(duì)汞的脫除效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭楚光.潔凈煤技術(shù)[M]. 華中理工大學(xué)出版社, 1996.

[2]Y. H. Li, C.W.L., B. K. Gullett. Importance of activated carbon' s oxygen surface functional groups on elemental mercury adsorption[J]. Fuel, 2003. 82: 451-457.

[3]Takaoka, M.D.o.E.E., Graduate School of Engineering, Kyoto University; Takeda, Nobuo; Fujiwara, Takeshi; Kurata, Masato; Kimura, Tetsuo, Control of mercury emissions from a municipal solid waste incinerator in Japan[J].Journal of the Air and Waste Management Association, 2002. 52(8): 931-940.

中圖分類號(hào):X773

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671-1602(2016)08-0007-02

作者簡(jiǎn)介：李玲(1982- )，女，河南新鄉(xiāng)人，助教，碩士，主要研究環(huán)境工程水污染控制與治理。