燃煤煙氣中汞脫除技術的研究進展

李玲

(中州大學，河南 鄭州 450033)

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燃煤煙氣中汞脫除技術的研究進展

李玲

(中州大學，河南 鄭州 450033)

摘要：本文概述了目前人類社會利用燃煤發電而排放的汞導致的全球汞污染的情況，分析了燃煤排放汞的各種形態；主要綜述了燃煤過程中汞污染的控制方法現狀及主要研究結果。論文從煙氣中汞的吸附劑技術、常規污染控制裝置脫汞技術、電暈放電等離子體技術及電催化氧化聯合處理技術等四個方面介紹了國內外汞控制技術的研究現狀和進展；針對國內外研究現狀，提出了適合我國國情的煙氣汞控制技術的發展方向。

關鍵詞：燃煤煙氣;汞脫除;吸附劑;電催化氧化

1前言

汞是一種神經毒物，而且是一種生物積累物質，對人群健康有很大威脅。目前認為造成汞環境污染的來源主要是天然釋放和人為因素[1]。2003年初, 聯合國環境規劃署(UNEP)發表的一份調查報告指出，燃煤電廠是最大的人為汞排放源[2]。在燃煤過程中，汞主要是以氣態形式排放，成為環境污染的主要來源之一。煙氣中汞的主要存在形態有三種：元素汞(Hg0)、氧化態汞(Hg2+)和顆粒態汞(HgP)。不同形態的汞具有不同的物理和化學性質。Hg2+易溶于水且易附著在顆粒物上， 故可用常規的污染物控制設備除去；HgP在大氣中的停留時間很短，也可用除塵設備收集；而Hg0易揮發且難溶于水，很難被除塵設備捕獲，幾乎全部排放到大氣中，形態相對比較穩定且停留時間很長，平均可達1年左右，且易長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，并開發有發展前景的汞控制技術對于21世紀環境污染治理是非常必要的。

2燃煤過程中汞控制技術

2.1吸附煙氣中汞的吸附劑技術

2.1.1活性炭吸附法。活性炭對汞的吸附是一個多元化的過程，包括吸附、凝結、擴散以及化學反應等過程，與吸附劑本身的物理性質(顆粒粒徑、孔徑、表面積等)、溫度、煙氣氣體成分、停留時間、煙氣中汞濃度、C/Hg比例等因素有關。直接應用活性炭的主要障礙是運行成本高，若要達到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的改進，主要是提高活性碳的吸附能力，降低活性碳用量，節省成本[4-6]。

2.1.2飛灰吸附法。用飛灰樣品在不同煙溫下進行比較試驗，發現較低溫度下飛灰對汞的吸附更有利。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的模擬煙氣對不同來源和煤種的飛灰樣品進行試驗。通過表面積、燒失量、灰中鐵的形態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的氧化Hg0的能力，這與其中的炭含量有關；同時發現飛灰中類晶石型結構的氧化鐵是汞氧化的活性物質，飛灰表面積以及表面特性對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濟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與活性炭進行比較。研究結果表明鈣基吸附劑對化合態汞的吸附能力要強于活性炭，但對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元素汞的吸附，但對HgCl2的吸附正好相反。鈣基吸附劑相對于活性炭，總體上來講吸附能力要差一半，這可能導致飛灰副產品質量嚴重下降，這是因為使用鈣基吸附劑控制汞污染，其使用量遠遠大于活性炭的使用量。目前，鈣基吸附劑尚處于實驗室研究階段, 還未用于工業實踐[10,11]。

2.1.4礦物材料吸附法。由于沸石具有獨特的四面體結構，在吸附和催化過程中顯示出很高的選擇性，尤其在氣體分離方面表現良好，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PSI(Physical Science Inc.)使用沸石材料作為工業鍋爐控制汞排放的吸附劑，發現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汞(Hg0)進行實驗，結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行處理，從而能大幅度提高對汞的吸附能力。另外，蛙石、高嶺土和膨閏土以及其他礦物類物質也可以作為脫汞吸附劑進行研究，這些物質本身雖然吸附性能不高，但是經過改性處理后的吸附性能會大大提高，是尋找廉價吸附劑的一種重要選擇。

2.1.5鈦基材料吸附法。美國辛辛那提大學的研究者們利用TiO2來捕捉汞。他們在實驗室模擬試驗中，將TiO2噴入到高溫燃燒器中，產生大量TiO2凝聚團，凝聚團的大比表面積可氧化并吸附汞蒸氣，然后通過除塵裝置加以去除。但由于其松散的結構和反應效率低，對汞的捕捉效果不明顯。如果加以低強度的紫外光照射，Hg0在TiO2表面氧化為Hg2+并與TiO2結合為一體，就能表現出很好的除汞能力[14]。

2.2常規污染控制裝置脫汞技術

利用脫硫裝置(FGD)可以達到某些除汞目的。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，但對于不溶于水的Hg0捕捉效果不顯著。美國Argonne國家實驗室采用以氯酸為主要物質NOxSORB(17.8%氯酸HC1O3和22.3%氯酸鈉NaC1O3的混合物，Olin公司生產)作為單質汞的新型氧化劑，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%)，測試結果表明大約24min之內100%的氣態Hg0被氧化為Hg2+，全部被去除；同時煙氣中NO的含量也接近于零，因而認為NOxSORB使NO對單質汞的脫除也有促進作用[15,16]。

2.3電暈放電等離子體技術

吳彥等人利用窄脈沖電暈放電方法來消除垃圾焚燒爐煙氣中的汞蒸氣，并進行了l0m3/h煙氣流量的小型工業試驗，汞蒸氣的減少率隨氣體溫度的增加而減小，并與氣體在電場中的停留時間、脈沖電壓頻率以及電暈功率有一定關系。對于初始濃度為2mg/m3的汞蒸氣，在一定條件下可達100%的消除率，HCl的存在可以促進汞蒸氣的消除。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在燃煤煙氣除汞領域的應用([17])。

2.4電催化氧化聯合處理技術

美國FirstEnergy公司和Powerspan公司聯合研制的ECO Process，其工藝流程中最主要的部分就是利用介質阻擋放電產生等離子體，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結論與展望

目前燃煤電廠還沒有一項成熟、可應用的脫汞技術，最接近應用的技術是煙氣中噴入活性炭顆粒脫汞，但該技術費用過高。除汞技術在燃煤電廠中的應用還存在很多問題，尤其是吸附劑在吸附過程中的機理性問題還遠未搞清楚，其他脫汞技術還都處于實驗室研究階段。因此，結合國內外研究的經驗，以下兩個方面將成為適合我國國情的煙氣汞控制技術的發展方向：

3.1提高現有污染物控制設備對汞的脫除效率

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

3.2結合我國豐富的地礦資源來開發新型高效廉價的吸附劑和新工藝，通過催化、光觸媒催化以及改良吸附劑特性等新技術來提高常見吸附劑對汞的脫除效率。

參考文獻：

[1]鄭楚光.潔凈煤技術[M]. 華中理工大學出版社, 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:X773

文獻標志碼：A

文章編號：1671-1602(2016)08-0007-02

作者簡介：李玲(1982- )，女，河南新鄉人，助教，碩士，主要研究環境工程水污染控制與治理。