活性炭粉末與飛灰在垃圾焚燒廠布袋除塵器上脫汞的實驗研究

劉榮春

（福建龍凈環保股份有限公司，福建 龍巖）

垃圾焚燒所釋放的汞是重要污染性物質，對生態環境的危害較大。垃圾焚燒時，大多數汞元素會通過揮發進入氣相，留在飛灰及底灰中的汞則具有穩定性強、溢出率低的特征。氣相汞進入大氣后會被人體吸入，或是在干濕沉降中滲入土壤及水體，會通過農作物或飲用水而間接危害人體。為此，有必要利用布袋吸附裝置展開脫汞實驗，探尋氣相汞污染控制的有效路徑。

1 實驗裝備及方法

1.1 實驗裝備

1.1.1 實驗裝置及主要設備

脫汞實驗主要采用布袋除塵器裝置，吸附劑添加到裝置上安裝的布袋中，用于吸附氣態單質汞[1]。實驗所用儀器主要是特制的汞滲透器及布袋除塵器吸附裝置，汞滲透器要具備較強的滲透率，在水浴溫度100 ℃時，其滲透率應能達到3 100 ng/min。同時，應采用由石英法蘭及纖維氈濾布兩部分結構組成的布袋除塵吸附器。布袋除塵器裝置結構見圖1 所示。

圖1 布袋除塵器裝置結構示意圖

1.1.2 實驗輔助器具

脫汞實驗要應用功率為1 050 w、溫度范圍為RT+10～250 ℃的恒溫鼓風干燥箱，功率2 kw 且溫控范圍為RT+5～100 ℃、溫度偏差不超過0.5 ℃的溫水浴鍋，檢測下限低于0.03 μg/L、測量范圍介于0.01 μg/L 與100 μg/L 之間的熒光測汞儀，并需兩只量程范圍分別為0.06～0.6 m3/h、0.001 8～0.018 m3/h 的玻璃轉子流量計，還要準備精度為0.01/0.1 mg、量程為105 g 與210 g 的電子天平。

1.1.3 實驗材料與試劑

本 次 實 驗 需 應 用 規 格 為137-022-0030-S56-C100 的汞滲透管及木質、煤質、椰殼三種活性炭粉末，這些粉末的粒徑均為200 目，但比表面積分別為1 450 m2/g、1 100 m2/g、800 m2/g，孔容積分別是1.05 cm3/g、0.95 cm3/g、0.90 cm3/g。還要準備克重為500 g/m2、透氣性為90 m3/m2/S 的纖維氈濾布及純度高于99%的氯化亞錫、高錳酸鉀及重鉻酸鉀，另需應用濃硫酸分析純，其純度應介于95%與98%之間。此外，還要準備優級純級別的濃硝酸、濃度高于99.999%的高純氮氣以及粒徑為200 目的飛灰[2]。

1.2 實驗與分析方法

1.2.1 實驗方法

1.2.1.1 預處理吸附劑 實驗前稱量不同重量的活性炭粉末與飛灰，裝入研缽中研磨成粉，制成比例不同的炭灰混合物。再將之放入烘箱，以120 ℃溫度加熱烘干8 h，將烘干得到的吸附劑放入恒溫鼓風干燥箱中備用。

1.2.1.2 制備煙氣 將與兩個尾氣吸收瓶相連通的閥門開啟，閉合其他閥門，再將鋼瓶打開，通過調節氣體流量計調整空氣流量，而后開啟電熱恒溫水浴鍋，加熱生成相應濃度汞蒸汽會隨潔凈空氣從滲透管中滲出，并與另一管管路空氣混合，在恒溫鼓燥箱中加熱后會生成煙氣，其流量值應達到1.0 L/min。

1.2.1.3 汞初始濃度測定 待氣流穩定一段時間，可關閉與兩個尾氣吸收瓶連通的閥門，再開啟U 形瓶與布袋之間的第一個閥門及與吸收瓶串聯的閥門，再從串聯吸收瓶中提取高錳酸鉀及硫酸樣品，取樣間隔為10 min，取樣后立即測定汞濃度，取樣測定三次后，若測定值一致，說明汞初始濃度相對穩定，之后便可開展吸附試驗。

1.2.1.4 吸附反應 將稱量后的吸附劑均勻加入布袋吸附器的布袋中，閉合與兩尾氣吸收瓶及兩吸收瓶相連的兩個閥門，并開啟其他閥門，以便氣體向反應器中流入，之后利用兩串聯吸收瓶吸取反應后產生的氣體。然后閉合與單獨吸收瓶連接的閥門，開啟與兩吸收瓶相連的閥門，取樣完成后再將這兩個閥門恢復到之前的狀態。若脫汞效率不足75%，需將吸附劑倒出并添加到吸附裝置中，重新開始脫汞實驗[3]。

1.2.2 分析方法

1.2.2.1 分析前處理 利用冷原子吸收光譜測定吸收瓶中提取溶液的含汞量，先將液體倒入采樣管，再滴入濃度為10%的鹽酸羥胺溶液，待采樣管中顏色消退后搖勻并靜止10 min，氯氣及氯化物釋放完成后，加入HNO3溶液定容，加入量應為0.1 mol/L。與此同時，需準備空白樣品，取空試管加入濃度為32%的高錳酸鉀與濃度為10%的硫酸混合液10 ml，褪色及定容后放置10 min 便可應用。

1.2.2.2 分析步驟 檢查并處理反應瓶中的殘液，之后初始化測汞儀，關閉壓力表調節旋扭及載氣流量計，同時開啟屏蔽氣流量計，再打開鋼瓶總閥，通過調控壓力表調整載氣量及屏蔽氣流量計值。15 min 后氣源流量穩定時，可開啟泵開關，將5 ml 試樣及1 ml濃度為10%的氯化亞錫溶液添加到反應瓶中，在顯示屏處于峰值狀態時啟動測量，高純氮流入反應瓶中后均勻攪拌試樣及氯化亞錫溶液，再使汞蒸汽流入熒光池，并記錄最高峰值數據。每種樣品實施三次檢測并繪制標準曲線，再從曲線上取三次檢測的平均值[4]。

2 基于布袋除塵器的活性炭粉末與飛灰脫汞實驗

2.1 純活性炭粉脫汞實驗

80 ℃吸附溫度條件下，取0.3 g 純活性炭粉末，初次吸附壓取值為1.32 KPa，將活性炭粉末厚度控制為1.7 mm，以2 m/min 的速度進行吸附過濾。純活性炭粉末脫汞效率詳見圖2。

圖2 純活性炭粉末脫汞效率

初次吸附時，前85 min 時段的脫汞效率達到了99.1%，脫汞效率高于75%的吸附時間段共計575 min，脫汞效率最快的時間段是85 min～215 min 之間，隨后脫汞效率逐漸降低。前四次重復吸附的脫汞效率均比初始吸附低，脫汞效率高于75%的時間分別為305 min、225 min、144 min、95 min，5 至85 min內的平均脫汞效率分別為88%、84%、84%、78%。在初次吸附結束時，脫汞效率雖已降至75%之下，然而重復脫汞實驗時，又出現了較高的脫汞效率。這是由于重復脫汞時，翻動活性炭粉末后，部分沒有充分接觸到汞原子的活性位對汞產生了吸附作用。重復吸附后，活性位越來越少，至第五次重復吸附時，脫汞效率為75%的時間還不足10 min。

2.2 純飛灰脫汞實驗

在80 ℃吸附溫度條件下開展飛灰脫汞實驗，加入純飛灰量應為0.3 g，厚度調整為0.8 mm，壓降取值為0.67 Kpa，純飛灰脫汞效率見圖3 所示。初次吸附的前5 min 脫汞效率為34.2%，持續85 min 時，脫汞效率平均值為19.3%，而脫汞165 min 后，純飛灰對汞的吸附力完全喪失，此時脫汞效率降至0。由此可見，煤炭燃燒得到的飛灰對于煙氣中垃圾焚燒所產生煙氣中的汞吸附能力并不強，對氣態汞的吸附容量較低，脫汞效率遠低于純活性炭粉。飛灰脫除氣態汞依靠的是其表面氧化物的吸附特性，對于氣態汞并不具備良好的物理吸附作用。本次實驗所用飛灰來源于燃煤電廠的粉煤灰，燃燒時有金屬或非金屬氧化物，對氣態汞起到了化學吸附作用，但吸附速率較慢，達到吸附平衡所需耗費時間較長[5]。

圖3 純飛灰脫汞效率

2.3 活性炭粉末與飛灰混合脫汞實驗

為驗證純活性炭粉末飛灰混合物脫汞的效果，本文在純活性炭粉末的基礎上添加了四種不同比例的飛灰，利用制成的混合物在80 ℃吸附溫度下展開實驗，添加混合物量仍為0.3 g，但添加飛灰比例為20%、50%、80%、95%時，混合物厚度分別是1.5 mm、1.2 mm、1 mm、1 mm，四次吸附實驗壓降取值分別為1.05 KPa、0.90 KPa、0.79 Kpa 與0.76 Kpa。飛灰添加比例不同情況下，脫汞效率各不相同，前85 min 分鐘脫汞效率均值分別為95%、85.3%、82.5%、59.6%，脫汞效率高于75%的吸附時間長度分別是415 min、235 min、115 min、15 min（詳見圖4）。并且相同飛灰添加比例下，重復吸附次數越多，脫汞效率平均值越低，脫汞效率為75%以上的持續時也越短。

圖4 活性炭粉末與不同比例飛灰混合物脫汞效率

3 實驗結果分析

3.1 不同混合比炭灰混合物脫汞實驗的汞吸附量對比

統計活性炭粉末與飛灰配合比例不同的混合物脫汞效率高于75%的單位質量活性炭粉末累積汞吸附量（見圖5）時發現，飛灰添加量為20%時，汞累積吸附量是196.1 μg Hg/g AC，而摻灰比例為95%時，汞累積吸附量僅為21.7 μg Hg/g AC。說明隨著摻飛灰量不斷增加，汞的累積吸附量逐步降低，這是由于含汞煙氣經過上層活性炭粉末濃度最高，其與汞接觸時間長，反應時間多，而流至下層時，活性炭吸附作用變小，接觸時間較短，因而活性炭粉末利用不夠充分，會因此降低活性炭粉末整體利用率。而混合物中飛灰摻加比例越低，活性炭粉末含量越高，脫汞效率高于75%的時間越長，活性炭粉末利用率越高。

圖5 活性炭粉加不同比例飛灰混合物的累積吸附量

3.2 80 ℃溫度條件下純活性炭粉末飽和吸附量分析

吸附溫度為80 ℃時，純活性炭粉末飽和吸附量實驗中，只添加了0.05 g 活性炭粉末，此粉末的初始濃度值為208.8 μg/m3，厚度為0.28 mm，壓降設置為0.17 KPa。根據脫汞效率、初始濃度吸附劑質量可計算出純活性炭粉末的飽和吸附量。分析飽和吸附曲線（見圖6）的變化規律發現，活性炭粉末需要經過23 min 的時間才可達到飽和，且80 ℃吸附溫度條件下吸附飽和量為1.67 mg/g，而布袋除塵器上脫汞效率高于75%時，活性炭粉末的重復吸汞量為0.20 mg/g，在總飽和吸附量中占比僅為11%，說明脫汞效率降至75%以下時，仍具備較強吸附能力，如果繼續添加新活性炭粉末，可增強其吸附能力，利于提高活性炭粉末利用率，能夠提升活性炭粉末對汞的脫除率。

圖6 80 ℃吸附溫度下純活性炭粉末的飽和吸附效率曲線

4 結論

通過實驗發現，純活性炭粉較飛灰的脫汞效果更佳，不僅脫汞效率較快，吸附時間也更長。而將兩種物質摻加到一起，在飛灰摻加比例逐步升高的情況下，脫汞效率高于75%的吸附時間越短，這說明純活性炭粉末含量的高低是汞脫除效率高低的關鍵影響因素。而80 ℃吸附溫度下活性炭粉末的汞吸附飽和量為1.67 mg/g，此時可通過繼續添加活性炭粉末提升脫汞成效，從而取得更為理想的脫汞效果。