燃煤电厂烟气脱汞吸附剂开发研究

摘要

煤燃烧发电过程中重金属元素汞将进入环境,对环境产生污染,对人类活动和身体健康产生危害。因此,燃煤中汞污染的控制已引起全人类的高度关注。但是,国内外关于燃烧过程汞排放的控制技术与工艺的研究较少,近年来,美国等少数国家在燃煤电厂烟气中汞的排放和汞污染的控制等进行了研究,主要采取吸附脱汞方法进行汞污染的控制,但迄今为止还没有成熟技术投入工业运行。而我国在燃煤过程中汞的迁移和污染控制技术的研究起步较晚,我国的电力需求逐年增加,电力生产以燃煤为主,因此,开展燃煤电厂烟气脱汞吸附剂的研究具有重要的意义。
　　 本文对负载硫改性活性炭和AMD污泥(Abandoned Mine Drainage Sludge)两种吸附剂的脱汞性能进行了研究。改性活性炭利用椰壳质商用活性炭和单质硫高温处理得到,AMD污泥取自Lowber煤矿。
　　 研究了活性炭改性前后性能,主要包括:成分、表面形貌、强度、比表面积、孔径分布和表面含氧官能团等。结果表明:改性后活性炭表面硫含量为11.2-17.6(wt)％;活性炭表面变得粗糙,活性炭的炭骨架上的硫呈线条状分布,而大孔孔壁上负载的硫为颗粒状;活性炭的强度和比表面积有所降低,官能团含量减少;活性炭微孔孔容减小,以小于10nm的孔为主。
　　 利用热力学软件FactSage对煤燃烧过程中,汞的形态转化进行分析,结果表明,在温度高于1000℃时,煤中大于90％的汞会以单质(Hg0)的形式存在。因此,在模拟烟气中加入单质汞,建立固定床吸附剂脱汞性能测试平台。采用测试平台对吸附剂的脱汞性能进行分析研究,并对活性炭改性工艺参数进行优化,获得最佳改性工艺为:改性温度550℃左右,加热时间为60min、单质硫和活性炭质量比为1:1。该工艺下改性得到的活性炭汞吸附脱除量为1227.5μg/g。
　　 通过脱汞吸附能与改性活性炭性能的相关性研究,表明吸附能与活性炭的脱汞性能相关性较大;改性活性炭的脱汞性能与改性活性炭中小分子硫、比表面积、总孔孔容具有正相关关系,与微孔孔容的相关性不显著。
　　 研究了烟气组分对改性活性炭脱的汞性能的影响。结果表明,在本实验条件下,烟气中CO2和O2浓度变化对吸附剂脱汞性能影响不明显;HC1、Nox和SO2对吸附剂的脱汞性能影响显著。
　　 动力学研究结果表明,随着反应温度的降低、烟气中汞浓度的增加,活性炭对汞的吸附量呈增加;利用Langmuir等温式和Freundlich等温式对该过程进行模拟计算,结果表明,Freundlich方程具有很好的拟合效果;活性炭对汞的吸附过程基本符合表观一级反应(R2＞0.9429):采用质量守恒和表面平衡理论,利用连续反应釜反应器建立动力学模型,模拟结果与实验值符合。
　　 对AMD污泥的物理化学特性、AMD污泥脱汞吸附剂的脱汞性能进行了实验室基础研究。AMD污泥具有比表面积大,结构疏松、晶体粒度较小的特点,其晶粒尺寸在纳米范围;固定床脱汞实验研究表明,AMD污泥较实验室合成的针铁矿具有优越的脱汞性能,在模拟烟气下,汞吸附脱除量约为175.6μg/g,对单质汞的氧化率约为70～80％左右;烟气组分中N2、CO2和Nox对汞的脱除影响不明显,802和HC1对单质汞具有催化氧化作用;基于SO2、HC1之间发生的竞争吸附对单质汞的影响,提出其反应符合Eley-Rideal机理。
　　 主要创新性成果:建立了我国烟煤烟气特点的吸附剂脱汞性能测试平台;采用椰壳质活性炭进行改性,获得了改性工艺的优化参数,制备出具有良好的燃煤烟气脱汞性能的碳基脱汞吸附剂;建立了符合中国燃煤特点的改性活性炭脱汞过程动力学模型,提出了改性活性炭吸附剂脱汞反应关系式为:Ink=In0.303-5.58/R×1/T;首次对AMD污泥用于燃煤烟气脱汞进行了研究,提出了AMD污泥脱汞反应机理。