生物质添加对燃烧汞排放中颗粒汞形成的作用机理研究

摘要

汞，室温下唯一一种液态金属，挥发性强但常温常压下化学性质稳定。原本以氧化态或汞齐形态以0.08ppm的丰度存在于地壳中，近些年来由于人类活动而大量释放到大气中。释放到环境中汞可长期存在并可通过食物链富集最终危害人体健康，对婴幼儿神经系统危害则更为严重。鉴于此，汞排放控制势在必行。本研究从汞均相和非均相反应的主要环节，氯相关反应链入手，通过添加生物质改变原煤中氯含量，在烟气和飞灰表面建立新的平衡，以期能够促进颗粒汞的形成，方便通过现有颗粒物排放控制设施，如电除尘器、布袋式除尘器，控制电站燃煤汞排放。本研究进行了包括大豆杆、锯末、棉杆在内的三种生物质在包括一种贫煤、两种烟煤的三种煤样中的添加实验。在一维电加热管式携带炉中进行燃烧各混合样品并检测所烧成灰样中的飞灰含碳量、比表面积和汞含量。同时计算烟气中折算汞浓度、氯浓度、颗粒物浓度，用以分析各相关因素变化对颗粒汞形成可能造成的影响。实验发现不同煤种，在生物质添加过程中，均表现出随氯浓度增高和汞氯比增大，颗粒汞转化率先上升后下降其后再度迅速上升的N型曲线。依煤种不同，燃煤飞灰比表面积不同、残炭反应能力不同，灰样中汞浓度可以发生明显变化，最大容量取决于煤种本身而非生物质。烟煤的反应活性较强、容量较大，飞灰对汞的最大捕集能力为贫煤飞灰的两倍。通过适当选配生物质，能够取得较好的颗粒汞转化效果，最高颗粒汞转化效率接近80％。贫煤飞灰比表面积为烟煤的1/3，残炭和颗粒浓度通常可达烟煤的两倍但本身容量有限，高氯浓度下受反应时间限制飞灰汞吸附量有限，最多可获得70%左右的颗粒汞转化效率。从反应动力学角度来看，不同反应温度窗口下氯相关反应的相互竞争关系，可能是不同生物质添加后颗粒汞转化程度不同的主要原因。需要通过生物质与燃煤间的合理匹配方能获得较好的燃煤汞排放控制效果。