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燃煤电厂烟气脱汞技术的研究

北极星环保网来源:华北电力大学学报 赵毅 等2019/5/20 10:47:43我要投稿

对于(7),存在吸收剂稳定性和经济性方面的问题。

对于(8),需要解决工艺条件与石灰石石膏法运行条件如何匹配的问题。鉴于上述问题,作者团队开展一系列系统研究,主要如下:

(1)针对湿式氧化体系在气液传质方面存在一定局限性,导致氧化剂利用率低、气液传质阻力大和氧化速率慢等问题。提出了一种类气相预氧化烟气一体化脱硫脱硝脱汞模式,制备了多种适宜热活化的复合氧化剂,证实了热活化方式可显著提高复合氧化剂的分散度和反应活性,极大地提升了反应接触面积、化学反应速率和传质速率,在较低氧化剂/汞摩尔比下实现了Hg0的选择性快速高效氧化,且在类气相预氧化反应体系中可与湿法脱硫系统耦合,进而实现一体化脱硫脱汞的目标。

(2)氧化法烟气净化技术的核心是高活性氧化物种的制备及其反应行为的解析研究,为此系统研究了气相和液相氧化反应中的烟气净化过程自由基化学,重点探究了羟基自由基、硫酸根自由基、氯氧自由基和二氧化氯等高活性氧化物种的生成机理及详细反应路径,确证了过氧化氢、过硫酸盐和亚氯酸盐为上述4种物种的优良前体物,光催化和热催化是诱导自由基产生的关键因素。

在复杂烟气氛围下,羟基自由基、硫酸根自由基、氯氧自由基和二氧化氯可协同深度氧化Hg0,在气液相反应中呈现出良好的氧化能力。

2.2活性炭吸附脱汞

和其它脱汞技术相比,活性炭吸附脱汞技术的研究和实际应用相对成熟。研究人员对活性炭的物理和化学性质、吸附脱汞条件、影响脱汞效率的因素开展了较系统的研究。一般认为活性炭表面官能团的种类和数量在吸附和氧化汞的过程具有重要作用,通过卤族元素掺杂、金属及其化合物改性和低温等离子体技术处理等方式可增加活性炭表面的活性位点,从而提高烟气脱汞的能力。

对于纯活性炭,其表面的含氧官能团主要有羟基(—OH)、羰基(C=O)、羧基(—COOH)和内酯基等,吸附汞的过程为这些官能团参与的氧化反应,其中C=O和—COOH为汞吸附的主要物种。为了提高效率,罗光前等利用低温等离子体、煅烧和酸处理等方法来改善活性炭表面的含氧官能团数量和种类。

深入的研究表明,活性炭对汞的吸附作用包括物理吸附和化学吸附,当温度高于100℃,活性炭的比表面积对脱汞性能的影响较弱,此时影响脱汞性能的官能团主要为酯基和羰基,可见增加活性炭中酯基和羰基官能团的数量可有效提高活性炭脱汞性能,且酯基官能团对汞的吸附能力高于羰基官能团。

任建莉等系统研究了第三代活性炭材料—活性炭纤维(ACF),利用硝酸活化、半脱附和空气活化等处理手段改善ACF的吸附性能,结果发现其脱汞性能均有显著提升。此外,与纯ACF相比,改性后的ACF表面含氧基团C=O和—COOH的含量明显增加。

研究还证实,载银活性炭纤维的含氧基团以C—O基团为主,其银负载后形成Ag—O—C配位键活性位点可吸附汞生成银汞齐。其单位汞吸附量达到5.4559mg/g,是纯ACF(其单位汞吸附量仅为0.1653mg/g)的33倍,显著提高了脱汞效率。

在活性炭改性研究中,卤素元素的应用较为广泛。孙巍等通过一系列实验研究后发现,负载氯化硫的活性炭可在140℃条件下达到90%以上的吸附脱汞效率,且吸附脱汞效率能随负载量的增加而增加;但当温度升至或超过180℃后,吸附脱汞性能急剧下降。

进一步的研究发现载溴活性炭对提升汞的吸附能力和增加反应速率具有重要相关性。但在SO2存在的条件下,载溴活性炭吸附效率受到抑制。周强等利用搭建的模拟烟气活性炭喷射脱汞实验装置比较了活性炭和溴改性活性炭在吸附脱汞方面的性能差异,发现活性炭粒径小、喷射后停留时间长和烟气汞浓度增加等因素均可增加脱汞效率,但升高烟气温度可导致脱汞效率降低。

Zhong等发现,碘改性活性炭对汞的捕集能力强于溴化物改性的活性炭,同时建立了一种通用的动力学方程来预测碘改性活性炭吸附脱汞曲线。

由于燃煤电厂工况烟气组分复杂,活性炭脱汞的物理吸附或化学吸附过程难以界定,SO2、NO、HCl、H2O等气体组分与汞脱除反应间的交互影响规律、活性炭吸附脱汞的动力学特性等还需进一步研究。另外,从技术应用层面来看,活性炭脱汞技术应关注以下问题:

(1)活性炭吸附剂成本高;

(2)吸附剂喷射系统增加除尘设备的负荷,会对除尘设备产生影响;

(3)吸附汞的活性炭尚需二次处置等问题。

2.3光催化氧化脱汞技术

光催化氧化脱汞技术是借助光催化氧化的手段实现烟气汞脱除的重要手段,其原理是利用紫外光或可见光照射半导体材料,将电子从充满的价带激发跃迁到空的导带,在价带上产生带正电的空穴,并由此产生强氧化性自由基,高效氧化Hg0,而氧化产物Hg2+在吸收介质中被吸收脱除。

与其它传统脱汞技术相比,该方法具有脱除效率高、成本低、环境友好、二次污染小等优点。在光催化剂的研发过程中,二氧化钛(TiO2)因其高活性、稳定性好、无二次污染、安全无毒和成本低等特性,已成为被广泛研究的对象。

3结论

随着我国燃煤电厂广泛实施常规气态污染物(烟粉尘、SO2和NOx)超低排放控制,大气环境质量得到大幅度的改善,同时烟气除尘设备、脱硫系统和脱硝设施对颗粒态汞、氧化态汞和元素态汞也实现了有效协同控制,这些具有重要的经济效益和环境效益,也是当前我国汞和重金属减排的可行途径。

随着国内污染物排放控制逐步与国际接轨,参照美国、德国和欧盟的标准,燃煤电厂将来可能会实施更为严格的汞排放标准。因此,应尽快研发高效且经济的脱汞新技术,其中,发展高效、低成本、绿色复合吸收剂与用预氧化方式相结合的一体化脱硫脱硝和脱汞新工艺具有更为广阔的应用前景。

延伸阅读:

一文快速了解燃煤电厂脱汞技术

烟气污染防治技术之汞污染防治技术及脱汞技术

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