燃煤烟气中汞脱除技术的研究进展

李玲

(中州大学，河南 郑州 450033)



燃煤烟气中汞脱除技术的研究进展

李玲

(中州大学，河南 郑州 450033)

摘要：本文概述了目前人类社会利用燃煤发电而排放的汞导致的全球汞污染的情况，分析了燃煤排放汞的各种形态；主要综述了燃煤过程中汞污染的控制方法现状及主要研究结果。论文从烟气中汞的吸附剂技术、常规污染控制装置脱汞技术、电晕放电等离子体技术及电催化氧化联合处理技术等四个方面介绍了国内外汞控制技术的研究现状和进展；针对国内外研究现状，提出了适合我国国情的烟气汞控制技术的发展方向。

关键词：燃煤烟气;汞脱除;吸附剂;电催化氧化

1前言

汞是一种神经毒物，而且是一种生物积累物质，对人群健康有很大威胁。目前认为造成汞环境污染的来源主要是天然释放和人为因素[1]。2003年初, 联合国环境规划署(UNEP)发表的一份调查报告指出，燃煤电厂是最大的人为汞排放源[2]。在燃煤过程中，汞主要是以气态形式排放，成为环境污染的主要来源之一。烟气中汞的主要存在形态有三种：元素汞(Hg0)、氧化态汞(Hg2+)和颗粒态汞(HgP)。不同形态的汞具有不同的物理和化学性质。Hg2+易溶于水且易附着在颗粒物上， 故可用常规的污染物控制设备除去；HgP在大气中的停留时间很短，也可用除尘设备收集；而Hg0易挥发且难溶于水，很难被除尘设备捕获，几乎全部排放到大气中，形态相对比较稳定且停留时间很长，平均可达1年左右，且易长距离输送而形成大范围的汞污染[3]。因此，有效脱除烟气中的汞，特别是Hg0，并开发有发展前景的汞控制技术对于21世纪环境污染治理是非常必要的。

2燃煤过程中汞控制技术

2.1吸附烟气中汞的吸附剂技术

2.1.1活性炭吸附法。活性炭对汞的吸附是一个多元化的过程，包括吸附、凝结、扩散以及化学反应等过程，与吸附剂本身的物理性质(颗粒粒径、孔径、表面积等)、温度、烟气气体成分、停留时间、烟气中汞浓度、C/Hg比例等因素有关。直接应用活性炭的主要障碍是运行成本高，若要达到90%的汞脱除效率，每处理一磅汞需要25 000～70 000美元。目前活性炭喷射技术的改进，主要是提高活性碳的吸附能力，降低活性碳用量，节省成本[4-6]。

2.1.2飞灰吸附法。用飞灰样品在不同烟温下进行比较试验，发现较低温度下飞灰对汞的吸附更有利。不同煤种的飞灰脱汞特性也有差别，烟煤比次烟煤、褐煤的飞灰表现出更高的氧化率和吸附率。Dunham等在固定床上用含Hg0和HgCl2的模拟烟气对不同来源和煤种的飞灰样品进行试验。通过表面积、烧失量、灰中铁的形态等因素描述了飞灰样品的特性。Hg0的氧化随灰中磁铁矿含量的增加而增加，但一种高含碳量的亚烟煤飞灰不含磁铁矿却显示出比较强的氧化Hg0的能力，这与其中的炭含量有关；同时发现飞灰中类晶石型结构的氧化铁是汞氧化的活性物质，飞灰表面积以及表面特性对Hg0的氧化和吸收具有十分重要的影响。温度升高，飞灰吸收能力下降。燃煤飞灰作为一种比较经济的吸附剂可去除烟气中的汞，将飞灰重新喷入烟气管道，可有效增加汞的吸附程度[7-9]。

2.1.3钙基材料吸附法。钙基吸附剂主要是为了代替活性炭以减少操作成本，因此钙基材料一般用来与活性炭进行比较。研究结果表明钙基吸附剂对化合态汞的吸附能力要强于活性炭，但对元素汞的吸附能力要弱于活性炭。SO2和高温有利于钙基吸附剂对元素汞的吸附，但对HgCl2的吸附正好相反。钙基吸附剂相对于活性炭，总体上来讲吸附能力要差一半，这可能导致飞灰副产品质量严重下降，这是因为使用钙基吸附剂控制汞污染，其使用量远远大于活性炭的使用量。目前，钙基吸附剂尚处于实验室研究阶段, 还未用于工业实践[10,11]。

2.1.4矿物材料吸附法。由于沸石具有独特的四面体结构，在吸附和催化过程中显示出很高的选择性，尤其在气体分离方面表现良好，因此有人希望利用沸石材料在汞的吸附方面有所突破。美国PSI(Physical Science Inc.)使用沸石材料作为工业锅炉控制汞排放的吸附剂，发现沸石材料具有一定的汞吸附能力[12]。Morency[13]在燃煤烟气中加入己知含量的单质汞(Hg0)进行实验，结果表明沸石在高温和低温下都可以吸附Hg0和Hg2+。这方面的工作目前主要集中在添加剂的研究方面，希望找到某种试剂，利用之将沸石材料进行处理，从而能大幅度提高对汞的吸附能力。另外，蛙石、高岭土和膨闰土以及其他矿物类物质也可以作为脱汞吸附剂进行研究，这些物质本身虽然吸附性能不高，但是经过改性处理后的吸附性能会大大提高，是寻找廉价吸附剂的一种重要选择。

2.1.5钛基材料吸附法。美国辛辛那提大学的研究者们利用TiO2来捕捉汞。他们在实验室模拟试验中，将TiO2喷入到高温燃烧器中，产生大量TiO2凝聚团，凝聚团的大比表面积可氧化并吸附汞蒸气，然后通过除尘装置加以去除。但由于其松散的结构和反应效率低，对汞的捕捉效果不明显。如果加以低强度的紫外光照射，Hg0在TiO2表面氧化为Hg2+并与TiO2结合为一体，就能表现出很好的除汞能力[14]。

2.2常规污染控制装置脱汞技术

利用脱硫装置(FGD)可以达到某些除汞目的。烟气中的Hg2+化合物如HgCl2是可溶于水的，湿法脱硫装置(WFGD)可以将烟气中80-95%的H2+去除，但对于不溶于水的Hg0捕捉效果不显著。美国Argonne国家实验室采用以氯酸为主要物质NOxSORB(17.8%氯酸HC1O3和22.3%氯酸钠NaC1O3的混合物，Olin公司生产)作为单质汞的新型氧化剂，烟气主要成分为1000ppmSO2和200ppmNO、HgO含量为33μg/m3，将NOxSORB喷入到149℃的烟气中(NOxSORB含量为4%)，测试结果表明大约24min之内100%的气态Hg0被氧化为Hg2+，全部被去除；同时烟气中NO的含量也接近于零，因而认为NOxSORB使NO对单质汞的脱除也有促进作用[15,16]。

2.3电晕放电等离子体技术

吴彦等人利用窄脉冲电晕放电方法来消除垃圾焚烧炉烟气中的汞蒸气，并进行了l0m3/h烟气流量的小型工业试验，汞蒸气的减少率随气体温度的增加而减小，并与气体在电场中的停留时间、脉冲电压频率以及电晕功率有一定关系。对于初始浓度为2mg/m3的汞蒸气，在一定条件下可达100%的消除率，HCl的存在可以促进汞蒸气的消除。由于燃煤烟气中汞的浓度很低，且难以捕捉等原因限制了等离子体这种新型技术在燃煤烟气除汞领域的应用([17])。

2.4电催化氧化联合处理技术

美国FirstEnergy公司和Powerspan公司联合研制的ECO Process，其工艺流程中最主要的部分就是利用介质阻挡放电产生等离子体，可用于燃煤电站烟气污染物一体化控制。ECO Process可以同时脱除燃煤电站烟气中的NOx、SO2、小颗粒PM(Particulate matter)、Hg和其它重金属等污染物[18]。

3结论与展望

目前燃煤电厂还没有一项成熟、可应用的脱汞技术，最接近应用的技术是烟气中喷入活性炭颗粒脱汞，但该技术费用过高。除汞技术在燃煤电厂中的应用还存在很多问题，尤其是吸附剂在吸附过程中的机理性问题还远未搞清楚，其他脱汞技术还都处于实验室研究阶段。因此，结合国内外研究的经验，以下两个方面将成为适合我国国情的烟气汞控制技术的发展方向：

3.1提高现有污染物控制设备对汞的脱除效率

主要是提高除尘、脱硫和脱硝装置对总汞的脱除效率，包括：廉价高效脱汞添加剂的开发利用，抑制WFGD 体系中Hg2+的还原，加强Hg0的脱除等。

3.2结合我国丰富的地矿资源来开发新型高效廉价的吸附剂和新工艺，通过催化、光触媒催化以及改良吸附剂特性等新技术来提高常见吸附剂对汞的脱除效率。

参考文献：

[1]郑楚光.洁净煤技术[M]. 华中理工大学出版社, 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.

中图分类号:X773

文献标志码：A

文章编号：1671-1602(2016)08-0007-02

作者简介：李玲(1982- )，女，河南新乡人，助教，硕士，主要研究环境工程水污染控制与治理。