碳汞比对燃煤烟气中Hg脱除影响的实验研究.pdf

碳汞比对燃煤烟气中 Hg 脱除影响的实验研究 * 丁建东1， 2陈博1刁永发1沈恒根1石健2 1． 东华大学环境科学与工程学院， 上海 201620;2． 南通大学化学化工学院， 江苏 南通 226019 摘要 利用吸附反应器和袋式除尘器联合脱汞系统， 研究了活性炭喷射对模拟烟气中元素汞的脱除影响。实验表明， 吸附反应器对元素汞的脱除起主要作用， 并且脱汞效率随碳汞比的增加而提高; 碳汞比的变化对除尘器的脱汞效率影 响不大。在碳汞比为4 000、 6 000、 8 000下， 系统的脱汞效率分别为 39. 9 、 42. 5 、 47. 3 。实验同时探讨了除尘器 滤袋上粉尘层的存在对脱汞效率的影响， 结果表明 在表面过滤速度为0. 98 m/min的实验条件下， 在碳汞比为4 000、 6 000、 8 000下， 粉尘层的脱汞效率分别为 3. 65 、 3. 20 、 3. 66 。 关键词 Hg;活性炭;碳汞比 THE EXPERIMENTAL STUDY ON THE INFLUENCE OF C/Hg RATIO ON REMOVAL OF ELEMENTAL MERCURY IN SIMULATED FLUE GAS Ding Jiandong1，2Chen Bo1Diao Yongfa1Shen Henggen1Shi Jian2 1. School of Environment Science and Engineering，Donghua University，Shanghai 201620，China; 2. School of Chemistry and Chemical Engineering，Nantong University，Nantong 226019，China AbstractUsing combined system of adsorption reactor and bag filter，the effects of the removal of elemental mercury by activated carbon injection in simulated flue gas were studied． Experiments showed that the adsorption of elemental mercury in the adsorption reactor played a major role and the removal of mercury increased with the increase of C/Hg ratio． The C/Hg ratio had little effect to the removal of mercury of the bag filter． The total removal of mercury by the system was 39. 9 ， 42. 5 ，47. 3 under the C/Hg ratio at 4 000， 6 000 and 8 000 respectively． Meanwhile，the characteristic of the removal of mercury by the dust layer on the filter was estimated． The results showed that the removal of mercury by the dust layer was 3. 65 ，3. 20 and 3. 66 ．under the C/Hg ratio at 4 000， 6 000， 8 000 respectively，at 0. 98 m/min in the surface filtration velocity． Keywordselemental mercury;activated carbon;C/Hg ratio * 国家高技术研究发展计划项目 863 2008AA05Z305 。 0引言 由于汞具有生物累积性、 毒害性以及在环境中的 持久性， 汞的危害越来越引起人们的重视［1- 2］。大气 中汞的主要形态有 2 种， 分别为元素态汞、 氧化态汞。 其主要来源于自然源和人为源的排放， 19 世纪以后， 人为源排放的汞越来越多。亚洲的汞排放量占全球 的 50 ， 其中我国占较大贡献［3］。我国在 2003 年估 计共释放609 t［4］， 由于经济增长迅速， 每年的汞排放 量将有所增加。由于元素态汞的高挥发性和水不溶 性， 现有的除尘设备对元素态汞难于去除。氧化态汞 可以被湿法洗涤装置和干法除尘装置去除， 袋式除尘 器和静电除尘器可以去除附着在颗粒上的汞。通过 喷射吸附剂可以大大提高袋式除尘器和静电除尘器 对汞的去除率。平均去除率提高至 58 ， 安装在冷 端和热端的静电除尘器可分别提高至 27 和 4 ［5］。 由于除尘空间和粉尘层提供了更多的接触时间， 从而 提高了吸附剂的吸附效率。有预测认为在滤袋上的 去除率占总去除率的 50 ～ 60 ［6- 7］， 但 Choi． H． K． 等［8］通过实验研究指出， 汞的去除率在过滤速度为 3. 3 m/min和1. 1 m/min时， 在滤袋上汞脱除率仅占总 脱汞率的 9. 5 和 2. 7 。本文利用吸附反应器和袋 式除尘器联合脱汞系统， 研究不同碳汞比下对元素汞 的吸附去除效率。 1实验部分 1. 1装置及材料 85 环境工程 2012 年 2 月第 30 卷第 1 期 吸附反应器与袋式除尘器联合脱汞实验系统原理 如图 1 所示。联合脱汞系统， 主要由模拟烟气发生部 分、 汞蒸气发生器、 吸附反应器、 气溶胶发生部分、 袋式除 尘器、 尾气处理装置、 采样装置、 测试仪器等部分组成。 图 1吸附反应器与袋式除尘器联合脱汞系统原理图 模拟烟气的载气是由空压机提供的压缩空气， 通 过加热器加热， 使气体达到所需的实验温度。汞蒸气 由自制的汞蒸气发生器产生， 以恒定流量的高纯氮气 作为载气， 将单质汞蒸气携带至实验系统管路中。吸 附剂由自制的气溶胶发生器喷入系统， 模拟烟气和吸 附剂首先在吸附反应器中进行吸附反应， 随后进入袋 式除尘器， 捕集和过滤从吸附反应器流出的烟气， 起 到吸附和过滤的作用。尾气最后通过装有活性炭过 滤芯的吸附柱， 防止在实验中未被吸附的汞直接排入 大气。 模拟烟气中元素汞的浓度， 采用德国 Mercury Instruments 生产的 VM3000 汞测定仪测量， 在实验过 程中， 汞测定仪每隔1 s测量一次汞浓度， 每隔2 min仪 器自动校零。袋式除尘器滤袋上的压降由压差变送 器测定， 每隔10 s记录一次压降参数。汞浓度和压差 计数都由计算机自动记录。 1. 2实验方法 实验模拟烟气主要由压缩空气和汞蒸气组成。 模拟烟气流量为30 m3/h， 反应温度为150 ℃ ， 烟气入 口汞蒸气浓度在 30 ～ 40 μg/m3。 活性炭粉为煤质活 性炭， 平均粒径为40 μm， 碘吸附值为950 mg/g， 比表 面积为980 m2/g。袋式 除尘 器 的表面过滤 速 度 为 0. 98 m/min。当袋式除尘器压差达到920 Pa， 脉冲清 灰系统自动清灰， 以保证实验继续进行。实验中除了 喷入活性炭粉外， 不加入其他物质。在实验中， 一般 每隔10 min交替测定进出口的汞浓度， 在除尘器清灰 后， 测定一段时间的出口汞浓度， 以了解清灰后的汞 浓度的变化情况。汞的脱除效率用式 1 计算汞的 脱除效率 η 入口汞浓度 － 出口汞浓度 入口汞浓度 100 1 2结果与讨论 2. 1反应器中不同碳汞比对汞脱除效率的影响 图 2 是反应器在不同碳汞比下的脱汞效率，在 反应器中刚喷入活性炭时， 脱汞效率较低， 提高碳汞 比， 相应的脱汞效率上升得也较快， 同时也较快达到 某一稳定值。 图 2反应器中不同碳汞比下的脱汞效率 由图 2 可知 在反应器中存在一定量的活性炭 后， 产生一个持续的吸附过程， 由于活性炭的不断加 入， 在反应器中新鲜的活性炭和已吸附的活性炭量比 例达到稳定， 同时由于活性炭对汞吸附与解吸也达到 一个相对平衡， 所以经过一段时间后吸附达到稳定。 95 环境工程 2012 年 2 月第 30 卷第 1 期 吸附稳定时， 汞的脱除效率随碳汞比的增加而提高。 在碳汞比为4 000、 6 000和8 000下， 反应器对汞的脱 除效率分别为 31. 3 、 34. 7 和 40. 0 。 2. 2除尘器中不同碳汞比对汞脱除效率的影响 2. 2. 1除尘器空间 图 3 表示袋式除尘器出口的汞浓度与除尘器压 差变化曲线。从图 3 中可看出 除尘器与反应器出口 汞浓度的变化规律相似， 开始时， 下降较快， 同时碳汞 比越高， 下降速度也越快。在除尘器空间可以看作类 似于反应器， 经过一定时间后新鲜活性炭和已吸附的 活性炭量达到平衡， 活性炭的吸附与解吸也达到平 衡， 在除尘器出口汞的浓度达到一个稳定值。模拟烟 气经过除尘器空间， 相当于延长了烟气的停留时间， 增加了活性炭与元素汞的吸附反应时间。同时从 图 3中可看出， 随着碳汞比的增加， 脉冲清灰的频率 也加快， 这是因为在一定的过滤速度下， 除尘器的压 降与滤袋上捕集的粉尘量有关。随着碳汞比的增加， 所加入的活性炭量增加， 入口烟气体积流量不变， 进 入除尘器的粉尘浓度上升， 使达到指定清灰压降的时 间缩短， 所以清灰频率加快。加入口浓度、 出口浓度 在碳汞比为4 000、 6 000和8 000下， 除尘器空间对汞 的脱除效率分别为 9. 13 、 9. 13 、 8. 99 。 a碳汞比为 4 000; b碳汞比为 6 000; c 碳汞比为 8 000 图 3除尘器出口汞浓度和除尘器压差随时间的变化关系 2. 2. 2滤袋粉尘层 图 4除尘器出口汞浓度和压降的变化曲线 图 4 表示碳汞比为 6 000 时， 除尘器出口汞浓度 和除尘器压降的变化曲线， 可以清楚地看出在清灰前 后， 除尘器出口汞浓度在清灰前后的变化情况。清灰 前后除尘器出口的汞浓度变化可以看作是粉尘层对 汞的脱除影响， 清灰后除尘器出口的汞浓度可以看作 除尘器空间的汞出口浓度， 也是粉尘层的汞入口浓 度。清灰前后汞的浓度的变化， 说明粉尘层对汞存在 一定的脱除能力。这是因为在滤袋上捕集的活性炭 是已吸附了汞的， 由于在联合系统中的没有完全吸附 饱和， 所以在被阻留在滤袋上后还有一定的吸附能 力。碳汞比对粉尘层的脱汞能力影响不大。在碳汞 比为4 000、 6 000和8 000下， 粉尘层对汞的脱除效率 分别为 3. 65 、 3. 20 、 3. 66 。 2. 3联合系统的脱汞效率 图 5 为不同碳汞比下， 反应器、 除尘器空间和粉 尘层三部分对汞的脱除效率。汞在联合系统中的总 脱除效率可以分三部分 反应器、 除尘器空间和粉尘 图 5不同碳汞比下各部分汞脱除效率 层， 总效率是三部分串联的结果见式 2 。 η总 1 － 1 － η反应器 1 － η除尘器空间 1 － η粉尘层 2 06 环境工程 2012 年 2 月第 30 卷第 1 期 从图 5 可以看出 在反应器中汞的脱除效率随碳 汞比的增加而提高， 并且提高较明显， 是系统脱除汞 的主要场所。而碳汞比对除尘器空间和粉尘层的脱 汞效率影响不大。这是因为在除尘器空间和粉尘上 的活性炭是已用过的， 已经吸附了一定量的汞， 所以 其对汞的吸附容量减小。在碳汞比为4 000、 6 000和 8 000 下，总 的 脱 除 效 率 分 别 为 39. 9 、 42. 5 、 47. 3 。 3结论 反应器与袋式除尘器联合脱汞实验系统的脱汞 效率， 在本实验条件下， 系统总的脱汞效率随碳汞比 的增加而提高。在碳汞比为4 000、 6 000和8 000下， 分别为 39. 9 、 42. 5 、 47. 3 。其中吸附反应器对 汞的脱除效率作出主要贡献， 并随碳汞比的增加而提 高。袋式除尘器空间也是有效的吸附反应空间， 但碳 汞比对其脱汞效率影响不大。 随着碳汞比的增加， 袋式除尘器的清灰频率加 快， 清灰后出口汞浓度提高， 说明粉尘层对汞存在一 定的吸附脱除能力， 在本实验条件下， 在碳汞比为 4 000、 6 000 和8 000 下， 粉 尘 层的 脱 汞 效率分 别为 3. 65 、 3. 20 、 3. 66 ， 碳 汞 比 的 变 化 对 其 影 响 不大。 参考文献 ［1］Bose O’ Reilly S，Lettmeier B． Mercury as a serious health hazard for children in gold mining areas［J］．Environmental Research， 2008， 107 89- 97． ［2］Yan R，Liang D T，Tsen L，et al．Bench-scale experimental uation of carbon perance on mercury vapor adsorption［J］． Fuel，2004， 83 2401- 2409． ［3］Pacyna J M，Pacyna E G，Steenhuisen F，et al． Mapping 1995 global anthropogenic emissions of mercury［J ］． Atmos Environ， 2003， 37 S1 109- 117． ［4］Feng X，Streets D，Hao J，et al． Mercury emissions from industrial sources in China［M］． New YorkSpring，2009． ［5］Pavlish J H，Sondreal E A，Mann M D，et al． Status review of mercury control options for coal-fired power plants［J］．Fuel Processing Technology，2003， 8289- 165． ［6］ScalaF．Simulationofmercurycapturebyactivatedcarbon injection in incinerator flue gas．2.fabric filter removal［J］． Environmental Science ＆ Technology，2001， 35 4373- 4378. ［7］Flora J R V，Hargis R A，O’Dowd W J，et al．The role of pressure drop and flower distribution on modeling mercury control using sorbent injection in baghouse filters［J］．Air ＆ Waste Management Association，2003， 56 343- 349. ［8］Choi H K，Lee S H，Kim S S．The effect of activated carbon injection rate on the removal of elemental mercury in a particulate collector with fabric filters［J］． Fuel Processing Technology， 2009， 90 107- 112． 作者通信处石健226019江苏省南通市啬园路 9 号南通大学化 学化工学院 E- mailshijianchuyu 163． com 2011 － 07 － 19 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 收稿 上接第 17 页 ［5］郭育鸿， 范增华． SBR 工艺在马铃薯加工废水处理中的应用 ［J］． 贵州环保科技，2002， 8 4 36- 38． ［6］吕建国， 张明霞． IC 反应器处理马铃薯淀粉生产废水的试验研 究［J］． 工业用水与废水， 2010， 41 3 23- 25． ［7］刘博， 李杰， 王亚娥． 絮凝 SBR 工艺处理马铃薯淀粉废水试验 研究［J］． 山西建筑， 2008， 34 35 11- 12． ［8］Nancharaiah Y V， Joshi H M，Moban T V K，et a1． Aerobic granular biomass a novel biomaterial for efficient uraniurnre-moral ［J］． Curr Sci， 2006， 91 4 503- 509． ［9］Figueroa M， Mosquera C A， Campos J L， et a1． Treatment of saline wastewater in SBR aerobic granular reactors［J］． Water Science＆ Technology， 2008， 58 2 479- 485． ［ 10］Chen J F． Aerobic granular sludge cultivated in modified UASB for the degradation of pollutants in leachate［J］． Journal of Residuals Science ＆ Technology， 2010， 7 3 181- 186． ［ 11］Hu H Y，Zhou G M． Quick start-up of upflow anaerobic sludge blanket UASBreactor in treating landfill leachate［J］． Industrial Water ＆ Wastewater，2002，3329- 31． ［ 12］Kennedy K J，Lentz E M．Treatment of landfill leachate using sequencing batch and continuous flow up-flow anaerobic sludge blanket reactors［J］． Water Res，2000，343640- 3656． ［ 13］Adav S S，Chang C H，Lee D J．Hydraulic characteristics of aerobic granules using size exclusion chromatography［J］． Biotech Bioeng，2008，99791- 780． 作者通信处陈金发641100四川省凉山州西昌市西昌学院农业 科学学院 E- mailchenjinfa11 sohu． com 2011 － 05 － 06 收稿 16 环境工程 2012 年 2 月第 30 卷第 1 期