燃煤烟气中汞形态分析的实验研究[1]

燃煤烟气中汞形态分析的实验研究1)

刘 晶 刘迎晖 贾小红 王泉海 张军营 郑楚光

(华中科技大学煤燃烧国家重点实验室,武汉,430074)

摘 要 在一维煤粉燃烧炉台架上采用EPA 推荐的Ontario Hydro 方法,测量了燃烧不同煤种排放的烟气中汞的形态分布情况.结果表明,烟气中汞以颗粒态和气态汞的形式存在.气态汞总量在9 23 g Nm -3范围内,主要以单质汞的形式存在,占气态汞总量的52% 83%,而二价汞占17% 48%.飞灰中汞的浓度大大超过了底灰中汞的浓度,表明汞在飞灰中富集,在底灰中分散的行为.关键词 烟气,汞,形态分布.

在燃煤烟气中存在着多途径的Hg 0 Hg 2+氧化还原转化过程[1],元素汞(Hg 0)易挥发,具有低的水溶性,是大气环境中相对比较稳定的形态,在大气中被长距离地输运

而形成全球性的汞污染.一价汞(Hg 2+2)化合物在大气中很不稳定,而无机汞(Hg

2+

)化合物比较稳定,一般都是水溶性的.

烟气中汞形态的分析方法一般分为两类:第一类是取样分析法,主要包括EPA 方法29,EPA 方法101A,汞形态吸附法[2],MIT 固体吸附剂法[3],有害元素取样链法[4]和X 射线荧光分析法[5].第二类是在线分析法,是基于AAS,CVAAS,CVAFS 和新兴的化学传感器等先进技术而发展起来的,其优点是在线的、实时的分析.

Laudal 等[6]在燃煤电厂烟道气中Hg 0和Hg 2+的分离研究中,认为EPA 方法29与固体吸附剂法都会使Hg

2+

的测定结果偏高,而Ontario Hydro 方法分离这两种形态较为合

适,该方法也是美国环保局(EPA)推荐作为标准的方法.因此,本文采用Ontario Hy dro 方法研究燃煤烟气中汞的形态分布.

1 实验部分

1 1 样品的采集

实验采用小龙潭褐煤,焦作无烟煤和平顶山烟煤三种煤样,煤样的工业分析、元素分析与汞含量如表1所示.

采用美国E PA 推荐的Ontario Hydro 方法进行取样.取样探枪由纯度高、耐高温的石英管制成.抽取的烟气首先经过滤球,过滤其中的固体颗粒,从而实现烟气的气固分离,过滤后的烟气将依次经过8个采样瓶,各种形态的汞将逐一被吸收.1# 3#采样

2002年4月11日收稿.

1)国家重点基础研究发展规划项目(G1999022212)资助课题.

第22卷 第2期2003年

3月

环 境 化 学

ENVIRONMENTAL CHEMISTRY

Vol.22,No.2 M arch

2003

瓶装有100ml KCl 溶液用以捕获Hg 0;4#采样瓶装有100ml 5%HNO 3-10%H 2O 2溶液;5# 7#采样瓶装有100ml 4%KMnO 4 10%H 2SO 4溶液,用以捕获Hg 2+;8#采样瓶装有200 300g 的硅胶.1# 8#采样瓶均浸在冰浴中.

表1 煤样工业分析、元素分析与汞含量

Table 1 Ulti mate,proxi mate analysis and mercury con ten t of coal samples

煤 样工业分析/%

M ar A ar V ar FC ar 元素分析/%N ar C a r S ar H ar O ar Hg/ g g -1小龙潭褐煤14 6013 7446 9124 741 4249 212 475 4013 160 0769焦作无烟煤1 8914 3512 9470 821 1377 140 523 041 930 2190平顶山烟煤

0 74

14 52

14 49

70 25

1 37

76 85

0 57

3 75

2 20

0 2280

1 2 实验装置及燃烧工况

实验是在一维煤粉燃烧炉上进行的,炉膛积木式结构,内径0 175m,总高度3 5m,其中反应段高度为1 93m,由结构相同的六级组成,每级都采用电阻丝加热,加热功率为6kW.在电阻丝外部,是耐火材料的保护层和炉膛外壁.给粉系统采用微型电磁振动

给料器给粉,通过调节电流大小可以控制给粉量.空气经由送风机后分为一次风和二次风,一次风进入给粉器,携带煤粉由炉顶喷入炉内,垂直向下流动.分级的二次风由分级风管从炉膛四周均匀喷入,其高度位置分上、中、下三层.在炉膛上部,一次风和二次风混合燃烧.在实验过程中,保持总的空气过剩系数 为1 20,给粉量为5kg h -1.经热电耦测量三种煤的燃烧温度范围为980 1120!.烟气采样时,石英取样枪伸入水平烟道部分,取样点的烟气温度在350 500!范围内,利用真空泵抽取烟气,烟气流量为0 5m 3

h

-1

,取样时间为2h.

1 3 样品的消解及测定

KCl 溶液:在500ml 容量瓶中稀释样品,移取10ml 试样置于微波消解罐中,加入0 5ml 浓H 2SO 4,0 25ml 浓HNO 3和1 5ml 5%KMnO 4溶液,混合后放置15min.然后加入0 75ml 5%K 2S 2O 8溶液,密闭消解罐,放入MARS 5型微波加速反应器(美国CE M 公司)中.缓慢加热至90!,保持15min,冷却至室温,将样品移入50ml 容量瓶中用三次蒸馏水定容.消解过程中溶液颜色必须呈紫色,若溶液无色则表明KMnO 4有损耗,则应再加入KMnO 4直至溶液呈紫色.分析前加入1ml 10%的硫酸羟胺溶液,这时溶液应呈无色.记录加入溶液的体积.

HNO 3 H 2O 2溶液:在250ml 容量瓶中稀释样品,取5ml 试样,加入0 25ml 浓HCl,置于冰浴中冷却15min,小心加入0 25ml 饱和KMnO 4溶液以除去H 2O 2,每次加入间隔15min,加入前先混合试样,在加入5次0 25ml 饱和KMnO 4溶液后,再仔细增加0 5ml,直至溶液呈紫色,表明H 2O 2完全反应.分析前加入1ml 的10%硫酸羟胺溶液,这时试剂应呈无色.记录加入溶液的体积.

H 2SO 4 KMnO 4溶液:在分析前现消解.在样品中溶解约500mg 固体硫酸羟胺,直至样品溶液澄清无色,在500ml 的容量瓶中稀释样品溶液.分析前加入1ml 10%硫酸羟胺

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2期 刘晶等:燃煤烟气中汞形态分析的实验研究