燃煤电厂烟气中汞控制技术研究
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[ 15] 0
考察了 H 2 S、 CO、 O 2、 N 2、 H 2 O 气氛对
0
Fe2O 3 /T i O2 脱汞性能的影响, 结果发现, H 2 S 在氧化 铁表面首先被催化氧化生成 Sad, 然后 Sad与 H g 反 应生成 H gS , 达到脱除 H g 的目的。 3 . 2 光氧化反应 3 . 2 . 1 光化学反应
0 2+ 2+
1 溶解法
湿法烟气脱硫技术 (W FGD) 是目前国内外应用 较成熟的脱硫方法, W FGD 装置脱除 H g 主要利用 其易溶于水、 高稳定性的特点。当 H g 溶于脱硫循 环浆液后, H g 与浆液中溶解的硫化物反应形成不 [ 1] 溶于水的 H gS 得 以沉 降, 反应 式见 ( 1 ) 。 然而 H g 溶解度很小 , 且挥发性极强 , 不能被浆液吸收而
[ 16 - 17 ] 0 0
烟气受到波长为 254nm 紫外光照时, H g 受到 13
2010年 12 月
* *
电
力
科
技
与
环
保
第 26 卷
第 6期
激发, 产生激发态的汞 H g , H g 与烟气中 O2 反应 生成基态汞和激发态的 O2 , 激发态 O2 与氧气反 应生成能够将 H g 氧化的臭氧 O3 和基态 O, 反应式 见 ( 2) ~ ( 7)。 H g + h ( 254 nm ) H g + O2 O2
0 2+ 0
随烟气排入大气中 , 很难将其脱除。值得注意的是, 在烟气脱硫系统中 , H g 不但没有被吸收, 其浓度反 而在脱硫系统出口有所增加 , 可能是浆液中的金 属离子 ( 如 C a 、 Fe 、 M g、 Co 、 N i等 ) 和亚硫 酸氢根将 H g 还原成 H g
2+ 0[ 3] [ 2] 0
摘要 : 介绍了溶解法 、 吸附法 、 化学法和鳌合法等 4 种燃煤电厂烟气脱汞技术 。 从 机理上分析 了烟气脱 汞技术的工 艺过程 , 对脱汞技术的进一步开发和工业化进程具有促进作用 。 关键词 : 火电厂 ; 燃煤烟气 ; 脱汞 ; 机理 Abstrac:t The reactive mechan ism o f remova l me rcury techno logy for coa l- fire flue gas w as ove rviewed : d isso lu tion - reacti on , ad sorp tion , chem ica l reaction and che la ting mechan ism. The re sea rch o f the m echanism fo r me rcury remova l can instruct the exp lo ita tion o fmercu ry po ll u ti on con tro l techno log ies, and p romo te its industr i al iza tion course . Key words : powe r p lan;t coa l- fired flue gas; me rcury remova;l m echan ism 中图分类号 : X 701. 7 文献标识码 : B 文章编号 : 1674- 8069( 2010) 06- 012- 04
0 0 0
2 吸附法
H g 熔点低 , 平衡气压高 , 较难溶于水, 是相对 稳定的形态 , 难以用溶解方法将其脱除。通过喷入 吸收剂捕获 H g 或将其转化为易去除的 H g 已成 为研究的重点。因此, 围绕开发高性能、 价廉、 高稳 定性的吸收剂开展了系列的研究工作。 吸附剂脱汞技术主要是利用吸收剂对汞的吸附 原理使汞沉降, 从而得以去除烟气中的汞。吸附作 用归因于固体颗粒的表面力 : 此表面力可以是由于 范德华力 ( van derW aals) 的作用使汞单层或多层地 覆盖与吸附剂的表面 , 这种吸附属于物理吸附 ; 吸附 也可因汞与吸附剂表面原子间的化学键作用造成 , [ 6] 这种吸附属于化学吸 附 。这类吸 附技术主要以 活性炭为代表。 活性炭对燃煤烟气汞 ( 包括 H g 和 H g ) 吸附 过程是一个多学科交叉的复杂过程, 其过程受烟气 参数、 活性炭本身的微 观结构等众多 因素的影响。 许多研究者 认为, 活性炭在对 H g 的吸附过程 0 中表现出了明显的物理吸附特征, 它对 H g 的吸附 能力随着温度的升高而降低 , 随着汞浓度的减小而 降低。但也有研究认为 , 活性炭表面特征对汞的 吸附有着重要的影响。活性炭表面可能存在多种含 氧基团 , 如 羧基 - COOH 、 内 酯 - COO、 羰 基 - CO 等。含氧基团的存在使得 H g 在被吸附过程中发生 [ 10] 电子转移 , 因而成为化学吸附过程。由此可见 , 活性炭对汞的吸附过程是以物理吸附为主 , 还是以 化学吸附为主, 到目前还没有统一的认识。但是, 从 研究现状看 , 在活性炭吸附过程中可能同时存在物 理吸附和化学吸附, 但化学吸附影响较大。 在尾部烟气中喷入吸附剂是目前看来有可能先 实现商业化的一种方法 , 因活性炭具有良好的汞吸 附性能 , 故可能成为优先使用的汞吸附剂。但是活 性炭吸附具有非选择性 , 烟气中其他组分吸附在活 性炭表面, 从而降低了它对汞的吸附能力。为了提 [ 11] [ 12] 高活性炭对汞的吸附能力 , 通常采用含 S 、 Cl 等元素化合物或单质对活性炭进行化学改性 , 以提 高脱汞效率。试验证明, 经过 S 、 C l元素改性后的活 性炭增强了化学吸附能力和汞容。但是, 这样的化 学改性过程无疑增加了吸收剂的成本。因此 , 寻求
[ 24 ] 2+
Hg
*
*
( 2) ( 3) ( 4) ( 5) ( 6) ( 7)
H g + O2 O3
+ O2 O + O2
O3 + O H gO + O2 H gO
O3 + H g O + Hg
光化学过程 ( PCO )有望成为低成本处理烟气中 0 0 2+ H g 的新型技术。 H g 被氧化成 H g , 通过电厂下 游配套的脱硫装置、 电除尘器等设备将 H g 捕集脱 除。M cL arnon 等
0 [ 9] [ 7- 8] 0 0 2+ 0 2+ 0
3 化学法
化学法主要是针对 H g 难以脱除的特点, 通过 化学反应使其氧化成 H g , 然后再进行脱除。主要 反应途径有: 氧化反应和光氧化反应两类。 3 . 1 氧化反应 许多 金属 氧 化物 如 CuO、 Cu2 O、 V 2O 5、Cr2 O 3、 Fe2O 3、 Ti O2 等都是较好的汞氧化剂 , 其中有些是烟 气脱硝催化剂。金属氧化物表面存在晶格氧, 正是 由于晶格氧的存在 , 将烟气中的 H g 氧化成 H g , 从而达到脱除 H g 的目的
2010年 12 月
电
力
科
技百度文库
与
环
保
第 26 卷
第 6期
燃煤电厂烟气中汞控制技术研究
Study on m ercury rem oval techno log ies for coal- fired pow er plants
柏 源, 薛建明 , 许月阳 , 李忠华, 王振宇 (国电环境保护研究院 , 江苏 南京 210031)
0 0 [ 13] 0 2+ 2+ 0
。由于汞在烟气中浓
度较低, H g 的氧化速率受汞浓度梯度控制。比表 面积、 吸收剂活性、 稳定性、 氧分压等都对汞氧化容 量产生影响。对金属氧化物进行改性 , 以增加汞与 金属氧化物的接触面积是 这一领域研究的 热点课 题。 M e i 等
[ 14]
首次 使用 NH 4 C l 和 NH 4 B r 溶 液 向
* * 0 * *
汞效率的提高。目前 , 光催化脱汞技术还处于开发 阶段 , 需要国内外研究人员深入研究。
4 鳌合法
由于有机聚合体具有大的吸附容量、 高的选择 性、 高的吸附效率和简单的制备过程, 因而受到大家 的关注。有机聚合体表面结 构具有较多的 功能基 团, 如氨基 , 羟基等 , 由于这些功能基团使得聚合体 [ 22] 具有 ∃ 记忆功能 % , 通过与汞形成特殊的配合基发 生交联作用, 形成类似小分子螯合物的稳定结构 , 从 而将燃煤电厂烟气中的汞脱除。 [ 23] M a lybuba 等 研究了一种新型的鳌合剂 , 可以 直接去除烟气中 H g 。元素分析显示它对汞理论 吸收能力达到 33m g / g 。通过 FT I R (红外光谱 ) 表征 可知 , 硫基丙氨酸配体和捕集的 H gC l2 之间形成了 鳌合物。高鹏等
0 引言
汞作为一种剧毒、 高挥发性以及在生物链中具 有积累性的物质 , 是全球性循环污染元素。煤在燃 烧过程中产生的汞大部分随着烟气排入大气 , 成为 环境汞污染的主要来源。目前 , 燃煤电厂烟气脱汞 技术尚未成熟, 仍处于试验研究阶段。随着国民经 济的发展和环保要求的日趋严格, 火电厂烟气脱汞 将是继 SO2、 NOx 之后电力行业又一环保热点。 烟气中汞的存在形态主要有 3 种 : 气态 H g 、 二 2+ 价态汞 H g 和固态颗粒附着物。不同形态的汞具 有不同的物化性质。 H g 停留时间短, 且一般在释 放点附近沉积; H g 在大气中停留时间较长, 不溶于 水 , 是最难控制的形态。目前, 烟气中汞控制技术主 要有溶解法、 吸附法、 化学法和鳌合法。
基金项目 : 中国国电集团公司科研项目 ( Z200703)
0 2+ 2+ 2+
12
2010 年
柏 源等: 燃煤电厂烟气中汞控制技术研究
第 6期
氧化率有多种方 法, 如改 善燃烧条件、 改变烟气组 成、 在烟气中注入添加剂等。
价廉、 高效的活性剂成为各国学者工作的重点。飞 灰和钙基类吸附剂都是比较经济的汞吸附剂。燃煤 燃烧过程中产生的飞灰表面含有不同结构的含氧官 能团 , 有利于 H g 的吸附 , 而且飞灰中含有金属氧化 物如 A l2O 3、 SiO2 等在烟气中 NOx 作用下, 可以促进 H g 的氧化。钙基类物质 ( C aO、 C a( OH ) 2、 CaCO 3、 C aSO4 ! 2H 2O )价格低廉, 资源丰富 , 同时又是 FGD 系统 脱硫 吸收 剂, 它对 H gC l2 的吸 附效率 可达 到 85 % , 但是对 H g 的吸附效率较低。如果此类材料 能在脱汞方面有所突破, 将会在多种污染物同时脱 除方面具有重要的意义。
。
2+
H S + H g = H gS
+H
2+
+
( 1)
一般而言, W FGD 装 置对 H g 的脱 除效率 为 [ 4] 80 % ~ 90 % , 总汞脱 除效率在 10 % ~ 84 % 之间 , 烟气中 H g
2+
/H g 比例是决定 W FGD 总汞脱除效率
2+
0
的关键。因此 , 提高烟气中 H g 的比例有利于 W F GD 装置提高对烟气中汞的脱除效率。 杨宏民等
2+ [ 5]
对 2
500MW 机 组配套的湿法烟
气脱硫装置进行了现场测试发现 , W FGD 装置对烟 气中 H g 脱除效率为 89 . 24 % ~ 99 . 1 % ; 对总汞的 [ 2] 脱除效率达到 50% 以上。王运军等 对河北某 600 MW 机组湿法烟气脱硫装置和静电除尘器联合脱汞 的试验研究表明, 该火电厂烟气中 80 % 以上的汞以 0 H g 形态 存 在, W FGD 装 置 对 总汞 的 脱 除效 率 和 H g 的吸附率均为零 , 而且大于 50 % 的 H g 经过 W FGD 装置后被还原为 H g 。 目前 , 大多数火电厂配有烟气脱硫系统 , 提高烟 0 气中 H g 的氧化速率 , 充分利用脱硫装置是火电厂 提高烟气脱汞效率的切实可行措施。提高单质汞的
C o3 O4 中注入氮原子制备了氮掺杂 Co3O 4吸附剂 , 结 果发现, N - Co3 O 4吸附剂的比表面积和脱汞能力均 有显著提高。他们认为是 N 取代了 Co3 O4中的 O 后 激发了 C l 和 B r 对 H g 的氧化能力 , 提高了 Co3O 4 吸附剂的脱汞效率和抗硫能力。由于金属氧化物的 比表面积有限 , 用活性炭作为载体可以为其提供较 大的比表面积 , 从而提高活性金属吸附剂的脱汞效 率。 W u 等
考察了 H 2 S、 CO、 O 2、 N 2、 H 2 O 气氛对
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Fe2O 3 /T i O2 脱汞性能的影响, 结果发现, H 2 S 在氧化 铁表面首先被催化氧化生成 Sad, 然后 Sad与 H g 反 应生成 H gS , 达到脱除 H g 的目的。 3 . 2 光氧化反应 3 . 2 . 1 光化学反应
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1 溶解法
湿法烟气脱硫技术 (W FGD) 是目前国内外应用 较成熟的脱硫方法, W FGD 装置脱除 H g 主要利用 其易溶于水、 高稳定性的特点。当 H g 溶于脱硫循 环浆液后, H g 与浆液中溶解的硫化物反应形成不 [ 1] 溶于水的 H gS 得 以沉 降, 反应 式见 ( 1 ) 。 然而 H g 溶解度很小 , 且挥发性极强 , 不能被浆液吸收而
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烟气受到波长为 254nm 紫外光照时, H g 受到 13
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第 26 卷
第 6期
激发, 产生激发态的汞 H g , H g 与烟气中 O2 反应 生成基态汞和激发态的 O2 , 激发态 O2 与氧气反 应生成能够将 H g 氧化的臭氧 O3 和基态 O, 反应式 见 ( 2) ~ ( 7)。 H g + h ( 254 nm ) H g + O2 O2
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随烟气排入大气中 , 很难将其脱除。值得注意的是, 在烟气脱硫系统中 , H g 不但没有被吸收, 其浓度反 而在脱硫系统出口有所增加 , 可能是浆液中的金 属离子 ( 如 C a 、 Fe 、 M g、 Co 、 N i等 ) 和亚硫 酸氢根将 H g 还原成 H g
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摘要 : 介绍了溶解法 、 吸附法 、 化学法和鳌合法等 4 种燃煤电厂烟气脱汞技术 。 从 机理上分析 了烟气脱 汞技术的工 艺过程 , 对脱汞技术的进一步开发和工业化进程具有促进作用 。 关键词 : 火电厂 ; 燃煤烟气 ; 脱汞 ; 机理 Abstrac:t The reactive mechan ism o f remova l me rcury techno logy for coa l- fire flue gas w as ove rviewed : d isso lu tion - reacti on , ad sorp tion , chem ica l reaction and che la ting mechan ism. The re sea rch o f the m echanism fo r me rcury remova l can instruct the exp lo ita tion o fmercu ry po ll u ti on con tro l techno log ies, and p romo te its industr i al iza tion course . Key words : powe r p lan;t coa l- fired flue gas; me rcury remova;l m echan ism 中图分类号 : X 701. 7 文献标识码 : B 文章编号 : 1674- 8069( 2010) 06- 012- 04
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2 吸附法
H g 熔点低 , 平衡气压高 , 较难溶于水, 是相对 稳定的形态 , 难以用溶解方法将其脱除。通过喷入 吸收剂捕获 H g 或将其转化为易去除的 H g 已成 为研究的重点。因此, 围绕开发高性能、 价廉、 高稳 定性的吸收剂开展了系列的研究工作。 吸附剂脱汞技术主要是利用吸收剂对汞的吸附 原理使汞沉降, 从而得以去除烟气中的汞。吸附作 用归因于固体颗粒的表面力 : 此表面力可以是由于 范德华力 ( van derW aals) 的作用使汞单层或多层地 覆盖与吸附剂的表面 , 这种吸附属于物理吸附 ; 吸附 也可因汞与吸附剂表面原子间的化学键作用造成 , [ 6] 这种吸附属于化学吸 附 。这类吸 附技术主要以 活性炭为代表。 活性炭对燃煤烟气汞 ( 包括 H g 和 H g ) 吸附 过程是一个多学科交叉的复杂过程, 其过程受烟气 参数、 活性炭本身的微 观结构等众多 因素的影响。 许多研究者 认为, 活性炭在对 H g 的吸附过程 0 中表现出了明显的物理吸附特征, 它对 H g 的吸附 能力随着温度的升高而降低 , 随着汞浓度的减小而 降低。但也有研究认为 , 活性炭表面特征对汞的 吸附有着重要的影响。活性炭表面可能存在多种含 氧基团 , 如 羧基 - COOH 、 内 酯 - COO、 羰 基 - CO 等。含氧基团的存在使得 H g 在被吸附过程中发生 [ 10] 电子转移 , 因而成为化学吸附过程。由此可见 , 活性炭对汞的吸附过程是以物理吸附为主 , 还是以 化学吸附为主, 到目前还没有统一的认识。但是, 从 研究现状看 , 在活性炭吸附过程中可能同时存在物 理吸附和化学吸附, 但化学吸附影响较大。 在尾部烟气中喷入吸附剂是目前看来有可能先 实现商业化的一种方法 , 因活性炭具有良好的汞吸 附性能 , 故可能成为优先使用的汞吸附剂。但是活 性炭吸附具有非选择性 , 烟气中其他组分吸附在活 性炭表面, 从而降低了它对汞的吸附能力。为了提 [ 11] [ 12] 高活性炭对汞的吸附能力 , 通常采用含 S 、 Cl 等元素化合物或单质对活性炭进行化学改性 , 以提 高脱汞效率。试验证明, 经过 S 、 C l元素改性后的活 性炭增强了化学吸附能力和汞容。但是, 这样的化 学改性过程无疑增加了吸收剂的成本。因此 , 寻求
[ 24 ] 2+
Hg
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( 2) ( 3) ( 4) ( 5) ( 6) ( 7)
H g + O2 O3
+ O2 O + O2
O3 + O H gO + O2 H gO
O3 + H g O + Hg
光化学过程 ( PCO )有望成为低成本处理烟气中 0 0 2+ H g 的新型技术。 H g 被氧化成 H g , 通过电厂下 游配套的脱硫装置、 电除尘器等设备将 H g 捕集脱 除。M cL arnon 等
0 [ 9] [ 7- 8] 0 0 2+ 0 2+ 0
3 化学法
化学法主要是针对 H g 难以脱除的特点, 通过 化学反应使其氧化成 H g , 然后再进行脱除。主要 反应途径有: 氧化反应和光氧化反应两类。 3 . 1 氧化反应 许多 金属 氧 化物 如 CuO、 Cu2 O、 V 2O 5、Cr2 O 3、 Fe2O 3、 Ti O2 等都是较好的汞氧化剂 , 其中有些是烟 气脱硝催化剂。金属氧化物表面存在晶格氧, 正是 由于晶格氧的存在 , 将烟气中的 H g 氧化成 H g , 从而达到脱除 H g 的目的
2010年 12 月
电
力
科
技百度文库
与
环
保
第 26 卷
第 6期
燃煤电厂烟气中汞控制技术研究
Study on m ercury rem oval techno log ies for coal- fired pow er plants
柏 源, 薛建明 , 许月阳 , 李忠华, 王振宇 (国电环境保护研究院 , 江苏 南京 210031)
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。由于汞在烟气中浓
度较低, H g 的氧化速率受汞浓度梯度控制。比表 面积、 吸收剂活性、 稳定性、 氧分压等都对汞氧化容 量产生影响。对金属氧化物进行改性 , 以增加汞与 金属氧化物的接触面积是 这一领域研究的 热点课 题。 M e i 等
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首次 使用 NH 4 C l 和 NH 4 B r 溶 液 向
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汞效率的提高。目前 , 光催化脱汞技术还处于开发 阶段 , 需要国内外研究人员深入研究。
4 鳌合法
由于有机聚合体具有大的吸附容量、 高的选择 性、 高的吸附效率和简单的制备过程, 因而受到大家 的关注。有机聚合体表面结 构具有较多的 功能基 团, 如氨基 , 羟基等 , 由于这些功能基团使得聚合体 [ 22] 具有 ∃ 记忆功能 % , 通过与汞形成特殊的配合基发 生交联作用, 形成类似小分子螯合物的稳定结构 , 从 而将燃煤电厂烟气中的汞脱除。 [ 23] M a lybuba 等 研究了一种新型的鳌合剂 , 可以 直接去除烟气中 H g 。元素分析显示它对汞理论 吸收能力达到 33m g / g 。通过 FT I R (红外光谱 ) 表征 可知 , 硫基丙氨酸配体和捕集的 H gC l2 之间形成了 鳌合物。高鹏等
0 引言
汞作为一种剧毒、 高挥发性以及在生物链中具 有积累性的物质 , 是全球性循环污染元素。煤在燃 烧过程中产生的汞大部分随着烟气排入大气 , 成为 环境汞污染的主要来源。目前 , 燃煤电厂烟气脱汞 技术尚未成熟, 仍处于试验研究阶段。随着国民经 济的发展和环保要求的日趋严格, 火电厂烟气脱汞 将是继 SO2、 NOx 之后电力行业又一环保热点。 烟气中汞的存在形态主要有 3 种 : 气态 H g 、 二 2+ 价态汞 H g 和固态颗粒附着物。不同形态的汞具 有不同的物化性质。 H g 停留时间短, 且一般在释 放点附近沉积; H g 在大气中停留时间较长, 不溶于 水 , 是最难控制的形态。目前, 烟气中汞控制技术主 要有溶解法、 吸附法、 化学法和鳌合法。
基金项目 : 中国国电集团公司科研项目 ( Z200703)
0 2+ 2+ 2+
12
2010 年
柏 源等: 燃煤电厂烟气中汞控制技术研究
第 6期
氧化率有多种方 法, 如改 善燃烧条件、 改变烟气组 成、 在烟气中注入添加剂等。
价廉、 高效的活性剂成为各国学者工作的重点。飞 灰和钙基类吸附剂都是比较经济的汞吸附剂。燃煤 燃烧过程中产生的飞灰表面含有不同结构的含氧官 能团 , 有利于 H g 的吸附 , 而且飞灰中含有金属氧化 物如 A l2O 3、 SiO2 等在烟气中 NOx 作用下, 可以促进 H g 的氧化。钙基类物质 ( C aO、 C a( OH ) 2、 CaCO 3、 C aSO4 ! 2H 2O )价格低廉, 资源丰富 , 同时又是 FGD 系统 脱硫 吸收 剂, 它对 H gC l2 的吸 附效率 可达 到 85 % , 但是对 H g 的吸附效率较低。如果此类材料 能在脱汞方面有所突破, 将会在多种污染物同时脱 除方面具有重要的意义。
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2+
H S + H g = H gS
+H
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( 1)
一般而言, W FGD 装 置对 H g 的脱 除效率 为 [ 4] 80 % ~ 90 % , 总汞脱 除效率在 10 % ~ 84 % 之间 , 烟气中 H g
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/H g 比例是决定 W FGD 总汞脱除效率
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的关键。因此 , 提高烟气中 H g 的比例有利于 W F GD 装置提高对烟气中汞的脱除效率。 杨宏民等
2+ [ 5]
对 2
500MW 机 组配套的湿法烟
气脱硫装置进行了现场测试发现 , W FGD 装置对烟 气中 H g 脱除效率为 89 . 24 % ~ 99 . 1 % ; 对总汞的 [ 2] 脱除效率达到 50% 以上。王运军等 对河北某 600 MW 机组湿法烟气脱硫装置和静电除尘器联合脱汞 的试验研究表明, 该火电厂烟气中 80 % 以上的汞以 0 H g 形态 存 在, W FGD 装 置 对 总汞 的 脱 除效 率 和 H g 的吸附率均为零 , 而且大于 50 % 的 H g 经过 W FGD 装置后被还原为 H g 。 目前 , 大多数火电厂配有烟气脱硫系统 , 提高烟 0 气中 H g 的氧化速率 , 充分利用脱硫装置是火电厂 提高烟气脱汞效率的切实可行措施。提高单质汞的
C o3 O4 中注入氮原子制备了氮掺杂 Co3O 4吸附剂 , 结 果发现, N - Co3 O 4吸附剂的比表面积和脱汞能力均 有显著提高。他们认为是 N 取代了 Co3 O4中的 O 后 激发了 C l 和 B r 对 H g 的氧化能力 , 提高了 Co3O 4 吸附剂的脱汞效率和抗硫能力。由于金属氧化物的 比表面积有限 , 用活性炭作为载体可以为其提供较 大的比表面积 , 从而提高活性金属吸附剂的脱汞效 率。 W u 等