活性炭法-燃煤电厂烟气脱汞技术现状分析与展望

对于燃煤烟气汞的排放控制， 研究者们提出了各 种各样的控制方法， 包括以活性炭吸附为代表的吸附 法， 利用现有脱硫装置或除尘装置的除汞法， 电晕放
收稿日期： ２００７－ ０５－ ０５； 修回 ２００７－ ０７－ ２０ 基金项目： 浙江省新苗人才计划项目（ ２００７Ｇ６０Ｇ２０７００３９） 作者简介： 况敏（ １９８２－ ） ， 男， 硕士研究生， 研究方向为能源利用与环境保护，（ 电话） ０５７４－ ８７６００５５０（ 电子信箱） ｋｍｗｕｓｔ２０００＠ｙａｈｏｏ．ｃｏｍ．ｃｎ。
Ｃａｒｅｙ［１５］ 对 ５ 种 经 过 汞 吸 附 饱 和 的 活 性 炭 进 行 了热脱附试验， 结果表明， 活性炭脱附速率高峰时 的温度比飞灰的低很多， 活性炭类吸附剂在较高的温 度 （２００℃和 ３７０℃） 下 热 再 生 后 ， 吸 附 的 汞 可 以 从 活 性炭表面溢出， 脱附率低于初始吸附量的 ４０％， 再 生 后的活性炭重新进入吸附循环后汞吸附能力可恢复 ３０％￣５０％。
第 ３１ 卷 第 ５ 期 ２００８ 年 ５ 月
环境科学与技术
Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ＆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
Ｖｏｌ． Ｍａ
３１ ｙ第
３Ｎ２１０ｏ０卷．５８
燃煤电厂烟气脱汞技术现状分析与展望
况敏， 杨国华， 胡文佳， 陈武军
（ 宁波大学海运学院， 浙江 宁波 ３１５２１１）
摘 要： 燃煤汞污染近些年来被世界公认为继燃煤硫污染之后的又一大污染问题， 燃煤汞排放控制方法的研究开发将是 ２１ 世纪最 重要的环保课题之一。燃煤电厂汞排放控制是目前国际上研究的热点， 开发出有效低成本的脱汞技术迫在眉睫。文章综述了国内外有关 此方面的研究， 并进行了简要的分析总结； 对未来燃煤电厂烟气汞污染控制技术的发展方向进行了展望。
式， 每脱除 ４５３．６ｇ 汞需耗资￥１４２００￣７００００； 如果采用 活 性 炭 吸 附 床 ， 每 脱 除 ４５３．６ｇ 汞 需 耗 资 ￥１７４００ ￣ ３８６００。这么大的脱汞成本不具有现实意义。 １．２ 活性炭吸附再生法
为了寻找技术经济上切实可行的脱汞方案， 研究 者们还研究了活性炭的再生问题， 期望通过吸汞活性 炭的再生循环使用， 减少活性炭的消耗量， 大幅度地 降低烟气脱汞成本。吸汞活性炭再生的基本原理是基 于汞的低蒸气压和低脱附温度。但迄今为止有关吸汞 活性炭热脱附再生的基础研究非常少。
Ｔ．Ｃ．ＨＯ［１２］应 用 微 波 加 热 方 式 对 活 性 炭 进 行 了 汞 脱附试验， 脱附反应器分别呈流化床和固定床， 并应 用传质学基本原理结合试验结果， 对脱附过程进行了 数学模拟。模拟结果表明， 提高脱附温度和传质速率 （在流化床状态下）可显著提高脱附速率。
Ｄｅｓｐｉｎａ［１３］用 内 径 为 ３５ｍｍ 的 固 定 床 反 应 器 进 行 了活性炭的汞吸附和脱附试验。试验先以氮气为载体 携带 Ｈｇ０ 穿过床层 ， 使吸附剂吸附饱和 ， 然 后 关 闭 汞 气， 在保持床层温度与吸附时相同的情况下， 使吸附 剂脱附， 直至达到脱附平衡。试验发现， 在床温为 １２０℃下吸附， 汞与活性炭之比 ω为 ０．０６， 同温下脱附 ω变为 ０．０４８， 脱附率为 ２０％， 在 １５０℃下吸附， ω为 ０．０１８， 同温下脱附为 ０．０１５， 脱附率为 １６．６７％。
燃煤汞污染近些年来被世界公认为继燃煤硫污 染之后的又一大污染问题， 尤其是燃煤电站汞排放控 制已成为目前国际上研究的热点。
１ 国内外有关汞控制技术的研究现状及分析
燃煤电站汞排放控制研究范围包括： 烟气组分中 汞 的 形 态 分 布 与 转 化 、燃 煤 过 程 及 烟 气 中 汞 的 单 相 和 多 相 反 应 机 理 、汞 形 态 的 测 量 、烟 气 中 汞 的 脱 除 技 术 等。任建莉等［４］研究发现， 煤燃烧时汞大部分随烟气排 入大气， 进入飞灰和底灰的只占小部分。飞灰中汞约 占 ２３．１％￣２６．９％， 烟气中汞占 ５６．３％￣６９．７％， 进入底灰 的汞仅占约 ２％。飞灰和底灰中的汞在环境中稳定性 较好， 不易溢出， 危害性小， 而以气相随烟气进入大气 中的汞， 特别是单质汞， 可通过呼吸道进入人体， 或通 过干、湿沉降大范围地污染土壤和地表水体， 通过食 物链进入人体， 危害健康。因此， 控制燃煤汞污染， 关 键是控制烟气中的汞向大气中排放。
汞是煤中的一种有毒的重金属痕量元素， 汞污染 对人类及生物环境造成的危害极大。全球每年排放到 大气中汞总量约为 ５０００ｔ， 其中 ４０００ｔ 是人为的结果［１］， 而造成汞环境污染的人为来源主要是矿石燃料的燃 烧 、汞 矿 和 其 他 金 属 的 冶 炼 、氯 碱 工 业 和 电 器 工 业 中 的使用汞等， 其中份额最大的来源于燃烧。以美国为 例［２］， 各类燃烧排汞量占 ８７％， 其中电站燃煤汞排放所 占比例最大， 达到 ３３％， 生活垃圾 焚 烧 汞 排 放 量 占 １９％， 工业锅炉汞排放占 １８％， 医疗垃圾焚烧汞排放占 １０％。可见燃煤导致的汞污染是最为严重的。
世界范围内煤中汞含量一般在（０．０１２￣３３）ｍｇ／ｋｇ， 平均汞含量约为 ０．１３ｍｇ／ｋｇ， 我国煤中汞的平均含量为 ０．２２ｍｇ／ｋｇ［３］。可见我国燃煤汞含量普遍偏高， 燃煤汞 的排放控制不容忽视， 燃煤所造成的环境汞污染形势 不容乐观。燃煤过程汞的排放， 特别是大型燃煤电站 锅炉的汞排放， 在局部汞循环中具有相当的危害性， 其危害性不仅具有隐蔽性而且具有潜在性， 即汞的生 物累积作用难以消除， 应当引起重视， 并且把治理汞 污染提到议事日程上来， 如不采取一定措施加以控制， 将会对人类赖以生存的环境造成难以弥补的危害。
为了提高脱汞效率， 又充分利用这些设备， 一种 经济有效的方法是与吸附法结合。研究表明， 很多物 质能吸附烟气中的汞， 如活性炭、含有未燃尽碳的飞 灰 、钙 类 物 质（ ＣａＯ、Ｃａ （ＯＨ）２、ＣａＣＯ３、ＣａＳＯ４·２Ｈ２Ｏ） 、 矿石类物质（ 沸石、蛭石、高岭土、膨润土等） 、钛类物 质（ ＴｉＯ２） 、贵 重 金 属 类 物 质（ 如 金 银 等） ， 都 能 不 同 程 度地吸附烟气中的汞， 而且经过一些化学改性和催化 处理， 还可显著改善对汞的吸附特性。这方面的研究 是近年来汞污染控制的研究热点， 研究成果很多。然 而综合现有文献的研究成果看来， 就吸附剂性价比而 言， 仍是活性炭最有前途。 １．１ 活性炭吸附法
目前用活性炭吸附烟气中的汞可以通过两种方 式， 一种是向烟气中喷入粉末状活性炭 ＰＡＣ， 另一种 是将烟气通过颗粒活性炭吸附床 ＧＡＣ。ＰＡＣ 将活性 炭直接喷入烟气中， 粉末活性炭吸附汞后由其下游的 除尘器（ 如静电除尘器或布袋除尘器） 除去， 此法投资 小， 但活性炭与飞灰混杂在一起， 不能再生， 且汞浓度 很低， 汞与活性炭颗粒接触机会少， 活性炭利用率低， 耗量大， 脱汞成本很高。ＧＡＣ 一般安排于脱硫装置 （ ＦＧＤ） 和除尘器后， 作为烟气排入大气的最后一个清 洁装置， 除汞效果好， 但当颗粒尺寸较小时会引起较 大压降， 且需要增加设备、占地和初投资大。
第５期
况敏， 等 燃煤电厂烟气脱汞技术现状分析与展望
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电等离子体法［５－ ６］、电催化氧化联合处理法［７］等。 利用现有脱硫或除尘装置除汞， 投入资金最小，
但脱汞效率不高， 如湿法脱硫装置（ＷＦＧＤ）可以将烟 气中 ８０％￣９５％的可溶于水的 Ｈｇ２＋除去， 但对于不溶于 水 的 Ｈｇ０ 捕 捉 效 果 不 好 。 据 美 国 能 源 部 （ ＤＯＥ） 和 ＥＰＲＩ 在电站的现场测试， ＷＦＧＤ 对 烟 气 中 总 汞 的 脱 除率在 １０％￣８０％范围内［８］。烟气中的飞灰、ＨＣｌ 和 ＮＯＸ 能够影响 Ｈｇ０ 转化为 Ｈｇ２＋的转化 率 ， 由 此 影 响 ＦＧＤ 的除汞能力［９］。除尘装置可以部分捕集飞灰中的汞， 捕 集效率取决于除尘器对微粒颗粒的捕集率， 因为飞灰 中 ９０％以 上 的 汞 存 在 于 ＜０．１２５ｍｍ 粒 径 的 飞 灰 微 粒 上［１０］。因此单靠现有脱硫和除尘设备脱汞效率不高。
比较上述的众多控制方法和此两种活性炭脱汞 法， 目前被认为最接近于应用的技术是烟气中喷入活 性炭颗粒脱汞， 美国目前已将该技术用于垃圾焚烧炉 汞污染的控制， 在中等碳汞比时脱汞率＞９０％。但这项 技术若应用燃煤电站还是有一些特殊问题需要考虑： （ １） 燃煤电站烟气量很大， 汞浓度很低；（ ２） 除尘器前 活性炭颗粒的停留时间很短；（ ３） 活性炭可吸附其它物 质且易被灰污染。这些因素造成了该法活性炭消耗量 很大， 运行成本很高， 电站难以接受， 美国 ＥＰＡ 和 ＤＯＥ 估算结果表明［１１］： 燃煤电站如选择活性炭喷入方
Ｔ．Ｃ．ＨＯ［１４］用 内 径 为 ２５．４ｍｍ 的 固 定 床 反 应 器 进 行了活性炭和钒土的汞吸附和脱附试验。吸附试验时 吸附剂床层厚度为 ２５０ｍｍ， 床层温度从底部的 ６０℃ 渐变到床层上部的 ３０℃， 用空气携带 Ｈｇ 或 ＨｇＣｌ２ 通 过吸附床， 使吸附剂达到汞吸附饱和， 得到 ４ 种达到 饱和的汞－ 吸附剂对： ＨｇＣｌ－ 钒土、Ｈｇ０－ 钒土、ＨｇＣｌ２－ 活 性炭， Ｈｇ０－ 活性炭。在脱附试验中， 对上述 ４ 个饱和的 汞－ 吸 附 剂 对 分 别 在 １００℃、２００℃、３００℃下 进 行 热 脱 附， 经过不同脱附时间后， 取出吸附剂， 分析残留于吸 附剂的汞含量。结果表明， Ｈｇ０ 比 ＨｇＣｌ２ 更易脱附， 而 在不同温度下脱附后， 残留于吸附剂的 Ｈｇ０ 汞量都较 ＨｇＣｌ２ 少， 且在较高温度下， 残留于活性炭的汞量较残 留于钒土的汞量低。
关键词： 燃煤烟气； 汞； 脱汞技术 中图分类号： Ｘ７０１．７ 文献标志码： Ａ 文章编号： １００３－ ６５０４（２００８）０５－ ００６６－ ０５
Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｐｒｏｓｐｅｃｔ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ Ｒｅｍｏｖｉｎｇ Ｍｅｒｃｕｒｙ ｆｒｏｍ Ｆｌｕｅ Ｇａｓ
ＫＵＡＮＧ Ｍｉｎ， ＹＡＮＧ Ｇｕｏ－ ｈｕａ， ＨＵ Ｗｅｎ－ ｊｉａ， ＣＨＥＮ Ｗｕ－ ｊｕｎ