对臭氧氧化-玉米/ 椰壳炭吸附脱硫脱硝除汞的实验研究

 

     燃煤在中国能源结构中占重要比例,其燃烧会产生大量二氧化硫(SO2 )和氮氧化物(NOx ),这些污染物如果不经控制,将造成严重的大气污染[1] 。此外,虽然煤炭燃烧释放的汞含量较低,但由于其毒性和生物累积作用而日益受到人们的重视[2] 。传统燃煤烟气处理一般使用半干法或湿法脱硫、选择性非催化还原(SNCR)和选择性催化还原(SCR)脱硝、活性炭喷射法(ACI)脱汞等技术串联达到污染物脱除的目的[3-7] 。燃煤烟气中的NOx 主要以NO形式存在,汞有Hg0、Hg2+ 和Hgp 三种存在形式,NO与Hg0 都难溶于水,因此,难以被常规湿法脱除。

        SNCR 技术脱硝效率较低,通常只有50% 左右,无法满足超低排放要求,因此,工业上多使用SCR 法或SNCR+SCR 法进行脱硝。SCR 法存在催化剂SO2中毒、反应温度较高等问题,有人尝试对传统商业SCR 催化剂使用金属氧化物掺杂等方式进行改性,结果能提升催化剂的NO 转化和Hg0 氧化性能,且能增加SO2 的耐受度或降低反应温度,但目前大规模应用较少[8-12] 。近年来,臭氧氧化技术由于其占地面积小、脱除效率高、便于工艺改造等优势逐渐成为研究热点。

臭氧是一种强氧化剂,能与NO 发生高选择性的快速反应,氧化NO 生成易于被脱除的NO2、NO3、N2O5 等高价态氮氧化物。此外,臭氧分解后的产物为O2,不会造成二次污染,因此,在协同脱硫脱硝除汞领域备受关注。

        活性炭具有发达的孔隙结构,巨大的比表面积和多种表面官能团,吸附性能强,化学稳定性好,是一种理想的污染物吸附剂,但较高的活性炭价格使其难以被大规模用于烟气脱硫脱硝除汞。中国作为一个农业大国,作物秸秆等生物质资源丰富,但目前缺乏对这些生物质废弃物的合理利用,大多数作物秸秆都被直接燃烧分解,不仅造成了大气污染还形成了资源浪费。在厌氧条件下热解作物秸秆能得到吸附性能良好的生物炭,其拥有丰富的氧官能团和孔隙结构,具有替代普通活性炭的潜力。

目前对废弃生物质制成的生物炭同时脱硫脱硝除汞的研究报道较少,为此,本实验选用玉米秸秆生物炭和椰壳活性炭开展臭氧氧化协同脱硫脱硝除汞研究。考察不同参数设置对污染物氧化率和两种炭脱硫脱硝除汞效率的影响,通过对玉米炭和椰壳炭的表征测试,分析其吸附机理,本研究将为燃煤烟气协同脱硫脱硝除汞提供新的思路和理论参考。

 

1实验部分

实验流程和方法

        实验系统示意图见图1,主要由配气系统、气体混合罐、吸附床和检测系统组成。配气系统:空压机压缩鼓出的空气通过转子流量计控制,使用管式炉进行预热调温,使用质量流量控制器控制N2、NO 和SO2 气体,其中,N2 气体用于吹脱汞管中汞蒸气。使用温度测试仪测定烟气温度。O2与臭氧发生器相连,产生一定浓度的臭氧气体,通过其自带的流量计控制流量并注入混合罐中与烟气混合。

        气体混合罐:混合罐为长方体,不锈钢材质,长宽高分别为720 、400 、400 mm。在混合罐中设计折流挡板,以延长烟道长度,增加烟气的湍流程度,提高对流传热系数,使氧化反应更加充分。混合罐内设置五个折流板,按照等间距布置,与长方体混合罐顶、底端相垂直。混合罐顶部有进、出气孔用于连接烟气入口和固定床,同时设有臭氧注入孔。

        吸附床:吸附床为固定床,其直径185 mm、高300 mm。烟气从固定床底部注入,在离底部50 mm处设有布气板,用于烟气平均分布,固定床的空塔气速为0郾103 m / s, 烟气在固定床的停留时间为1郾796 s。固定床前后都设有烟气检测口,用于检测臭氧氧化后和炭吸附后的烟气成分。此外,混合罐和固定床外都缠上加热带和保温棉用于保温。

        检测系统:臭氧发生器出口的臭氧浓度由臭氧分析仪(BMT 964 C,德国)进行浓度检测,混合罐和吸附床上下游的烟气成分由烟气分析仪(testo350,德国)和汞分析仪(EMP2-WLE8,日本)检测(EMP2 可以检测Hg0,EMP2 与WLE8 联用可以将HgO 还原成Hg0,用于检测总Hg 含量。在测量Hg 氧化率过程中使用EMP2 检测,在测量Hg 去除效率时使用EMP2-WLE8 检测)。

2结论

        对臭氧氧化-玉米/ 椰壳炭吸附脱硫脱硝除汞的实验研究表明,在 很佳实验条件下,玉米炭的脱硫脱硝除汞效率分别可达到100% 、93% 、98% ,椰壳炭的脱硫脱硝除汞效率分别可达到100% 、79% 和98% 。O3 / NO 升高可以显著提升NO、Hg0 氧化率,而SO2 氧化率则先升高后略微降低,拐点在O3 / NO为1 处;温度升高会抑制NO 氧化,但促进Hg0 和SO2 氧化。O3 / NO 升高可以显著提升NOx 脱除率,但对Hg0 和SO2 脱除率影响不大;在相同条件下,NOx 脱除率低于NO 氧化率,这是因为NO2 会被玉米炭和椰壳炭部分还原成NO。通过玉米/ 椰壳炭吸附效果的对比,发现玉米炭对NOx 的吸附能力较强,椰壳炭对Hg0 和SO2 的吸附能力较强。

        对玉米/ 椰壳炭进行了SEM、元素分析和XPS分析,研究表明,椰壳炭较玉米炭拥有更大的比表面积和更丰富的孔洞结构,具有更强的物理吸附能力,但玉米炭较椰壳炭拥有更多的含氧官能团和更强的极性,且玉米炭的表面含氧官能团C-O 和C =O 的相对含量较椰壳炭高,因此,对NOx 吸附能力较强,而COOH 和O =C-O 含量都较椰壳炭低,因此,对SO2 和Hg0 吸附能力较弱。