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對臭氧氧化-玉米/ 椰殼炭吸附脫硫脫硝除汞的實驗研究

 

     燃煤在中國能源結構中占重要比例,其燃燒會產生大量二氧化硫(SO2 )和氮氧化物(NOx ),這些污染物如果不經控制,將造成嚴重的大氣污染[1] 。此外,雖然煤炭燃燒釋放的汞含量較低,但由于其毒性和生物累積作用而日益受到人們的重視[2] 。傳統燃煤煙氣處理一般使用半干法或濕法脫硫、選擇性非催化還原(SNCR)和選擇性催化還原(SCR)脫硝、活性炭噴射法(ACI)脫汞等技術串聯達到污染物脫除的目的[3-7] 。燃煤煙氣中的NOx 主要以NO形式存在,汞有Hg0、Hg2+ 和Hgp 三種存在形式,NO與Hg0 都難溶于水,因此,難以被常規濕法脫除。

        SNCR 技術脫硝效率較低,通常只有50% 左右,無法滿足超低排放要求,因此,工業上多使用SCR 法或SNCR+SCR 法進行脫硝。SCR 法存在催化劑SO2中毒、反應溫度較高等問題,有人嘗試對傳統商業SCR 催化劑使用金屬氧化物摻雜等方式進行改性,結果能提升催化劑的NO 轉化和Hg0 氧化性能,且能增加SO2 的耐受度或降低反應溫度,但目前大規模應用較少[8-12] 。近年來,臭氧氧化技術由于其占地面積小、脫除效率高、便于工藝改造等優勢逐漸成為研究熱點。

臭氧是一種強氧化劑,能與NO 發生高選擇性的快速反應,氧化NO 生成易于被脫除的NO2、NO3、N2O5 等高價態氮氧化物。此外,臭氧分解后的產物為O2,不會造成二次污染,因此,在協同脫硫脫硝除汞領域備受關注。

        活性炭具有發達的孔隙結構,巨大的比表面積和多種表面官能團,吸附性能強,化學穩定性好,是一種理想的污染物吸附劑,但較高的活性炭價格使其難以被大規模用于煙氣脫硫脫硝除汞。中國作為一個農業大國,作物秸稈等生物質資源豐富,但目前缺乏對這些生物質廢棄物的合理利用,大多數作物秸稈都被直接燃燒分解,不僅造成了大氣污染還形成了資源浪費。在厭氧條件下熱解作物秸稈能得到吸附性能良好的生物炭,其擁有豐富的氧官能團和孔隙結構,具有替代普通活性炭的潛力。

目前對廢棄生物質制成的生物炭同時脫硫脫硝除汞的研究報道較少,為此,本實驗選用玉米秸稈生物炭和椰殼活性炭開展臭氧氧化協同脫硫脫硝除汞研究。考察不同參數設置對污染物氧化率和兩種炭脫硫脫硝除汞效率的影響,通過對玉米炭和椰殼炭的表征測試,分析其吸附機理,本研究將為燃煤煙氣協同脫硫脫硝除汞提供新的思路和理論參考。

 

1實驗部分

實驗流程和方法

        實驗系統示意圖見圖1,主要由配氣系統、氣體混合罐、吸附床和檢測系統組成。配氣系統:空壓機壓縮鼓出的空氣通過轉子流量計控制,使用管式爐進行預熱調溫,使用質量流量控制器控制N2、NO 和SO2 氣體,其中,N2 氣體用于吹脫汞管中汞蒸氣。使用溫度測試儀測定煙氣溫度。O2與臭氧發生器相連,產生一定濃度的臭氧氣體,通過其自帶的流量計控制流量并注入混合罐中與煙氣混合。

        氣體混合罐:混合罐為長方體,不銹鋼材質,長寬高分別為720 、400 、400 mm。在混合罐中設計折流擋板,以延長煙道長度,增加煙氣的湍流程度,提高對流傳熱系數,使氧化反應更加充分。混合罐內設置五個折流板,按照等間距布置,與長方體混合罐頂、底端相垂直。混合罐頂部有進、出氣孔用于連接煙氣入口和固定床,同時設有臭氧注入孔。

        吸附床:吸附床為固定床,其直徑185 mm、高300 mm。煙氣從固定床底部注入,在離底部50 mm處設有布氣板,用于煙氣平均分布,固定床的空塔氣速為0郾103 m / s, 煙氣在固定床的停留時間為1郾796 s。固定床前后都設有煙氣檢測口,用于檢測臭氧氧化后和炭吸附后的煙氣成分。此外,混合罐和固定床外都纏上加熱帶和保溫棉用于保溫。

        檢測系統:臭氧發生器出口的臭氧濃度由臭氧分析儀(BMT 964 C,德國)進行濃度檢測,混合罐和吸附床上下游的煙氣成分由煙氣分析儀(testo350,德國)和汞分析儀(EMP2-WLE8,日本)檢測(EMP2 可以檢測Hg0,EMP2 與WLE8 聯用可以將HgO 還原成Hg0,用于檢測總Hg 含量。在測量Hg 氧化率過程中使用EMP2 檢測,在測量Hg 去除效率時使用EMP2-WLE8 檢測)。

2結論

        對臭氧氧化-玉米/ 椰殼炭吸附脫硫脫硝除汞的實驗研究表明,在 很佳實驗條件下,玉米炭的脫硫脫硝除汞效率分別可達到100% 、93% 、98% ,椰殼炭的脫硫脫硝除汞效率分別可達到100% 、79% 和98% 。O3 / NO 升高可以顯著提升NO、Hg0 氧化率,而SO2 氧化率則先升高后略微降低,拐點在O3 / NO為1 處;溫度升高會抑制NO 氧化,但促進Hg0 和SO2 氧化。O3 / NO 升高可以顯著提升NOx 脫除率,但對Hg0 和SO2 脫除率影響不大;在相同條件下,NOx 脫除率低于NO 氧化率,這是因為NO2 會被玉米炭和椰殼炭部分還原成NO。通過玉米/ 椰殼炭吸附效果的對比,發現玉米炭對NOx 的吸附能力較強,椰殼炭對Hg0 和SO2 的吸附能力較強。

        對玉米/ 椰殼炭進行了SEM、元素分析和XPS分析,研究表明,椰殼炭較玉米炭擁有更大的比表面積和更豐富的孔洞結構,具有更強的物理吸附能力,但玉米炭較椰殼炭擁有更多的含氧官能團和更強的極性,且玉米炭的表面含氧官能團C-O 和C =O 的相對含量較椰殼炭高,因此,對NOx 吸附能力較強,而COOH 和O =C-O 含量都較椰殼炭低,因此,對SO2 和Hg0 吸附能力較弱。