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(jié)構(gòu)中占重要比例,其燃燒會產(chǎn)生大量二氧化硫(SO2 )和氮氧化物(NOx ),這些污染物如果不經(jīng)控制,將造成嚴(yán)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(tǒng)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(shù)串聯(lián)達(dá)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(guī)濕法脫除。

        SNCR 技術(shù)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(yè)上多使用SCR 法或SNCR+SCR 法進(jìn)行脫硝。SCR 法存在催化劑SO2中毒、反應(yīng)溫度較高等問題,有人嘗試對傳統(tǒng)商業(yè)SCR 催化劑使用金屬氧化物摻雜等方式進(jìn)行改性,結(jié)果能提升催化劑的NO 轉(zhuǎn)化和Hg0 氧化性能,且能增加SO2 的耐受度或降低反應(yīng)溫度,但目前大規(guī)模應(yīng)用較少[8-12] 。近年來,臭氧氧化技術(shù)由于其占地面積小、脫除效率高、便于工藝改造等優(yōu)勢逐漸成為研究熱點。

臭氧是一種強(qiáng)氧化劑,能與NO 發(fā)生高選擇性的快速反應(yīng),氧化NO 生成易于被脫除的NO2、NO3、N2O5 等高價態(tài)氮氧化物。此外,臭氧分解后的產(chǎn)物為O2,不會造成二次污染,因此,在協(xié)同脫硫脫硝除汞領(lǐng)域備受關(guān)注。

        活性炭具有發(fā)達(dá)的孔隙結(jié)構(gòu),巨大的比表面積和多種表面官能團(tuán),吸附性能強(qiáng),化學(xué)穩(wěn)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(guī)模用于煙氣脫硫脫硝除汞。中國作為一個農(nóng)業(yè)大國,作物秸稈等生物質(zhì)資源豐富,但目前缺乏對這些生物質(zhì)廢棄物的合理利用,大多數(shù)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(fèi)。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(tuán)和孔隙結(jié)構(gòu),具有替代普通活性炭的潛力。

目前對廢棄生物質(zhì)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(xié)同脫硫脫硝除汞研究。考察不同參數(shù)設(shè)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(jī)理,本研究將為燃煤煙氣協(xié)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(tǒng)示意圖見圖1,主要由配氣系統(tǒng)、氣體混合罐、吸附床和檢測系統(tǒng)組成。配氣系統(tǒng):空壓機(jī)壓縮鼓出的空氣通過轉(zhuǎn)子流量計控制,使用管式爐進(jìn)行預(yù)熱調(diào)溫,使用質(zhì)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(fā)生器相連,產(chǎn)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(zhì),長寬高分別為720 、400 、400 mm。在混合罐中設(shè)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(shù),使氧化反應(yīng)更加充分。混合罐內(nèi)設(shè)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(jìn)、出氣孔用于連接煙氣入口和固定床,同時設(shè)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(shè)有布?xì)獍?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(shè)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(tǒng):臭氧發(fā)生器出口的臭氧濃度由臭氧分析儀(BMT 964 C,德國)進(jìn)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(lián)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(jié)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(dá)到100% 、93% 、98% ,椰殼炭的脫硫脫硝除汞效率分別可達(dá)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(jìn)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(fā)現(xiàn)玉米炭對NOx 的吸附能力較強(qiáng),椰殼炭對Hg0 和SO2 的吸附能力較強(qiáng)。

        對玉米/ 椰殼炭進(jìn)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(jié)構(gòu),具有更強(qiáng)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(tuán)和更強(qiáng)的極性,且玉米炭的表面含氧官能團(tuán)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(qiáng),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。