改性粉煤灰基吸附劑煙氣脫汞

2017-03-15 08:56:02

　　汞對(duì)人體具有較強(qiáng)的危害,汞可通過呼吸道?消化道?皮膚等途徑進(jìn)入人體,可引起人體器官發(fā)生病變。我國是以煤炭為主要燃料能源的國家,燃煤過程中造成的汞污染也越來越受到人們的重視。

　　目前煙氣脫汞技術(shù)分為燃燒前脫汞技術(shù)?燃燒中脫汞技術(shù)和燃燒后脫汞技術(shù)[1]。燃燒前脫汞是通過選煤?洗煤和煤的熱處理等一系列技術(shù)手段來達(dá)到減少汞排放目的[2,3]。燃燒中脫汞主要是通過改變?nèi)紵龡l件?轉(zhuǎn)換燃燒方式?噴入固體吸附劑等技術(shù)方法來降低煙氣中汞的含量[4-6]。當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)中主要的脫汞方式是對(duì)燃燒后的煙氣進(jìn)行脫汞處理,包括以活性炭為代表的吸附方法?脫硫除塵裝置脫汞處理法?電暈放電離子脫汞法?電催化氧化聯(lián)合處理脫汞法和SCR選擇性催化還原技術(shù)等[5-9]。目前主要使用的吸附劑有以活性炭為代表的碳基吸附劑?鈣基吸附劑?石焦油?燃煤飛灰和新型的吸附劑[10]?；钚蕴孔鳛槲絼?duì)汞的吸附效率較高,Wu等[11]對(duì)載硫活性炭進(jìn)行了脫汞性能研究,發(fā)現(xiàn)載硫活性炭具有較好的脫汞性能。雖然活性炭的脫汞效率高,但是其成本較高。為了控制吸附脫汞成本,崔夏等[12]進(jìn)行了蛭石?絲光沸石?膨潤土及經(jīng)改性后各物質(zhì)為吸附劑吸附氣態(tài)汞的研究。

　　另外,粉煤灰作為燃煤電廠主要固體廢棄物,具有來源廣,成本低的特點(diǎn),因此較多學(xué)者針對(duì)粉煤灰煙氣吸附脫汞進(jìn)行了研究?？锟∑G等[13]在粉煤灰物化性質(zhì)對(duì)單質(zhì)汞吸附性能的影響的研究中,觀察到粉煤灰對(duì)汞的吸附率可達(dá)到92%,并且發(fā)現(xiàn)隨著時(shí)間的延長,吸附率出現(xiàn)降低,因此提出未燃盡碳含量和粉煤灰粒徑是影響粉煤灰對(duì)汞的吸附能力的主要影響因素。趙毅等[14]在改性粉煤灰吸收劑對(duì)單質(zhì)汞的脫除研究中發(fā)現(xiàn)含有不同添加劑的粉煤灰對(duì)汞的脫出效率影響比較大,并且最高吸附率達(dá)到43%。這表明改性粉煤灰具有較好的汞脫除能力,并且粉煤灰由于其來源廣,成本低廉,使得其具有工業(yè)應(yīng)用的成本優(yōu)勢。

　　筆者實(shí)驗(yàn)室前期工作[15]分別研究了用NaBr,NaCl溶液對(duì)粉煤灰基煙氣脫汞吸附劑進(jìn)行浸漬改性,并得知在實(shí)驗(yàn)室條件下吸附劑對(duì)汞的氧化率可達(dá)79.43%。為了進(jìn)一步論證鹵素元素改性粉煤灰的脫汞特性以及研究其在工業(yè)應(yīng)用上的脫汞效率等,筆者設(shè)計(jì)了2000m3/h的改性粉煤灰的中試實(shí)驗(yàn),通過數(shù)值模擬的方法研究不同條件下的脫汞效率,并進(jìn)行了中試實(shí)驗(yàn)研究。

　　1 實(shí)驗(yàn)原料及方法

　　1.1 實(shí)驗(yàn)原料

　　實(shí)驗(yàn)所采用粉煤灰來自于重慶雙槐電廠,粉煤灰的主要化學(xué)組成為SiO2,Al2O3,Fe2O3 和CaO,其含量分別為46.74%?25.01%?8.46% 和5.58%。另外,粉煤灰中含有少量Mg?K?Na及S元素。粉煤灰的燒失量為10.37%。

　　粉煤灰基吸附劑原料配比為12%粘土,2%聚乙烯?3%稻殼,15%石灰,粉煤灰余量。通過圓盤造球機(jī)造球,晾干后在1100℃焙燒4h。脫汞吸附劑采用5%的鹵鹽溶液室溫條件下浸漬改性3h后通風(fēng)晾干的粉煤灰基吸附劑[15],粉煤灰基吸附劑的粒徑為10.0~40.0mm,堆積密度為623.2kg/m3,自由水含量為4.0%,抗壓強(qiáng)度為14.3MPa。吸附劑耐磨強(qiáng)度按照GB/T20451-2006介紹方法測定,結(jié)果為87.9%。其比表面積通過Micromeritics公司生產(chǎn)的ASAP2000吸附儀測定,結(jié)果表明,其比表面積為242.8m2/g。

　　中試實(shí)驗(yàn)過程中采用的煤中汞含量為184.11μg/kg,屬于高汞煤種。煤中硫含量為2.57%。

　　1.2 煙氣吸附脫汞數(shù)值模擬

　　通過對(duì)吸附劑脫汞過程進(jìn)行模擬研究,討論煙氣流量?吸附劑料層厚度以及吸附劑粒徑大小對(duì)吸附劑脫汞效率的影響。模擬的結(jié)果將指導(dǎo)中試實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)定。

　　脫汞反應(yīng)器內(nèi)為多組分?包含物理化學(xué)吸附過程的三維湍流流動(dòng)過程。湍流流動(dòng)采用RNGk-ε雙方程湍流模型進(jìn)行處理。在三維笛卡爾坐標(biāo)系中,以張量形式表示的湍流對(duì)流換熱控制微分方程如下:

　　有效粘度μeff可由得到。方程(2~4)中的系數(shù)αT ,αk和αε分別為能量方程?k方程?ε方程的有效Prandtl數(shù)的倒數(shù)。它們由下式得到:

　　公式(5)中α0 在計(jì)算αT,αk 和αε 時(shí)分別取1/Pr,1.0和1.0。式(3)和式(4)中S為平均應(yīng)變率張量的模,定義式為
?,其中,Sij =? 。方程(4)中R由下式得出:
R = ,
其中η = S· k/ε,η0 ≈4.38,ζ=0.012。模型中的常數(shù)Cμ,C1ε 和C2ε 分別為0.085,1.42和1.68。脫汞反應(yīng)器內(nèi)煙氣包含汞及汞的化合物等多種成分。對(duì)于多組分傳輸過程,通過第i種物質(zhì)的對(duì)流擴(kuò)散方程預(yù)估每種物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù),Yi。守恒方程采用以下的通用形式:

　　式中:Ri是化學(xué)反應(yīng)的凈產(chǎn)生速率,Si為離散相及定義的源項(xiàng)導(dǎo)致的額外產(chǎn)生速率。在脫汞反應(yīng)器內(nèi),煙氣是質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大的物質(zhì)。為簡化,本實(shí)驗(yàn)中假定煙氣中所有的汞都以單質(zhì)汞的氣態(tài)形態(tài)存在。煙氣中的氣態(tài)汞在吸附劑填料層內(nèi)的吸附過程以多孔介質(zhì)內(nèi)表面反應(yīng)模型進(jìn)行模擬。其實(shí)際模擬過程中汞的吸附量在公式(6)中以源項(xiàng)Ri進(jìn)行計(jì)算。

　　化學(xué)物質(zhì)i的化學(xué)反應(yīng)凈源項(xiàng)通過有其參加的Nr個(gè)化學(xué)反應(yīng)的Arrhenius反應(yīng)源的和計(jì)算得到:

　　式中:Mw,i是第i種物質(zhì)的分子量,^Ri,r為第i種物質(zhì)在第r個(gè)反應(yīng)中的產(chǎn)生/分解速率。反應(yīng)中物質(zhì)i的產(chǎn)生/分解摩爾速度以如下公式給出:

　　式中:Nr為反應(yīng)r的化學(xué)物質(zhì)數(shù)目;Cj,r為反應(yīng)r中每種反應(yīng)物或生成物j的摩爾濃度;η′j,r為反應(yīng)r中每種反應(yīng)物或生成物j的正向反應(yīng)速度指數(shù);η″j,r為反應(yīng)r中每種反應(yīng)物或生成物j的逆向反應(yīng)速度指數(shù);Γ表示第三體對(duì)反應(yīng)速率的凈影響。這一項(xiàng)由下式給出: