固体吸附剂对烟气的治理-华南师范大学——精品课程建设网

固体吸附剂对烟气的治理岑永健024424430(华南师范大学化学与环境学院广东·广州510000)摘要：由于我国工业能源的主要原料是煤炭，因此无可避免的会被燃煤烟气中的各种污染物质所困扰。本文从几个方面浅析了几种利用固体吸附剂来治理烟气的方法。关键词：固体吸附剂；烟气；痕量重金属；脱硝；脱硫1.前言煤炭是重要的燃料和化工原料，即使在石油占据了能源主导地位的年代，煤炭的作用仍不能忽视。美国每年产煤1000Mt，用于发电的就占了约800Mt，煤炭在美国电力工业所用的各种燃料中所占的比例也最大。煤炭在我国电力工业和化学工业中也扮演了突出的角色。我国1994年发电0.91×1012kW·h，其中火力发电占80%，煤炭约400Mt；2000年发电量达到1.5×1012kW·h，耗煤量将从产煤量的40%增加到70%以上[1,2]。这些都说明煤炭在电力工业中所起的重要作用是其他燃料无法替代的。大量的排放物灰尘、SO2、Nox所引起的温室效应、酸雨和臭氧层破坏等环境污染已成为国内外一致关切的、影响人类生存环境的严重问题。近年来燃煤锅炉产生的有毒痕量元素对环境的危害亦越来越被人们所关注。[3]各种治理大气污染的技术已成为各国环保工作者最紧迫的使命。2.脱硝除硫由于煤炭的广泛应用,造成了空气中大量存在着SOx和NOx气体。SO2排放量中90%来源于燃煤烟气;NOx排放量中60%来源于燃煤烟气。硫氧化物(SOx,一般98%～99%为SO2,其余为SO3)和氮氧化物(NOx一般90%～99.5%为NO,其余为NO2)的排放是形成酸雨的主要原因,它们对人类健康和自然界的生态平衡造成极大的危害。[4.5]2.1炭质材料吸附法如图1所示,给出活性炭联合脱硫硝工艺的全过程,它主要由吸收、解吸和硫回收三部分组成[6]。进入吸收塔的烟气温度在120℃～160℃之间时具有最高的脱除效率。如图2所示,SO2的脱除率可达到98%左右,NOx的脱除率在80%左右[7～10]。吸收塔内由上下两段组成。活性炭在重力的作用下，从第二段的顶部下降至第一段的底部。烟气由下而上流过,流经吸收塔的第一段时SO2被脱除,流经第二段时,喷入氨除去NOx。图1活性炭工艺联合脱除SO2/NOx装置系统示意图炭质吸附材料主要是活性炭和活性焦,目前日本最新烟道气脱硫脱硝技术就是用活性炭纤维(ACF)来处理[11],这种脱硫脱硝法在常温下进行,副产物硫酸、硫酸盐及硝酸、硝酸盐可以回收利用。2.2氧化铜吸附法二十世纪70年代由美国PETC(PittsburghEnergyTechnologyCenter)以CuO/γ-Al2O3作为吸附剂对同时脱除烟道气中NOx和SO2进行了研究,考察了吸附温度、流化床床层温度等各种因素的影响[12.13]。在我国,中国科学院山西煤炭化学研究所煤转化国家重点实验室也对此方法进行了研究,但其所采用的载体为活性炭[14]。CuO/γ-Al2O3吸附-催化脱除SO2、NOx过程的机理如下:CuO+SO2+1/2O2——CuSO44NO+4NH3+O2——4N2+6H2O2NO2+4NH3+O2——3N2+6H2OCuSO4+1/2CH4——Cu+SO2+1/2CO2+H2OCu+1/2O2——CuO在众多烟气除硫技术当中，活性炭法是比较成熟的，在国内外都有商业化运行的装置。3.痕量重金属目前国内外电站广泛使用分级燃烧这种燃烧方式以降低氮氧化物的排放,但是分级燃烧对重金属影响以及分级燃烧时固体吸附剂对重金属元素排放的影响国内外还鲜见报道。煤中的痕量元素，在煤燃烧过程中，随着温度的升高，痕量元素如Hg、Pb、Cr、Cd等会挥发出来并附着在亚细微米颗粒上，随之排入大气中，对生态环境和人体造成危害。亚细微米颗粒在大气中主要以气溶胶形式存在，不易沉降，其化合物不易被微生物降解，可以在人体内沉积，并可以转化为毒性很大的有机化合物[15]。国内外研究表明固体吸附剂对烟气中的重金属蒸气的清除非常有效.吸附过程是一个包含有吸附、凝结、扩散和化学反应的复杂过程[16～19].比较成熟的做法是在煤燃烧中添加固体吸附剂来捕获重金属。美国的T.C.Ho等[20]曾在流化床燃烧器中进行了固体吸附剂的相关实验，指出流化床中痕量元素的吸附效率在一定的条件下可以达到95%，而且对Cd和Pb的吸附效果石灰石要好于沙子和氧化铝。M.V.Scotto等[21]研究了固体吸附剂对Cd和Pb的吸附机理，实验表明选用的两种吸附剂（高岭土和铝土矿）对Pb的吸附效果很好，而对Cd而言，铝土矿的吸附效果好于高岭土。华中科技大学煤燃烧国家重点实验室[22]的实验选用高岭土、CaCO3和Al2O3作为吸附剂。（高岭土的主要成份是SiO2、Al2O3和少量的Fe2O3），煤则选用了河南平顶山烟煤和焦作无烟煤及贵州六盘水贫煤。其实验结果见表2。表2灰中痕量元素的含量(µg/g)Tab.2Thecontentoftraceelementsinash(µg/g)从表2可以看出氧化铝、石灰石和高岭土对Cr有很好的吸附效果，在烟煤中尤为明显。而对Cd的吸附效果不明显，Cd大部分随烟气逸散入大气中。高岭土对Pb有很好的吸附作用，在烟煤中添加高岭土有90.16%的Pb留在了灰中，而未添加吸附剂时这一比例为21.38%。Hg最易挥发，几乎全部随烟气排出，在飞灰和底灰中几乎没有。4.二氧化碳以色列Solmecs有限公司已开发出一种从气流(如粉体工厂烟道气)中萃取二氧化碳的新工艺。被称为CTSA的工艺是以Solmecs开发出来的合适的固体吸附剂为基础的。这种高空隙率化合物在45～65℃温度下,通过化学吸附可从气流中脱除CO2。在100～125℃的温度下可以通过活性中心的再生解吸CO2。该工艺的总投资大约为600美元/(t(CO2/h)),而传统胺解吸工艺则需要900美元。与使用胺类的35～40美元/t相比较,萃取成本大约低于20美元/tCO2。成本降低的原因主要是设备简单,动力能耗低。Solmecs已经在实验室规模上试验了该工艺,并计划于今年建成150m3/h的中试工厂。[23]5.结论固体吸附剂在对燃煤烟气的治理方面起到了很大的作用，当中既有能应用于商业运作的成熟技术，也有刚刚投产的新型技术。中国作为燃煤大国，在这方面有着广阔的前景和发展空间。目前生态环境日益恶化，人们对保护地球，绿色产品与绿色技术的呼声日益高涨，固体吸附剂在环保领域中的应用将会进一步发展。参考文献1王汉臣.大气保护与能源利用[M].北京:中国环境科学出版社,1992.2缪应祺.全球大气污染与工业防毒技术[J].江苏工学院学报,1992,13(4):92-96.3张振桴,樊金串,晋菊芳等.煤中砷,铅,铍,铬等元素的存在状态.燃料化学学报,1992,20(2):206～211.4化工部造纸化学信息站.造纸化学品.1994,(4):1～75刘程.表面活性剂应用手册.北京:化学工业出版社,1995,443～4616ITOY,FUJIMOTOT.NagaokaO.Mitsui2BFsimultaneousSOxandNOxremovalsystem[A].Proceedingsoftheninthsymposiumonfluegasdesulphurisation[C].PaloAlto,CA,USA,ElectricPowerResearchInstitute,1986.8.31-8.43.7ANDOJ.Fluegascleaningtechnologyoftheworld[R].Tokyo,Japan:CoalMiningResearchInstitute,1990.8ANDOJ.CoalutilizationandenvironmentalprotectionrecentdevelopmentsinJapan[R].Tokyo,Japan:CenterforCoalUtilisation,1991.9ANDOJ,KAPLANN.RecentdevelopmentsinSO2andNOxabatementtechnologyinJapanandChina[A].ProceedingsofthefirstcombinedfluegasdesulfurizationanddrySO2controlsymposium[C].PaloAlto,CA,USA,ElectricPowerResearchInstitute,1989.1.95-1.112.10ANDOJ,SEDMANCB.StatusofacidrainandSO2andNOxabatementtechnologyinJapan[A].Proceedingsofthetenthsyposiumonfluegasdesulphurisation[C].PaloAlto,CA,USA,ElectricPowerResearchInstitute,1987.2.45-2.66.11秦梦华.纸浆中树脂及其障碍控制.北京:中国轻工业出版社,1998,208～22012张光华.表面活性剂在造纸中的应用技术.北京:中国轻工业出版社,200113陆伟.造纸化学品,1999,(2):21～2614姚献乎,郑丽萍.淀粉衍生物及基在造纸由的应用技术.北京:中国轻工业出版社,1999,145～16615黄文辉，杨起(HuangWenhui,YangQi).燃煤过程中有害元素转化机理研究进展(Noveldevelopmentofstudyonthetransformationmechanismsofhazardelementsduringcoalcombustion)[J].地质科技情报(GeologicalScienceandTechnologyInformation),1999，18(1)：71-74.16PunjakWA,UberoiM,ShadmanF.Hightemperatureandsorptionofalkalivaporsonsolidsorbents.AIChE.Journal,1989,35:1186～1194.WuB.Multifunctionalsorbentsfortheremovalofsulfurandmetalliccontaminantsfromhightemperaturegases.Environ.Sci.Technol.1995,29(6):1660～1665.18Jyh2CherngChen,Ming2YenWey,Zhen2ShuLiu.Adsorptionmechanismofheavymetalsonsorbentsduringincineration.JournalofEnvironmentalEngineering,2001,(1):63～69.19WendJOL,LinakWP.Environmentalcontroloftoxicmetalairemissionsfromthecombustionofcoalandwastes.Proceedingsofsymposiumonenergyengineeringinthe21stcentury(SEE2000),9～13January,HongKong:1686～1690.20HoTC,LeeHT,ChuHW,etal.Metalcapturebyabsorbentsduringfluidized-bedcombustion[J].FuelProcessingTechnology.1994,39(3)：373-388.[21]ScottoMV,UberoiM,PetersonTW,etal.Metalcapturebysorbentsincombustionprocesses[J].FuelProcessingTechnology.1994,39(3)：357-372.22陆继东,余亮英,张娟固体吸附剂对流化床燃烧中痕量元素控制研究中国电机工程学报第24卷第3期p187~19223ChemicalEngineering,Vol.107