燃煤煙氣脫汞技術(shù)的研究進(jìn)展

韓粉女，鐘 秦

（1南京理工大學(xué)化工學(xué)院，江蘇 南京210094；2鹽城工學(xué)院化學(xué)與生物工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224003）

進(jìn)展與述評(píng)

燃煤煙氣脫汞技術(shù)的研究進(jìn)展

韓粉女1，2，鐘 秦1

（1南京理工大學(xué)化工學(xué)院，江蘇 南京210094；2鹽城工學(xué)院化學(xué)與生物工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224003）

燃煤煙氣汞污染近些年來(lái)被世界公認(rèn)為又一大污染問(wèn)題，本文較為詳細(xì)地論述了汞排放控制技術(shù)現(xiàn)狀及研究進(jìn)展。目前有多種在研的汞控制技術(shù)，其中濕法洗滌和煙氣中噴入活性炭吸附劑方式等較有發(fā)展?jié)摿ΓF(xiàn)在還沒(méi)有一種適用性強(qiáng)的技術(shù)可廣泛推廣。最后介紹了煙氣脫汞的一些新技術(shù)，并對(duì)脫汞技術(shù)的發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

燃煤煙氣；汞污染；脫汞技術(shù)

Abstract：Mercury pollution in coal-fired flue gas is thought to be another big pollution problem. The research progress of mercury emission control is summarized. Currently many strategies for mercury control are being investigated，and wet scrubbers and dry injection of a sorbent，such as activated carbon into the flue gas are the most promising technologies. But there is still no single best technology that can be broadly applied. Several new mercury control technologies are introduced and their application prospects are discussed.

Key words：coal-fired flue gas；mercury pollution；mercury control technologies

近年來(lái)，人們注意到煤燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的有害金屬元素對(duì)環(huán)境有較大的影響，其中汞就是危害極大的元素之一。汞是一種在生物體內(nèi)和食物鏈中具有永久累積性的有毒物質(zhì)，也是全球性循環(huán)元素，會(huì)對(duì)人類生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生一定影響。全球汞污染問(wèn)題受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注，美國(guó)1990年清潔空氣行動(dòng)修正案（CAAA）中將汞定為189種大氣有害污染物之一。燃煤鍋爐作為造成環(huán)境汞污染的主要人為排放源（根據(jù)美國(guó)環(huán)保署的數(shù)據(jù)，大氣環(huán)境中約31%的汞來(lái)自于燃煤電廠的煤燃燒，人為汞排放源居第一位[1]），已經(jīng)在世界范圍引起廣泛關(guān)注。世界范圍內(nèi)煤中汞含量一般在0.012～0.33 mg/kg，平均汞含量約為0.13mg/kg，我國(guó)煤中汞的平均含量為0.22 mg/kg[2]。我國(guó)是一個(gè)產(chǎn)煤大國(guó)，每年的煤炭消耗量在20億噸左右，其中70%以上用做燃煤發(fā)電，所以控制燃煤煙氣中的汞排放已成為控制大氣中汞的一個(gè)主要方向[3]。

燃煤煙氣中的汞主要以顆粒汞、氣態(tài)二價(jià)汞（Hg2+）和單質(zhì)汞（Hg0）3種形式存在，其中顆粒態(tài)汞易被除塵設(shè)備收集，氣態(tài)二價(jià)汞易溶于水且易附著在顆粒物上，可以被常規(guī)的污染物控制設(shè)備除去，例如濕式煙氣脫硫裝置、慣性除塵器、靜電除塵器（ESP）或布袋除塵器。相反，單質(zhì)汞極易揮發(fā)且難溶于水，因而煙氣脫硫裝置、顆粒物控制系統(tǒng)很難捕獲元素態(tài)汞?；诠倪@些特點(diǎn)以及當(dāng)前燃煤煙氣汞的污染現(xiàn)狀，研究者們提出了各種各樣的汞的控制技術(shù)，主要有除塵設(shè)備脫汞技術(shù)、吸附劑脫汞技術(shù)、催化氧化技術(shù)、濕法煙氣脫硫（FGD）裝置脫汞技術(shù)、溶液吸收法脫汞技術(shù)以及其它一些脫汞技術(shù)。

1 除塵設(shè)備脫汞技術(shù)

現(xiàn)有煙氣清潔裝置中，布袋除塵器（FF）和靜電除塵器（ESP）都具有去除汞的能力，其中布袋除塵器的表現(xiàn)好于靜電除塵器。氣態(tài)二價(jià)汞和單質(zhì)汞是亞微米級(jí)，用靜電除塵器除汞能力有限，布袋除塵器能除去約70%的汞，但由于受煙氣高溫影響，同時(shí)袋式除塵器自身存在濾袋材質(zhì)差、壽命短、壓力損失大、運(yùn)行費(fèi)用高等限制了其使用[4]。

Ruud Meij等[5]在過(guò)去的25年里對(duì)荷蘭燃煤電站汞排放控制的研究中發(fā)現(xiàn)，ESP能脫除煙氣中50%的汞。胡長(zhǎng)興等[6]利用安大略標(biāo)準(zhǔn)方法和在線汞監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì) 6套典型燃煤電站鍋爐靜電除塵器（ESP）裝置前后煙氣汞的濃度及形態(tài)進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明，ESP對(duì)飛灰的捕獲直接降低了煙氣中顆粒汞的比例，從已測(cè)試的典型燃煤鍋爐來(lái)看，ESP前的燃煤煙氣中顆粒汞的平均比例在30%左右，經(jīng)ESP后顆粒汞所占比例降至 5%左右。美國(guó) ICR（Information Collection Request）的統(tǒng)計(jì)結(jié)果[7]表明，冷側(cè) ESP平均脫汞效率為27%，而熱側(cè) ESP平均脫汞效率為 4%，由于氣固相接觸令汞氧化，使得布袋除塵器的脫汞率更高達(dá)到58%。Gutierrez Ortiz等[8]認(rèn)為ESP脫除汞蒸氣的效率為30%。Wang等[9]將除塵設(shè)備與其它脫汞技術(shù)結(jié)合使用，研究表明，ESP、ESP+濕法FGD和ESP+干法FGD-FF分別獲得24%、73% 以及66%的平均脫汞效率。

2 吸附劑脫汞

脫汞吸附劑在燃煤電廠汞控制方面發(fā)揮了重要作用。目前，高效吸附劑主要包括活性炭、飛灰、鈣基吸附劑、礦物類吸附劑以及一些新型吸附劑。吸附劑脫汞一般通過(guò)以下兩種方式：一種是注入法，即在顆粒去除裝置前噴入粉末狀吸附劑，捕獲了汞的吸附劑顆粒經(jīng)過(guò)除塵器時(shí)被去除；另一種是固定床法，即將煙氣通過(guò)裝有吸附劑的固定式吸附床，為了降低壓降，吸附床一般采用蜂窩狀結(jié)構(gòu)。

2.1 活性炭吸附劑

活性炭是最普通的一種吸附劑，它具有很高的汞吸附能力，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)活性炭的研究非常多?；钚蕴繉?duì)汞的吸附能力跟吸附溫度、汞的種類、汞的濃度以及煙氣成分等因素有關(guān)，研究這些因素對(duì)活性炭汞吸附性能的影響以及與活性炭之間的相互作用有利于提高活性炭的汞吸附能力。

Carey等[10]小試研究了不同吸附劑類型和煙氣成分對(duì)吸附劑脫汞性能的影響 。研究表明活性炭對(duì)汞的吸附能力跟許多因素有關(guān)，包括吸附的汞的類型、煙氣組成、吸附溫度。這些結(jié)果表明汞的吸附包括物理和化學(xué)吸附。Morimoto等[11]利用H2S和活性炭脫除模擬燃煤煙氣中汞，這種方法基于H2S和 Hg 在吸附劑上發(fā)生反應(yīng)。研究結(jié)果顯示在較低溫度（80～100 ℃）條件下，H2S 和SO2同時(shí)存在有助于汞的脫除，在150 ℃時(shí)，O2的存在對(duì)H2S-SO2煙氣體系中Hg0的脫除是必不可少的。在活性炭表面發(fā)現(xiàn)單質(zhì)S，這是由于H2S與O2或SO2反應(yīng)氧化成單質(zhì) S（H2S+1/2O2=Sad+H2O，SO2+2H2S=3Sad+ 2H2O），而單質(zhì)S會(huì)與Hg0反應(yīng)形成HgS，所以H2S 和SO2同時(shí)存在有助于活性炭吸附Hg0。Uddin等[12]為了證明SO2在活性炭脫除燃煤煙氣中汞的過(guò)程中的作用，用活性炭來(lái)脫除含有SO2的模擬煙氣中的汞蒸氣。研究顯示，O2和H2O的同時(shí)存在對(duì)單質(zhì)汞的吸附是必要的，汞的脫除率隨著溫度的升高而降低，用 SO2或H2SO4前處理過(guò)的活性炭具有更好的汞吸附能力，但是 SO2的存在會(huì)抑制汞的吸附。Ryota等[13]研究了HCl和SO2濃度對(duì)活性炭吸附汞的影響，研究表明煙氣中HCl濃度越高，活性炭吸附汞速率越快，吸附量越大。SO2濃度則阻礙了汞的吸附。

在Hg0蒸氣的控制技術(shù)中，應(yīng)用最廣泛的是活性炭噴入技術(shù)。盡管該技術(shù)對(duì)單質(zhì)汞和氧化態(tài)的汞擁有較高的捕獲能力，但活性炭非常昂貴（如Norit DARCO FGD活性炭費(fèi)用為$0.42/lb），而且要求非常高的碳-汞質(zhì)量比（3000～100000），因此嚴(yán)重影響著該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用[14]。直接采用活性炭吸附的方法成本過(guò)高，燃煤電廠很難承受，所以很多研究人員開(kāi)始開(kāi)發(fā)新型、價(jià)格低廉的吸附劑。

活性炭可以吸附單質(zhì)汞，但它也能同時(shí)吸附其它氣體，這樣就大大降低了活性炭對(duì)汞的吸附能力。目前，為進(jìn)一步提高汞的總脫除率，改性活性炭吸附劑研究已經(jīng)成為一個(gè)新興領(lǐng)域，在活性炭中注入S、Cl、I等單質(zhì)或者化合物來(lái)提高汞吸附率的研究非常廣泛[15]。

在這方面國(guó)內(nèi)外學(xué)者都做了大量的實(shí)驗(yàn)，期望能解釋改性后的活性炭與汞的吸附機(jī)理，但到目前為止，并沒(méi)有形成一致的意見(jiàn)。有不少研究者認(rèn)為這是因?yàn)榱?、氯、溴或碘與單質(zhì)汞之間的反應(yīng)能防止活性炭表面吸附汞再次蒸發(fā)逸出，提高了吸附效率，如硫元素在活性炭表面可以與單質(zhì)汞形成穩(wěn)定的化合物 HgS。有研究者[16-17]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，注硫活性炭的吸附性能優(yōu)于原始活性炭。注硫溫度是影響活性炭汞吸附效率的最主要因素。注硫活性炭在脫除汞蒸氣發(fā)生物理吸附的同時(shí)還發(fā)生了化學(xué)吸附，隨著溫度的升高，物理吸附減少而化學(xué)吸附增加，所以總的吸附量還是增加的。另外，注硫溫度決定著同素異形體硫的主要形式，這是控制化學(xué)吸附的關(guān)鍵。此外在更高溫度下，注硫活性炭的表面發(fā)現(xiàn)了更強(qiáng)的硫與炭之間的結(jié)合力，更大活性炭的外表面積以及微孔數(shù)有助于汞的吸附。

Lee等[18]研究了載碘載氯活性炭對(duì)氣態(tài)汞的吸附能力，研究發(fā)現(xiàn)，改性后的樣品對(duì)氣態(tài)汞吸附能力有很大提高，而且隨著吸附溫度的升高，載碘活性炭對(duì)氣態(tài)汞的吸附能力增強(qiáng)；而載氯活性炭的吸附能力隨著溫度升高而下降。同時(shí)為證實(shí)化學(xué)載入元素對(duì)汞吸附能力的作用，將KI和HCl注入到活性炭中，這兩種類型的活性炭都顯示理想的氣態(tài)單質(zhì)汞的吸附率。他們認(rèn)為，KI改性活性炭主要是化學(xué)吸附，因而吸附活性隨溫度升高而升高，而HCl改性活性炭主要是物理吸附，升溫導(dǎo)致部分HCl揮發(fā)，因而吸附活性隨溫度升高而下降。

Radisavd等[19]通過(guò)實(shí)驗(yàn)指出經(jīng)硫氯化物浸漬后活性炭對(duì)汞的吸附能力大大提高，最高效率可達(dá)95%～98%，但是同時(shí)也增加了成本。此外，孫巍等[20]利用溴對(duì)活性炭進(jìn)行處理，研究了載溴活性炭對(duì)氣體中的單質(zhì)汞的去除行為。溴負(fù)載量越高，吸附強(qiáng)化作用越顯著，溫度升高，載溴活性炭的吸附能力略有下降，煙氣中的二氧化硫?qū)钨|(zhì)汞的吸附速率略有抑制作用。高洪亮等[21]研究證明，采用活性MnO2浸漬、FeCl3浸漬、600 ℃滲硫處理后的3種改性活性炭對(duì)汞吸附效果得到了很大的提高，主要是由于其吸附過(guò)程中除了物理吸附，還發(fā)生了化學(xué)吸附。與原始活性炭吸附劑相比，有效吸附時(shí)間從65 min延長(zhǎng)到180 min，改性的活性炭在經(jīng)過(guò)100 min的吸附后吸附效率仍可達(dá)到75%。童新等[22]研究了經(jīng)過(guò) H2O2和 HNO3氧化改性后的活性炭對(duì)氣態(tài)汞的吸附能力，結(jié)果表明，改性后的活性炭對(duì)汞的吸附能力明顯增強(qiáng)。

活性炭纖維是第三代炭基吸附劑，BET表面積大，微孔多，且直接分布在固體表面。況敏等[23]研究表明活性炭纖維載銀后能夠明顯提高汞的吸附能力，同時(shí)研究還表明活性炭纖維上物理吸附汞占絕大多數(shù)，且負(fù)載銀后汞只吸附在活性炭纖維的含銀活性點(diǎn)上。經(jīng)活化處理后的ACF，對(duì)單質(zhì)汞的吸附作用可大大增強(qiáng)。常見(jiàn)的活化方式，如用含碘、氯和硫的化合物質(zhì)進(jìn)行化學(xué)浸漬等[24-25]，這些類型的吸附劑難以再生利用，這也是吸附劑研究中的難點(diǎn)之一。

2.2 飛灰吸附劑

飛灰能夠捕獲一定數(shù)量的汞，其捕獲能力與煤的種類有關(guān)，特別是飛灰中未燃盡的碳具有非常大的汞捕獲能力，飛灰的價(jià)格與活性炭相比更為廉價(jià)，這些特點(diǎn)引起了研究者的廣泛注意。

飛灰對(duì)汞的吸附與飛灰粒徑大小有關(guān)，有研究表明[26-27]，飛灰中汞的含量隨粒徑的減小而增大，由于飛灰粒徑越小，比表面積越大，這一規(guī)律表明汞在飛灰中呈表面富集狀態(tài)。另外不同煤種的飛灰吸附汞的能力差別很大，Dunham等[28]在小試反應(yīng)器系統(tǒng)中用中試和實(shí)際燃燒體系產(chǎn)生的 16種不同飛灰試樣與含有單質(zhì)汞或HgCl2的模擬煙氣接觸來(lái)確定溫度、汞種類以及飛灰類型對(duì)汞的吸附和單質(zhì)汞氧化的影響。結(jié)果表明，單質(zhì)汞的氧化隨著飛灰中磁鐵含量的增加而增加，但是有一種不含磁鐵的高含碳量的亞煙煤飛灰由于未燃盡的碳而顯示出相當(dāng)大的汞氧化能力。表面積以及表面特性對(duì)單質(zhì)汞的氧化和吸附很重要，飛灰樣品對(duì)HgCl2的吸附能力與單質(zhì)汞相似，HgCl2的吸附能力與表面積有很好的相關(guān)性，吸附能力隨著溫度的升高而降低。飛灰對(duì)汞的吸附還跟煙氣成分有關(guān)，孟素麗等[29]研究表明在CO2-O2-N2的體系中，NO和HCl的存在大大促進(jìn)了飛灰對(duì)汞的吸附，而SO2阻礙了飛灰對(duì)汞的吸附，飛灰對(duì)Hg0的吸附是物理吸附與化學(xué)吸附雙重作用的結(jié)果。

目前，飛灰的汞吸附能力較低，許多研究者提出對(duì)飛灰進(jìn)行預(yù)處理，提高飛灰的汞吸附能力。Bake等[30]分別用Cl 、S、I、Br 等元素對(duì)飛灰進(jìn)行預(yù)處理，較大地提高了飛灰對(duì)汞的吸附能力。Thomas等[31]發(fā)現(xiàn)由于鈣與飛灰之間的協(xié)同作用，鈣可以明顯提高飛灰吸附劑的活性。把飛灰與生石灰作為混合吸附劑是現(xiàn)在研究的一個(gè)熱點(diǎn)。Shi等[32]指出，飛灰-生石灰轉(zhuǎn)化為硫酸鈣的轉(zhuǎn)化率大于僅僅使用生石灰時(shí)的轉(zhuǎn)化率，其中一個(gè)原因就是飛灰可以充當(dāng)生石灰的載體，這樣增加了它的分散作用和有效反應(yīng)表面積。

燃煤過(guò)程中產(chǎn)生的飛灰作為一種廉價(jià)的吸附劑受到越來(lái)越多人的關(guān)注，但飛灰與汞內(nèi)在反應(yīng)的實(shí)質(zhì)仍不清楚，仍需要更徹底地研究飛灰使汞氧化的機(jī)理。

2.3 鈣基吸附劑

鈣基吸附劑[CaO、Ca(OH)2、CaCO3、CaSO4·2H2O等]價(jià)格低廉，且已廣泛用于煙氣中SO2的脫除，高活性鈣基吸收劑還可作為CO2和其它酸性氣體的吸附劑。如果鈣基物質(zhì)能夠在煙氣汞排放的控制方面也有所突破，則可作為脫除煙氣中多種污染物的有效物質(zhì)。趙鵬飛等[33]在小型固定床上進(jìn)行鈣基吸附劑CaO吸附單質(zhì)汞實(shí)驗(yàn)研究，研究表明由于酸性氣體與單質(zhì)汞同時(shí)競(jìng)爭(zhēng)吸附 CaO表面上的活性位而且酸性氣體與 CaO表面有較強(qiáng)的化學(xué)吸附作用，SO2、HCl和NO2存在對(duì)單質(zhì)汞的吸附有抑制作用。有研究表明[34-36]SO2和高溫有利于鈣基吸附劑對(duì)元素汞的吸附，但對(duì)HgCl2的吸附正好相反，他們認(rèn)為，SO2同鈣基吸附劑之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在鈣基物質(zhì)表面產(chǎn)生了活性區(qū)域，有利于提高對(duì)單質(zhì)汞的吸附效率，化學(xué)吸附起到了促進(jìn)吸附的作用。由于氯原子與單質(zhì)汞的相互作用，增大了鈣基吸附劑對(duì)汞的吸附能力，但HCl對(duì)吸附劑吸附氧化態(tài)汞有明顯的抑制作用。

鑒于鈣基吸附劑對(duì)Hg0吸附能力的不足，如何加強(qiáng)鈣基類物質(zhì)對(duì)單質(zhì)汞的脫除能力，成為實(shí)現(xiàn)同時(shí)脫硫脫汞的技術(shù)關(guān)鍵和研究熱點(diǎn)。目前，鈣基吸附劑尚處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，未用于工業(yè)實(shí)踐。

2.4 礦物類吸附劑

蛭石、沸石、高嶺土、膨潤(rùn)土等礦物類吸附劑對(duì)汞有一定的吸附能力，改性后的礦物類吸附劑對(duì)汞的吸附能力會(huì)大大提高，而且來(lái)源廣泛，價(jià)格低廉，不污染環(huán)境，在取代活性炭方面具有很大的優(yōu)勢(shì)。目前對(duì)礦物類吸附劑的研究主要集中在添加劑的研究方面，希望找到某種試劑對(duì)其進(jìn)行處理后，大幅度提高對(duì)汞的吸附能力。

有研究者[37-39]在小型固定床實(shí)驗(yàn)臺(tái)上用MnO2、FeCl3和不同溫度下滲硫等方法對(duì)礦物類吸附劑進(jìn)行改性研究，研究結(jié)果表明，吸附劑的吸附能力均有所提高，吸附時(shí)間大為延長(zhǎng)。他們認(rèn)為這是因?yàn)楦男院蟮奈絼?duì)汞的吸附過(guò)程與多孔性物質(zhì)的吸附大不相同，除了基于范德華力的表面物理吸附外還發(fā)生了不同程度的化學(xué)吸附，提高了吸附劑對(duì)汞的吸附能力，因此可利用不同化學(xué)試劑來(lái)對(duì)礦物類吸附劑進(jìn)行化學(xué)改性從而提高吸附劑的汞吸附能力。

2.5 新型吸附劑

高鵬等[40]通過(guò)對(duì)高分子化合物殼聚糖的研究發(fā)現(xiàn)殼聚糖除汞效率很高，在 80℃吸附效率達(dá)96.43%，并且可以同時(shí)脫除NOx和SOx。殼聚糖吸附劑脫除汞的反應(yīng)是化學(xué)反應(yīng)占主導(dǎo)，它可以高效脫除Hg2+和Hg0。

Malyuba等[41]研究了一種可以移除燃煤電廠產(chǎn)生的煙氣中汞蒸氣的氣相螯合吸附劑，該新型氣相螯合吸附劑的獨(dú)特性在于它結(jié)合了帶有電離表面納米層的介孔基材上螯合配體。不同的螯合配體包括有半胱氨酸、雙硫腙、3-巰丙基三甲氧基硅烷、2-巰基苯被固定在二氧化硅上，這些吸附劑的理論脫汞能力在17～117 mg Hg/g范圍內(nèi)。

許多學(xué)者發(fā)現(xiàn)，Pd、Pt、Au、Ir等貴金屬元素對(duì)汞均有良好的吸附能力，這是利用其能與汞形成合金的特性吸附除去煙氣中的汞，金屬吸附率與汞的化學(xué)形態(tài)無(wú)關(guān)。Poulston等[42]對(duì)負(fù)載2%～9%Pd與Pt的不同氧化鋁吸附劑的脫汞能力進(jìn)行了研究，實(shí)驗(yàn)證明，在 204～388 ℃范圍內(nèi)，Pd/Al2O3顯示出比Pt/ Al2O3更強(qiáng)的脫汞能力，Pd/Al2O3與Pt/Al2O3的脫汞能力都隨著金屬負(fù)載量的增加而增強(qiáng)，但隨著吸附劑溫度的上升而下降，研究表明汞在貴金屬表面形成固溶體，升溫可使汞脫附，從而使吸附劑再生。

金屬吸附劑僅通過(guò)提高溫度即可獲得再生，因此利用金屬吸附劑除汞可以降低成本，減少有害物質(zhì)排放，很有發(fā)展?jié)摿Α?/p>

3 催化氧化技術(shù)

3.1 催化氧化機(jī)理

最近許多實(shí)驗(yàn)研究表明，SCR催化劑可以將元素汞氧化成二價(jià)汞，尤其是在HCl存在的條件下。目前對(duì)于汞的催化氧化機(jī)理的研究比較少，但大都數(shù)研究者認(rèn)為汞的催化氧化應(yīng)包含吸附和氧化兩個(gè)過(guò)程。

Dunham 等[43]提出了一個(gè)機(jī)理來(lái)解釋 SO2和NO2的影響。汞和NO2可以在吸附劑表面反應(yīng)生成硝酸汞（HgNO3），但在SO2存在的條件下，沒(méi)有直接生成HgNO3，而是生成Hg(HSO4)2。Hg(HSO4)2可以與硝酸根反應(yīng)生成HgNO3。

Granite 等[44]認(rèn)為汞的氧化可能服從Mars-Maessen機(jī)理。在這個(gè)機(jī)理中，被吸附的元素汞將與被氣相氧化劑充滿的晶格（O或Cl）發(fā)生反應(yīng)。氧化機(jī)理如下：

胡長(zhǎng)興等[45]認(rèn)為煙氣中 HCl 本身不具備較強(qiáng)的氧化能力，但催化劑能夠通過(guò)Deacon反應(yīng)在O2的作用下將HCl催化氧化成Cl2，Deacon反應(yīng)如下：

通過(guò)上式反應(yīng)形成的 Cl2及相關(guān)聯(lián)的 Cl原子是Hg0迅速大量被氧化成Hg2+的主要原因，反應(yīng)如下：

HgO機(jī)理[46]理論認(rèn)為SCR 在催化過(guò)程中，首先是將煙氣中的Hg0吸附，并在催化作用下被氧原子氧化成中間體（HgO）后，迅速與HCl反應(yīng)形成HgCl2，反應(yīng)過(guò)程如下：

目前為止，以上幾個(gè)機(jī)理沒(méi)有一個(gè)被證實(shí)為汞催化氧化的主要機(jī)理。汞催化氧化過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，其機(jī)理有待于人們進(jìn)一步去研究。

3.2 SCR催化劑

Straube等[47]對(duì)電廠 SCR脫硝系統(tǒng)中催化劑V2O5/TiO2脫汞性能進(jìn)行了研究，研究表明HCl對(duì)單質(zhì)汞和氧化態(tài)汞的脫除有很大的影響，V2O5質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 2.5%的脫硝催化劑對(duì) HCl含量低于 0.5 mg/m3的煙氣中單質(zhì)汞和氧化態(tài)汞的脫除效果很明顯，其中氧化態(tài)汞的脫除比單質(zhì)汞更容易，并且汞的脫除率與催化劑中 V2O5質(zhì)量濃度有關(guān)，濃度越大，脫汞率越高。研究同時(shí)表明，汞確實(shí)是在V2O5/TiO2表面形成Hg—O鍵，而且可以通過(guò)在室溫下用醋酸和鹽酸的混合稀溶液進(jìn)行沖洗，2/3的汞可以從催化劑中移除，從而使催化劑再生。

Qiao等[48]利用MnOx/Al2O3作為催化劑來(lái)氧化元素汞，研究發(fā)現(xiàn)在沒(méi)有HCl存在時(shí)，元素汞主要是被吸附，適宜吸附溫度為600 K。當(dāng)煙氣中含有HCl或Cl2時(shí)，主要發(fā)生催化氧化反應(yīng)，在20 mg/L HCl或2 mg/L Cl2條件下Hg0的脫除率達(dá)到90%。

Hiroyuki等[49]研究表明以 V2O5(WO3)/TiO2作為催化劑，汞的氧化率隨著HCl濃度的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，NH3的存在嚴(yán)重地阻礙了汞的氧化，在NH3存在的條件下，隨著操作時(shí)間的增長(zhǎng)，汞的氧化速率快速降低，但NO的還原速率幾乎沒(méi)有變。

NH3作為還原劑無(wú)法氧化煙氣中的Hg0使其轉(zhuǎn)化成 Hg2+。SCR系統(tǒng)對(duì) Hg0的氧化程度同煙氣中HCl的含量密切相關(guān)，煙氣中HCl含量越高，SCR系統(tǒng)對(duì) Hg0的氧化能力越強(qiáng)，氧化效率的高低受氣體空間流速、氨的濃度和氣流中氯的濃度等因素影響[50]。

3.3 金屬與金屬氧化物

最新研究表明，采用活性炭負(fù)載金屬化合物作為催化劑，可使金屬組分更好地分散在其表面，增加催化組分的活性表面及催化活性。

Granite等[51]借鑒了SCR對(duì)煙氣中單質(zhì)汞的催化氧化作用，報(bào)道了負(fù)載鈀、鉑等稀有貴金屬可以提高活性炭的吸附能力。Jason等[52]研究表明Au/TiO2和 Pd/Al2O3能夠分別得到 40%～60%和50%～80%的汞氧化率。Wu等[53]研究H2S氣體對(duì)Fe2O3/TiO2脫汞是必不可少的，F(xiàn)e2O3/ TiO2在60～100 ℃范圍內(nèi)可以有效地除去汞，H2O的存在抑制了汞的脫除率，元素硫在吸附劑表面形成，然后元素硫與單質(zhì)汞反應(yīng)生成HgS，從而除去單質(zhì)汞。Meia等[54]在固定床反應(yīng)器上用活性炭分別負(fù)載 Co3O4（AC-Co）、MnO2（AC-Mn）、CuCoO4（AC-CC），研究了它們的再生能力和脫汞效率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，再生的AC-Mn和 AC-CC由于活性炭的分解性和MnO2晶體結(jié)構(gòu)的變化使得它們的脫汞率極大地降低。由于活性炭較大的表面積和許多功能團(tuán)，活性炭與金屬氧化物相比，負(fù)載金屬氧化物的活性炭擁有更高的汞捕捉能力和容量。然而 CuCoO4和MnO2的活性炭分解性對(duì) AC-CC 和 AC-Mn 的脫汞能力具有抑制作用，特別是在高溫吸附條件下。SO2實(shí)驗(yàn)表明，AC-CC 比AC-Co和AC-Mn 有更高的抗SO2中毒能力。

Li等[55]考察了在373～473 K低溫條件下，為了增加抗硫性，以改性Mn/α-Al2O3作為催化劑來(lái)氧化元素汞，研究表明Mo改性催化劑比貴金屬催化劑 Pd/α-Al2O3效果更好。并且，在 500 mg/L SO2條件 Mo（0.03）-Mn/α-Al2O3對(duì)元素汞的氧化率超過(guò)95%，而未改性催化劑只有大約48%。

金屬氧化物需要負(fù)載在載體上才能夠脫汞，通常使用的載體為T(mén)iO2、SiO2以及活性炭等，但該類催化劑容易容易中毒，難以再生，成本太高難以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。

4 WFGD脫汞技術(shù)

由于煙氣中二價(jià)汞 Hg2+的大部分化合物具有較高的水溶性，因此可以利用濕法脫硫系統(tǒng)吸收煙氣中二價(jià)汞，然而氣態(tài)單質(zhì)汞難溶于水，不能被循環(huán)液吸收。據(jù)美國(guó)能源部（DOE）和EPRI在電站的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，WFGD對(duì)煙氣中總汞的脫除率在10%～80%范圍內(nèi)[56]。

常規(guī)的濕法煙氣脫硫裝置無(wú)法去除 Hg0，如果將煙氣中的Hg0轉(zhuǎn)化為Hg2+，WFGD 的除汞效率就會(huì)大大提高，因此研究如何有效地提高Hg0氧化率是濕法脫汞技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。許多學(xué)者及研究機(jī)構(gòu)在如何通過(guò)改進(jìn) WFGD 的處理過(guò)程，以提高WFGD 對(duì)汞的脫除效率方面進(jìn)行了廣泛研究。

日本研究者利用液體鰲合劑和次氯酸鈉注入到石灰漿液洗滌塔中，獲得90%的脫汞效率[57]。美國(guó)B&W公司在Michigan州和Cincinnati州電站中試試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)在濕法洗滌脫硫過(guò)程中使用H2S和加入少量乙二胺四乙酸EDTA試劑并控制各運(yùn)行參數(shù)可顯著增加 WFGD 系統(tǒng)的汞捕捉率[58]。為了得到更適合的添加劑，近來(lái)，Argonne國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Livengood等[59-60]分別用幾種鹵素類物質(zhì)作為添加劑在小型試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，I2可以有效地氧化Hg0，但是混合煙氣中必須要有NO存在，否則碘溶液就會(huì)失去對(duì)Hg0的氧化性；而煙氣中出現(xiàn)SO2氣體時(shí)，Br2溶液對(duì)Hg0的氧化作用變得不明顯。由于I2和Br2這種對(duì)煙氣成分的依賴性，因而不宜作為商用添加劑來(lái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。而氯化合物和Cl2與Hg0之間的反應(yīng)緩慢，但當(dāng)模擬煙氣中出現(xiàn)NO時(shí)，它可以與Hg0快速反應(yīng)，但要作為商業(yè)應(yīng)用，還需要進(jìn)一步地研究。必須說(shuō)明一點(diǎn)，煙氣中的 Hg2+溶于漿液后，水溶性的硫酸根、硫酸氫根和金屬離子會(huì)使一小部分汞離子被還原為單質(zhì)汞，雖然這種還原轉(zhuǎn)化的汞量并不多，但是這種還原效應(yīng)仍被視為將來(lái) WFGD 作為多污染控制裝置的潛在障礙[61]。

葉群峰等[62]利用 K2S2O8-Na2S2O3-CuSO4溶液作為添加劑，汞的脫除率達(dá)到 97.5%。他們認(rèn)為K2S2O8-Na2S2O3-CuSO4氧化還原體系是自由基參與的反應(yīng)體系，Cu+可能是Cu作為催化劑的有效形態(tài)。Hg去除的主要途徑有兩條，一是Cu2+催化K2S2O8產(chǎn)生的OH·和SO4－引發(fā)鏈反應(yīng)；二是K2S2O8直接氧化Hg。研究表明[63]，在脫硫液中加入Fenton 試劑（Fe3+/H2O2）可以促進(jìn)單質(zhì)汞氧化為二價(jià)氧化態(tài)汞，從而被脫硫液吸收，提高WFGD的脫汞效率。也有研究者向煙氣中噴入臭氧，利用臭氧的強(qiáng)氧化性將Hg0氧化成Hg2+，然后通過(guò)脫硫裝置和除塵裝置除去。該方法的突出優(yōu)點(diǎn)是在氧化汞的同時(shí)可以氧化煙氣中的SO2和NOx，而且汞的氧化效率比較高。

5 其它脫汞技術(shù)

除了前面已經(jīng)介紹的幾種煙氣脫汞技術(shù)外，還有其它的脫汞技術(shù)。例如溶液吸收法脫汞技術(shù)、光催化氧化技術(shù)、臭氧法氧化單質(zhì)汞技術(shù)、等離子體技術(shù)等。溶液吸收法脫汞技術(shù)在許多企業(yè)中已經(jīng)被采用，是一種比較成熟的脫汞技術(shù)。目前主要的溶液吸收法有高錳酸鉀溶液吸收法、次氯酸鈉溶液吸收法、硫酸-軟錳礦液體吸收法、碘-碘化鉀溶液吸收法、過(guò)硫酸銨溶液吸收法、氯化法和硫化鈉法。溶液吸收法脫汞速率快、凈化效率高、溶液濃度低、不易揮發(fā)、沉淀物少且比較經(jīng)濟(jì)[3]。光催化氧化技術(shù)是利用紫外光（UV）照射含有TiO2的物質(zhì)，TiO2對(duì)汞的捕捉效果不明顯，只有加以低強(qiáng)度的紫外光照射，Hg0在TiO2表面氧化為Hg2+并與TiO2結(jié)合為一體，就能表現(xiàn)出很好的去除汞能力。光催化提高了汞的氧化，使煙氣通過(guò)時(shí)發(fā)生光觸媒催化氧化反應(yīng)將Hg0氧化為Hg2+，并改善了汞與吸附劑的結(jié)合，處理效果可達(dá)到99%[64]。但該項(xiàng)技術(shù)的成本比活性炭脫汞技術(shù)還高，因此該技術(shù)的工業(yè)化比較困難。近二十年來(lái)，西方發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)等離子體技術(shù)應(yīng)用于燃煤煙氣綜合治理進(jìn)行了大量研究，可用于控制SO2、NOx等污染物的排放。目前也有國(guó)內(nèi)外學(xué)者等離子體技術(shù)用于汞的脫除方面[65]，這些技術(shù)目前尚處于試驗(yàn)開(kāi)發(fā)階段需要進(jìn)一步深入研究。美國(guó)Nolan[66]以專利形式提出把氯化物和硫化物添加到煙道氣噴淋裝置中可以 HgS沉淀的形式除去 Hg0和Hg2+，總汞脫除率可接近100%，效果非常理想。

6 結(jié) 語(yǔ)

汞對(duì)環(huán)境的影響越來(lái)越引起人們的關(guān)注，如何更好地控制和脫除煙氣中的汞也必將成為一個(gè)重要的研究課題?，F(xiàn)有煙氣脫汞技術(shù)比較多，但多處于機(jī)理探索或技術(shù)研發(fā)階段。改性活性炭吸附脫汞技術(shù)是目前研究較多的，但由于該類吸附劑易被堵塞失活，吸附劑的再生困難，造成成本增大，從而使該項(xiàng)技術(shù)工業(yè)化難以實(shí)現(xiàn)。對(duì)于煙氣脫汞技術(shù)的進(jìn)一步研究，以下觀點(diǎn)可供參考。

（1）由于活性炭成本比較高，目前研究重點(diǎn)集中在新型、價(jià)格低廉的吸附劑開(kāi)發(fā)方面。飛灰、礦物類材料的吸附效率不如活性炭好，但其成本低，經(jīng)過(guò)改性后效率有明顯提高，因此對(duì)改良吸附劑的開(kāi)發(fā)是今后研究的一個(gè)重要方面。

（2）在現(xiàn)有的 SCR脫硝基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)新型催化劑實(shí)現(xiàn)同時(shí)脫硝和汞的氧化，增加煙氣脫硫（FGD）對(duì)汞的去除率，該工藝在除汞方面具有很大的潛在空間。

（3）濕法脫硫裝置不能除去單質(zhì)汞，因此開(kāi)發(fā)新型氧化劑，向煙氣中或濕法脫硫裝置添加新型氧化劑有利于利用現(xiàn)有的濕法脫硫裝置進(jìn)行同時(shí)脫硫脫汞。

（4）應(yīng)加強(qiáng)對(duì)吸附劑脫汞和催化氧化脫汞反應(yīng)機(jī)理的研究，為提高脫汞效率研究提供理論基礎(chǔ)。

（5）新興的多污染控制技術(shù)也值得關(guān)注，應(yīng)將重點(diǎn)放在多種污染物同時(shí)脫除的相互影響機(jī)理研究方面。

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Research progress of removal of mercury from coal-fired flue gas

HAN Fennü1，2，ZHONG Qin1
（1School of Chemical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，Jiangsu，China；2School of Chemical and Biological Engineering，Yancheng College of Technology，Yancheng 224003，Jiangsu，China）

X 701.7

A

1000–6613（2011）04–0878–08

2010-09-05；修改稿日期：2011-01-22。

韓粉女（1978—），女，講師，博士研究生。聯(lián)系人：鐘秦，教授，博士生導(dǎo)師。E-mail zq304@mail.njust.edu.cn。