活性焦煙氣脫汞的試驗研究與數值模擬

苗文華，白中華，史亞微，石長江，趙玉冰，馬辰騰

(1.北京國電富通科技發(fā)展有限責任公司，北京 100070;2.國網電力科學研究院，江蘇 南京 210003)

煤燃燒是環(huán)境污染的主要人為來源之一，燃煤排放的大氣污染物數量約占燃料燃燒排放總量的96%，大氣中90%的SO2、70%的NO 以及45%的汞均來自煤炭的直接燃燒。Lipfert 等［1］對燃煤排放汞對人的危害性進行評估后認為，1000 MW 電站鍋爐汞的排放可使附近居民食用魚中甲基汞水平增加一倍。近年來，利用各種吸附劑脫除煙氣中單質汞的研究很多，目前最為普遍的技術是噴射粉末活性炭法［2］。但由于活性炭運行成本高，經濟性較差，限制了其大規(guī)模推廣。褐煤活性焦是一種類似于活性炭的炭質材料吸附劑。褐煤活性焦價格低廉，以其良好的孔隙結構、豐富的表面基團、同時有負載性和還原性，是一種理想的煙氣凈化劑。

本文采用固定床吸附系統(tǒng)對自制的褐煤活性焦的脫汞性能進行了試驗研究，在此基礎上建立了固定床吸附系統(tǒng)的數學模型，并通過Matlab 對模型進行了計算，與試驗結果進行了對比。

1 試驗條件

1.1 試驗樣品及設備

試驗樣品:選取1 種顆粒吸附劑，3號吸附劑－－活性焦(自制)。

試驗設備:QM201H 熒光測汞儀，SKW 型數顯控溫儀，CS2000 質量流量控制器，電熱恒溫水浴鍋，汞滲透管等，尾氣吸收采用KMnO4－H2SO4［3］混合溶液吸收劑。

1.2 試驗流程

活性焦脫汞試驗流程如圖1所示。

圖1 活性焦脫汞試驗流程示意

模擬煙氣由N2、O2、SO2、NO、NO2、N2+Hg 等按試驗條件進行配比，試驗所用氣體均用質量流量控制器精確控制。試驗時，固定床豎直放置，吸附劑至于石英砂上，上部用脫脂棉塞上，脫脂棉既能防止吸附劑被氣體吹出，又能起到緩沖煙氣流作用，減少吸附劑層因氣流擾動而導致的變形。采用QM201H燃煤煙氣測汞儀和德國RBR 益康多功能煙氣分析儀實現SO2、NO、NO2、CO2、Hg 等濃度的實時測量。以各污染物通過載有吸附劑的固定床前后的濃度計算其吸附率。

2 試驗結果與分析

2.1 汞入口濃度對汞吸附性能的影響

試驗研究了10 ng/min、40 ng/min 汞滲透管，在110 ℃，0.2 mm，40 mg 下3號活性焦吸附劑的吸附效率，試驗結果如圖2所示。

從圖2可知，隨著Hg0的入口濃度的增加，吸附劑的吸附量也在增加，3號吸附劑由初始吸附效率的26.68%提高到53.12%。燃煤鍋爐煙氣汞排放的實際水平受到多種因素的影響，煤種、反應條件、氣體成分、煙氣溫度、飛灰成分等比較復雜。因此對于不同的排放水平，控制方法也有所不同。在實際應用中，對于不同的Hg0排放水平，需要調整改變吸附劑的用量以達到較好的吸附效果。

圖2 各吸附劑汞吸附效率曲線

2.2 吸附劑質量對吸附性能的影響

采用粒徑為0.2 mm，質量分別為40 mg、80 mg的3號吸附劑進行試驗，吸附溫度為110 ℃。汞滲透管滲出量為10 ng/min，試驗結果如圖3所示。

圖3 不同質量3號吸附劑吸附曲線

從圖3可以看出，在汞濃度一定的情況下，隨著吸附劑量的增加，吸附效果有一定的提高。3號吸附劑在40 mg 時的吸附效率為26.68%，而在80 mg時吸附效率提高到43.2%。當氣相的痕量元素到達固體反應物表面且被吸附后，氣體分子由原來的空間自由運動變成表面層上二維運動，運動的自由度減小，氣體分子首先會吸附到活性位上，當所有的活性位占滿后，其余的氣體分子會在固體表面范德華力的吸引下發(fā)生物理吸附。因此，當活性炭量較少的時候，含氧官能團迅速消耗，短時間內汞的去除效率就開始降低。而隨著活性炭量的增加，含氧官能團的量也隨之增加，其消耗速度相對降低，吸附效率也相對提高［4］。

2.3 煙氣成分對吸附效率的影響

取粒徑為0.2 mm 的3號吸附劑40 mg 進行試驗，吸附溫度110 ℃。汞滲透管滲出量10 ng/min。分別試驗在SO2、NO 和SO2+NO 共同存在下吸附劑的吸附效率，試驗結果如圖4所示。

圖4 不同煙氣成分對3號吸附劑吸附曲線的影響

從圖4中可知，3號吸附劑在不同煙氣成分下影響規(guī)律為SO2≈NO ＞SO2+NO ＞N2，3號吸附劑加入SO2氣體后由純N2時26.68%的吸附效率提高到40%左右;加入NO 后，由純N2時26.68%的吸附效率提高到36%左右;在NO +SO2共同存在時吸附效率比純N2氣時有所提高，但低于SO2、NO單獨存在時的吸附效率［5－7］。

3 數學模型

3.1 固定床模型的吸附步驟

在活性焦填充床內，氣固體系吸附過程主要有幾個步驟:(1)外部擴散。吸附質在活性炭間的軸向擴散，即吸附劑在周圍氣體相中的被吸附組分，通過附在吸附劑外表面的薄氣體層分子擴散;(2)膜擴散。由氣體主體擴散到吸附劑表面，吸附質穿過氣體膜后到達固體吸附劑表面;(3)內擴散。由吸附劑孔內氣相擴散向吸附劑中心的內擴散，在大多數情況下支配整個過程的作用，被吸附組分從固體表面進入其微孔道，在微孔道的吸附流體相中擴散到微孔表面。吸附已進到微孔表面的被吸附組分被固體吸附劑吸附，從而完成吸附。解吸時，被吸附物質則經過與上述相反的過程向吸附劑外移動，從而完成脫附(4、5、6)。

3.2 固定床模型方程的建立

基于Langmuir 理論建立無限長圓柱形吸附劑填充的數學模型，對吸附過程建立質量平衡方程。假設煙氣中的汞含量的減少完全是由吸附劑所吸收，則可以得出:

式中:K 為Langmiur 吸附常數，m3/μg;Q 煙氣流量，m3/s;cb煙氣中的汞濃度，μg/m3;cp吸附劑顆?？變炔康墓瘽舛龋蘥/m3;cave，p吸附劑顆?？變炔康墓骄鶟舛龋蘥/m;qp、qave，p、qmax分別為吸附劑的吸附量、平均吸附量和最大吸附量，μg Hg/g of sorbent;rp吸附劑顆粒直徑，cm;ρp吸附劑的表觀密度，g/cm3;εp吸附劑顆粒的孔隙率，空體積分數;mc活性炭給料量，g/s;t 為時間變量，s。

當把吸附劑顆?？醋魇且粋€半徑為R 的球體時，對于其中一個半徑為r～r 十△r 的球殼來說，按其物料平衡，根據斐克第二定律可得下式:

整理后，上式可變?yōu)?

經過查表和計算，得出某溫度條件下，氣態(tài)汞在空氣中的分子擴散DHg，如表1所示。

表1 氣態(tài)單質汞在空氣中的分子擴散系數

對表1中數據進行線性擬合，得到溫度Temp和DHg之間的擬合關系，DHg=0.01011× Temp +0.99966，25 ＜Temp ＜172，R =0.99658。吸附系統(tǒng)的物料質量平衡方程和氣相和吸附相平衡關系方程組成了一組雙曲型偏微分方程組，通過解這組方程組，來進行模擬計算。

表2 膜傳質系數

3.3 Matlab 計算結果

通過Matlab 模型計算，計算結果與試驗結果基本的吻合，計算的活性焦脫汞效率要優(yōu)于試數值，計算的理想狀態(tài)下的吸附效率，實際情況會有所降低。Matlab 模擬計算與試驗結果對比見圖5～7。

圖5 10 ng 汞滲透管3號吸附劑模擬與試驗結果對比

圖6 40 ng 汞滲透管3號吸附劑模擬與試驗結果對比

圖7 10 ng 汞滲透管80 mg 3號吸附劑模擬與試驗結果對比

4 結語

褐煤活性焦制備工藝簡單，價格低廉，且對煙氣中Hg0具有一定的吸附性，在燃煤煙氣汞控制的應用方面有著很大的潛力。主要結論:隨著Hg0的入口濃度的增加，活性焦吸附劑量的增加，活性焦吸附汞的量也在增加。在實際應用中，對于不同的Hg0排放水平，需要調整改變吸附劑的用量以達到較好的吸附效果;煙氣成分對自制活性焦吸附劑吸附汞存在的規(guī)律為:SO2≈NO ＞SO2+NO ＞N2。SO2和NO 的存在對活性焦脫汞有一定的促進作用，二者共同存在時比單獨存在時吸附效率有所降低;固定床吸附系統(tǒng)模型計算結果與試驗結果基本吻合，但模擬的活性焦脫汞效率要優(yōu)于試驗數值，這是因為模擬計算的是理想情況下的吸附效率，實際情況會有所降低。

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