新的效率高脫汞技術(shù)研究進展

焚燒煙氣脫汞技術(shù)一般都存在投資大、消耗原料高、汞脫除費用高等問題，所以有必要對現(xiàn)有技術(shù)進行改造或開發(fā)新的、效率高且綜合效益好的焚燒煙氣脫汞技術(shù)。焚燒煙氣脫汞技術(shù)可能的發(fā)展趨勢為：（1）在現(xiàn)有的PAC吸附方式中減少活性炭方面中的飛灰摻雜，提高活性炭粉末的利用率；（2）開發(fā)高效經(jīng)濟的新型吸附劑。對工業(yè)生產(chǎn)中的汞排放而言，應該同時優(yōu)化設(shè)備和提高吸附劑的利用率出發(fā)，推行清潔生產(chǎn)，提高吸附劑的吸附效率，設(shè)備的運行費用大大降低。

汞是一種重金屬，在常溫下是以單質(zhì)的形態(tài)存在大氣中，汞對人類及生物環(huán)境造成的危害極大。汞可以在生物中積累，在生態(tài)系統(tǒng)中循環(huán)，給人類及生態(tài)環(huán)境造成極大危害。王起超等人指出我國汞排放的主要來源是煤的燃燒，僅1995年我國燃煤汞排放量就達302t，其中70%的汞已經(jīng)排放到大氣中。Reimann等人通過對垃圾采樣調(diào)查指出，西方國家1噸垃圾所含汞量為2-5g左右，美國每年因垃圾焚燒排放汞量超過11t/年。我國近年來越來越多的大中型城市開始籌建垃圾焚燒電站，垃圾焚燒汞排放量將增加。因此煤燃燒和垃圾焚燒煙氣中汞污染已成一個不容忽視的問題。

一、 汞的來源

造成汞污染的來源主要是天然釋放和人為兩個方面。汞的天然來源包括火山與地熱活動、土壤釋汞、自然水體釋汞、植物表面的蒸騰作用、森林火災等。汞的天然釋放的汞形態(tài)主要為氣態(tài)單質(zhì)汞（Hg0），從已報道的研究結(jié)果來看，全球通過自然釋汞每年向大氣的排汞量約為3000～5000t。

從局部環(huán)境污染來看，人為的來源占絕大部分，汞污染的人為來源主要是礦石燃料的燃燒、城市固體垃圾焚燒、汞礦和其他金屬冶煉等。目前全球人為活動每年向大氣排汞2000～2600t，其中有色金屬冶煉、煤燃燒和垃圾焚燒時最大的汞源，分別占總釋汞量的53%、39%和2%。可見焚燒煙氣汞污染排放的控制是21世紀的重大問題。

二、焚燒煙氣中汞的產(chǎn)生機制

在煤和垃圾焚燒過程中，煤和垃圾中的汞將蒸發(fā)釋放以汞蒸氣的形態(tài)存在于煙氣中。在通常的爐膛溫度范圍內(nèi)，元素汞時汞的熱力穩(wěn)定形式，而大部分汞的化合物是不穩(wěn)定的，他們將分解成元素汞。因此，在爐膛內(nèi)的高溫下，幾乎所有煤和垃圾中的汞轉(zhuǎn)變成元素汞隨煙氣排到大氣中。

焚燒煙氣在煙囪的流動過程中，經(jīng)過冷卻設(shè)備的換熱以后，焚燒煙氣溫度逐漸降低，煙氣中的元素汞在低溫情況下可以與煙氣中的O2、HCl、氯氣發(fā)生化學反應，反應產(chǎn)物是HgO和HgCl2。

三、 國內(nèi)外焚燒煙氣脫汞技術(shù)現(xiàn)狀

對于焚燒煙氣的脫汞，研究者們提出了多種控制方法，目前常見的方法有：電暈放電等離子體法、電催化氧化聯(lián)合處理法、脫硫裝置（或除塵裝置）除汞法、吸附法等。

等離子體法和催化氧化聯(lián)合處理法不但除汞成本高而且設(shè)備運行的穩(wěn)定性和安全性差，在工業(yè)上的應用也受到限制。雖然脫硫裝置（或除塵裝置）除汞方法成本低，但除汞效率較低。濕法脫硫裝置（WFGD）可以將溶于水的Hg2+去除，但對不溶于水的Hg0去除效果差，總的脫汞效率在50%左右。

單靠現(xiàn)有脫硫和除塵設(shè)備脫汞效率不高。為了提高脫汞效率，又充分利用這些設(shè)備，目前工業(yè)上應用一種經(jīng)濟有效的方法是與吸附劑法結(jié)合。

（一）飛灰吸附法

飛灰是煤和城市固體垃圾焚燒的副產(chǎn)物，使用成本低。飛灰可以吸附煙氣中的Hg，飛灰主要通三種方法吸附煙氣中的汞：化學吸附、物理吸附、化學反應和三者的結(jié)合。飛灰先吸附Hg0，當達到動態(tài)平衡時，和煙氣中的酸性氣體（主要是SO2、HCl和NOx）之間發(fā)生復雜反應，把煙氣中的部分Hg0氧化為Hg2+，而Hg2+可以溶解到WFGD的漿液中。飛灰的含碳量和飛灰的粒徑（飛灰的粒徑越小，比表面積越大，吸附效率越高）會影響飛灰吸附汞的效率。

雖然飛灰對汞有吸附能力，但是吸附效果并不理想，。目前飛灰對Hg的吸附應用還不夠廣泛，目前還只是處于試驗研究階段，因此，飛灰吸附法還需要進一步的研究。

（二）鈣基吸附法

鈣基類吸附劑主要有CaO、Ca（OH）2、CaCO3、CaSO4·2H2O、CaSO4·1/2H2O和CaSiO3。鈣基吸附劑對煙氣中的二價汞有很好的吸附作用，但是對Hg0吸附效率很低，因此鈣基吸附劑的脫汞效率與燃煤煙氣中二價態(tài)汞中所占的比例有很大關(guān)系。雖然鈣基類吸附劑制備和運行成本較低，但是脫汞效率限制了此吸附劑的廣泛使用。

（三）礦石類吸附劑吸附法

礦石類的汞吸附劑主要有三種：蛭石、沸石和膨潤土。蛭石是一種復雜的含水、鐵、鎂、鋁、硅酸鹽類礦物；沸石是一種鋁硅酸鹽礦物，由含水堿或堿土金屬組成。金屬膨潤土是天然納米吸附材料，主要成分是蒙脫石。他們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和化學性質(zhì)比較獨特，多種無機化合物都可進入他們的陰離子格架空間，小分子易于在其內(nèi)部釋放和儲存，所以對水和其他分子可以的吸附是可逆的，同樣也可以和跟鹽類交換陽離子。

目前礦石類汞吸附劑用于焚燒煙氣脫汞汞污染研究較少。但是在我國，礦石類吸附材料價格低、儲量多，這給我們獲得廉價而高效除汞劑開辟了新方向。

（四）高分子化合物吸附材料

高分子化合物吸附材料主要有聚酯類多孔濾料、殼聚糖類、螯合配位體類等，利用這些高分子化合物吸附材料與汞之間的螯合作用來脫汞。

目前研究較多的是關(guān)于殼聚糖（Chitosan，CS）吸附，殼聚糖分子中含有大量的-NH2和-OH基團，具有弱堿性陰離子交換作用，其捕集性能比較強，對過度金屬釉良好的螯合作用。殼聚糖的反應活性基是氨基（-NH2），通過4個游離氨基與一個汞離子或汞原子螯合成環(huán)，或是2個游離氨基與兩個羥基螯合汞成環(huán)，從而完成對汞離子和汞單質(zhì)的吸附。

目前國內(nèi)外有關(guān)高分子化合物吸附材料方面的研究甚少，僅有的少數(shù)幾項研究也只是實驗室初探階段。

（五）貴金屬吸附法

貴金屬能夠吸附大量金屬汞和汞化合物，且吸附汞厚后的貴金屬在用高溫環(huán)境中又能夠脫附汞，脫附汞后的貴金屬吸附劑可再循環(huán)利用。實驗結(jié)果表明，貴金屬吸附劑在開始吸附時，脫除效率超過90%，脫汞時間增加，脫汞效率逐漸下降，吸附兩個月后，脫汞效率只有65%。貴金屬吸附劑除汞可以降低成本，減少有害物質(zhì)排放，因而是很有發(fā)展?jié)摿Φ摹?/p>

（六）活性炭吸附法

目前就吸附劑的汞吸附性能而言，活性炭吸附汞單質(zhì)是最有效的吸附技術(shù)?；钚蕴繉奈綍r一個多元化的過程，它包括吸附、凝結(jié)、擴散以及化學反應等過程，與吸附劑本身的物理性質(zhì)（顆粒粒徑、孔徑、表面積）、溫度、煙氣氣體成分、停留時間、煙氣中汞濃度、C/Hg比例等因素有關(guān)。

活性炭通過兩種注入方式來吸附煙氣中的汞，一是噴射活性炭粉末，二是將通過顆粒活性炭吸附床吸附。

將活性炭粉末直接噴入煙氣中，粉末活性炭與煙氣充分混合接觸后吸附煙氣中的汞，被下游的除塵器（如靜電除塵器或布袋除塵器）除去，雖然這種方法成本低，但活性炭粉末與其他燃燒粉塵混合在一起，不能再生，在汞濃度較低的煙氣中，汞與活性炭顆粒接觸機會少，活性炭利用率低，耗能大，材料使用成本高?；钚蕴课窖b置一般安裝在脫硫裝置（FGD）和除塵器之后，由于活性炭吸附裝置為煙氣排入大氣中的最后一個清潔裝置，所以除汞效果非常好，但是如果活性炭顆粒尺寸比較小時時候，會使系統(tǒng)的壓降增大，這樣會使設(shè)備的數(shù)量增加，運行費用增大。

這目前兩種活性炭脫汞方法法，應用最廣泛的技術(shù)是在煙氣中噴入活性炭顆粒（PAC）來脫除煙氣中汞，目前美國已將該技術(shù)用于垃圾焚燒爐脫汞處理，在中等碳汞比時它的脫汞率在90%以上。

（七）改性活性炭吸附

由于實際焚燒煙氣的溫度很高（140℃或更高），而活性炭在高溫條件下對汞的吸附能力較差，因此此技術(shù)需耗費大量的活性炭，代價昂貴。為了增強高溫下活性炭對汞的吸附能力，可利用適當?shù)幕衔镓撦d在活性炭粉末上，使之具有更強的化學吸附能力，并將已吸附的單質(zhì)汞轉(zhuǎn)化為化合態(tài)的汞。

活性炭的化學改性方法很多，主要有滲硫、滲氯、滲碘、滲溴、載銀等。改性后的活性炭表面空隙中形成了化學鍵，這些化學鍵可以跟汞單質(zhì)反應，且能防止活性炭表面的汞再次蒸發(fā)逸出，因而提高了吸附效率。例如活性炭中的硫在活性炭表面與單質(zhì)汞形成穩(wěn)定的化合物HgS。

然而，這些經(jīng)過化學改性后的活性炭吸附汞飽和后大多不可再生，汞飽和失效后即丟棄，在浪費資源的同時也使脫汞成本變高，且大量活性炭的改性成本也很高，從而造成除汞成本變得更高。（作者單位為湖南交通工程學院）