Fe2O3/硅藻土催化劑同時脫除煤氣中氣態(tài)Hg0和H2S

劉善和，沈園園，吳李瑞，王 佳，王樂強

（安徽國星生物化學有限公司，安徽省雜環(huán)化學重點實驗室，安徽 馬鞍山 243100）

煤氣化是煤潔凈、高效利用的重要技術，其中煤氣化過程中不可避免會產(chǎn)生Hg0和H2S等有毒有害污染物，嚴重污染環(huán)境，危害人體健康，因此必須加以處理。

汞在自然界中主要以三種形態(tài)存在，其中固態(tài)汞（Hgp）和二價汞（Hg2+）可用除塵裝置脫除，而氣態(tài)汞（Hg0）由于其低熔點、低水溶性和易遷移等特點，較難用現(xiàn)有的裝置脫除[1-2]。活性炭吸附法是人們研究較多的吸附劑吸附法[3]。其中經(jīng)過改性后的活性炭吸附劑大大提高了其脫除Hg0的能力[4-7]。H2S是一種無色、酸性、有臭雞蛋氣味的有毒氣體，在濕熱的條件下對管道和設備造成嚴重腐蝕。目前，對煤氣化過程中Hg0和H2S的脫除技術主要采用吸附劑吸附法，其中包括活性炭、金屬氧化物、新型吸附劑等[8]。Wang J C等[9]研究了三種商業(yè)鐵基催化劑對氣態(tài)Hg0和H2S的脫除影響，結果發(fā)現(xiàn)，氣態(tài)Hg0和H2S在脫除的同時，H2S又對Hg0的脫除起到了一定的促進作用。

本文主要是采用等體積浸漬法，結合硅藻土資源豐富、廉價易得和三氧化二鐵氧化活性高等特點，制備了一種新型的催化劑，并考查了Fe2O3的負載量、反應溫度、氣氛、空速以及氣態(tài)汞濃度對活性的影響。

1 實驗部分

1.1 催化劑的制備

硅藻土主要來源于吉林長白山地區(qū)，主要成分為SiO2，其中含有少量的 Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO 等物質(zhì)。本實驗主要是將硅藻土等體積浸漬在一定濃度Fe（NO3）2溶液中，攪拌，在室溫下靜置2h，55℃下干燥7h，110℃下干燥7h，接著在煅燒溫度為300℃的Ar氣氛下煅燒4h，制得所需要的Fe2O3/硅藻土催化劑。

1.2 同時脫除Hg0和H2S的實驗

本實驗主要是在固定床反應裝置上進行。如圖1所示，將催化劑緊密裝填在石英管的中間，兩端用石英棉固定，放在電阻爐的中間。由程序升溫儀控制反應溫度。實驗氣氛為模擬煤氣：15%CO，8%H2，500mg/L H2S，N2（平衡氣），O2。其中，氣態(tài)Hg0由汞滲透管（美國VICI公司）產(chǎn)生，通過控制水浴溫度和載氣N2流量，可以產(chǎn)生不同濃度的氣態(tài)Hg0。將混合后的載有氣態(tài)Hg0的模擬煤氣通入裝有催化劑的石英管，出口氣體通入測汞儀，測汞儀末端連有電腦，直接讀出數(shù)據(jù)，其中尾氣經(jīng)活性炭床吸收后排空。

催化劑對氣態(tài)Hg0的脫除效率為η，表示在一定時間內(nèi)催化劑對Hg0的吸附量與氣態(tài)Hg0的初始濃度的百分比。

其中，C0表示氣態(tài)Hg0的初始濃度，C1表示氣態(tài)Hg0的經(jīng)催化劑吸附后的濃度。

2 結果與討論

2.1 Fe2O3負載量的影響

圖1 固定床反應裝置

圖2表示了不同F(xiàn)e2O3負載量下的催化劑對煤氣中Hg0的吸附脫除的影響?？梢钥闯?，純的硅藻土對Hg0的脫除效率在20%～30%之間，隨著反應時間持續(xù)增加至12h，硅藻土對Hg0的吸附脫除能力有所下降。這主要是由于Fe2O3的負載量不同，催化劑表現(xiàn)出不同的吸附脫除Hg0的能力，且隨著負載量由2%增加至8%，反應6h，催化劑脫除Hg0的效率由42%增加至89%；而當負載量持續(xù)增加至12%時，脫除Hg0的效率由89%降至72%。其中，F(xiàn)e2O3/硅藻土催化劑的吸附脫除Hg0的能力始終強于純硅藻土，這主要是由于Fe2O3催化氧化和硅藻土吸附能力協(xié)同作用的結果[9]。

圖2 Fe2O3負載量對氣態(tài)Hg0脫除的影響

2.2 反應溫度的影響

圖3表示反應溫度對催化劑脫除Hg0和H2S的影響?？梢钥闯?，隨著反應溫度的增加，催化劑對Hg0和H2S的脫除能力先增加后減小。在低溫區(qū)50℃時，催化劑脫除Hg0和H2S的能力較差，當溫度高于200℃時，催化劑對Hg0和H2S的脫除能力迅速下降。從圖3可以看出，在相同的反應溫度和反應時間下，催化劑脫除H2S的能力始終強于脫除Hg0的能力。在反應溫度為150℃，反應6h時，催化劑脫除H2S和Hg0的效率分別為95%、87%。

圖3 反應溫度對氣態(tài)Hg0和H2S脫除的影響

2.3 氣氛的影響

圖4表示在不同反應氣氛下，催化劑對Hg0脫除能力的影響?？梢钥闯?，在純N2氣氛中，催化劑脫除Hg0的效率在40%～50%之間，在CO+H2氣氛中，催化劑脫除Hg0的效率比純N2氣氛中略高。而通入H2S氣氛，催化劑脫除Hg0的能力明顯增強，在反應6h時，脫除Hg0的效率為79%。當同時通入H2S和O2氣氛時，催化劑脫除Hg0的能力比只通入H2S平均高出10%左右，在反應6h時，脫除Hg0的效率為85%。當通入模擬煤氣（N2+CO+H2+H2S+O2）時，催化劑脫除Hg0的效率稍高于H2S+O2，在反應6h時，脫除Hg0的效率為89%。這表明CO和H2對催化劑脫除Hg0的效果影響不大，H2S和O2促進了反應的進行，這與文獻中描述的一致[9-10]。

圖4 氣氛對氣態(tài)Hg0脫除的影響

2.4 空速的影響

圖5表示在不同的空速條件下，催化劑對Hg0和H2S的脫除影響?？梢钥闯?，在低空速的條件下，催化劑脫除Hg0和H2S的能力較高，其中，催化劑具有良好的脫除H2S的能力。在空速為2000h-1時，催化劑反應6h脫除Hg0和H2S的效率分別為94%、96%。隨著空速增加至6000h-1時，脫除Hg0和H2S的效率降低到78%、89%，分別降低了16%、7%。這主要是由于低空速增加了Hg0和H2S與催化劑表面接觸時間，從而提高了Fe2O3在催化劑表面的利用率，進而提高了Fe2O3/硅藻土催化劑脫除Hg0和H2S的能力[11]。

圖5 空速對氣態(tài)Hg0和H2S脫除的影響

2.5 氣相Hg0濃度的影響

圖6表示在不同Hg0濃度下，催化劑對Hg0的脫除效果?？梢钥闯?，低Hg0濃度的條件下，催化劑對Hg0的脫除能力較好，反應12h時脫除效率仍能保持在80%左右。當Hg0濃度增加到300μg/m3，反應6h時，催化劑脫除Hg0的效率為68%，反應12h時，催化劑脫除Hg0的效率仍能保持在60%左右。

3 結論

圖6 Hg0的初始濃度對氣態(tài)Hg0脫除的影響

自制Fe2O3/硅藻土催化劑具有良好的脫除Hg0和H2S的能力。具體為：①Fe2O3/硅藻土催化劑對Hg0脫除的能力隨著Fe2O3負載量的變化而變化。當Fe2O3負載量為0%～12%時，催化劑脫除Hg0的效率先增加后減小，在8%的負載量下脫汞效率最佳，為89%；②在反應溫度為50℃～300℃時，催化劑脫除Hg0和H2S的能力先增加后減小，在150℃時，脫除Hg0和H2S的能力最好；③H2S和O2促進了脫除Hg0的效率；④低空速、低汞濃度下催化劑脫除Hg0的能力較好；⑤隨著反應時間的增加，催化劑脫Hg0和H2S的能力有所降低，但反應12h時，仍具有良好的吸附脫除能力。

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