活性炭粉末與飛灰在垃圾焚燒廠布袋除塵器上脫汞的實驗研究

劉榮春

（福建龍凈環(huán)保股份有限公司，福建 龍巖）

垃圾焚燒所釋放的汞是重要污染性物質(zhì)，對生態(tài)環(huán)境的危害較大。垃圾焚燒時，大多數(shù)汞元素會通過揮發(fā)進(jìn)入氣相，留在飛灰及底灰中的汞則具有穩(wěn)定性強(qiáng)、溢出率低的特征。氣相汞進(jìn)入大氣后會被人體吸入，或是在干濕沉降中滲入土壤及水體，會通過農(nóng)作物或飲用水而間接危害人體。為此，有必要利用布袋吸附裝置展開脫汞實驗，探尋氣相汞污染控制的有效路徑。

1 實驗裝備及方法

1.1 實驗裝備

1.1.1 實驗裝置及主要設(shè)備

脫汞實驗主要采用布袋除塵器裝置，吸附劑添加到裝置上安裝的布袋中，用于吸附氣態(tài)單質(zhì)汞[1]。實驗所用儀器主要是特制的汞滲透器及布袋除塵器吸附裝置，汞滲透器要具備較強(qiáng)的滲透率，在水浴溫度100 ℃時，其滲透率應(yīng)能達(dá)到3 100 ng/min。同時，應(yīng)采用由石英法蘭及纖維氈濾布兩部分結(jié)構(gòu)組成的布袋除塵吸附器。布袋除塵器裝置結(jié)構(gòu)見圖1 所示。

圖1 布袋除塵器裝置結(jié)構(gòu)示意圖

1.1.2 實驗輔助器具

脫汞實驗要應(yīng)用功率為1 050 w、溫度范圍為RT+10～250 ℃的恒溫鼓風(fēng)干燥箱，功率2 kw 且溫控范圍為RT+5～100 ℃、溫度偏差不超過0.5 ℃的溫水浴鍋，檢測下限低于0.03 μg/L、測量范圍介于0.01 μg/L 與100 μg/L 之間的熒光測汞儀，并需兩只量程范圍分別為0.06～0.6 m3/h、0.001 8～0.018 m3/h 的玻璃轉(zhuǎn)子流量計，還要準(zhǔn)備精度為0.01/0.1 mg、量程為105 g 與210 g 的電子天平。

1.1.3 實驗材料與試劑

本 次 實 驗 需 應(yīng) 用 規(guī) 格 為137-022-0030-S56-C100 的汞滲透管及木質(zhì)、煤質(zhì)、椰殼三種活性炭粉末，這些粉末的粒徑均為200 目，但比表面積分別為1 450 m2/g、1 100 m2/g、800 m2/g，孔容積分別是1.05 cm3/g、0.95 cm3/g、0.90 cm3/g。還要準(zhǔn)備克重為500 g/m2、透氣性為90 m3/m2/S 的纖維氈濾布及純度高于99%的氯化亞錫、高錳酸鉀及重鉻酸鉀，另需應(yīng)用濃硫酸分析純，其純度應(yīng)介于95%與98%之間。此外，還要準(zhǔn)備優(yōu)級純級別的濃硝酸、濃度高于99.999%的高純氮氣以及粒徑為200 目的飛灰[2]。

1.2 實驗與分析方法

1.2.1 實驗方法

1.2.1.1 預(yù)處理吸附劑 實驗前稱量不同重量的活性炭粉末與飛灰，裝入研缽中研磨成粉，制成比例不同的炭灰混合物。再將之放入烘箱，以120 ℃溫度加熱烘干8 h，將烘干得到的吸附劑放入恒溫鼓風(fēng)干燥箱中備用。

1.2.1.2 制備煙氣 將與兩個尾氣吸收瓶相連通的閥門開啟，閉合其他閥門，再將鋼瓶打開，通過調(diào)節(jié)氣體流量計調(diào)整空氣流量，而后開啟電熱恒溫水浴鍋，加熱生成相應(yīng)濃度汞蒸汽會隨潔凈空氣從滲透管中滲出，并與另一管管路空氣混合，在恒溫鼓燥箱中加熱后會生成煙氣，其流量值應(yīng)達(dá)到1.0 L/min。

1.2.1.3 汞初始濃度測定 待氣流穩(wěn)定一段時間，可關(guān)閉與兩個尾氣吸收瓶連通的閥門，再開啟U 形瓶與布袋之間的第一個閥門及與吸收瓶串聯(lián)的閥門，再從串聯(lián)吸收瓶中提取高錳酸鉀及硫酸樣品，取樣間隔為10 min，取樣后立即測定汞濃度，取樣測定三次后，若測定值一致，說明汞初始濃度相對穩(wěn)定，之后便可開展吸附試驗。

1.2.1.4 吸附反應(yīng) 將稱量后的吸附劑均勻加入布袋吸附器的布袋中，閉合與兩尾氣吸收瓶及兩吸收瓶相連的兩個閥門，并開啟其他閥門，以便氣體向反應(yīng)器中流入，之后利用兩串聯(lián)吸收瓶吸取反應(yīng)后產(chǎn)生的氣體。然后閉合與單獨吸收瓶連接的閥門，開啟與兩吸收瓶相連的閥門，取樣完成后再將這兩個閥門恢復(fù)到之前的狀態(tài)。若脫汞效率不足75%，需將吸附劑倒出并添加到吸附裝置中，重新開始脫汞實驗[3]。

1.2.2 分析方法

1.2.2.1 分析前處理 利用冷原子吸收光譜測定吸收瓶中提取溶液的含汞量，先將液體倒入采樣管，再滴入濃度為10%的鹽酸羥胺溶液，待采樣管中顏色消退后搖勻并靜止10 min，氯氣及氯化物釋放完成后，加入HNO3溶液定容，加入量應(yīng)為0.1 mol/L。與此同時，需準(zhǔn)備空白樣品，取空試管加入濃度為32%的高錳酸鉀與濃度為10%的硫酸混合液10 ml，褪色及定容后放置10 min 便可應(yīng)用。

1.2.2.2 分析步驟 檢查并處理反應(yīng)瓶中的殘液，之后初始化測汞儀，關(guān)閉壓力表調(diào)節(jié)旋扭及載氣流量計，同時開啟屏蔽氣流量計，再打開鋼瓶總閥，通過調(diào)控壓力表調(diào)整載氣量及屏蔽氣流量計值。15 min 后氣源流量穩(wěn)定時，可開啟泵開關(guān)，將5 ml 試樣及1 ml濃度為10%的氯化亞錫溶液添加到反應(yīng)瓶中，在顯示屏處于峰值狀態(tài)時啟動測量，高純氮流入反應(yīng)瓶中后均勻攪拌試樣及氯化亞錫溶液，再使汞蒸汽流入熒光池，并記錄最高峰值數(shù)據(jù)。每種樣品實施三次檢測并繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，再從曲線上取三次檢測的平均值[4]。

2 基于布袋除塵器的活性炭粉末與飛灰脫汞實驗

2.1 純活性炭粉脫汞實驗

80 ℃吸附溫度條件下，取0.3 g 純活性炭粉末，初次吸附壓取值為1.32 KPa，將活性炭粉末厚度控制為1.7 mm，以2 m/min 的速度進(jìn)行吸附過濾。純活性炭粉末脫汞效率詳見圖2。

圖2 純活性炭粉末脫汞效率

初次吸附時，前85 min 時段的脫汞效率達(dá)到了99.1%，脫汞效率高于75%的吸附時間段共計575 min，脫汞效率最快的時間段是85 min～215 min 之間，隨后脫汞效率逐漸降低。前四次重復(fù)吸附的脫汞效率均比初始吸附低，脫汞效率高于75%的時間分別為305 min、225 min、144 min、95 min，5 至85 min內(nèi)的平均脫汞效率分別為88%、84%、84%、78%。在初次吸附結(jié)束時，脫汞效率雖已降至75%之下，然而重復(fù)脫汞實驗時，又出現(xiàn)了較高的脫汞效率。這是由于重復(fù)脫汞時，翻動活性炭粉末后，部分沒有充分接觸到汞原子的活性位對汞產(chǎn)生了吸附作用。重復(fù)吸附后，活性位越來越少，至第五次重復(fù)吸附時，脫汞效率為75%的時間還不足10 min。

2.2 純飛灰脫汞實驗

在80 ℃吸附溫度條件下開展飛灰脫汞實驗，加入純飛灰量應(yīng)為0.3 g，厚度調(diào)整為0.8 mm，壓降取值為0.67 Kpa，純飛灰脫汞效率見圖3 所示。初次吸附的前5 min 脫汞效率為34.2%，持續(xù)85 min 時，脫汞效率平均值為19.3%，而脫汞165 min 后，純飛灰對汞的吸附力完全喪失，此時脫汞效率降至0。由此可見，煤炭燃燒得到的飛灰對于煙氣中垃圾焚燒所產(chǎn)生煙氣中的汞吸附能力并不強(qiáng)，對氣態(tài)汞的吸附容量較低，脫汞效率遠(yuǎn)低于純活性炭粉。飛灰脫除氣態(tài)汞依靠的是其表面氧化物的吸附特性，對于氣態(tài)汞并不具備良好的物理吸附作用。本次實驗所用飛灰來源于燃煤電廠的粉煤灰，燃燒時有金屬或非金屬氧化物，對氣態(tài)汞起到了化學(xué)吸附作用，但吸附速率較慢，達(dá)到吸附平衡所需耗費時間較長[5]。

圖3 純飛灰脫汞效率

2.3 活性炭粉末與飛灰混合脫汞實驗

為驗證純活性炭粉末飛灰混合物脫汞的效果，本文在純活性炭粉末的基礎(chǔ)上添加了四種不同比例的飛灰，利用制成的混合物在80 ℃吸附溫度下展開實驗，添加混合物量仍為0.3 g，但添加飛灰比例為20%、50%、80%、95%時，混合物厚度分別是1.5 mm、1.2 mm、1 mm、1 mm，四次吸附實驗壓降取值分別為1.05 KPa、0.90 KPa、0.79 Kpa 與0.76 Kpa。飛灰添加比例不同情況下，脫汞效率各不相同，前85 min 分鐘脫汞效率均值分別為95%、85.3%、82.5%、59.6%，脫汞效率高于75%的吸附時間長度分別是415 min、235 min、115 min、15 min（詳見圖4）。并且相同飛灰添加比例下，重復(fù)吸附次數(shù)越多，脫汞效率平均值越低，脫汞效率為75%以上的持續(xù)時也越短。

圖4 活性炭粉末與不同比例飛灰混合物脫汞效率

3 實驗結(jié)果分析

3.1 不同混合比炭灰混合物脫汞實驗的汞吸附量對比

統(tǒng)計活性炭粉末與飛灰配合比例不同的混合物脫汞效率高于75%的單位質(zhì)量活性炭粉末累積汞吸附量（見圖5）時發(fā)現(xiàn)，飛灰添加量為20%時，汞累積吸附量是196.1 μg Hg/g AC，而摻灰比例為95%時，汞累積吸附量僅為21.7 μg Hg/g AC。說明隨著摻飛灰量不斷增加，汞的累積吸附量逐步降低，這是由于含汞煙氣經(jīng)過上層活性炭粉末濃度最高，其與汞接觸時間長，反應(yīng)時間多，而流至下層時，活性炭吸附作用變小，接觸時間較短，因而活性炭粉末利用不夠充分，會因此降低活性炭粉末整體利用率。而混合物中飛灰摻加比例越低，活性炭粉末含量越高，脫汞效率高于75%的時間越長，活性炭粉末利用率越高。

圖5 活性炭粉加不同比例飛灰混合物的累積吸附量

3.2 80 ℃溫度條件下純活性炭粉末飽和吸附量分析

吸附溫度為80 ℃時，純活性炭粉末飽和吸附量實驗中，只添加了0.05 g 活性炭粉末，此粉末的初始濃度值為208.8 μg/m3，厚度為0.28 mm，壓降設(shè)置為0.17 KPa。根據(jù)脫汞效率、初始濃度吸附劑質(zhì)量可計算出純活性炭粉末的飽和吸附量。分析飽和吸附曲線（見圖6）的變化規(guī)律發(fā)現(xiàn)，活性炭粉末需要經(jīng)過23 min 的時間才可達(dá)到飽和，且80 ℃吸附溫度條件下吸附飽和量為1.67 mg/g，而布袋除塵器上脫汞效率高于75%時，活性炭粉末的重復(fù)吸汞量為0.20 mg/g，在總飽和吸附量中占比僅為11%，說明脫汞效率降至75%以下時，仍具備較強(qiáng)吸附能力，如果繼續(xù)添加新活性炭粉末，可增強(qiáng)其吸附能力，利于提高活性炭粉末利用率，能夠提升活性炭粉末對汞的脫除率。

圖6 80 ℃吸附溫度下純活性炭粉末的飽和吸附效率曲線

4 結(jié)論

通過實驗發(fā)現(xiàn)，純活性炭粉較飛灰的脫汞效果更佳，不僅脫汞效率較快，吸附時間也更長。而將兩種物質(zhì)摻加到一起，在飛灰摻加比例逐步升高的情況下，脫汞效率高于75%的吸附時間越短，這說明純活性炭粉末含量的高低是汞脫除效率高低的關(guān)鍵影響因素。而80 ℃吸附溫度下活性炭粉末的汞吸附飽和量為1.67 mg/g，此時可通過繼續(xù)添加活性炭粉末提升脫汞成效，從而取得更為理想的脫汞效果。