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燃煤飞灰对锅炉烟道气中Ηγ0的吸附特性 王立刚彭苏萍陈昌和1清华大学热能工程系北京 1中国矿业大学资源开发工程系 北京 摘要在实验室模拟研究了燃煤飞灰颗粒组分对燃煤烟道气中气相 的吸附脱除特性试验结果表明 吸附 量随飞灰烧失量的增长而增大飞灰中不同类型介质的气相 吸附特性差异显著其中未燃尽炭的 吸附性 能最强吸附剂∞比表面积与其 吸附量呈正相关关系载气气相 浓度与 吸附量成非线性正相关关 系即 浓度为 ≅ 时的 吸附量只有 ≅ 的 吸附温度与 吸附量呈较显著负相关关系残炭 表面的含氧官能团≤有利于 的氧化和化学吸附燃煤飞灰炭粒所具有的多孔隙结构和巨大比表面积有 利于吸附脱除烟道气中 污染物 关键词燃煤飞灰未燃炭汞吸附 中图分类号 文献标识码 文章编号 222 基金项目国家杰出青年基金资助项目 作者简介王立刚 ∗ 男博士后讲师主要研究方向 为矿物加工技术和烟气有害物的传质吸附分离和 脱除等 收稿日期 22 修订日期 22 Τηε Εξπεριεντα λ Στυδψτο Ηγ0Αδσορπτιον οφ Φ λψΑση ιν Φ λυε Γασ ≥∏ ≤ ≤ 1 ⁄ ∞ ∏ √ ≤ 1 ⁄ ∏ ∞ ∞ ≤ ≤ Αβσ τραχτ ∏ ∏ ∏ ∏ ∏ ƒ ∏ ∏ ∏ ∏ √ ∏ ∏ ∏ 2 ∞ 2 √ 2 ≅ ≅ ∏ √ ≤ ∏ ∏ ∏ 2 ∏ ∏ ∏ ∏ ∏ 2 ∏ ∏ ∏ Κεψωορδσ ∏ ∏ 汞是煤中有害微量元素之一其煤中赋存 质量丰度平均约为 ≅ 主要与硫化矿物 如硫铁矿亲和≈煤中赋存的汞无论是单质 汞还是硫化汞等化合物在锅炉燃烧区内温度 超过 ε时几乎全部气化其蒸气体积分数 在1 ≅ ∗ ≅ 之间当燃烧区温度达 ε时 的汞转化为气相≈∞∏ 2 ∏≈预测在燃烧区后部 ∗ ε 部分 被氧化为气相≤其他测试数据也表明 随反应条件不同有 ∗ 的气相 被 氧化形成≤在温度低于 ε ∗ ε时 的氧化热化学反应停止进行 而燃煤电厂是汞污染物的重要排放源≈ 由于我国煤炭占能源结构比例大所以燃煤 污染更加突出对人类健康和环境有明显危害 及其化合物可通过呼吸道皮肤和消化道等 不同途径侵入人体造成神经性中毒和深部组 织病变而且汞毒性具有积累性往往需几年或 十几年才有表现所以燃煤汞污染越来越被人 们所重视 大量研究表明烟道气中气相 浓度与燃 煤飞灰及原料煤特性相关性显著大约 的 会因飞灰自吸附脱除效应而被脱除这可能 与飞灰中高残炭组分含量有关≈由此可见燃 煤飞灰的汞吸附反应特性对于汞污染控制有重 第卷第期 年月 环 境 科 学 ∞∂ ∞ ≥≤∞≤∞ ∂ √ 要意义特别飞灰中残炭组分含量表现为显著 因素本试验目的是研究燃煤飞灰中多孔及巨 大比表面积组分如未燃尽炭粒对燃煤烟道气 中汞蒸气的物理或化学吸附特性自脱除作 用 以探讨锅炉烟道气中燃煤飞灰颗粒组分对 气相 的捕捉吸附机理 1 燃煤飞灰颗粒组分的汞吸附特性试验 本实验测试研究种吸附剂样品的 蒸 气吸附特性如表 试验环境模拟电厂锅炉烟 道气热工条件试验装置示意见图 表1 汞吸附试验吸附剂性质 ≥ 测试项目 残炭 组分 残炭 组分 高烧失量 燃煤飞灰 残炭 质量分数 ∞比表面积 全硫质量分数111 高烧失量燃煤飞灰为石狮热电厂号炉电集尘器中灰残炭 组分为利用浮选柱工艺浮选出的飞灰未燃炭粒残炭组分 是通过小浮选得到的飞灰未燃炭粒 图1 汞吸附试验装置示意图 ƒ ≥ ∏ ∏ 其中给气部分由气瓶气瓶汞源 阀门和流量计构成配气在混合瓶内按比例混 合配气大约含 水蒸汽经蛇行管达到设定 温度吸附反应在悬挂于石英天平上的吸附床 上进行其中吸附剂样品置于石英盘中排气中 残余汞的吸附保障装置为活性炭吸收器试验 环境温度由温控水浴箱保证石英天平测量数 据由读数观察境读出温度范围 ε ∗ ε 调整气阀控制气流流速使气相汞体积分数为 ≅ 和 ≅ 吸附剂汞吸附量由试验前 后试样的重量差计算得出 2 试验结果分析 吸附温度 ε 气相 体积分数 ≅ 和 ≅ 条件下的 吸附特性见图和图 可见对于低气相 浓度 ≅ 吸附剂 的汞质量分数比高气相 浓度 ≅ 大 约低一半说明载气气相 浓度对 吸附量 的影响呈非线性 图2 70 ε 5 ≅ 10 − 7气相 Ηγ浓度下吸附剂 的Ηγ吸附特性质量分数 ƒ ≥ ∏ ε ≅ 图3 70 ε 5 ≅ 10 − 6气相 Ηγ浓度下吸附剂 的Ηγ吸附特性质量分数 ƒ ≥ ∏ ε ≅ 对比种吸附剂高烧失量燃煤飞灰样品 的 吸附能力最低比另外种吸附剂大约低 一个数量级而残炭组分和组分则表现出 相似吸附行为但总体上残炭组分的吸附量 环 境 科 学卷 略大于残炭组分 可能与残炭组分与残炭组 分微观结构的差异及表面化学性质有关 图显示出 ε 气相 浓度 ≅ 时 的 比表面积含量与吸附剂比表面积的关 系众所周知比表面积是表征吸附剂吸附特征 的一个重要物理量如果吸附剂比表面积是 吸附行为的决定性因素则像图及图中所 示的种吸附剂的 吸附量差异应减小但是 图中残炭组分和组分的 吸附特性曲 线无明显变化而高烧失量燃煤飞灰的 比 表面积含量仍然远小于残炭组分和组分大 约相差个数量级 这表明除了比表面积另 外还有影响 吸附行为的显著性因素如吸 附界面上活性基团的赋存状态会对化学吸附行 为产生重要影响 图4 70 ε 5 ≅ 10 − 7气相 Ηγ浓度下吸附剂 的Ηγ比表面积含量 ƒ ∏ ∏ ∏ ∏ ≅ ∏ ε 为研究吸附温度与 吸附特性的关系 采用高烧失量燃煤飞灰作吸附剂将温度提高 至 ε 在气相 浓度 ≅ 条件下测得 吸附特性曲线并与其 ε下的条不同浓 度吸附曲线作比较如图 可见吸附温度与 吸附量呈负相关关系 3 残炭表面化学性能的影响 残炭的表面化学性质由其表面化学组成决 定残炭不同于石墨金刚石这类由有序碳元素 构成的碳材料是由近程有序远程无序的炭元 素构成并以乱层石墨晶体的形式存在在炭晶 体表面不完整石墨层处如晶体的棱边位错等 缺陷处存在未饱和价或未成对电子由此产生 的活性中心具有一定的极性能与外界的分子 和基团作用生成表面官能团并对活性炭材料 的表面化学性质产生影响 图5 不同温度及气相Ηγ浓度下吸附剂 的Ηγ吸附特性 ƒ ∏ ∏ ∏ ∏ 残炭组分和组分的≤ 峰形状相似且 均可解迭为个键能相近的峰表明二者的表 面含氧官能团种类相同键能从 到∂依次增大对应的基团分别为石 墨化碳≤ ≤≤ 和Πψ Π3各个 峰的相对含量见表 可见类残炭表面上的 ≤ 与≤的区别最明显残炭组分上 的≤ 官能团数量少于组分 而≤官 能团的情况正相反由于≤ 基团具有较强 表2 残炭组分1和组分2的ΞΠΣ Χ λ σ拟合结果 ≥ ∏ √ 2 ≤ 官能团 残炭组分残炭组分 键能 ∂ 相对含量 键能 ∂ 相对含量 ≤ ≤ ≤ ≤ ≤ Πψ Π3 期环 境 科 学 的还原性 ≤的氧化性较强≈可作为吸附 氧化 的活性中心≈是组分在 化学吸 附方面大于组分的原因之一 4 结论 试验数据表明飞灰中不同类型多孔及巨 大比表面积介质对气相 的吸附特性差异明 显飞灰中未燃尽炭的相关性最大吸附性能最 强 吸附量随飞灰烧失量的增长而增大 吸附量与吸附时间吸附温度载气 浓度 吸附剂比表面积和孔隙结构有关吸附剂∞ 比表面积与其 吸附量呈正相关关系载气 气相 浓度与 吸附量成非线性关系载气 浓度的倍增加量只能引起 吸附量提 高倍左右吸附温度与 吸附量呈较显著负 相关关系当将吸附温度从 ε提高至 ε 时 吸附量呈下降趋势残炭表面的含氧官 能团≤有利于 的氧化和化学吸附燃 煤飞灰炭粒所具有的多孔隙结构和巨大比表面 积有助于吸附脱除烟道气中 污染物 参考文献 ≥ ∂ ∏ 2 ∏ 2 ≈ ∞√ ≥ 22 ∗ 冯新斌洪业汤倪建宇等我国煤中汞的分布赋存状态 及对环境的影响≈ 煤田地质与勘探 26 ∗ ≠ ⁄ ≠ ∏⁄ ⁄ ∏ ∏ ∏ ∏ 2 ∏ ∏ ≤ ≈≤ ∏ ≤ ∞∏ ∏ ≥ ∏ ∏ 2 ≥ ∏ ≈ ≥ ∏ 80 ∗ 王起超马如龙煤及其灰渣中的汞≈ 中国环境科学 17 ∗ ∞ ≥ ∏ ≤ ƒ 2 ƒ ∏ 2 ∏ ≥ 36 ∗ ∏ ∏ √ ∏ 2 ≤ 47 ∗ 环 境 科 学卷
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