富氧气氛下改性试剂对生物质焦脱汞效率的研究

摘要：汞污染所导致的生态环境破坏、人类健康危害引起了广泛关注。汞是一种具有强挥发性、生物累积性及环境持久性的剧毒污染物。煤炭资源在未来相当长时期内仍将是我国能源结构的重要组成部分，而燃煤是最大的人为汞排放源。我国目前针对CO₂的减排中的富氧燃烧技术是目前较为成熟且应用较广的技术。燃烧后烟气中的活性炭喷射汞脱除技术是目前研究最广泛的汞脱除技术。生物质作为一种环保、可再生资源已经作为活性炭的替代品应用在燃煤烟气汞脱除中。本文针对富氧气氛下改性试剂对生物质焦脱汞效率的影响进行实验探究，初步了解其影响机理。

关键词：富氧燃烧；生物质焦；汞脱除；改性

1.研究背景

我国能源资源特征为“贫油、少气、富煤”，中国工程院《中国煤炭清洁高效可持续开发利用战略研究》^[1]，报告中指出这种“贫油、少气、富煤”的资源结构决定了煤炭在我国能源消耗体系中的主导地位，尽管近年来核电、风电、太阳能发电等发展较快，但这在短期之内还改变不了我国电力以火电为主的现状。目前我国火电装机总量要占到总发电量的70％以上^[2]，且预测截至2030年，我国煤炭消费占比仍将高达50%～55%。而煤炭的成分极其复杂，除含有C、H、O、N和S等元素外，还含有Hg、As、Se、Pb和Cd等对环境和人类健康危害较大的痕量元素。因此，长期来看我国仍然面临着比其他国家更为严峻的汞污染现状。重金属汞是继粉尘、SO_X、NO_X之后的燃煤第四大污染物，具有神经剧毒性、大气迁移性、生物累积性和隐蔽潜伏性等特征，对自然环境和人类健康构成严重危害，在生物体内和食物链中永久累积的有毒物质，会造成人的神经性中毒和深部组织病变^[3]，已在全球范围内引起了广泛关注。

本研究的重点是在富氧气氛下对汞脱除产生影响的因素。富氧（O₂／CO₂）燃烧是一种新的煤清洁燃烧技术，能够有效的控制温室气体CO₂的排放。与传统的燃烧方式相比，O₂／CO₂气氛下的燃烧过程和燃烧产生的气体等都有很大的不同。富氧燃烧形成的烟气产物主要是CO₂（约70%）和H₂O。此外烟气中还存在少量的HCl，O₂，NOx和SO_X等^[4]。与普通燃烟气相比，富氧燃烧烟气中NO_X的生成量会减少，SO_X的生成量基本不变，而H₂O和CO₂产量会明显增多。燃煤烟气中这些组分构成的改变，对汞形态的转变起着决定性的作用^[5]。

一般燃烧后烟气中的汞的存在形态有3种：气态元素汞Hg⁰，氧化态汞Hg² ，颗粒态汞Hg^P[6]。气态单质汞(Hg⁰)是燃煤汞排放的主要存在形式，可在大气中发生一系列的转化形成颗粒态汞(Hg^p)和氧化态汞(Hg² )，参与生物地球化学循环^[7]。并可长时间滞留在大气中，造成全球污染。因此单质汞的脱除是现在研究的重点与难点。氧化态汞Hg² 易溶于水，有很好的水溶性，能够被湿法烟气脱硫设备捕获并脱除^[8]。颗粒态汞Hg^P易被飞灰、静电除尘器等物质吸附从而除去^[9]。将气态元素汞Hg⁰转为易除去的氧化态汞Hg² 和颗粒态汞Hg^P是目前主要的研究方向。

2.研究现状

目前燃煤烟气汞的控制方式主要分为三大类：燃烧前脱汞，燃烧中脱汞，燃烧后脱汞。燃烧前脱汞最主要的是选煤技术，主要原理是利用有机物与无机物的密度和亲和力不同将部分汞脱除。燃烧中脱汞主要为改善燃烧方式，增加（Hg² ）的比例减少（Hg⁰）的比例^[10]。

燃烧后脱汞是燃煤烟气汞污染控制主要实现方式。包括烟气净化装置脱汞、吸附剂脱汞、催化剂脱汞、新型脱汞技术等。目前研究较多的燃烧后脱汞技术有活性炭法和利用现有脱硫脱硝设备及其改进设备进行脱汞。活性炭对（Hg⁰）、（Hg² ）具有较好的吸附脱除作用。尤其是对Hg⁰的脱除率更是高达99%。但是，活性炭法也存在很多问题，如容量低、混合性差、热力学稳定性低、耗量大，与飞灰混在一起不能再生等,使得采用活性炭吸附脱汞法成本过高，因此需要寻求一种脱汞效率高的可再生的吸附材料来适应环境、社会和经济的变化。

生物质是理想的可再生能源之一，可以被划分为城市垃圾、工业废料、固体生物质、沼气和液态生物燃料五类。我国生物质能源主要为农业废弃物、林木薪柴、加工业废弃物、城镇生活垃圾、动物粪便等几个方面^[11]。我国生物质能源储量丰富，仅农村秸秆资源，河南、黑龙江和山东，三省总量均超过0.6亿吨。生物质能技术可以分为物理转换，热化学转换和生物化学转换。其中热化学转换是目前最常见的生物质能转换技术。生物质在热能转换过程中，不仅可以减少CO₂，SO₂，NO_X，等污染物的排放而且可以生成良好孔隙结构，表面官能团丰富以及活性较高的生物制焦，近而为烟气净化提供了良好的条件^[12]。