活性焦烟气脱汞的试验研究与数值模拟

苗文华，白中华，史亚微，石长江，赵玉冰，马辰腾

(1.北京国电富通科技发展有限责任公司，北京 100070;2.国网电力科学研究院，江苏 南京 210003)

煤燃烧是环境污染的主要人为来源之一，燃煤排放的大气污染物数量约占燃料燃烧排放总量的96%，大气中90%的SO2、70%的NO 以及45%的汞均来自煤炭的直接燃烧。Lipfert 等［1］对燃煤排放汞对人的危害性进行评估后认为，1000 MW 电站锅炉汞的排放可使附近居民食用鱼中甲基汞水平增加一倍。近年来，利用各种吸附剂脱除烟气中单质汞的研究很多，目前最为普遍的技术是喷射粉末活性炭法［2］。但由于活性炭运行成本高，经济性较差，限制了其大规模推广。褐煤活性焦是一种类似于活性炭的炭质材料吸附剂。褐煤活性焦价格低廉，以其良好的孔隙结构、丰富的表面基团、同时有负载性和还原性，是一种理想的烟气净化剂。

本文采用固定床吸附系统对自制的褐煤活性焦的脱汞性能进行了试验研究，在此基础上建立了固定床吸附系统的数学模型，并通过Matlab 对模型进行了计算，与试验结果进行了对比。

1 试验条件

1.1 试验样品及设备

试验样品:选取1 种颗粒吸附剂，3号吸附剂－－活性焦(自制)。

试验设备:QM201H 荧光测汞仪，SKW 型数显控温仪，CS2000 质量流量控制器，电热恒温水浴锅，汞渗透管等，尾气吸收采用KMnO4－H2SO4［3］混合溶液吸收剂。

1.2 试验流程

活性焦脱汞试验流程如图1所示。

图1 活性焦脱汞试验流程示意

模拟烟气由N2、O2、SO2、NO、NO2、N2+Hg 等按试验条件进行配比，试验所用气体均用质量流量控制器精确控制。试验时，固定床竖直放置，吸附剂至于石英砂上，上部用脱脂棉塞上，脱脂棉既能防止吸附剂被气体吹出，又能起到缓冲烟气流作用，减少吸附剂层因气流扰动而导致的变形。采用QM201H燃煤烟气测汞仪和德国RBR 益康多功能烟气分析仪实现SO2、NO、NO2、CO2、Hg 等浓度的实时测量。以各污染物通过载有吸附剂的固定床前后的浓度计算其吸附率。

2 试验结果与分析

2.1 汞入口浓度对汞吸附性能的影响

试验研究了10 ng/min、40 ng/min 汞渗透管，在110 ℃，0.2 mm，40 mg 下3号活性焦吸附剂的吸附效率，试验结果如图2所示。

从图2可知，随着Hg0的入口浓度的增加，吸附剂的吸附量也在增加，3号吸附剂由初始吸附效率的26.68%提高到53.12%。燃煤锅炉烟气汞排放的实际水平受到多种因素的影响，煤种、反应条件、气体成分、烟气温度、飞灰成分等比较复杂。因此对于不同的排放水平，控制方法也有所不同。在实际应用中，对于不同的Hg0排放水平，需要调整改变吸附剂的用量以达到较好的吸附效果。

图2 各吸附剂汞吸附效率曲线

2.2 吸附剂质量对吸附性能的影响

采用粒径为0.2 mm，质量分别为40 mg、80 mg的3号吸附剂进行试验，吸附温度为110 ℃。汞渗透管渗出量为10 ng/min，试验结果如图3所示。

图3 不同质量3号吸附剂吸附曲线

从图3可以看出，在汞浓度一定的情况下，随着吸附剂量的增加，吸附效果有一定的提高。3号吸附剂在40 mg 时的吸附效率为26.68%，而在80 mg时吸附效率提高到43.2%。当气相的痕量元素到达固体反应物表面且被吸附后，气体分子由原来的空间自由运动变成表面层上二维运动，运动的自由度减小，气体分子首先会吸附到活性位上，当所有的活性位占满后，其余的气体分子会在固体表面范德华力的吸引下发生物理吸附。因此，当活性炭量较少的时候，含氧官能团迅速消耗，短时间内汞的去除效率就开始降低。而随着活性炭量的增加，含氧官能团的量也随之增加，其消耗速度相对降低，吸附效率也相对提高［4］。

2.3 烟气成分对吸附效率的影响

取粒径为0.2 mm 的3号吸附剂40 mg 进行试验，吸附温度110 ℃。汞渗透管渗出量10 ng/min。分别试验在SO2、NO 和SO2+NO 共同存在下吸附剂的吸附效率，试验结果如图4所示。

图4 不同烟气成分对3号吸附剂吸附曲线的影响

从图4中可知，3号吸附剂在不同烟气成分下影响规律为SO2≈NO ＞SO2+NO ＞N2，3号吸附剂加入SO2气体后由纯N2时26.68%的吸附效率提高到40%左右;加入NO 后，由纯N2时26.68%的吸附效率提高到36%左右;在NO +SO2共同存在时吸附效率比纯N2气时有所提高，但低于SO2、NO单独存在时的吸附效率［5－7］。

3 数学模型

3.1 固定床模型的吸附步骤

在活性焦填充床内，气固体系吸附过程主要有几个步骤:(1)外部扩散。吸附质在活性炭间的轴向扩散，即吸附剂在周围气体相中的被吸附组分，通过附在吸附剂外表面的薄气体层分子扩散;(2)膜扩散。由气体主体扩散到吸附剂表面，吸附质穿过气体膜后到达固体吸附剂表面;(3)内扩散。由吸附剂孔内气相扩散向吸附剂中心的内扩散，在大多数情况下支配整个过程的作用，被吸附组分从固体表面进入其微孔道，在微孔道的吸附流体相中扩散到微孔表面。吸附已进到微孔表面的被吸附组分被固体吸附剂吸附，从而完成吸附。解吸时，被吸附物质则经过与上述相反的过程向吸附剂外移动，从而完成脱附(4、5、6)。

3.2 固定床模型方程的建立

基于Langmuir 理论建立无限长圆柱形吸附剂填充的数学模型，对吸附过程建立质量平衡方程。假设烟气中的汞含量的减少完全是由吸附剂所吸收，则可以得出:

式中:K 为Langmiur 吸附常数，m3/μg;Q 烟气流量，m3/s;cb烟气中的汞浓度，μg/m3;cp吸附剂颗粒孔内部的汞浓度，μg/m3;cave，p吸附剂颗粒孔内部的汞平均浓度，μg/m;qp、qave，p、qmax分别为吸附剂的吸附量、平均吸附量和最大吸附量，μg Hg/g of sorbent;rp吸附剂颗粒直径，cm;ρp吸附剂的表观密度，g/cm3;εp吸附剂颗粒的孔隙率，空体积分数;mc活性炭给料量，g/s;t 为时间变量，s。

当把吸附剂颗粒看作是一个半径为R 的球体时，对于其中一个半径为r～r 十△r 的球壳来说，按其物料平衡，根据斐克第二定律可得下式:

整理后，上式可变为:

经过查表和计算，得出某温度条件下，气态汞在空气中的分子扩散DHg，如表1所示。

表1 气态单质汞在空气中的分子扩散系数

对表1中数据进行线性拟合，得到温度Temp和DHg之间的拟合关系，DHg=0.01011× Temp +0.99966，25 ＜Temp ＜172，R =0.99658。吸附系统的物料质量平衡方程和气相和吸附相平衡关系方程组成了一组双曲型偏微分方程组，通过解这组方程组，来进行模拟计算。

表2 膜传质系数

3.3 Matlab 计算结果

通过Matlab 模型计算，计算结果与试验结果基本的吻合，计算的活性焦脱汞效率要优于试数值，计算的理想状态下的吸附效率，实际情况会有所降低。Matlab 模拟计算与试验结果对比见图5～7。

图5 10 ng 汞渗透管3号吸附剂模拟与试验结果对比

图6 40 ng 汞渗透管3号吸附剂模拟与试验结果对比

图7 10 ng 汞渗透管80 mg 3号吸附剂模拟与试验结果对比

4 结语

褐煤活性焦制备工艺简单，价格低廉，且对烟气中Hg0具有一定的吸附性，在燃煤烟气汞控制的应用方面有着很大的潜力。主要结论:随着Hg0的入口浓度的增加，活性焦吸附剂量的增加，活性焦吸附汞的量也在增加。在实际应用中，对于不同的Hg0排放水平，需要调整改变吸附剂的用量以达到较好的吸附效果;烟气成分对自制活性焦吸附剂吸附汞存在的规律为:SO2≈NO ＞SO2+NO ＞N2。SO2和NO 的存在对活性焦脱汞有一定的促进作用，二者共同存在时比单独存在时吸附效率有所降低;固定床吸附系统模型计算结果与试验结果基本吻合，但模拟的活性焦脱汞效率要优于试验数值，这是因为模拟计算的是理想情况下的吸附效率，实际情况会有所降低。

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