刘荣春

（福建龙净环保股份有限公司，福建 龙岩）

垃圾焚烧所释放的汞是重要污染性物质，对生态环境的危害较大。垃圾焚烧时，大多数汞元素会通过挥发进入气相，留在飞灰及底灰中的汞则具有稳定性强、溢出率低的特征。气相汞进入大气后会被人体吸入，或是在干湿沉降中渗入土壤及水体，会通过农作物或饮用水而间接危害人体。为此，有必要利用布袋吸附装置展开脱汞实验，探寻气相汞污染控制的有效路径。

1 实验装备及方法

1.1 实验装备

1.1.1 实验装置及主要设备

脱汞实验主要采用布袋除尘器装置，吸附剂添加到装置上安装的布袋中，用于吸附气态单质汞[1]。实验所用仪器主要是特制的汞渗透器及布袋除尘器吸附装置，汞渗透器要具备较强的渗透率，在水浴温度100 ℃时，其渗透率应能达到3 100 ng/min。同时，应采用由石英法兰及纤维毡滤布两部分结构组成的布袋除尘吸附器。布袋除尘器装置结构见图1 所示。

图1 布袋除尘器装置结构示意图

1.1.2 实验辅助器具

脱汞实验要应用功率为1 050 w、温度范围为RT+10～250 ℃的恒温鼓风干燥箱，功率2 kw 且温控范围为RT+5～100 ℃、温度偏差不超过0.5 ℃的温水浴锅，检测下限低于0.03 μg/L、测量范围介于0.01 μg/L 与100 μg/L 之间的荧光测汞仪，并需两只量程范围分别为0.06～0.6 m3/h、0.001 8～0.018 m3/h 的玻璃转子流量计，还要准备精度为0.01/0.1 mg、量程为105 g 与210 g 的电子天平。

1.1.3 实验材料与试剂

本 次 实 验 需 应 用 规 格 为137-022-0030-S56-C100 的汞渗透管及木质、煤质、椰壳三种活性炭粉末，这些粉末的粒径均为200 目，但比表面积分别为1 450 m2/g、1 100 m2/g、800 m2/g，孔容积分别是1.05 cm3/g、0.95 cm3/g、0.90 cm3/g。还要准备克重为500 g/m2、透气性为90 m3/m2/S 的纤维毡滤布及纯度高于99%的氯化亚锡、高锰酸钾及重铬酸钾，另需应用浓硫酸分析纯，其纯度应介于95%与98%之间。此外，还要准备优级纯级别的浓硝酸、浓度高于99.999%的高纯氮气以及粒径为200 目的飞灰[2]。

1.2 实验与分析方法

1.2.1 实验方法

1.2.1.1 预处理吸附剂 实验前称量不同重量的活性炭粉末与飞灰，装入研钵中研磨成粉，制成比例不同的炭灰混合物。再将之放入烘箱，以120 ℃温度加热烘干8 h，将烘干得到的吸附剂放入恒温鼓风干燥箱中备用。

1.2.1.2 制备烟气 将与两个尾气吸收瓶相连通的阀门开启，闭合其他阀门，再将钢瓶打开，通过调节气体流量计调整空气流量，而后开启电热恒温水浴锅，加热生成相应浓度汞蒸汽会随洁净空气从渗透管中渗出，并与另一管管路空气混合，在恒温鼓燥箱中加热后会生成烟气，其流量值应达到1.0 L/min。

1.2.1.3 汞初始浓度测定 待气流稳定一段时间，可关闭与两个尾气吸收瓶连通的阀门，再开启U 形瓶与布袋之间的第一个阀门及与吸收瓶串联的阀门，再从串联吸收瓶中提取高锰酸钾及硫酸样品，取样间隔为10 min，取样后立即测定汞浓度，取样测定三次后，若测定值一致，说明汞初始浓度相对稳定，之后便可开展吸附试验。

1.2.1.4 吸附反应 将称量后的吸附剂均匀加入布袋吸附器的布袋中，闭合与两尾气吸收瓶及两吸收瓶相连的两个阀门，并开启其他阀门，以便气体向反应器中流入，之后利用两串联吸收瓶吸取反应后产生的气体。然后闭合与单独吸收瓶连接的阀门，开启与两吸收瓶相连的阀门，取样完成后再将这两个阀门恢复到之前的状态。若脱汞效率不足75%，需将吸附剂倒出并添加到吸附装置中，重新开始脱汞实验[3]。

1.2.2 分析方法

1.2.2.1 分析前处理 利用冷原子吸收光谱测定吸收瓶中提取溶液的含汞量，先将液体倒入采样管，再滴入浓度为10%的盐酸羟胺溶液，待采样管中颜色消退后摇匀并静止10 min，氯气及氯化物释放完成后，加入HNO3溶液定容，加入量应为0.1 mol/L。与此同时，需准备空白样品，取空试管加入浓度为32%的高锰酸钾与浓度为10%的硫酸混合液10 ml，褪色及定容后放置10 min 便可应用。

1.2.2.2 分析步骤 检查并处理反应瓶中的残液，之后初始化测汞仪，关闭压力表调节旋扭及载气流量计，同时开启屏蔽气流量计，再打开钢瓶总阀，通过调控压力表调整载气量及屏蔽气流量计值。15 min 后气源流量稳定时，可开启泵开关，将5 ml 试样及1 ml浓度为10%的氯化亚锡溶液添加到反应瓶中，在显示屏处于峰值状态时启动测量，高纯氮流入反应瓶中后均匀搅拌试样及氯化亚锡溶液，再使汞蒸汽流入荧光池，并记录最高峰值数据。每种样品实施三次检测并绘制标准曲线，再从曲线上取三次检测的平均值[4]。

2 基于布袋除尘器的活性炭粉末与飞灰脱汞实验

2.1 纯活性炭粉脱汞实验

80 ℃吸附温度条件下，取0.3 g 纯活性炭粉末，初次吸附压取值为1.32 KPa，将活性炭粉末厚度控制为1.7 mm，以2 m/min 的速度进行吸附过滤。纯活性炭粉末脱汞效率详见图2。

图2 纯活性炭粉末脱汞效率

初次吸附时，前85 min 时段的脱汞效率达到了99.1%，脱汞效率高于75%的吸附时间段共计575 min，脱汞效率最快的时间段是85 min～215 min 之间，随后脱汞效率逐渐降低。前四次重复吸附的脱汞效率均比初始吸附低，脱汞效率高于75%的时间分别为305 min、225 min、144 min、95 min，5 至85 min内的平均脱汞效率分别为88%、84%、84%、78%。在初次吸附结束时，脱汞效率虽已降至75%之下，然而重复脱汞实验时，又出现了较高的脱汞效率。这是由于重复脱汞时，翻动活性炭粉末后，部分没有充分接触到汞原子的活性位对汞产生了吸附作用。重复吸附后，活性位越来越少，至第五次重复吸附时，脱汞效率为75%的时间还不足10 min。

2.2 纯飞灰脱汞实验

在80 ℃吸附温度条件下开展飞灰脱汞实验，加入纯飞灰量应为0.3 g，厚度调整为0.8 mm，压降取值为0.67 Kpa，纯飞灰脱汞效率见图3 所示。初次吸附的前5 min 脱汞效率为34.2%，持续85 min 时，脱汞效率平均值为19.3%，而脱汞165 min 后，纯飞灰对汞的吸附力完全丧失，此时脱汞效率降至0。由此可见，煤炭燃烧得到的飞灰对于烟气中垃圾焚烧所产生烟气中的汞吸附能力并不强，对气态汞的吸附容量较低，脱汞效率远低于纯活性炭粉。飞灰脱除气态汞依靠的是其表面氧化物的吸附特性，对于气态汞并不具备良好的物理吸附作用。本次实验所用飞灰来源于燃煤电厂的粉煤灰，燃烧时有金属或非金属氧化物，对气态汞起到了化学吸附作用，但吸附速率较慢，达到吸附平衡所需耗费时间较长[5]。

图3 纯飞灰脱汞效率

2.3 活性炭粉末与飞灰混合脱汞实验

为验证纯活性炭粉末飞灰混合物脱汞的效果，本文在纯活性炭粉末的基础上添加了四种不同比例的飞灰，利用制成的混合物在80 ℃吸附温度下展开实验，添加混合物量仍为0.3 g，但添加飞灰比例为20%、50%、80%、95%时，混合物厚度分别是1.5 mm、1.2 mm、1 mm、1 mm，四次吸附实验压降取值分别为1.05 KPa、0.90 KPa、0.79 Kpa 与0.76 Kpa。飞灰添加比例不同情况下，脱汞效率各不相同，前85 min 分钟脱汞效率均值分别为95%、85.3%、82.5%、59.6%，脱汞效率高于75%的吸附时间长度分别是415 min、235 min、115 min、15 min（详见图4）。并且相同飞灰添加比例下，重复吸附次数越多，脱汞效率平均值越低，脱汞效率为75%以上的持续时也越短。

图4 活性炭粉末与不同比例飞灰混合物脱汞效率

3 实验结果分析

3.1 不同混合比炭灰混合物脱汞实验的汞吸附量对比

统计活性炭粉末与飞灰配合比例不同的混合物脱汞效率高于75%的单位质量活性炭粉末累积汞吸附量（见图5）时发现，飞灰添加量为20%时，汞累积吸附量是196.1 μg Hg/g AC，而掺灰比例为95%时，汞累积吸附量仅为21.7 μg Hg/g AC。说明随着掺飞灰量不断增加，汞的累积吸附量逐步降低，这是由于含汞烟气经过上层活性炭粉末浓度最高，其与汞接触时间长，反应时间多，而流至下层时，活性炭吸附作用变小，接触时间较短，因而活性炭粉末利用不够充分，会因此降低活性炭粉末整体利用率。而混合物中飞灰掺加比例越低，活性炭粉末含量越高，脱汞效率高于75%的时间越长，活性炭粉末利用率越高。

图5 活性炭粉加不同比例飞灰混合物的累积吸附量

3.2 80 ℃温度条件下纯活性炭粉末饱和吸附量分析

吸附温度为80 ℃时，纯活性炭粉末饱和吸附量实验中，只添加了0.05 g 活性炭粉末，此粉末的初始浓度值为208.8 μg/m3，厚度为0.28 mm，压降设置为0.17 KPa。根据脱汞效率、初始浓度吸附剂质量可计算出纯活性炭粉末的饱和吸附量。分析饱和吸附曲线（见图6）的变化规律发现，活性炭粉末需要经过23 min 的时间才可达到饱和，且80 ℃吸附温度条件下吸附饱和量为1.67 mg/g，而布袋除尘器上脱汞效率高于75%时，活性炭粉末的重复吸汞量为0.20 mg/g，在总饱和吸附量中占比仅为11%，说明脱汞效率降至75%以下时，仍具备较强吸附能力，如果继续添加新活性炭粉末，可增强其吸附能力，利于提高活性炭粉末利用率，能够提升活性炭粉末对汞的脱除率。

图6 80 ℃吸附温度下纯活性炭粉末的饱和吸附效率曲线

4 结论

通过实验发现，纯活性炭粉较飞灰的脱汞效果更佳，不仅脱汞效率较快，吸附时间也更长。而将两种物质掺加到一起，在飞灰掺加比例逐步升高的情况下，脱汞效率高于75%的吸附时间越短，这说明纯活性炭粉末含量的高低是汞脱除效率高低的关键影响因素。而80 ℃吸附温度下活性炭粉末的汞吸附饱和量为1.67 mg/g，此时可通过继续添加活性炭粉末提升脱汞成效，从而取得更为理想的脱汞效果。