新的效率高脫汞技術研究進展

焚燒煙氣脫汞技術一般都存在投資大、消耗原料高、汞脫除費用高等問題，所以有必要對現有技術進行改造或開發新的、效率高且綜合效益好的焚燒煙氣脫汞技術。焚燒煙氣脫汞技術可能的發展趨勢為：（1）在現有的PAC吸附方式中減少活性炭方面中的飛灰摻雜，提高活性炭粉末的利用率；（2）開發高效經濟的新型吸附劑。對工業生產中的汞排放而言，應該同時優化設備和提高吸附劑的利用率出發，推行清潔生產，提高吸附劑的吸附效率，設備的運行費用大大降低。

汞是一種重金屬，在常溫下是以單質的形態存在大氣中，汞對人類及生物環境造成的危害極大。汞可以在生物中積累，在生態系統中循環，給人類及生態環境造成極大危害。王起超等人指出我國汞排放的主要來源是煤的燃燒，僅1995年我國燃煤汞排放量就達302t，其中70%的汞已經排放到大氣中。Reimann等人通過對垃圾采樣調查指出，西方國家1噸垃圾所含汞量為2-5g左右，美國每年因垃圾焚燒排放汞量超過11t/年。我國近年來越來越多的大中型城市開始籌建垃圾焚燒電站，垃圾焚燒汞排放量將增加。因此煤燃燒和垃圾焚燒煙氣中汞污染已成一個不容忽視的問題。

一、 汞的來源

造成汞污染的來源主要是天然釋放和人為兩個方面。汞的天然來源包括火山與地熱活動、土壤釋汞、自然水體釋汞、植物表面的蒸騰作用、森林火災等。汞的天然釋放的汞形態主要為氣態單質汞（Hg0），從已報道的研究結果來看，全球通過自然釋汞每年向大氣的排汞量約為3000～5000t。

從局部環境污染來看，人為的來源占絕大部分，汞污染的人為來源主要是礦石燃料的燃燒、城市固體垃圾焚燒、汞礦和其他金屬冶煉等。目前全球人為活動每年向大氣排汞2000～2600t，其中有色金屬冶煉、煤燃燒和垃圾焚燒時最大的汞源，分別占總釋汞量的53%、39%和2%。可見焚燒煙氣汞污染排放的控制是21世紀的重大問題。

二、焚燒煙氣中汞的產生機制

在煤和垃圾焚燒過程中，煤和垃圾中的汞將蒸發釋放以汞蒸氣的形態存在于煙氣中。在通常的爐膛溫度范圍內，元素汞時汞的熱力穩定形式，而大部分汞的化合物是不穩定的，他們將分解成元素汞。因此，在爐膛內的高溫下，幾乎所有煤和垃圾中的汞轉變成元素汞隨煙氣排到大氣中。

焚燒煙氣在煙囪的流動過程中，經過冷卻設備的換熱以后，焚燒煙氣溫度逐漸降低，煙氣中的元素汞在低溫情況下可以與煙氣中的O2、HCl、氯氣發生化學反應，反應產物是HgO和HgCl2。

三、 國內外焚燒煙氣脫汞技術現狀

對于焚燒煙氣的脫汞，研究者們提出了多種控制方法，目前常見的方法有：電暈放電等離子體法、電催化氧化聯合處理法、脫硫裝置（或除塵裝置）除汞法、吸附法等。

等離子體法和催化氧化聯合處理法不但除汞成本高而且設備運行的穩定性和安全性差，在工業上的應用也受到限制。雖然脫硫裝置（或除塵裝置）除汞方法成本低，但除汞效率較低。濕法脫硫裝置（WFGD）可以將溶于水的Hg2+去除，但對不溶于水的Hg0去除效果差，總的脫汞效率在50%左右。

單靠現有脫硫和除塵設備脫汞效率不高。為了提高脫汞效率，又充分利用這些設備，目前工業上應用一種經濟有效的方法是與吸附劑法結合。

（一）飛灰吸附法

飛灰是煤和城市固體垃圾焚燒的副產物，使用成本低。飛灰可以吸附煙氣中的Hg，飛灰主要通三種方法吸附煙氣中的汞：化學吸附、物理吸附、化學反應和三者的結合。飛灰先吸附Hg0，當達到動態平衡時，和煙氣中的酸性氣體（主要是SO2、HCl和NOx）之間發生復雜反應，把煙氣中的部分Hg0氧化為Hg2+，而Hg2+可以溶解到WFGD的漿液中。飛灰的含碳量和飛灰的粒徑（飛灰的粒徑越小，比表面積越大，吸附效率越高）會影響飛灰吸附汞的效率。

雖然飛灰對汞有吸附能力，但是吸附效果并不理想，。目前飛灰對Hg的吸附應用還不夠廣泛，目前還只是處于試驗研究階段，因此，飛灰吸附法還需要進一步的研究。

（二）鈣基吸附法

鈣基類吸附劑主要有CaO、Ca（OH）2、CaCO3、CaSO4·2H2O、CaSO4·1/2H2O和CaSiO3。鈣基吸附劑對煙氣中的二價汞有很好的吸附作用，但是對Hg0吸附效率很低，因此鈣基吸附劑的脫汞效率與燃煤煙氣中二價態汞中所占的比例有很大關系。雖然鈣基類吸附劑制備和運行成本較低，但是脫汞效率限制了此吸附劑的廣泛使用。

（三）礦石類吸附劑吸附法

礦石類的汞吸附劑主要有三種：蛭石、沸石和膨潤土。蛭石是一種復雜的含水、鐵、鎂、鋁、硅酸鹽類礦物；沸石是一種鋁硅酸鹽礦物，由含水堿或堿土金屬組成。金屬膨潤土是天然納米吸附材料，主要成分是蒙脫石。他們的內部結構和化學性質比較獨特，多種無機化合物都可進入他們的陰離子格架空間，小分子易于在其內部釋放和儲存，所以對水和其他分子可以的吸附是可逆的，同樣也可以和跟鹽類交換陽離子。

目前礦石類汞吸附劑用于焚燒煙氣脫汞汞污染研究較少。但是在我國，礦石類吸附材料價格低、儲量多，這給我們獲得廉價而高效除汞劑開辟了新方向。

（四）高分子化合物吸附材料

高分子化合物吸附材料主要有聚酯類多孔濾料、殼聚糖類、螯合配位體類等，利用這些高分子化合物吸附材料與汞之間的螯合作用來脫汞。

目前研究較多的是關于殼聚糖（Chitosan，CS）吸附，殼聚糖分子中含有大量的-NH2和-OH基團，具有弱堿性陰離子交換作用，其捕集性能比較強，對過度金屬釉良好的螯合作用。殼聚糖的反應活性基是氨基（-NH2），通過4個游離氨基與一個汞離子或汞原子螯合成環，或是2個游離氨基與兩個羥基螯合汞成環，從而完成對汞離子和汞單質的吸附。

目前國內外有關高分子化合物吸附材料方面的研究甚少，僅有的少數幾項研究也只是實驗室初探階段。

（五）貴金屬吸附法

貴金屬能夠吸附大量金屬汞和汞化合物，且吸附汞厚后的貴金屬在用高溫環境中又能夠脫附汞，脫附汞后的貴金屬吸附劑可再循環利用。實驗結果表明，貴金屬吸附劑在開始吸附時，脫除效率超過90%，脫汞時間增加，脫汞效率逐漸下降，吸附兩個月后，脫汞效率只有65%。貴金屬吸附劑除汞可以降低成本，減少有害物質排放，因而是很有發展潛力的。

（六）活性炭吸附法

目前就吸附劑的汞吸附性能而言，活性炭吸附汞單質是最有效的吸附技術。活性炭對汞的吸附時一個多元化的過程，它包括吸附、凝結、擴散以及化學反應等過程，與吸附劑本身的物理性質（顆粒粒徑、孔徑、表面積）、溫度、煙氣氣體成分、停留時間、煙氣中汞濃度、C/Hg比例等因素有關。

活性炭通過兩種注入方式來吸附煙氣中的汞，一是噴射活性炭粉末，二是將通過顆粒活性炭吸附床吸附。

將活性炭粉末直接噴入煙氣中，粉末活性炭與煙氣充分混合接觸后吸附煙氣中的汞，被下游的除塵器（如靜電除塵器或布袋除塵器）除去，雖然這種方法成本低，但活性炭粉末與其他燃燒粉塵混合在一起，不能再生，在汞濃度較低的煙氣中，汞與活性炭顆粒接觸機會少，活性炭利用率低，耗能大，材料使用成本高。活性炭吸附裝置一般安裝在脫硫裝置（FGD）和除塵器之后，由于活性炭吸附裝置為煙氣排入大氣中的最后一個清潔裝置，所以除汞效果非常好，但是如果活性炭顆粒尺寸比較小時時候，會使系統的壓降增大，這樣會使設備的數量增加，運行費用增大。

這目前兩種活性炭脫汞方法法，應用最廣泛的技術是在煙氣中噴入活性炭顆粒（PAC）來脫除煙氣中汞，目前美國已將該技術用于垃圾焚燒爐脫汞處理，在中等碳汞比時它的脫汞率在90%以上。

（七）改性活性炭吸附

由于實際焚燒煙氣的溫度很高（140℃或更高），而活性炭在高溫條件下對汞的吸附能力較差，因此此技術需耗費大量的活性炭，代價昂貴。為了增強高溫下活性炭對汞的吸附能力，可利用適當的化合物負載在活性炭粉末上，使之具有更強的化學吸附能力，并將已吸附的單質汞轉化為化合態的汞。

活性炭的化學改性方法很多，主要有滲硫、滲氯、滲碘、滲溴、載銀等。改性后的活性炭表面空隙中形成了化學鍵，這些化學鍵可以跟汞單質反應，且能防止活性炭表面的汞再次蒸發逸出，因而提高了吸附效率。例如活性炭中的硫在活性炭表面與單質汞形成穩定的化合物HgS。

然而，這些經過化學改性后的活性炭吸附汞飽和后大多不可再生，汞飽和失效后即丟棄，在浪費資源的同時也使脫汞成本變高，且大量活性炭的改性成本也很高，從而造成除汞成本變得更高。（作者單位為湖南交通工程學院）