CN102565287A - 一种用于烟气污染物吸附剂评价的装置及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种燃煤烟气污染物吸附剂的评价装置，包括携带污染物的模拟烟气钢瓶，汞携带气体钢瓶，汞蒸气发生器，质量流量计A，质量流量计B、混气罐，双通阀，汞形态转换装置，汞分析仪，计算机，尾气处理装置及固定床，所述的固定床的床体中，采用具备粒径为0.5~2mm的玻璃珠或硬质聚酯材料作为床料，粒径为0.5~1.5mm的吸附剂分散于床料中，固定床中床料与吸附剂的质量比值在50～70:1。利用本发明的一种燃煤烟气污染物吸附剂的评价装置可在一定的温度下，将进入固定床中的SO₂，NOx和Hg⁰等相关污染物被其中的吸附剂所吸附，从而达到控制污染物的效果。同时，可以方便快速地评价该种吸附剂的吸附效果。

Description

一种用于烟气污染物吸附剂评价的装置及其应用

技术领域

本发明涉及一种用于烟气污染物吸附剂评价的装置及其在燃煤电站锅炉烟气污染物吸附剂评价中的应用。

背景技术

尽管各种新能源在发展，但是在世界范围内，煤在能源结构中依然处于主体地位，尤其是我国，更是达到了三分之二左右，而且这种格局在今后较长一段时间内不会改变。长期以来，以燃煤为主的火力发电机组在我国电力工业中占主导地位，我国大型电站绝大部分是常规的燃煤电站。燃煤电站排放的硫氧化物、氮氧化物、烟尘以及微量元素的排放形势日益严峻，给环境造成极大影响，对人的健康造成很大的危害，并由此直接或间接地带来巨大的经济损失。

近年来，由于经济发展、人们生活水平日益提高，对环境质量提出了越来越高的要求，环保法规也日益健全与严格，人们开始重视燃煤造成的微量和痕量元素污染问题，这些痕量元素主要有：Hg，Pb，F，Cl，As和Se等。特别是痕量元素汞是最具毒性、最易挥发、最难控制的污染物，汞的排放会造成损害神经、破坏肝脏和伤害胎儿、婴儿的发育等一系列严重的问题，同时其在大气中停留的周期长，极难控制。对于各种烟气污染物的脱除，是当前研究的重点。

2011年7月份，国家又出台了燃煤电厂烟气污染物重金属汞的排放标准。燃煤电站锅炉烟气污染物汞排放的控制比较困难，目前，在尾部烟道喷射碳基吸附剂以吸附一定量的烟气汞，是实现燃煤烟气重金属汞排放控制的主要和有效的方式。但是，常规的活性碳等碳基燃煤烟气汞吸附剂喷射存在成本较高、对燃煤电站锅炉飞灰综合利用产生负面影响等问题，所以一般燃煤电站尚不能采用喷射常规活性碳等碳基烟气汞吸附剂进行烟气汞排放的控制。但随着经济与社会的发展，电厂需要高效、低成本、不影响飞灰综合利用的烟气污染物吸附剂。在烟气污染物吸附剂开发过程中，进行吸附剂吸附性能的评价是非常重要的环节，有利于降低直接到现场进行试验评价的费用，降低吸附剂开发成本。

本专利涉及的是一种燃煤烟气污染物吸附剂评价***与装置，对于脱除烟气中的多种大气污染物以及评价多种吸附剂的吸附性能有良好的作用。

目前公开的专利主要有：

福建龙净脱硫脱硝工程有限公司的垃圾焚烧烟气多组分污染物净化处理装置及方法，申请号/专利号：200910112433。该专利提供一种可同时脱除HF，HCl，SO₂和SO₃等酸性气体及重金属、二噁英的垃圾焚烧烟气多组分污染物净化处理装置及方法。主要采用脱酸塔去除酸性气体和吸附剂与活性炭共同吸附去除重金属以及气态有机污染物。

浙江菲达脱硫工程有限公司的一种烧结机烟气选择性脱硫脱硝装置，申请号/专利号：201020602901。该实用新型专利涉及一种烧结机烟气选择性脱硫脱硝的装置，对烧结机风箱不同部位的烟气做区别处理，先除尘再做脱硫脱硝处理，然后再喷射活性炭对重金属、二噁英等多种污染物一并进行脱除，最后进行二次除尘。

聊城市鲁西化工工程设计有限责任公司的一种锅炉烟气脱硫装置，申请号/专利号：200920241086。该专利提供了一种锅炉烟气脱硫装置，包括浓缩塔、吸收塔以及多级吸收液再生喷射器，使吸收液充分再生，提高污染物脱除效率。

中国石油大学的设计的气体吸附剂评价装置，专利申请号为200320102956.X。该吸附剂评价装置有两个吸附罐，采用色谱分析仪测定气态污染物反应过程中物质变化。

以上几种污染物评价及处理装置，主要是针对垃圾焚烧烟气或烧结烟气，***中均包含多个预处理和吸收单元，结构较复杂，不适于直接应用于燃煤电站生产现场烟气污染物控制。

本专利发明涉及的烟气污染物吸附剂评价***与装置正是基于此目的而开发的，可以方便快速地评价各种吸附剂的吸附效率，为燃煤电站锅炉等烟气污染物排放控制提供技术基础。

发明内容

本发明的目的是为了方便快速地评价各种吸附剂的吸附效率，为燃煤电站锅炉烟气污染物排放控制提供良好的技术基础。该装置构造简单，采用固定床的形式，可以灵活方便地脱除多种烟气污染物，并且可以相应地评价各种吸附剂的吸附效果。

本发明的技术方案

一种用于烟气污染物吸附剂评价的装置，包括携带污染物的模拟烟气钢瓶，汞携带气体钢瓶，汞蒸气发生器，质量流量计A，质量流量计B，混气罐，双通阀，固定床，汞形态转换装置，汞分析仪，计算机，尾气处理装置；

所述的固定床包括固定床的床体、烟气入口、烟气出口；另外，所述的固定床还设有控温装置，该控温装置可以灵活控制固定床体的温度；

所述的固定床的床体中，采用具备粒径为0.5～2mm的玻璃珠或硬质聚酯材料作为床料，粒径为0.5～1.5mm的吸附剂分散于床料中；

所述的吸附剂呈固体颗粒，为碳基类吸附剂或非碳基类吸附剂；

所述的碳基类吸附剂有活性炭及其改性制品；

所述的非碳基类吸附剂有钙基类吸附剂、凹凸棒等矿石类吸附剂或钙基类吸附剂、凹凸棒等矿石类吸附剂的改性制品；

钙基类吸附剂，如CaCl₂、CaCO₃等。

固定床中床料与吸附剂的质量比值在50～70:1，目的是为了达到最好的吸附效果;

汞携带气体钢瓶依次经压缩空气经流量计A、汞蒸汽发生器、双通阀后与混气罐的入口相连；

携带污染物的模拟烟气钢瓶经流量计B后与混气罐的入口相连

混气罐出口的管道分成两路，一路管道经双通阀从固定床的顶部进入固定床，固定床的下面的出口通过管道与汞形态转化装置相连，汞形态转化装置的出口与汞分析仪相连；

汞分析仪将分析所得的数据送入计算机显示，另外，汞分析仪设有排气口并与尾气处理装置相连；

从混气罐出来的另一路管道不经固定床及汞形态转化装置而直接进入汞分析仪；

为了防止用于烟气污染物吸附剂评价的装置中管路中汞吸附，管路***均采用TEFLON管，具有良好的化学惰性。

利用上述的一种用于烟气污染物吸附剂评价的装置对固定床中的吸附剂的吸附性能评价的方法，步骤如下：

（1）、吸附剂的预处理

          将吸附剂用去离子水或浓度为5%的KI水溶液清洗，然后置于烘箱中在110℃下干燥24h去除水分;

（2）、固定床的安装

将床料与吸附剂混合均匀后填入到固定床中，固定床的上下均采用玻璃棉固定，固定床中床料与吸附剂的填充密度为30～50g/m；

（3）、吸附剂的吸附性能的评价

经汞携带气体钢瓶将压缩空气经流量计A后进入汞蒸气发生器后携      带由汞蒸气发生器产生的汞蒸气经双通阀进入到混气罐中；

携带污染物的模拟烟气钢瓶将携带污染物的模拟烟气经流量计B后进入混气罐中并与上述的进入到混气罐中的汞蒸气进行混合；

上述混合所形成的混合烟气从混气罐出来分成两路，一路经阀门进入固定床，控制温度为65~350℃，停留时间为0.5~1.0s，被固定床中的吸附剂吸附后再进入汞形态转化装置进行汞形态转换后排出的烟气进入汞分析仪，计算机显示的是经固定床吸附剂吸附后的混合烟气中污染物的浓度C_out，经汞分析仪后排出的气体经尾气处理装置进行处理后再进行排放；

从混气罐出来的另一路直接进入汞分析仪进行分析后通过计算机显示即不经固定床的吸附剂吸附的混合烟气中污染物的浓度C_in；

然后通过计算，就可以得出吸附剂对混合烟气中污染物的吸附效率及单位吸附量；

所述的吸附效率η：

其中，C_in：未经固定床的吸附剂吸附的混合烟气中污染物的浓度；

C_out ：经固定床的吸附剂吸附的混合烟气中污染物的浓度；

所述的吸附剂的单位吸附量Q_a：

式中，C_in ：指混合烟气未经固定床的吸附剂吸附的混合烟气中污染物浓度；

 ：指混合烟气经固定床的吸附剂吸附后的混合烟气中的污染物，各监测瞬间的浓度，比如VM3000每秒显示一次的测量浓度；

 ：指各监测瞬间的时间间隔，如VM3000的

=1s；

 ：指混合烟气体被吸附剂吸附的时段内，监测的浓度的个数，如吸附试验时间选取4h，每秒监测一个浓度数值，那么n=14400；

 ：指混合烟气流量；

 ：指固定床中吸附剂的质量。

所述的混合烟气中的污染物为NO_x，SO₂或重金属Hg。

本发明的有益效果

本发明的一种用于烟气污染物吸附剂评价的装置，由于采用特殊的固定床，并通过固定床内一定比例的玻璃珠或硬质聚酯材料和吸附剂混合后，在一定的温度下，混合烟气进入固定床***，SO₂，NO_x和Hg等相关污染物被其中的吸附剂所吸附，从而达到控制混合烟气中污染物浓度的效果。同时，可以方便快速地评价该种吸附剂的吸附效果。

另外，由于可以较容易地评价各种吸附剂吸附烟气污染物的效率，因此可以在此基础上，选择吸附效果较好的吸附剂，减少成本，增加实施效益。

附图说明

图1、一种用于烟气污染物吸附剂评价的装置的工作原理示意图； 

图2、固定床的结构示意图；

图3、80℃下5%浸碘活性炭脱汞性能图；

图4、100℃下5%浸碘活性炭脱汞性能图；

图5、120℃下5%浸碘活性炭脱汞性能图；

图6、140℃下5%浸碘活性炭脱汞性能图；

图7、160℃下5%浸碘活性炭脱汞性能图；

图8、180℃下5%浸碘活性炭脱汞性能图。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图对本发明进一步阐述，但并不限制本发明。 

所述的模拟烟气为含有N₂，SO₂，NO_x的混合气体； 

本发明所用的汞分析仪为烟气汞分析仪VM3000 (Mercury Instruments, Germany) 

实施例1

一种用于烟气污染物吸附剂评价的装置，其示意图如图1所示，其中1为携带污染物的模拟烟气钢瓶，2为汞携带气体钢瓶，3为汞蒸气发生器，41为质量流量计A，42为质量流量计B、5为混气罐，6为双通阀，7为固定床，8为汞形态转换装置，9为汞分析仪，10为计算机，11为尾气处理装置；

汞携带气体钢瓶2依次经压缩空气经质量流量计A41、汞蒸汽发生器3、双通阀6后与混气罐5的入口相连；

携带污染物的模拟烟气钢瓶1经质量流量计B42后与混气罐5的入口相连；

混气罐5出口的管道分成两路，一路管道经阀门从固定床7的顶部进入固定床7，固定床7的下面的出口通过管道与汞形态转化装置8相连，汞形态转化装置8的出口与汞分析仪9相连；

汞分析仪9将分析所得的数据送入计算机10显示，另外，汞分析仪10设有排气口并与尾气处理装置11相连；

从混气罐5出来的另一路管道不经固定床7及汞形态转化装置8而直接进入汞分析仪9；

上述的烟气污染物吸附剂评价的装置中管路均采用TEFLON管；

其中所述的固定床的结构示意图如图2所示，包括固定床的床体71、烟气入口72、烟气出口73、床料74、吸附剂75；

另外，所述的固定床7还设有自动控温装置，即由电炉加热，热电偶置于反应炉中监控内部温度，数显智能仪表自动精确控温，PID制式，仪表控温精度±1℃，温度可任意设置，可实现程序控温；

所述的固定床的床体71中，采用具备粒径为1mm左右的玻璃珠为床料74，粒径为1mm左右的吸附剂75分散于床料中；

所述的吸附剂75为活性炭；

固定床中床料74与吸附剂75的质量比，即床料74：吸附剂75为60:1。

所用的汞发生器由汞渗透管（VICI公司），U型管和恒温水箱组成。渗透管的载气气流是一个流量和压力都恒定的气流，因此，在一定温度下，渗透管的汞蒸气的渗透速率（ng/min）是一定的。

汞蒸气由载气携带出，和模拟烟气在混气罐中进行混合，最终形成一个含有固定浓度的汞蒸气的模拟烟气。为了达到稳定的温度，将渗透管放入U型管中，另一边加入玻璃珠，同时把U型管放入恒温水箱，进入U型管的载气经玻璃珠加热后以达到汞蒸气的渗透的要求。通过调节恒温水箱的温度，得到不同含汞浓度的烟气。

在恒温水浴为60℃，载体流量为1.3L/min时，汞蒸汽浓度为32μg/m³。

应用实施例1

利用实施例1所述的一种用于烟气污染物吸附剂评价的装置来进行研究浸渍KI溶液的活性炭作为吸附剂对含汞的模拟烟气中污染物Hg⁰的吸附性能影响的实验。上述的含汞的模拟烟气通过用于烟气污染物吸附剂评价的装置中汞形态转换装置时，二价汞（Hg²⁺）被还原为零价汞（Hg⁰），通过测得混合烟气经固定床吸附前后零价汞（Hg⁰）含量的变化来对评价吸附剂对脱汞性能的影响，具体步骤如下：

（1）、吸附剂的预处理

吸附剂选用上海邱鹏环保工程有限公司的煤质活性炭，活性炭参数如表1所示：

表1 煤质活性炭参数

指标	数值
		碘吸附值（mg/g）	850/1050
四氯化碳吸附率（%）	50/70
		干燥减量（%）	≤5
灼烧残渣（%）	8-15
		耐磨强度（%）	90min
堆积比重（g/l）	450/550
		粒径（mm）	0.9-1.5

选取表1中性能的活性炭，并筛选颗粒直径为1.1mm左右，用去离子水清洗，然后置于烘箱中在110℃下干燥24h去除水分；

再选用KI（碘化钾）作为活性炭浸渍剂，即选用质量浓度5%的KI溶液浸渍活性炭颗粒，将10g活性炭浸渍于5%浓度的KI溶液中，在70℃水浴中强力搅拌2h，浸渍后置于烘箱中在110℃下干燥24h；

（2）、固定床的装填

将上述的经质量浓度5%的KI溶液浸渍后的活性炭颗粒与粒径为1mm左右的玻璃珠床料按质量比即床料与吸附剂为60:1装入固定床中。固定床的上下均采用玻璃棉固定，固定床中床料与吸附剂的填充密度为37.5g/m； 

（3）、吸附剂的脱汞性能的评价

      经汞携带气体钢瓶将压缩空气经流量计42后进入汞蒸气发生器后携带由汞蒸气发生器产生的汞蒸气经阀门6进入到混气罐5中；

经模拟烟气钢瓶将携带污染物的模拟烟气经流量计41后进入混气罐5中并与上述的进入到混气罐5中的汞蒸汽进行混合，混合所形成的混合烟气从混气罐5出来分成两路，一路经阀门从固定床7的上部进入，经固定床的床体内吸附剂进行吸附后自底部出口离开固定床7后再进入汞形态转化装置8进行汞形态转换后进入汞分析仪9，通过汞分析仪9后通过计算机10显示经固定床的吸附剂吸附的混合烟气中污染物Hg⁰的浓度，经汞分析仪后排除的气体经尾气处理装置11进行处理后再进行排放；

从混气罐5出来的另一路直接进入汞分析仪9进行分析后通过计算机10显示不经固定床的吸附剂吸附的混合烟气中污染物Hg⁰的浓度；

上述的吸附剂吸附过程控制温度为80℃，增加固定床的床体中床料及吸附剂混合物的高度以增加模拟烟气停留时间，吸附试验时间为4h;

然后通过计算，就可以得出吸附剂对混合烟气中污染物Hg⁰的吸附效率及单位吸附量；

所述的吸附效率η：

其中，C_in ：未经固定床的吸附剂吸附的混合烟气中污染物的浓度；

C_out ：经固定床的吸附剂吸附的混合烟气中污染物的浓度；

最终的浸碘活性炭脱汞性能图见图3，从图3中可以看出吸附剂的吸附效率=0.780。

应用实施例2

步骤（3）的吸附剂吸附过程控制温度为100℃，吸附试验时间为4h，其他同应用实施例1，最终的浸碘活性炭脱汞性能图见图4，从图4中可以看出所述的吸附剂的吸附效率=0.871

应用实施例3

步骤（3）的吸附剂吸附过程控制温度为120℃，吸附试验时间为4h，其他同应用实施例1，最终的浸碘活性炭脱汞性能图见图5，从图5中可以看出所述的吸附剂的吸附效率=0.873。

应用实施例4

步骤（3）的吸附剂吸附过程控制温度为140℃，吸附试验时间为4h，其他同应用实施例1，最终的浸碘活性炭脱汞性能图见图6，从图6中可以看出所述的吸附剂的吸附效率=0.890。

应用实施例5

步骤（3）的吸附剂吸附过程控制温度为160℃，吸附试验时间为4h，其他同应用实施例1，最终的浸碘活性炭脱汞性能图见图7，从图7中可以看出所述的吸附剂的吸附效率=0.911。

应用实施例6

步骤（3）的吸附剂吸附过程控制温度为180℃，吸附试验时间为4h，其他同应用实施例1，最终的浸碘活性炭脱汞性能图见图8，从图8中可以看出所述的吸附剂的吸附效率=0.913。

综合上述应用实施例1～6可以看出，随温度升高，Hg⁰的脱除率升高，吸附效率降低。另外，本发明仅以KI（碘化钾）浸渍的活性炭剂为吸附剂进行举例，但并不限制本发明的一种用于烟气污染物吸附剂评价的装置对其他烟气污染吸附剂评价的应用。

上述内容仅为本发明构思下的基本说明，而依据本发明的技术方案所作的任何等效变换，均应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种用于烟气污染物吸附剂评价的装置，包括携带污染物的模拟烟气钢瓶，汞携带气体钢瓶，汞蒸气发生器，质量流量计A，质量流量计B、混气罐，双通阀，汞形态转换装置，汞分析仪，计算机，尾气处理装置,其特征在于还包括固定床；

所述的汞携带气体钢瓶依次经压缩空气经流量计A、汞蒸汽发生器、双通阀后与混气罐的入口相连；

携带污染物的模拟烟气钢瓶经流量计B后与混气罐的入口相连；

混气罐出口的管道分成两路，一路管道经阀门从固定床的顶部进入固定床，固定床的下面的出口通过管道与汞形态转化装置相连，汞形态转化装置的出口与汞分析仪相连；

汞分析仪将分析所得的数据送入计算机显示，另外，汞分析仪设有排气口并与尾气处理装置相连；

从混气罐出来的另一路管道不经固定床及汞形态转化装置而直接进入汞分析仪；

所述的固定床包括固定床的床体、烟气入口、烟气出口；

固定床的床体中，采用具备粒径为0.5~2mm的玻璃珠或硬质聚酯材料作为床料，粒径为0.5~1.5mm的吸附剂分散于床料中，固定床中床料与吸附剂的质量比值在50～70:1。

2.如权利要求1所述的一种用于烟气污染物吸附剂评价的装置，其特征在于所述的烟气污染物吸附剂评价的装置中所用的所有的管道为TEFLON管。

3.如权利要求1或2所述的一种用于烟气污染物吸附剂评价的装置，其特征在于所述的吸附剂呈固体颗粒，为碳基类吸附剂或非碳基类吸附剂；

所述的碳基类吸附剂为活性炭或活性炭改性制品；

所述的非碳基类吸附剂为钙基类吸附剂、凹凸棒矿石类吸附剂、钙基类吸附剂的改性制品或凹凸棒矿石类吸附剂的改性制品。

4.如权利要求3所述的一种用于烟气污染物吸附剂评价的装置，其特征在于所述的钙基类吸附剂为CaCl₂或CaCO₃。

5.利用如权利要求4所述的一种用于烟气污染物吸附剂评价的装置对吸附剂进行评价的方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）、吸附剂的预处理

         将吸附剂用去离子水清洗然后置于烘箱中在110℃下干燥24h去除水分;

（2）、固定床的安装

将床料与吸附剂混合均匀后填入到固定床中，固定床的上下均采用玻璃棉固定，固定床中床料与吸附剂的填充密度为30～50g/m；

（3）、吸附剂的吸附性能的评价

经汞携带气体钢瓶将压缩空气经流量计A后进入汞蒸汽发生器后携带由汞蒸汽发生器产生的汞蒸气经双通阀进入到混气罐中；

携带污染物的模拟烟气钢瓶将携带污染物的模拟烟气经流量计B后进入混气罐中并与上述的进入到混气罐中的汞蒸汽进行混合；

上述混合所形成的混合烟气从混气罐出来分成两路，一路经阀门进入固定床，控制温度为65~350℃，停留时间为0.5-1.0s，被固定床中的吸附剂吸附后再进入汞形态转化装置进行汞形态转换后排出的烟气进入汞分析仪，计算机显示的是经固定床吸附剂吸附后的混合烟气中污染物的浓度C_out，经汞分析仪后排出的气体经尾气处理装置进行处理后再进行排放；

从混气罐出来的另一路直接进入汞分析仪进行分析后通过计算机显示即未经固定床的吸附剂吸附的混合烟气中污染物的浓度C_in；

然后通过计算，就可以得出吸附剂对烟气中污染物的吸附效率及单位吸附量；

所述的吸附效率η：

其中，C_in ：未经固定床的吸附剂吸附的混合烟气中污染物的浓度；

C_out ：经固定床的吸附剂吸附的混合烟气中污染物的浓度；

所述的吸附剂的单位吸附量Q_a：

式中，C_in ：指混合烟气未经固定床的吸附剂吸附的混合烟气中污染物浓度；

 ：指混合烟气经固定床的吸附剂吸附后的混合烟气中的污染物，各监测瞬间的浓度；

 ：指各监测瞬间的时间间隔；

 ：指混合烟气被吸附剂吸附的时段内，监测的浓度的个数；

 ：指混合烟气流量；

 ：指固定床中吸附剂的质量。

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