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燃煤排放的SO2、NOx和Hg污染已引起世界范围内的广泛关注。现有的SO2、NOx脱除装置都没有实现多种污染物一体化脱除。因此,多种污染物联合高效脱除是燃煤电厂发展的方向。活性炭/活性焦具有良好的吸附性能,能够有效脱除烟气中的SO2、NOx和Hg,但其成本高,难以实现大规模工业应用。因此,寻找价廉高效的吸附剂成为各国学者努力的方向。基于生物质资源化利用的目的,本文提出利用改性生物质焦代替活性炭/活性焦作为联合脱汞脱硫脱硝的吸附剂。
选用稻杆(RS)、稻壳(RH)、木屑(WS)和棉杆(CS)四种生物质制备了生物质焦;利用NH4Cl、NH4Br和H2O2对其进行了化学改性处理;采用N2吸附/脱附、傅里叶变换红外光谱(FTIR)和扫描电子显微镜/X射线能谱仪(SEM-EDS)等仪器对生物质焦进行了表征。在固定床吸附实验台上,进行了改性前后生物质焦吸附脱除模拟烟气中Hg、SO2、NO的实验研究和理论分析,获得了生物质焦联合脱除燃煤多种污染物的初步影响规律。
N2吸附/脱附结果显示:生物质种类及制焦条件对生物质焦微观结构有较大影响,随着热解温度的升高,生物质焦的比表面积、微孔容积、分形维数等参数有先增大后减小的趋势。生物质焦经NH4Cl、NH4Br和H2O2改性后,其微观形貌得到了较大改善。
FTIR测试结果表明:生物质焦表面官能团的数量和种类随热解温度的升高而减少。相对于WS600和CS600表面的官能团而言,RH600和RS600的表面官能团的种类比较丰富,而且数量相对较多。改性后稻杆焦的表面官能团变化较大。
SEM观察显示:改性后稻杆焦没有发生孔堵塞现象,其表面的片状突起结构比改性前更为丰富。EDS结果显示:RS600和RH600焦样表面的元素C和Si含量较高;WS600和CS600表面C元素较高;RS600和RH600表面O含量要明显高于WS600和CS600表面的含氧量;RS600含有微量的Mn元素。稻杆焦经过NH4Cl和NH4Br改性后,其表面Cl和Br的含量显著增加;经H2O2改性后,稻杆焦表面的含氧量也有所增加。
固定床吸附实验结果表明:相同制焦温度下制备的四种生物质焦的脱汞性能中,RH600焦样最好,WS600和RS600次之,CS600最差;不同制焦温度制得的焦样中,RS600和RS700吸附汞的效果要明显好于RS500和RS800。稻杆焦经NH4Cl和NH4Br改性后,其吸附汞的性能有较大的提高,随吸附反应温度的升高,其吸附汞的效果先增大后减小;经过H2O2改性后的稻杆焦吸附汞的效果略有提高,其吸附汞的效果随温度的升高而降低。烟气中的SO2对改性后生物质焦的脱汞效果有抑制作用,NO对其脱汞效果影响不明显。
生物质的种类和制焦温度对生物质焦脱硫的影响比较显著。几种生物质焦改性前后的脱硝效果都较差,生物质的种类和制焦温度对生物质焦脱硝的影响很小。稻杆焦经过NH4Cl和NH4Br改性后其脱硫效果降低,经过H2O2改性后其脱硫效果增加;生物质焦脱硫的效果不仅与其比表面积和微孔容积等物理性质有关,还受其表面酸性、碱性官能团等化学性质的影响。经过改性后的生物质焦的脱硝效果变化不大。