CN104034850A - 一种气态单质汞的氧化剂和吸附剂的性能评价装置 - Google Patents

Abstract

一种气态单质汞的氧化剂和吸附剂的性能评价装置，包括吸附反应系统以及分别与吸附反应系统入口处相连的烟气模拟系统和多相煤燃烧系统，吸附反应系统上设有若干个取样点，取样点与多相煤燃烧系统出口分别与能够检测汞浓度和分析烟气的检测系统相连；其中，所述的烟气模拟系统包括控温气体混合箱以及分别与控温气体混合箱相连的汞蒸气发生器、水蒸气发生器以及用于模拟烟气的储气瓶；控温气体混合箱与吸附反应系统的入口相连。该装置能够对模拟烟气和实际烟气中汞的氧化剂和吸附剂性能进行评价，且成本低，可操作性强。

Description

一种气态单质汞的氧化剂和吸附剂的性能评价装置

技术领域

本发明属于烟气的吸附净化领域，具体涉及一种气态单质汞的氧化剂和吸附剂的性能评价装置。

背景技术

燃煤排放的汞是人为汞污染的主要来源之一，汞是一种剧毒污染物，在微生物的作用下汞可以转化为毒性比汞更强的甲基汞，可以通过生物富集作用，通过食物链积累到人体内。此外，汞也是一种神经毒素，可以累积在大脑组织中，导致人体运动失调、语言障碍等。

汞的控制研究已成为本世纪以来国内外的一大热点，研究内容主要包括汞的形态与转化、汞的均相和多相反应机理、汞的脱除技术等。浙江大学、清华大学、东南大学、湖南大学、华北电力大学、华中科技大学等大学的研究中心在这些方面开展了大量的研究。

在静电除尘器(ESP)或布袋除尘器上游喷射粉末活性炭(PAC或AC)是燃煤电厂最有前途的汞控制技术。烟气温度、烟气组分、汞浓度以及吸附剂的颗粒尺寸都会影响吸附剂对汞的俘获能力。

国内外的学者围绕着寻求高效的单质汞氧化剂，脱汞效率高、价格低廉的吸附剂以及吸附剂改性手段进行了大量的研究，并取得了一定的成果。为开发出高比表面积、高吸附性能、可与活性炭媲美的、新型的高效氧化剂及吸附剂，许多研究学者对研究的吸附剂进行了大量的尝试。在研究过程中需要对氧化剂、脱汞吸附剂的各种性能进行评价，如脱汞率、其它烟气组分的影响等。在燃煤厂现场进行操作，存在操作复杂、过程长、效率低、不确定性因素多、成本较高等缺点；而且锅炉烟道复杂，气体成分变化很大，不同取样点的位置、气体样品的采集方法及分析仪器实验方法的选择都会影响测量结果。所以，采用统一的测试条件，减少不必要的影响因素来衡量在同一工况下的不同的汞吸附剂的吸附效果很有必要。

发明内容

本发明的目的在于提出一种气态单质汞的氧化剂和吸附剂的性能评价装置，该装置能够对模拟烟气和实际烟气中汞的氧化剂和吸附剂性能进行评价，且成本低，可操作性强。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案包括吸附反应系统以及分别与吸附反应系统入口处相连的烟气模拟系统和多相煤燃烧系统，吸附反应系统上设有若干个能够打开和关闭的取样点，取样点与多相煤燃烧系统的出口分别与能够检测汞浓度和分析烟气的检测系统相连；其中，所述的烟气模拟系统包括控温气体混合箱以及分别与控温气体混合箱相连的汞蒸气发生器、水蒸气发生器以及用于模拟烟气的储气瓶；控温气体混合箱与吸附反应系统的入口相连。

所述的吸附反应系统包括烟道以及设置在烟道外的烟道保温装置，且若干取样点沿烟气流向均匀的设置在烟道上，烟道的入口处设有用于喷射活性炭和吸附剂混合物的第一给粉装置，且控温气体混合箱的出口和多相煤燃烧系统的出口分别经过第一给粉装置与烟道的入口相连。

所述的烟气模拟系统的出口与第一给粉装置之间设有第一阀门，多相煤燃烧系统的出口与第一给粉装置之间设有第二阀门。

所述的烟道的出口处依次设有第一旋风分离器、布袋除尘器以及活性碳柱。

所述的多相煤燃烧系统与检测系统之间依次设有第三阀门以及尾气处理系统，尾气处理系统与取样点相连。

所述的尾气处理系统包括依次相连的第二旋风除尘器、除酸器以及除水装置，第二旋风除尘器分别与取样点和第三阀门的出口相连，除水装置与检测系统相连。

所述的检测系统包括由第一、二支路构成的汞形态转化装置，第一支路上设有内部装有二价汞脱除剂的第一洗气瓶，第二支路上设有第二、三洗气瓶，第二支路上设有内部装有SO₂去除剂，第三洗气瓶内装有将二价汞还原成单质汞的还原剂；其中，第一、二支路的入口分别与除水装置相连，第一、二支路的出口分别与测汞仪相连，测汞仪的出口与烟气分析仪相连。

所述的多相煤燃烧系统包括炉体以及设在炉体中的炉膛，炉膛外设有炉膛保温装置炉膛外部设有将空气分为一次风和二次风的送风机，送风机的一次风出口与用于喷射煤粉与单质汞氧化剂混合物的第二给粉装置相连，第二给粉装置设置在炉膛的入口处；送风机的二次风出口与炉膛上开设的二次风入口相连，炉膛的出口分别与第一给粉装置和第三阀门的入口相连。

所述的汞蒸气发生器与控温气体混合箱之间、水蒸气发生器与控温气体混合箱之间、储气瓶与控温气体混合箱之间的管路均依次设有流量控制装置、截止阀以及单向阀。

所述的储气瓶包括并联的SO₂气瓶、NO气瓶、HCl气瓶、O₂气瓶、N₂气瓶、CO₂气瓶，且SO₂气瓶、NO气瓶、HCl气瓶、O₂气瓶、N₂气瓶、CO₂气瓶分别与控温气体混合箱相连。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明设置了模拟烟气系统能够很好的模拟电厂的燃煤烟气组分，并精确地生成一定浓度的二价汞和单质汞，多相煤燃烧系统可以产生模拟电厂环境下的实际的燃煤烟气同时进行单质汞氧化剂性能评价实验，吸附反应系统能够快捷地进行脱汞吸附剂性能评价实验，最后通过检测系统评价单质汞氧化剂以及吸附剂的性能。本发明的模拟烟气系统、吸附反应系统以及检测系统结合起来能够测定模拟烟气中气态汞吸附剂的性能，而多相煤燃烧系统、吸附反应系统能够以及检测系统结合起来能够测定实际烟气中气态汞的氧化剂性能和吸附剂性能，因此，本发明能够实现模拟烟气与实际烟气中汞的氧化剂与吸附剂的性能评价；同时，本发明还能够对实际烟气与模拟烟气的实验结果进行综合比较分析。其整体分为四个模块，根据实验需要选择管线的连接，在不增加实验设备的条件下实现多功能，因此，成本低；另外，本发明的模拟烟气系统能够根据实际实验需要，调整其输出的模拟烟气中各个组分含量，因此，本发明的气氛具有可调性，可操作性强。

附图说明

图1为本发明的总结结构图；

其中，1、模拟烟气系统，2、多相煤燃烧系统，3、吸附反应系统，4、尾气处理系统，5、检测系统。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

参见图1，本发明包括吸附反应系统3以及分别与吸附反应系统3入口处相连的烟气模拟系统1和多相煤燃烧系统2，吸附反应系统3上设有若干个能够打开和关闭的取样点，取样点与多相煤燃烧系统2的出口分别与尾气处理系统4相连，尾气处理系统4的出口与能够检测汞浓度和分析烟气的检测系统5相连；其中，模拟烟气系统1与吸附反应系统3的入口之间设有第一阀门，多相煤燃烧系统2的出口与吸附反应系统3的入口之间设有第二阀门，多相煤燃烧系统2的出口与尾气处理系统4的入口之前设有第三阀门。

烟气模拟系统1和多相煤燃烧系统2之间的管路、多相煤燃烧系统2与吸附反应系统3之间的管路、多相煤燃烧系统2与尾气处理系统4之间的管路、吸附反应系统3与尾气处理系统4之间的管路、尾气处理系统4与检测系统5之间的管路均采用聚四氟乙烯管线并加装加热带，保证从室温加热到150℃，防止其中含有的水蒸气凝结，同时具有温度监控装置。

(一)五个系统的分别说明

1、烟气模拟系统

模拟烟气系统能够较好地模拟现场的烟气组成情况，包括汞蒸气发生器、水蒸气发生器以及用于模拟烟气的储气瓶，控温气体混合箱能够保证气体的加热混合，保证一定温度下的混合气的均匀混合。

控温气体混合箱分别与汞蒸气发生器、水蒸气发生器以及储气瓶相连；控温气体混合箱的出口与第一阀门相连，汞蒸气发生器与控温气体混合箱之间的管路、水蒸气发生器与控温气体混合箱之间的管路、储气瓶与控温气体混合箱之间的管路均依次设有流量控制装置、截止阀以及单向阀，且这些管路采用聚四氟乙烯管，水蒸气发生器与控温气体混合箱之间的管路设置加热带，保证从室温加热到150℃，防止其中含有的水蒸气凝结，同时具有温度监控装置。汞蒸气发生器采用零价汞发生器，产生的零价汞浓度条件范围很大并且调节精度高。

储气瓶包括并联的SO₂气瓶、NO气瓶、HCl气瓶、O₂气瓶、N₂气瓶、CO₂气瓶，且SO₂气瓶、NO气瓶、HCl气瓶、O₂气瓶、N₂气瓶、CO₂气瓶分别与控温气体混合箱相连，SO₂气瓶、NO气瓶、HCl气瓶、O₂气瓶、N₂气瓶、CO₂气瓶与控温气体混合箱之间均设有流量控制装置、截止阀以及单向阀，这样就能精确的调节模拟的烟气中各个气体的含量。

2、多相煤燃烧系统

多相煤燃烧系统2包括设有炉膛保温装置的炉膛，炉膛外部设有将空气分为一次风和二次风的送风机，送风机的一次风出口与用于喷射煤粉与单质汞氧化剂混合物的第二给粉装置相连，第二给粉装置设置在炉膛的入口处；送风机的二次风出口与炉膛上开设的二次风入口相连，炉膛的出口分别与第二阀门的入口和第三阀门的入口相连。

由于实验台架规模的限制以及对给粉量连续性、再现性和精确性的要求，多相煤燃烧系统采用微量给粉器，其原理为根据粉末的流动性，从给料斗出口流到旋转台上的粉料首先通过一级刮板给出，并在旋转台上形成一个高度相当一致的粉末层；随后，粉料按照不同的给料量通过二级刮板的精确调节给出。该给粉器给粉流量的范围为最低流量可达0.1-20g/min，可以在0.5±5％的极低偏差下连续进行(取决于粉料的流动性)。

实验时先把煤粉以及汞氧化剂混合物烘干使其具有较好的流动性，确保给粉连续准确；然后根据实验给煤量要求初步估算给煤粉量，通过若干次实验给粉称重，调节电机速度或一次、二次刮板的高度和角度来达到给粉量要求。空气经由送风机后分为一次风和二次风，一次风进入微量给粉器，携带混合物由炉顶喷入炉内，垂直向下流动。二次风由进入炉膛保证燃烧充分。

炉体的中间炉膛为刚玉管，可耐1450℃的高温，炉膛保温装置由硅炭棒和铠装铂铑高温热电偶组成，炉膛使用硅炭棒分两段电加热，在刚玉管的外表面布置了三支铠装铂铑高温热电偶测量温度，在实验前设定升温过程和最终的实验温度，实验时自动控制，实验过程中温度可以稳定地满足动态燃烧的条件。

3、吸附反应系统

吸附反应系统3包括烟道以及设置在烟道外的烟道保温装置，且若干取样点(如5个)沿烟气流向均匀的设置在烟道上，烟道的入口处设有用于喷射活性炭和吸附剂混合物的第一给粉装置，且第一阀门的出口和第二阀门的出口分别经过第一给粉装置与烟道的入口相连，烟道的出口处依次设有第一旋风分离器、布袋除尘器以及活性碳柱，取样点与尾气处理系统4相连。烟道保温装置具体是由电加热装置以及铠装铂铑高温热电偶组成，铠装铂铑高温热电偶测量温度，在实验前设定升温过程和最终的实验温度，实验时能够自动控制。

吸附反应系统3的烟道长10m，内衬为石英管(内径20mm)，整个烟道系统保持恒温，5个取样点沿烟气流向均匀的设置在烟道上，能够测定烟道中不同停留时间的汞浓度，当测定某取样点的汞浓度时，其他取样点关闭。活性炭与汞吸附剂的混合物喷射量用第二给粉装置(具体选用微量微粉机)精确定量，通过调速器改变混合物喷射量，并用烟气将混合物喷射到烟道中。为提高实验测试精度，将混合物与相同粒径的惰性物料SiO₂颗粒进行混合。烟道中的吸附剂颗粒经过尾部的旋风分离器和布袋除尘器收集，烟气经活性碳柱排入大气。

4、尾气处理系统

尾气处理系统4有效的除尘、除酸性气体、除水，避免对检测系统中各个装置的影响，尾气处理系统4由依次相连的第二旋风除尘器、除酸器以及除水装置构成，第二旋风除尘器分别与取样点和第三阀门的出口相连，除水装置与检测系统5相连，同时尾气处理系统中的第二旋风除尘器、除酸器以及除水装置采用聚四氟乙烯管路连接，可以避免橡胶和金属的对汞的干扰。

5、检测系统

检测系统4包括汞形态转化系统、测汞仪以及烟气分析仪，测汞仪采用Lumex测汞仪，该测汞仪采用Zeeman原子吸收光谱法测汞，可实时监测烟气中的单质汞浓度，响应时间为1s。烟气分析仪采用德国Rosemount多组分气体分析仪，该烟气分析仪基于NDIR非色散红外检测器、NDUV/VIS非色散紫外/可见光检测器，以及长期稳定的电化学氧检测器；可以检测SO₂、NO、、CO₂、O₂五种烟气成分。

汞形态转化装置由第一、二支路构成：第一支路上设有内部装有二价汞脱除剂的第一洗气瓶，二价汞脱除剂为质量浓度为10％的KCl水溶液，该路就可以测试烟气中单质汞的浓度；第二支路上设有第二、三洗气瓶，第二支路上设有内部装有SO₂去除剂，SO₂去除剂为质量浓度为10％的NaOH水溶液，第三洗气瓶内装有将二价汞还原成单质汞的还原剂，还原剂为质量浓度为10％的SnCl₂水溶液；第二、三洗气瓶内的溶液用于测试烟气中总汞浓度。其中，第一、二支路的入口分别与除水装置相连，第一、二支路的出口分别与测汞仪相连，测汞仪的出口与烟气分析仪相连。

经过尾气处理系统4处理过的烟气一路进入第一洗气瓶，烟气中的二价汞溶于KCl水溶液被脱除，该路就可以测试烟气中单质汞的浓度。另一路进入第二洗气瓶，NaOH水溶液洗去烟气中的SO₂，从而避免SO₂对SnCl₂还原二价汞的影响，接着烟气进入第三洗气瓶，SnCl₂水溶液可以将二价汞还原成单质汞，该路能够检测出烟气中总汞浓度，两条支路的汞浓度差即为烟气中二价汞的浓度。

(二)本发明的工作原理

1、模拟烟气条件下的工作原理：

汞蒸气发生器、水蒸汽发生器以及储气瓶中的气体分别进入控温混合箱中混合，各个气体的量由对应的管路上的流量控制装置进行调节，控温混合箱中各个气体混合后形成模拟烟气，模拟烟气经第一阀门进入第一给粉装置，将放置于第一给粉装置中的汞吸附剂和活性炭吸附剂混合物喷射到烟道中，选择取样点，抽取某时间点时的烟气，该时间点的烟气进入烟气处理系统进行除尘、除酸性气体、除水，然后分为两路，一路测定模拟烟气中单质汞的浓度，另一路测定模拟烟气中总汞浓度，两条支路的汞浓度差即为烟气中二价汞的浓度。根据该烟气中二价汞的浓度即可对汞吸附剂的性能进行评价。

2、实际烟气

空气经由送风机后分为一次风和二次风，一次风进入第一给粉装置，携带汞氧化剂和煤粉的混合物由炉顶喷入炉内，垂直向下流动。二次风由进入炉膛使混合物燃烧，燃烧生成的烟气分为两路，一路经过尾气处理系统除尘、除酸性气体、除水，然后进入检测装置测定烟气中的二价汞浓度，另一路进入第一给粉装置，将活性炭和汞吸附剂的混合物喷向烟道，从取样点抽取某时间点的烟气经尾气处理系统除尘、除酸性气体、除水，然后进入检测装置测定烟气中的二价汞浓度，两路烟气的区别在于一路直接进行尾气处理和检测，另一路则是经过吸附反应系统再进行尾气处理和检测，对比两路的检测结果，可以对汞氧化剂和吸附剂的性能进行评价。

本发明以脱汞技术的工业应用为开发目标，突出实用性、模块化和多功能化，其目的是可用于脱汞氧化剂、吸附剂的筛选工作，提高实验精度，降低实验成本。

1)本发明的脱汞氧化剂、吸附剂的性能评价装置各部分设计合理，其中模拟烟气系统和多相煤燃烧系统能够较好地模拟电厂的烟气情况，能够准确、便捷地对制得的汞氧化剂、脱汞吸附剂进行性能检测。

2)本发明能够通过模拟烟气系统调整烟气流量以及汞的加入量、通过第一、二给粉装置调整汞吸附剂和氧化剂的添加量，因此，本发明精确可控。

3)本发明能够分别实现模拟烟气与实际烟气中汞的氧化与吸附脱除实验。

4)本发明具有宽调节的特点：本发明能够调整烟气的温度、流量、气氛以及吸附介质与吸附剂载入方式，同时通过吸附反应系统和多相煤燃烧系统完成氧化剂添加与吸附剂喷射关键参数的实验研究，如对应不同汞浓度下的氧化剂、吸附剂的最佳添加量及喷射量，因此，本发明具有宽泛的调节性和可操作性。

5)本发明分为五个模块，根据实验需要选择管线的连接，在不增加实验设备的条件下实现多功能。

6)本发明具有可比性的特点：可对实际烟气与模拟烟气的实验结果进行综合比较分析。

7)所有的管路采用聚四氟或石英管路，并且有100℃以上的伴热，汞不容易沾附在管路上，实验结果误差很小。

Claims (10)

1.一种气态单质汞的氧化剂和吸附剂的性能评价装置，其特征在于：包括吸附反应系统(3)以及分别与吸附反应系统(3)入口处相连的烟气模拟系统(1)和多相煤燃烧系统(2)，吸附反应系统(3)上设有若干个能够打开和关闭的取样点，取样点与多相煤燃烧系统(2)的出口分别与能够检测汞浓度和分析烟气的检测系统(5)相连；其中，所述的烟气模拟系统(1)包括控温气体混合箱以及分别与控温气体混合箱相连的汞蒸气发生器、水蒸气发生器以及用于模拟烟气的储气瓶；控温气体混合箱与吸附反应系统(3)的入口相连。

2.根据权利要求1所述的气态单质汞的氧化剂和吸附剂的性能评价装置，其特征在于：所述的吸附反应系统(3)包括烟道以及设置在烟道外的烟道保温装置，且若干取样点沿烟气流向均匀的设置在烟道上，烟道的入口处设有用于喷射活性炭和吸附剂混合物的第一给粉装置，且控温气体混合箱的出口和多相煤燃烧系统(2)的出口分别经过第一给粉装置与烟道的入口相连。

3.根据权利要求2所述的气态单质汞的氧化剂和吸附剂的性能评价装置，其特征在于：所述的烟气模拟系统(1)的出口与第一给粉装置之间设有第一阀门，多相煤燃烧系统(2)的出口与第一给粉装置之间设有第二阀门。

4.根据权利要求2所述的气态单质汞的氧化剂和吸附剂的性能评价装置，其特征在于：所述的烟道的出口处依次设有第一旋风分离器、布袋除尘器以及活性碳柱。

5.根据权利要求1所述的气态单质汞的氧化剂和吸附剂的性能评价装置，其特征在于：所述的多相煤燃烧系统(2)与检测系统(5)之间依次设有第三阀门以及尾气处理系统(4)，尾气处理系统(4)与取样点相连。

6.根据权利要求5所述的气态单质汞的氧化剂和吸附剂的性能评价装置，其特征在于：所述的尾气处理系统(4)包括依次相连的第二旋风除尘器、除酸器以及除水装置，第二旋风除尘器分别与取样点和第三阀门的出口相连，除水装置与检测系统(5)相连。

7.根据权利要求6所述的气态单质汞的氧化剂和吸附剂的性能评价装置，其特征在于：所述的检测系统(5)包括由第一、二支路构成的汞形态转化装置，第一支路上设有内部装有二价汞脱除剂的第一洗气瓶，第二支路上设有第二、三洗气瓶，第二支路上设有内部装有SO₂去除剂，第三洗气瓶内装有将二价汞还原成单质汞的还原剂；其中，第一、二支路的入口分别与除水装置相连，第一、二支路的出口分别与测汞仪相连，测汞仪的出口与烟气分析仪相连。

8.根据权利要求5所述的气态单质汞的氧化剂和吸附剂的性能评价装置，其特征在于：所述的多相煤燃烧系统(2)包括炉体以及设在炉体中的炉膛，炉膛外设有炉膛保温装置炉膛外部设有将空气分为一次风和二次风的送风机，送风机的一次风出口与用于喷射煤粉与单质汞氧化剂混合物的第二给粉装置相连，第二给粉装置设置在炉膛的入口处；送风机的二次风出口与炉膛上开设的二次风入口相连，炉膛的出口分别与第一给粉装置和第三阀门的入口相连。

9.根据权利要求1所述的气态单质汞的氧化剂和吸附剂的性能评价装置，其特征在于：所述的汞蒸气发生器与控温气体混合箱之间、水蒸气发生器与控温气体混合箱之间、储气瓶与控温气体混合箱之间的管路均依次设有流量控制装置、截止阀以及单向阀。

10.根据权利要求1或9所述的气态单质汞的氧化剂和吸附剂的性能评价装置，其特征在于：所述的储气瓶包括并联的SO₂气瓶、NO气瓶、HCl气瓶、O₂气瓶、N₂气瓶、CO₂气瓶，且SO₂气瓶、NO气瓶、HCl气瓶、O₂气瓶、N₂气瓶、CO₂气瓶分别与控温气体混合箱相连。