CN101980013A

CN101980013A - 一种吸附剂的活性检测系统

Info

Publication number: CN101980013A
Application number: CN2010105076225A
Authority: CN
Inventors: 罗津晶; 张龙东
Original assignee: Xiamen University
Current assignee: Xiamen University
Priority date: 2010-10-14
Filing date: 2010-10-14
Publication date: 2011-02-23
Anticipated expiration: 2030-10-14
Also published as: CN101980013B

Abstract

一种吸附剂的活性检测系统，涉及一种吸附剂。设有模拟燃煤烟气气相汞发生单元、反应单元与检测单元。所述模拟燃煤烟气气相汞发生单元设有N₂气瓶、CO₂气瓶、SO₂气瓶、O₂气瓶、NO₂气瓶、HCl气瓶、NO气瓶、质量流量控制器、Hg⁰渗透管、Hg²⁺渗透管和恒温水浴锅。所述反应单元设有烘箱、混合预热器和吸附反应器；所述检测单元设有含SnCl₂与NaOH溶液的洗气瓶、含KCl与NaOH溶液的洗气瓶、冰浴冷凝器以及连续测定气汞含量的测汞仪。能够方便、快速、稳定地产生含有一定气相汞浓度的全组分模拟燃煤烟气，可提供稳定的反应温度，可通过旋转阀门与测汞仪配合，以实时监测总汞或元素汞含量。

Description

一种吸附剂的活性检测系统

技术领域

本发明涉及一种吸附剂，尤其是涉及一种用于研究吸附剂对燃煤烟气中气相汞的吸附的吸附剂的活性检测系统。

背景技术

2005年3月15日，美国环保署颁布了清洁空气汞法案。该法案规定，到2018年，汞的排放水平要在1999年的基础上降低70％。

吸附剂喷射技术是最具市场前景的用于燃煤电厂烟气的除汞技术。该技术将吸附剂喷射入空气预热器与除尘设备(静电除尘器、布袋除尘器等)之间的烟气气流中，使吸附剂在烟气中完成对汞的吸附，并随飞灰一起被后续除尘设备捕集。吸附剂喷射除汞技术已经被成功应用于多个工程实例，然而，在这项技术商业化并被广泛应用之前，还需要对其进行很多研究及开发。由于这项技术需要使用大量吸附剂，从而将增大除尘器的颗粒物负荷进而可能影响电厂的正常运行，而且也将增加飞灰的处理与处置及其它方面的运行成本。因此，开发新型高效、低成本吸附剂是近年来的研究热点。

影响吸附剂对汞的吸附效率的因素包括：吸附剂的物理、化学性质，烟气条件(温度、卤素与SO₃的含量等)以及电厂空气污染控制设备的配置等。现阶段，科研人员对用于汞污染控制的吸附剂的研究主要在小试规模的固定床吸附反应系统中进行。然而，文献报道中使用的固定床吸附反应系统多数只应用N₂或N₂与其它少数几个烟气组分，或不能同时检测吸附反应器出口模拟烟气中的总汞与元素汞含量，或只涉及Hg⁰，而缺少作为燃煤烟气中汞重要形态的Hg²⁺等([4]Stuart JL.DEVELOPMENT OF AN EXPERIMENTAL SYSTEM TO STUDYMERCURY UPTAKE BY ACTIVATED CARBONSUNDER SIMULATED FLUE GASCONDITIONS.Pittsburgh：University of Pittsburgh；2002；[5]Diamantopoulou I，Skodras G，Sakellaropoulos GP.Sorption of mercury by activated carbon in the presence of fluegascomponents.Fuel Processing Technology，2010，91(2)：158-163；[6]Lee J-Y，Ju Y，Lee S-S，et al.NovelMercury Oxidant and Sorbent for Mercury Emissions Control from Coal-fired Power Plants.Water，Air，& Soil Pollution：Focus，2008，8(3)：333-341)。因此，建立一个稳定可靠的、可用于研究全组分模拟烟气(N₂、CO₂、O₂、SO₂、NO₂、HCl、NO、水分以及Hg⁰或Hg²⁺)条件下不同吸附剂对汞的吸附性能的实验系统是十分必要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种吸附剂的活性检测系统。

本发明设有模拟燃煤烟气气相汞发生单元、反应单元与检测单元。

所述模拟燃煤烟气气相汞发生单元设有N₂气瓶、CO₂气瓶、SO₂气瓶、O₂气瓶、NO₂气瓶、HCl气瓶、NO气瓶、质量流量控制器、Hg⁰渗透管、Hg²⁺渗透管和恒温水浴锅。在恒温水浴锅内设有产生水分的洗气瓶和产生气相汞(Hg⁰或HgCl₂)的汞渗透管，洗气瓶内通有恒定流量的吹脱载气N₂，汞渗透管设于U型管中，U型管配有管塞，U型管入口一侧盛有玻璃珠，汞渗透管设于U型管出口一侧；N₂气瓶、CO₂气瓶、SO₂气瓶、O₂气瓶、NO₂气瓶、HCl气瓶和NO气瓶的流量均由质量流量控制器控制，所有汞蒸气及水蒸汽经过的管路均缠绕有加热带；

所述反应单元设有烘箱、混合预热器和吸附反应器，烘箱顶部开有用于方便通有模拟燃煤烟气的管路进出的2个圆孔，经U型管流出的含汞气流与其它各烟气组分气流通过一个Y型三通合并入一条管路，之后通过两个Y型三通拆分为三条管路，通过旋转阀门可选择使气流从此3条管路中的任何一条中通过，3条管路的去向分别为：通入烘箱(路线I)、通入尾气处理装置，以及直接通向检测单元用以测定反应器入口汞浓度(路线II)；通入恒烘烘箱的管路与混合预热器和吸附反应器连接，之后从烘箱伸出；从烘箱伸出的管路由一个Y型三通与两个阀门将其拆分为并行的两路，分别与检测单元中的总汞路线、元素汞路线连接；

所述检测单元设有含SnCl₂与NaOH溶液的洗气瓶、含KCl与NaOH溶液的洗气瓶、冰浴冷凝器以及连续测定气汞含量的测汞仪；通过旋转阀门可选择测定反应后模拟燃煤烟气中的总汞含量或元素汞含量，冰浴冷凝器由浸没在冰块中的空的洗气瓶构成。

所述管塞，可采用磨砂空心带孔石英玻璃管塞。

所述含SnCl₂与NaOH溶液的洗气瓶，可采用含200mL 2％SnCl₂与20％NaOH溶液的洗气瓶，组成总汞路线；所述KCl可采用200mL 1mol/L KCl。

所述含KCl与NaOH溶液的洗气瓶，可采用含200mL 1mol/L KCl与20％NaOH溶液的洗气瓶，组成元素汞路线。

所述测汞仪可采用Jerome测汞仪。

本发明的有益效果是：能够方便、快速、稳定地产生含有一定气相汞浓度的全组分模拟燃煤烟气，可提供稳定的反应温度，可通过旋转阀门与测汞仪配合，以实时监测总汞或元素汞含量。管路设计方便实用，耐酸、耐高温(＜200℃)。经实验验证，当管路中通有1L/minN₂与10～50μg/m³ Hg⁰或Hg²⁺时，反应单元前后的汞浓度相同，即：该实验系统稳定可靠，可用于吸附剂对燃煤烟气中气相汞的吸附研究。

本发明采用稳定可靠、方便实用的设备与材料建立了一个全组分模拟燃煤烟气气相汞产生、反应与检测系统，并将其应用于测试模拟烟气条件下不同吸附剂对汞的吸附性能。研究表明，该系统可产生含有恒定汞浓度的全组分模拟烟气、可提供合适的吸附反应条件(烟气组分浓度、温度等)、可实时监测反应器进、出口的总汞和元素汞浓度，因而可用于全面、有效地研究单一或多组分烟气气体对吸附剂吸附Hg⁰或Hg²⁺的研究。

附图说明

图1为盛放汞渗透管的U型管装置示意图。

图2为本发明实施例的结构组成示意图。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。

所述模拟燃煤烟气气相汞发生单元设有N₂气瓶、CO₂气瓶、SO₂气瓶、O₂气瓶、NO₂气瓶、HCl气瓶、NO气瓶、质量流量控制器、Hg⁰渗透管、Hg²⁺渗透管和恒温水浴锅。在恒温水浴锅内设有产生水分的洗气瓶和产生气相汞(Hg⁰或HgCl₂)的汞渗透管，洗气瓶内通有恒定流量的吹脱载气N₂，汞渗透管设于石英U型管中，U型管配有磨砂空心带孔石英玻璃管塞，U型管入口一侧盛有玻璃珠，U型管出口一侧悬挂放置汞渗透管；N₂气瓶、CO₂气瓶、SO₂气瓶、O₂气瓶、NO₂气瓶、HCl气瓶和NO气瓶的流量均由质量流量控制器控制，所有汞蒸气及水蒸汽经过的管路均缠绕有加热带。

所述反应单元设有烘箱、混合预热器和吸附反应器，烘箱顶部开有用于方便通有模拟燃煤烟气的管路进出的2个圆孔，经U型管流出的含汞气流与其它各烟气组分气流通过一个Y型三通合并入一条管路，之后通过两个Y型三通拆分为三条管路，通过旋转阀门可选择使气流从此3条管路中的任何一条中通过，3条管路的去向分别为：通入烘箱(路线I)、通入尾气处理装置，以及直接通向检测单元用以测定反应器入口汞浓度(路线II)；通入恒烘烘箱的管路与混合预热器和吸附反应器连接，之后从烘箱伸出；从烘箱伸出的管路由一个Y型三通与两个阀门将其拆分为并行的两路，分别与检测单元中的总汞路线、元素汞路线连接。

所述检测单元设有含200mL 2％SnCl₂与20％NaOH溶液的洗气瓶(总汞路线)、含200mL 1mol/LKCl与20％NaOH溶液的洗气瓶(元素汞路线)、冰浴冷凝器以及连续测定气汞含量的Jerome测汞仪；通过旋转阀门可选择测定反应后模拟燃煤烟气中的总汞含量或元素汞含量，冰浴冷凝器由浸没在冰块中的空的洗气瓶构成。

参见图1，在图1中，玻璃珠12的作用为预热、稳定吹脱载气；石英棉13的作用为固定玻璃珠12的位置；汞渗透管14被一条聚四氟乙烯生料带15按图示方式悬挂在U型管11内。U型管11两接口以下部分浸没在水浴内。

1、按图1建立盛放汞渗透管的U型管装置，管路主体均采用超低吸附性的D8*6聚四氟乙烯管16。按图2将各部件组装成为完整的吸附剂的活性检测系统。任意两接口之间可灵活地用一小段D6*9硅胶管连接。尾气处理装置为粉末活性炭吸附柱，其作用是吸附气流中存在的微量气相汞。该系统中用到的溶液均为现用现配。

2、以产生含典型浓度组分的模拟燃煤烟气(140℃下15μg/m³ Hg⁰、13％CO₂、9％水分、300ppm NO、6％O₂、300ppm SO₂、20ppm HCl，以及20ppm NO₂)为例，操作如下：

2.1将图2所示质量流量控制器A_n的流量分别设置为(单位：mL/min)N₂ 1#800、CO₂ 130、O₂ 60、SO₂ 60、NO₂ 40、HCl 40、NO 60、N₂ 2#(水分)90，以及N₂ 3#200。

2.2开通路线II。开启水浴锅、开通N₂ 3#(即：开通、开启图2中N₂ 3#对应的气瓶、质量流量控制器A_n以及阀门B_n)，使汞渗透管处于恒定水浴温度39.6℃(每支汞渗透管都要经实验确定其合适的水浴温度，此处以所用汞渗透管为例)、恒定流量0.2L/min吹脱载气的状态下稳定约2h以获得恒定的汞释放率。开启水蒸汽源(可采用水蒸汽发生器)21，使其产生稳定浓度的含水N₂。开启烘箱22，设置其温度为140.0℃并使其稳定。

2.3开通N₂ 1#。此时路线II中总流量为1L/min，可使用测汞仪(可采用Jerome 431X型测汞仪)23测定气流的汞浓度，即为反应器入口汞浓度(简称C_in)。若所测浓度为15μg/m³，则可进行下一步。反之，则继续2.2所述步骤。

2.4入口汞浓度稳定后，将N₂1#对应质量流量控制器A_n的流量设置为320mL/min。开通所有烟气组分，使各烟气组分流量稳定。此时可打开烘箱22，按各自需要填充吸附剂、安装好吸附反应柱并等待以使烘箱22内温度重新达到稳定。

2.5开通路线I及总汞路线(2％SnCl_2aq与20％NaOH_aq)24并关闭路线II。此时即获得含典型浓度组分的模拟燃煤烟气，吸附反应器内的吸附剂开始与模拟燃煤烟气反应。使用测汞仪23可测定反应器出口总汞浓度(简称C_out，T)。通过旋转阀门B_n可将气流切换到元素汞路线(200mL 1mol/LKCl_aq与20％NaOH_aq)25，使用测汞仪23可测定反应器出口元素汞浓度(简称C_out，E)。通过C_in、C_out，T，以及C_out，E的数值可分析吸附剂对模拟燃煤烟气中气相汞的吸附规律(例如吸附动力学曲线等)。

在图2中，标记C_n为各路的W型三通；D_n为各路的加热带；M为混合预热器：R为吸附反应器；26为冰浴冷凝器；27为气态汞发生器；PC为计算机。

本发明设有模拟燃煤烟气气相汞发生单元、反应单元与检测单元。各单元的管路主体采用耐酸性气体、低吸附性的D 8*6聚四氟乙烯软管或D 9*6硅胶管；管路连接处采用石英玻璃或聚丙烯塑料材质的阀门及Y型三通接头。模拟燃煤烟气的总流量为1L/min。

模拟燃煤烟气气相汞发生单元主要由N₂(99.999％)、CO₂(99.99％)、SO₂(5000ppm)、O₂(99.99％)、NO₂(500ppm)、HCl(500ppm)、NO(5000ppm)气瓶，质量流量控制器(100mL/min，200mL/min，500mL/min或1000mL/min)，Hg⁰渗透管(HE-SR 2.4cm，VICI)与Hg²⁺渗透管(HE-SR 1.0cm，VICI)以及恒温水浴锅等组成。水分由放置于恒温水浴锅内的装有一定质量水的洗气瓶产生([7]Bhardwaj R.IMPACT OF TEMPERATURE AND FLUEGAS COMPONENTS ON MERCURY SPECIATION AND UPTAKE BY ACTIVATED CARBONSORBENTS：UNIVERSITY OF PITTSBURGH；2007)，洗气瓶内通有恒定流量的吹脱载气N₂。气相汞(Hg⁰或HgCl₂)由放置于恒温水浴锅内的内径15mm，总长约380mm的石英U型管中的汞渗透管产生。U型管配有磨砂空心带孔石英玻璃塞。U型管入口一侧盛有约25g经10％硝酸溶液浸泡4h的D 6玻璃珠。玻璃珠的作用是预热、稳定吹脱载气；U型管出口一侧悬挂放置汞渗透管。其余烟气组分气体由各气瓶流出。所有气体的流量均由质量流量控制器精确控制。所有汞蒸气及水蒸汽经过的管路均被缠绕有加热带，使管壁温度保持在140℃左右；加热带由电热偶(±1℃)控温。当各组分气体的流量恒定、且水浴温度恒定时，该单元可产生含有恒定汞浓度的模拟燃煤烟气。确定各烟气组分进入管路的顺序的原则为：性质越稳定、流量越大的烟气组分首先进入管路(即：进入反应单元之前经过的管路更短)。按此原则确定的顺序依次为：N₂、CO₂、O₂、SO₂、NO₂、HCl、NO、水分，以及Hg⁰或Hg²⁺。

反应单元主要由烘箱(±0.1℃)、混合预热器(可根据需要配置)、吸附反应器(可根据需要配置)组成。烘箱顶部开有两个直径2cm的圆孔，以方便通有模拟燃煤烟气的管路进出。经U型管流出的含汞气流与其它各烟气组分气流通过一个Y型三通合并入一条管路，之后通过两个Y型三通拆分为三条管路。通过旋转阀门可选择使气流从此三条管路中的任何一条中通过。三条管路的去向分别为：通入烘箱(路线I)、通入尾气处理装置，以及直接通向检测单元用以测定反应器入口汞浓度(路线II)。通入烘箱的管路与混合预热器、吸附反应器连接，之后从烘箱伸出。从烘箱伸出的管路由一个Y型三通与两个阀门将其拆分为并行的两路，分别与检测单元中的总汞路线、元素汞路线连接。

检测单元主要由一个250mL的含200mL 2％SnCl₂与20％NaOH溶液的洗气瓶(总汞路线)、一个250mL的含200mL 1mol/L KCl与20％NaOH溶液的洗气瓶(元素汞路线)、一个冰浴冷凝器，以及可快速、连续测定气汞含量的Jerome测汞仪组成。SnCl₂溶液的作用是将模拟燃煤烟气中的Hg²⁺还原为Hg⁰，从而得到反应后的总汞浓度；KCl溶液的作用是将模拟燃煤烟气中的Hg²⁺捕集到溶液中，从而得到反应后的Hg⁰浓度；两个洗气瓶中的NaOH的作用均为吸收可影响测汞仪读数的酸性气体([8]Mibeck BAF，Olson ES，Miller SJ.HgCl2 sorption onlignite activated carbon：Analysis of fixed-bed results.Fuel Processing Technology，2009，90(11)：1364-1371)。通过旋转阀门可选择测定反应后模拟燃煤烟气中的总汞含量或元素汞含量。冰浴冷凝器由浸没在冰块中的空的250mL的洗气瓶构成，其作用是冷凝气流中的水分以保护测汞仪。

Claims

1.一种吸附剂的活性检测系统，其特征在于设有模拟燃煤烟气气相汞发生单元、反应单元与检测单元；

所述模拟燃煤烟气气相汞发生单元设有N₂气瓶、CO₂气瓶、SO₂气瓶、O₂气瓶、NO₂气瓶、HCl气瓶、NO气瓶、质量流量控制器、Hg⁰渗透管、Hg²⁺渗透管和恒温水浴锅；在恒温水浴锅内设有产生水分的洗气瓶和产生气相汞的汞渗透管，洗气瓶内通有恒定流量的吹脱载气N₂，汞渗透管设于U型管中，U型管配有管塞，U型管入口一侧盛有玻璃珠，汞渗透管设于U型管出口一侧；N₂气瓶、CO₂气瓶、SO₂气瓶、O₂气瓶、NO₂气瓶、HCl气瓶和NO气瓶的流量均由质量流量控制器控制，所有汞蒸气及水蒸汽经过的管路均缠绕有加热带；

所述反应单元设有烘箱、混合预热器和吸附反应器，烘箱顶部开有用于方便通有模拟燃煤烟气的管路进出的2个圆孔，经U型管流出的含汞气流与其它各烟气组分气流通过一个Y型三通合并入一条管路，之后通过两个Y型三通拆分为三条管路，通过旋转阀门选择使气流从此3条管路中的任何一条中通过，3条管路的去向分别为：通入烘箱、通入尾气处理装置，以及直接通向检测单元用以测定反应器入口汞浓度；通入恒烘烘箱的管路与混合预热器和吸附反应器连接，之后从烘箱伸出；从烘箱伸出的管路由一个Y型三通与两个阀门将其拆分为并行的两路，分别与检测单元中的总汞路线、元素汞路线连接；

2.如权利要求1所述的一种吸附剂的活性检测系统，其特征在于所述管塞为磨砂空心带孔石英玻璃管塞。

3.如权利要求1所述的一种吸附剂的活性检测系统，其特征在于所述含SnCl₂与NaOH溶液的洗气瓶，采用含200mL 2％SnCl₂与20％NaOH溶液的洗气瓶，组成总汞路线。

4.如权利要求1所述的一种吸附剂的活性检测系统，其特征在于所述KCl采用200mL 1mol/L KCl。

5.如权利要求1所述的一种吸附剂的活性检测系统，其特征在于所述含KCl与NaOH溶液的洗气瓶，采用含200mL 1mol/L KCl与20％NaOH溶液的洗气瓶，组成元素汞路线。

6.如权利要求1所述的一种吸附剂的活性检测系统，其特征在于所述测汞仪为Jerome测汞仪。