摘要：採用固定床反應系統，研究了CoxOy改性磁珠催化劑在空氣和富氧燃燒氣氛下的脫汞性能(汞吸附和汞氧化)，煙氣組分對Hg0吸附和氧化性能的影響，以及催化劑的再生循環性能。結果表明：相較於空氣燃燒氣氛，催化劑在富氧燃燒氣氛表現出更優的脫汞性能。兩種氣氛下，當SO2、NO和H2O引入到煙氣中時，均會抑制汞的脫除性能。但是，富氧燃燒煙氣中高濃度的CO2在一定程度上可減弱其抑制作用。經吸附汞後失活的催化劑具有良好的再生性能，多次汞氧化—再生實驗後脫汞性能沒有明顯降低，再生效率達95%以上。
關鍵詞：汞氧化;再生;鈷氧化物;磁珠;煤燃燒
0前言
全球變暖是當今世界面臨的嚴重挑戰，燃煤電站排放的CO2被認為是造成氣候變暖的最主要原因之一。富氧燃燒(O2/CO2燃燒)技術作為一種有效減少燃煤電站CO2排放的手段越來越引起人們的關注。富氧燃燒煙氣中的汞能與鋁發生汞齊，對鋁製CO2壓縮裝置造成腐蝕[1]，因此為了減少對CO2壓縮裝置的損害，必須有效脫除燃燒煙氣中的汞。另外，汞是一種神經毒物，具有極強的累積性和不可逆性，對人類健康威脅很大[2]。富氧燃燒系統中由於煙氣循環，其煙氣中汞含量通常高於常規燃燒煙氣。因此，富氧燃燒煙氣中汞的有效脫除需更加引起重視。
目前，大量燃煤煙氣汞控制技術被廣泛研究，如活性炭吸附劑[3]、矽酸鹽吸附劑[4]、鈣基吸附劑[5]、SCR多功能氧化脫汞[6]、光催化氧化脫汞[7]。然而，針對富氧燃燒煙氣中汞的脫除技術卻鮮有報導。Lopez-Anton等[8]報導了富氧燃燒氣氛下載硫/未載硫活性炭的脫汞性能，並獲得了較高的汞捕獲效率。Wang等[9]研究了富氧燃燒煙氣中SCR催化劑(V2O5-TiO2)對汞的脫除性能，發現富氧燃燒煙氣中高濃度的CO2(80vol%)有利於汞的氧化。Spörl等[10]研究了富氧燃燒系統中汞的釋放特性和飛灰對汞的捕獲，結果表明，相較於空氣燃燒氣氛，富氧氣氛下飛灰對汞的捕獲效率有所降低，這主要是因為富氧燃燒系統中煙氣循環導致Hg0、SO2、SO3濃度都高於空氣燃燒。
活性炭等傳統吸附劑噴射技術在我國燃煤電站的應用推廣過程中受到以下因素的限制[11]：吸附劑的回收與再生、吸附汞的吸附劑對飛灰的潛在威脅、煙氣成分對吸附劑脫汞性能的幹擾、運行成本。由於吸附劑噴射入煙氣後通常與飛灰一起被除塵設備捕獲，吸附汞後的催化劑難於從飛灰中分離出來，這將導致吸附劑的回收、再生和再利用非常困難。吸附於催化劑上的汞在飛灰的資源化利用過程中會再次釋放到環境中，給飛灰的再利用帶來很大的潛在威脅。由於吸附劑無法有效的回收和再利用，運行成本勢必成為限制技術推廣的關鍵因素之一。磁性吸附劑由於其具有容易與飛灰顆粒分離的特性，可以解決上述限制因素。在我們先前的研究中，基於飛灰中磁珠合成的磁性汞吸附劑在空氣燃燒煙氣下獲得了良好的汞脫除性能和循環再生性能[12]。其基本原理如下：首先將磁珠從飛灰中磁選分離出來，負載金屬氧化物CO3O4以提高磁珠的脫汞能力;然後將磁珠催化劑噴射入煙氣中捕獲汞後隨飛灰一起被除塵器捕獲;吸附汞後的磁珠可以再次從飛灰中分離出來，經活化再生後循環利用。
富氧燃燒煙氣與空氣燃燒煙氣最大的不同之處是其中的CO2成分取代了N2。另外，富氧燃燒煙氣中的水蒸氣(H2O)和SO2濃度遠高於空氣燃燒煙氣[13]。這些差異都將影響催化劑的脫汞性能，因此有必要研究該磁珠催化劑在富氧燃燒煙氣中的脫汞性能。本文採用固定床反應系統，研究了富氧燃燒煙氣中磁珠催化劑對Hg0的催化氧化性能;煙氣組分O2、SO2、NO及H2O等對Hg0氧化性能的影響，並研究了經吸附汞後失活的催化劑的再生循環性能。
1實驗方法
1.1催化劑製備與表徵
採用浸漬法製備了具有CoxOy負載磁珠催化劑，CoxOy與磁珠的質量比為5.8%。本研究中所採用的磁珠為我國典型燃煤電廠中的飛灰通過磁選獲得。催化劑的具體製備過程如下：首先將磁珠與定量Co(NO3)2˙6H2O水溶液充分混合。機械攪拌2h後，在110℃條件下乾燥12h，然後於400℃下煅燒3h。最後經研磨，篩分後得到顆粒粒徑小於75μm(200目)的催化劑。為便於表述，製備的催化劑用Co-MF表述。
1.2實驗裝置與方法
1.2.1實驗裝置
本實驗系統由汞發生裝置、模擬煙氣配氣裝置、固定床吸附裝置、汞在線監測裝置組成，詳見文獻[12]。模擬燃煤煙氣由2%-6%O2、12%/70%CO2、1200ppmSO2、300ppmNO、10ppmHCl、85μg/m3Hg0組成，平衡氣為N2，總氣流量為1.2L/min。Hg0由汞發生裝置(DynacalibratorModel500)提供，並由汞在線監測儀(德國，MercuryInstrument公司，VM-3000MercuryVaporMonitor)實時監測，測量精度為0.1μg/m3。為了確定催化劑的汞吸附和氧化能力，採用汞形態轉化系統分別測量了煙氣中的Hg0和HgT濃度，其差值即為Hg2+濃度。其測量過程如下：將煙氣分為平行的兩路，一路通過KCl溶液用於監測Hg0的濃度;另外一路通過SnCl2/HCl溶液將煙氣中的Hg2+還原為Hg0後測量HgT(Hg0+Hg2+)的濃度，其差值即為Hg2+濃度。