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        活性炭孔結(jié)構(gòu)對(duì)垃圾焚燒產(chǎn)生的二噁英吸附性能的影響

        活性炭孔結(jié)構(gòu)對(duì)垃圾焚燒產(chǎn)生的二噁英吸附性能的影響
        精微高博  2020-12-21  |  閱讀:1512

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        根據(jù)2019年中國(guó)統(tǒng)計(jì)年鑒,2018 年全國(guó)城市生活垃圾清運(yùn)量達(dá)到 2.28×108 t,其中垃圾焚燒處理已成為我國(guó)城市生活垃圾處理的主要方式之一。垃圾焚燒過(guò)程中會(huì)向環(huán)境排放二次污染物,其中二噁英目前已知的毒性最大且化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)的有機(jī)污染物。

        二噁英是一些氯化多核芳香化合物的總稱(chēng),其毒性與苯環(huán)上鹵素原子的取代位置有很大關(guān)系,其中以2,3,7,8-四氯二苯并二噁英(TCDD)的毒性最強(qiáng),因它們毒性的差異,需要有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)評(píng)定其毒性強(qiáng)弱。

        2014年開(kāi)始實(shí)施GB 18485-2014《生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》,此標(biāo)準(zhǔn)對(duì)二噁英類(lèi)排放限值由2001年的1ng TEQ/Nm3提高到0.1ngTEQ/Nm3的歐盟標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行[3]。但即使是1.0ng TEQ/Nm3的排放限值,很多焚燒廠也不能滿(mǎn)足要求,這就需要從多方面研究二噁英的生產(chǎn)和控制技術(shù)以滿(mǎn)足最新標(biāo)準(zhǔn)的排放要求。

        二噁英形成過(guò)程

        (1)燃燒過(guò)程的高溫氣相生產(chǎn)

        發(fā)生二噁英氣相生成的溫度范圍為500-800℃,由氯酚、氯苯、多氯聯(lián)苯等前驅(qū)物通過(guò)一系列自由基縮合、脫氯等生成二噁英。當(dāng)燃燒條件惡劣時(shí),煙氣中形成了大量二噁英前驅(qū)物,此時(shí)煙氣中的二噁英主要通過(guò)氣相反應(yīng)生成;而當(dāng)燃燒條件較好時(shí),煙氣中的二噁英主要通過(guò)飛灰表面發(fā)生的異相催化合成反應(yīng)生成。

        (2)煙氣冷卻過(guò)程的低溫異相催化合成

        發(fā)生低溫異相催化合成的溫度范圍為200-650℃,由氯苯、氯酚或多氯聯(lián)苯等前驅(qū)物,同時(shí)還有未燃盡碳存在,以及一些過(guò)渡金屬銅、鐵氯化物等,這些物質(zhì)從爐膛高溫(850℃以上)冷卻后發(fā)生聚合,通過(guò)分子重組催化反應(yīng)生成二噁英。

        低溫異相催化合成二噁英的過(guò)程包括兩個(gè)過(guò)程:前驅(qū)物在固體飛灰表面發(fā)生催化氯化反應(yīng)合成二噁英;固體飛灰中的殘留碳源、氯源、氧源等氧氯化反應(yīng)合成二噁英的前驅(qū)物和二噁英,這就是所謂的從頭合成反應(yīng)。

        二噁英控制技術(shù)

        (1)生成過(guò)程控制

        過(guò)程控制主要是通過(guò)控制煙氣溫度和含氧量控制二噁英生成。GB 18485-2014《生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)一步明確了生活垃圾焚燒爐技術(shù)性能指標(biāo)應(yīng)滿(mǎn)足國(guó)際上通用的“3T+E”原則:即燃燒溫度不低于850℃、氣體停留時(shí)間不小于2秒、保持充分的氣固湍動(dòng)程度以及過(guò)量的空氣量,使煙氣中O2的濃度處于6~12%。使垃圾在爐膛的充分燃燒,二噁英在爐內(nèi)充分分解,同時(shí)避免氯苯及氯酚等二惡英前驅(qū)物的生成,也避免了未完全燃燒產(chǎn)生的有機(jī)碳為二噁英的再合成提供的碳源。

        此外要降低燃后區(qū)低溫再生成。通過(guò)改善焚燒工藝,比如縮短煙氣在此范圍內(nèi)的停留時(shí)間;優(yōu)化過(guò)熱器和省煤器受熱面的布置,使煙氣快速通過(guò) 500℃到 200℃的降溫階段,減少生成二噁英。減少飛灰在設(shè)備表面的沉積從而減少二噁英類(lèi)物質(zhì)生成所需要的催化劑載體等。

        (2)煙氣凈化處理

        活性炭吸附技術(shù)應(yīng)用方式主要有 3 種,分別為移動(dòng)床吸附、固定床吸附、以及攜帶流噴射結(jié)合布袋除塵。目前垃圾焚燒電廠普遍采用是攜帶流噴射結(jié)合布袋除塵的方法,因?yàn)樵摲椒üこ躺先菀讓?shí)現(xiàn),成本較低且二噁英脫除效率高,可達(dá) 95%以上[5]。利用活性炭巨大表面積和良好吸附性,噴射進(jìn)入的活性炭與超細(xì)粉塵和二噁英接觸,同時(shí)吸附超細(xì)粉末及氣態(tài)二噁英,即夾帶流吸附;之后,煙氣通過(guò)布袋,活性炭在布袋一側(cè)富集形成濾餅,濾餅又會(huì)對(duì)二噁英等污染物進(jìn)行再次吸附,即布袋濾餅的吸附。

        活性炭孔結(jié)構(gòu)對(duì)二噁英吸附性能的影響

        活性炭的孔結(jié)構(gòu)主要包括比表面積、孔容和孔徑分布等,是影響活性炭吸附性能的關(guān)鍵參數(shù),也是影響二噁英吸附的重要因素。二噁英在活性炭上的吸附實(shí)質(zhì)上是一個(gè)孔隙填充的過(guò)程。二噁英分子通過(guò)外擴(kuò)散與活性炭表面接觸后,通過(guò)活性炭表面的孔通道內(nèi)擴(kuò)散至孔隙中。因此在吸附過(guò)程中,活性炭的孔徑與二噁英分子大小需要匹配才能發(fā)生有效的吸附[6,7]。

        中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林產(chǎn)化學(xué)工業(yè)研究所古可隆[7]指出,吸附劑利用率最高時(shí),吸附劑的孔徑與吸附質(zhì)分子直徑最佳比值為 1.7~3,若吸附劑需重復(fù)再生,這一比值為3~6。解立平[9]根據(jù)吸附劑的孔徑與吸附質(zhì)分子直徑比值關(guān)系,計(jì)算得到活性炭吸附二噁英分子的有效孔徑范圍為2.3~4.1nm, 若活性炭需重復(fù)再生,這一有效孔徑范圍為4.1~8.2nm。

        日本學(xué)者立本英機(jī),安倍郁夫等指出,活性炭的比表面積和孔容是影響吸附二噁英的重要因素,并根據(jù)已有研究成果提出作為除去二噁英類(lèi)化合物使用的活性炭應(yīng)具備以下基本性質(zhì):

        (1)平均孔隙直徑為2.0~5.0nm;

        (2)比表面積在 500m2/g 以上;

        (3)比孔容積在0.2cm3/g 以上;

        (4)粒徑平均為20μm。

        浙江大學(xué)能源清潔利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室馬顯華等[11]研究中了具有代表性的 4 種不同的活性炭:專(zhuān)用吸附二惡英的 Norit GL50 活性炭(木質(zhì))、醫(yī)用 732 針劑活性炭(木質(zhì))、褐煤活性炭(煤質(zhì)) 和椰殼活性炭(果殼)。通過(guò)比表面積和孔結(jié)構(gòu)表征發(fā)現(xiàn)Norit GL 50 活性炭的微孔、中孔、大孔的分布很均勻, 而椰殼活性炭則擁有很豐富的中孔分布,褐煤活性炭和732 針劑活性炭的孔徑分布則集中在接近微孔的中孔段。

        四種活性炭的二噁英的毒性當(dāng)量移除效率分別是椰殼活性炭96.62%、Norit GL 50活性炭80.66%、褐煤活性炭81.72%、醫(yī)用 732 針劑活性炭90.91%。由此可以看出,椰殼活性炭移除二噁英效果最好,這是因?yàn)槠鋼碛蟹浅XS富的2~20nm段中孔分布的并有適量的大孔提供二噁英進(jìn)入的通道的活性炭,在吸附二噁英上表現(xiàn)良好。
        該實(shí)驗(yàn)室的Zhou等[12]繼續(xù)研究了三種活性炭為褐煤活性炭(煤質(zhì))LignAC 、椰殼活性炭(果殼)CnAC和醫(yī)用活性炭(木質(zhì))MAC、的孔結(jié)構(gòu)參數(shù)與二噁英脫除效率之間的相關(guān)性。三種活性炭比表面積和孔結(jié)構(gòu)和毒性當(dāng)量脫除效率如表1。其通過(guò)分析活性炭的孔結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)參數(shù),得出活性炭的孔結(jié)構(gòu)與二噁英的毒性當(dāng)量脫除相關(guān)性如下:中孔容積Vmeso >總孔容積Vt ≈微孔容積Vmicro>>BET 比表面積SBET >微孔表面積Smicro。

        邵旋[13]以1,2,3,4-四氯苯作為二噁英的模擬物研究四種活性炭對(duì)二噁英脫除效率,表面積及孔結(jié)構(gòu)表征顯示AC1、AC2、AC5 三種活性炭均以微孔分布為主,含有少量中孔,大孔很少。在1~2 nm 微孔段和 2~3 nm 中孔段有明顯的峰,在 2~3 nm中孔段AC1>AC5>AC2,在 3~5 nm 中孔段AC5>AC1=AC2,在 5~33 nm 中孔段AC5 含量比 AC1 和 AC2高,脫除率關(guān)系為 AC1為98.8%>AC5為95.82%>AC2為89.62%, 與在 2~3 nm 中孔段范圍內(nèi)含量關(guān)系相同。AC7基本沒(méi)有微孔,以中孔及大孔為主,其中 2~4 nm 段中孔數(shù)量很少,4~33 nm 段中孔數(shù)量逐漸升高,其脫除率最低,只有 22.67%。由此,可以推測(cè)適宜吸附二噁英的孔為 2~3nm 范圍內(nèi)的中孔。

        中國(guó)城市建設(shè)研究院有限公司的郭祥信和浙江大學(xué)能源清潔利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的王沛玥等[14]共同研究了煤質(zhì)活性炭、椰殼/煤質(zhì)活性炭和椰殼活性炭孔結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)二噁英氣相吸附的影響。三種活性炭比表面積和孔結(jié)構(gòu)和毒性當(dāng)量脫除效率如表2。

        其孔結(jié)構(gòu)參數(shù)與毒性當(dāng)量脫除效率的相關(guān)性強(qiáng)弱排序如下:中孔孔容>總孔容>中孔比表面積> BET 比表面積 >> 微孔比表面積>微孔孔容。這與Zhou的研究結(jié)果類(lèi)似。

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