استفاده از کربن فعال برای حذف جیوه در نیروگاه های زغال سنگ-

تولید برق با سوخت زغال سنگ هنوز هم جایگاه مهمی در ساختار انرژی جهانی دارد. با این حال، انتشار جیوه مرتبط (Hg) یک تهدید جدی برای محیط زیست محیطی و سلامت انسان است. با اجرایکنوانسیون میناماتادر بسیاری از کشورها، به ویژه در چین، ایالات متحده، اتحادیه اروپا و سایر مناطق، کنترل انتشار جیوه در نیروگاه‌های زغال‌سنگ{0}}از یک «گزینه» به یک تغییر یافته است.محدودیت اجباری. در میان فن آوری های مختلف حذف جیوه، فناوری جذب جیوه گازهای دودکش بر اساسACIبه دلیل فرآیند بالغ، مقاوم سازی نسبتا راحت و سازگاری قوی، به طور گسترده در واحدهای خدماتی- استفاده می شود.کربن فعال برای تصفیه هوا و گازبه دلیل سطح ویژه بالا و ساختار منافذ غنی، به جاذب اصلی این فناوری تبدیل شده است.

 

Ⅰ. مشکلات انتشار جیوه در نیروگاه‌های{0}}زغال‌سنگ

در الگوی فعلی مصرف انرژی اولیه جهانی، زغال سنگ هنوز به عنوان یک "سنگ بالاست" عمل می کند. اگرچه نسبت انرژی های تجدیدپذیر در حال افزایش است، اما هنوز جایگزینی کامل واحدهای{1}}زغال سنگ برای مدت طولانی از نظر قابلیت توزیع سیستم قدرت و قابلیت اطمینان منبع تغذیه دشوار است. در همین حال، با گسترش احتراق زغال سنگ، انتشار فلزات سنگین در زغال سنگ به تدریج از بحث آکادمیک به تمرکز نظارتی تغییر کرده است.

 

عطارد دارای ویژگی های زیر است:

1. سمیت و سمیت عصبی بالا: جیوه آلی مانند متیل جیوه می تواند از طریق زنجیره غذایی انباشته شود و آسیب جبران ناپذیری به رشد عصبی جنین و کودکان وارد کند.

2. توانایی مهاجرت از راه دور: پس از گسیل شدن به عنوان جیوه عنصری گازی (Hg⁰)، می تواند هزاران کیلومتر در جو مهاجرت کرده و آلودگی جهانی را تشکیل دهد.

3. دوام نسوز و محیطی: پس از ته نشین شدن در آب و خاک، ممکن است دوباره-از طریق متیلاسیون میکروبی وارد چرخه بیوسفر شود.

 

 

بنابراین، انتشار جیوه دارای اثرات خارجی فرامنطقه‌ای و بین نسلی است. حکومت یک کشور واحد اغلب ناکافی است و کنترل کلی مستلزم هماهنگی بین المللی است. از زمان تصویب آن در سال 2013، کنوانسیون میناماتا توسط بیش از 100 طرف متعاهد از جمله چین به تصویب رسیده است. یکی از اهداف اصلی آن محدود کردن و کاهش انتشار جیوه از منابع صنعتی مانند نیروگاه‌های زغال‌سنگ{6}}است.

 

در عمل مهندسی، سیستم‌های تصفیه گازهای دودکش نیروگاه‌های{0}}که با زغال‌سنگ کار می‌کنند نسبتاً بالغ هستند و عموماً به دستگاه‌های زیر مجهز هستند:

• کاهش کاتالیزوری انتخابی (SCR)یاکاهش انتخابی غیر کاتالیستی (SNCR)برای نیترات زدایی؛
• رسوب دهنده های الکترواستاتیک (ESP)یافیلترهای پارچه ای (FF)برای کنترل ذرات معلق؛
• مرطوب یا نیمه{0}}خشکگوگرد زدایی گاز دودکش (FGD)سیستم های حذف SO2

 

این دستگاه‌ها اثر «حذف سینرژیک» روی برخی از اشکال جیوه دارند. با این حال، برای دشوارترین-کنترل- گازیجیوه عنصری (Hg⁰)، زنجیره تصفیه گاز دودکش معمولی نمی تواند جذب پایدار و کارآمد را تضمین کند. در این زمینه، فناوری حذف جیوه با تمرکز بر تزریق کربن فعال به عنوان یک مکمل مهم برای مسیرهای سنتی تصفیه گاز دودکش در نظر گرفته می‌شود و حتی به یک پیوند کلیدی برای دستیابی به انطباق با انتشار جیوه در برخی شرایط کاری تبدیل می‌شود.کربن فعال پوسته نارگیل برای تصفیه گاز به دلیل فعالیت جذب بالا و استحکام مکانیکی عملکرد بسیار خوبی در این زمینه نشان می دهد.

 

Ⅱ. مسیرهای گونه زایی و تبدیل جیوه در گازهای دودکش

 

درک توزیع زایی جیوه از منظر ترمودینامیک و سینتیک یک پیش نیاز برای بحث در مورد مکانیسم حذف جیوه توسط کربن فعال است.

 

2.1 رهاسازی و نوع اولیه جیوه در زغال سنگ

جیوه در زغال سنگ معمولاً در مقادیر کمی وجود دارد و محتوای آن معمولاً از محدوده متفاوت است0.01-0.5 mg/kg، میزبان مواد آلی، پیریت و کانی های رسی است. تحت شرایط احتراق کوره با دمای بالا-(حدود1300-1600 درجهاین گونه های جیوه تقریباً به طور کامل تبخیر شده و به جیوه گازی تبدیل می شوند. بیشتر جیوه آزاد شده اولیه وجود داردجیوه عنصری (Hg⁰)، تنها با مقدار کمی اکسید شده در منطقه دمای بالا-.

گاز Hg⁰ دارای ویژگی های زیر است: بی اثری شیمیایی قوی. نامحلول در آب؛ تعامل محدود با دستگاه های ضبط معمولی در گاز دودکش. بنابراین، بدون اقدامات خاص، Hg⁰ را می توان به راحتی با گاز دودکش تصفیه شده به اتمسفر تخلیه کرد.کربن فعال اکسترود شده برای تصفیه گازبه دلیل ساختار یکنواخت و نفوذپذیری خوب، اغلب در سیستم‌های{0} بستر ثابت برای حذف عمیق جیوه⁰ استفاده می‌شود.

 

2.2 تبدیل گونه ای جیوه در سیستم های گاز دودکش

با کاهش دمای گاز دودکش از خروجی کوره و عبور از اکونومایزر، پیش گرمکن هوا، SCR، جمع کننده گرد و غبار و دستگاه گوگردزدایی، جیوه تحت یک سری واکنش های همگن و ناهمگن در تجهیزات و مناطق مختلف دما قرار می گیرد و سه شکل کلیدی را تشکیل می دهد:

1. جیوه عنصری جیوه⁰: گازی، الکتریکی خنثی، بسیار فرار، واکنش شیمیایی کم؛ به راحتی توسط گوگرد زدایی مرطوب جذب نمی شود یا به صورت فیزیکی روی سطوح خاکستر بادی جذب نمی شود. سخت ترین برای کنترل و گونه هدف اصلی فناوری ACI.

2. جیوه اکسید شده Hg2⁺: معمولاً به صورت نمک های بسیار محلول مانند HgCl2 و HgSO4 وجود دارد. Hg2 می تواند در حضور HCl، O2، NO2 و سطوح کاتالیزوری به Hg2+ اکسید شود. به راحتی در دوغاب FGD حل می شود یا روی سطوح خاکستر بادی جذب می شود، بنابراین تا حدی توسط دستگاه های گوگرد زدایی و حذف گرد و غبار سنتی حذف می شود.

3. ذرات-عطارد محدود شده: ترکیب جیوه با مواد معدنی روی سطح ذرات خاکستر بادی یا کربن نسوخته برای تشکیل اجزای فاز جامد. می توان به نسبت بالا توسط جمع کننده های گرد و غبار با راندمان بالا، ساده ترین شکل جیوه برای کنترل-گرفت.

 

در شرایط کاری واقعی، نسبت‌های نسبی سه شکل به ویژگی‌های زغال سنگ (به ویژه محتوای کلر، گوگرد و فلز قلیایی)، توزیع دما در کوره و دودکش دم، احتراق و اتمسفر کاهش‌دهنده، وضعیت عملکرد SCR و خواص فیزیکی و شیمیایی خاکستر بادی بستگی دارد. به طور کلی، زغال سنگ قیری با محتوای کلر بالا در گاز دودکش برای ترویج اکسیداسیون Hg⁰ مساعدتر است، در نتیجه نسبت Hg2+ را افزایش می‌دهد و دستگاه FGD را قادر می‌سازد تا عملکردهای حذف جیوه بیشتری را انجام دهد. هنگام سوزاندن زغال سنگ کم-کلر (مانند برخی زغال سنگ زغال سنگ و زیر-قیر)، نسبت جیوه⁰ به طور قابل توجهی بالاتر است، و چنین شرایط کاری بیشتر به فناوری های ویژه حذف جیوه (مانند ACI) وابسته است.کربن فعال برای تصفیه هوا و گازبه سرعت کاستی های درمان هم افزایی را در چنین شرایطی جبران می کند و انطباق با انتشار را تضمین می کند.

 

Ⅲ. اصول اولیه و خواص مواد کربن فعال برای حذف جیوه

 

کربن فعال به طور گسترده برای حذف جیوه گازهای دودکش در نیروگاه‌های زغال‌سنگ-به دلیل ساختار منافذ منحصربه‌فرد و ویژگی‌های شیمیایی سطحی که به راحتی قابل تنظیم است استفاده می‌شود.

 

3.1 ساختار منافذ و جذب فیزیکی

کربن فعال معمولاً از منابع کربنی مانند زغال سنگ، زیست توده، پوسته نارگیل، چوب یا کک نفتی از طریق کربن‌سازی و فعال‌سازی در دمای بالا تهیه می‌شود. فرآیند فعال سازی (فعال سازی فیزیکی یا شیمیایی) تعداد زیادی ازریز منافذ (<2 nm)**, **mesopores (2–50 nm)** and **macropores (>50 نانومتر)در داخل ماده، یک شبکه حفره‌ای سلسله مراتبی بسیار متصل را تشکیل می‌دهد که باعث می‌شود سطح ویژه آن به هزاران متر مربع در گرم برسد.کربن فعال پوسته نارگیل برای تصفیه گازبه دلیل{0}}ریز منافذ توسعه یافته و توانایی جذب قوی بخار جیوه با غلظت کم-ش معروف است.

جذب فیزیکی عمدتاً به نیروهای واندروالس و برهمکنش های قطبی ضعیف متکی است.مشخص شده استتوسط:

• فرآیند جذب معمولاً برگشت پذیر است.
• گرمای جذب کم، نزدیک به گرمای تراکم؛
• ظرفیت جذب به دما حساس است و افزایش دما ظرفیت جذب را به میزان قابل توجهی کاهش می دهد.

در محدوده دمای گازهای دودکش نیروگاه‌های{0} زغال‌سنگ (به طور کلی100-200 درجهراندمان جذب جیوه فقط با جذب فیزیکی اغلب ناکافی است، به خصوص زمانی که غلظت جیوه در گاز دودکش پایین است (معمولاً در سطح ug/m3). در این زمان، جیوه عنصری هیچ مزیتی در جذب رقابتی در مقایسه با سایر مولکول‌های گاز ندارد و تعادل جذب در شرایط دمای بالا به سمت دفع تمایل دارد. بنابراین، اگرچه ساختار منافذ اساس جذب است، مکانیسم جذب شیمیایی قوی‌تر باید برای دستیابی به حذف موثر جیوه معرفی شود.

 

3.2 گروه های عملکردی سطحی و جذب شیمیایی

تعداد معینی از گروه‌های عاملی حاوی اکسیژن- روی سطح کربن فعال وجود دارد، مانند گروه‌های هیدروکسیل (-OH)، گروه‌های کربوکسیل (-COOH)، گروه‌های کربونیل (C=O)، ساختارهای لاکتون، و غیره. برای جیوه، این گروه‌های عاملی روی کربن فعال بکر می‌توانند مکان‌های جذب شیمیایی محدودی را ایجاد کنند که باعث اکسیداسیون جزئی Hg⁰ یا تشکیل کمپلکس سطحی شود، اما این توانایی با الزامات کنترل انتشار دقیق فاصله زیادی دارد.

بنابراین، اصلاح سطح کربن فعال معمولاً در کاربردهای مهندسی مورد نیاز است. با معرفی عناصر یا گونه‌های شیمیایی خاص، مراکز فعال با میل ترکیبی جیوه بالاتر ایجاد می‌شوند و جذب جیوه را از جذب فیزیکی-مسلط به جذب شیمیایی و واکنش سطحی-مسلط می‌کنند.کربن فعال اکسترود شده برای تصفیه گازبارگیری برم، گوگرد و سایر اصلاح کننده ها آسان است و پایداری بهتری در حذف جیوه گازهای دودکش نشان می دهد.

 

Ⅳ. کربن فعال اصلاح شده: از جذب فیزیکی تا کنترل واکنش

 

فناوری اصلاح کربن فعال را می توان به عنوان "ساخت یک سطح عملکردی خاص بر روی یک اسکلت کربن" درک کرد. در میان بسیاری از روش های اصلاح، اصلاح هالوژن، به ویژهاصلاح برم، گسترده ترین مورد مطالعه و کاربرد در زمینه زغال سنگ-حذف جیوه گازهای دودکش است.

 

4.1 مکانیسم هسته کربن فعال برومه شده

کربن فعال بروم دارمعمولاً با وارد کردن برم به شکل مولکولی یا یونی به منافذ و سطح کربن فعال از طریق اشباع، پاشش یا جذب فاز{0}} گاز تهیه می شود. برم می تواند پیوندهای C{2}}Br را روی سطح کربن ایجاد کند یا به صورت نمک های برمید و مولکول های برم جذب شده وجود داشته باشد و مکان های فعال سطحی جدیدی را تشکیل دهد.کربن فعال برای تصفیه هوا و گازمی‌تواند چندین برابر کارآمدتر پس از برم‌سازی باشد، و آن را به گزینه اصلی برای نیروگاه‌ها تبدیل می‌کند.

 

مطالعات موجود عموماً بر این باورند که جذب جیوه بر روی کربن فعال برم دار معمولاً مراحل اساسی زیر را طی می کند:

1. انتقال جرم و ورود فیزیکی Hg⁰ به منافذHg⁰ ابتدا توسط همرفت به سطح ذرات کربن فعال منتشر می شود و سپس از طریق انتشار مولکولی در ساختار منافذ به مکان های فعال نزدیک می شود. این فرآیند عمدتاً توسط ساختار منافذ و وضعیت جریان گاز دودکش کنترل می شود.

2. اکسیداسیون ناهمگن Hg⁰ توسط سایت های فعال برمهنگامی که Hg⁰ به مجاورت مکان‌های حاوی برم-می‌رسد، واکنش اکسیداسیون ناهمگن با مشارکت گونه‌های برم رخ می‌دهد. یک عبارت ساده شده را می توان به صورت زیر نوشت:Hg⁰(g) + 2Br(s) → HgBr2(ads)جایی که Br نشان دهنده گونه های برم فعال در سطح کربن فعال است. برخی از مطالعات نشان می‌دهند که این فرآیند اکسیداسیون ممکن است از حالت‌های ظرفیت متوسط ​​عبور کند یا HgBr(ads) را قبل از تبدیل بیشتر به HgBr2 تشکیل دهد.

3. تثبیت و اتصال قوی HgBr2HgBr2 تولید شده می تواند توسط نیروهای واندروالس در داخل و روی سطح منافذ جذب شود و می تواند ساختار پیچیده تری را با گروه های عملکردی سطحی تشکیل دهد که جذب آن را در دمای گاز دودکش دشوار می کند.120-180 درجه، بنابراین به تثبیت جیوه کارآمد دست می یابد.

 

کربن فعال بروم دار دارای مزایای قابل توجه زیر نسبت به کربن فعال کلردار است:

• برم برای سینتیک اکسیداسیون Hg⁰ مطلوب تر است و سرعت واکنش معمولاً بالاتر است.
• HgBr2 تولید شده پایداری حرارتی خوبی در دماهای بالا دارد و کمتر از HgCl2 تجزیه یا کاهش می‌یابد.
• در حضور گازهای رقابتی مانند SO2 و H2O، درجه مسمومیت محل‌های برم فعال نسبتاً سبک است و توانایی مقاومت در برابر نوسانات شرایط کاری قوی‌تر است.

از روی روش مهندسی، برای شرایط احتراق زغال سنگ{0} با کلر پایین، تزریق دوز مناسب کربن فعال برومه اغلب می‌تواند به سرعت حذف کل جیوه دست یابد.بیش از 80-90٪قبل از جمع کننده گرد و غبار پایین دست، الزامات محدودیت انتشار فعلی در اکثر مناطق را برآورده می کند.

 

4.2 سایر مسیرهای اصلاح: اصلاح گوگرد، کلر و کامپوزیت

علاوه بر اصلاح برم، چندین ایده اصلاحی دیگر پتانسیل کاربردی خاصی دارند:

1. کربن فعال اصلاح شده با گوگرد-بر اساس میل ترکیبی قوی بین جیوه و S (در نهایت با تشکیل سولفید جیوه بسیار پایدار HgS)، محققان ظرفیت جذب شیمیایی را با بارگیری گونه‌های حاوی گوگرد (مانند گوگرد عنصری، سولفیدها) بر روی سطح کربن فعال تقویت می‌کنند. کربن فعال اصلاح شده با گوگرد، توانایی جذب قوی برای جیوه اکسید شده و بخشی از جیوه ⁰، به ویژه در دماهای پایین دارد.<150°C), but it is highly sensitive to working condition changes, and regeneration and stability problems remain to be solved.

2. کربن فعال اصلاح شده با کلر-اصلاح کلر از نظر مکانیسم مشابه اصلاح برم است، که عمدتاً کارایی حذف جیوه را با ترویج اکسیداسیون Hg2 به HgCl2 بهبود می بخشد. از آنجایی که گاز دودکش اغلب حاوی غلظت معینی از HCl است که با واکنش‌های سطحی مانند کاتالیزورهای SCR تکمیل می‌شود، برخی نیروگاه‌ها علاوه بر این از کربن فعال اصلاح‌شده کلر-استفاده نمی‌کنند، بلکه از اثر هم افزایی سیستم‌های موجود استفاده می‌کنند. در مقایسه با برم، اصلاح کلر معمولاً از نظر کارایی و سازگاری دما کمی پایین‌تر است، اما مزایای خاصی در هزینه و خورندگی دارد.

3. اصلاح ترکیبی چند جزیی-در سال‌های اخیر، برخی از مطالعات تلاش کرده‌اند تا چندین مؤلفه عملکردی (مانند برم + گوگرد، کلر + فلزات واسطه و غیره) را روی کربن فعال به طور همزمان معرفی کنند تا به جذب هم‌افزایی جیوه چند-در محدوده دمایی وسیع‌تری دست یابند. چنین مواد اصلاح‌شده کامپوزیتی در سطح آزمایشگاهی چشم‌اندازهای کاربردی خوبی را نشان می‌دهند، اما مقیاس صنعتی آنها، پایداری طولانی‌مدت-و تأثیر بالقوه آن‌ها بر تجهیزات پایین‌دستی هنوز نیاز به تأیید مهندسی بیشتری دارد.کربن فعال پوسته نارگیل برای تصفیه گازعملکرد حذف جیوه را حتی در گازهای دودکش با-گوگرد و{1}رطوبت بالا پس از اصلاح کامپوزیت حفظ می کند و دامنه کاربرد آن را گسترش می دهد.

 

Ⅴ. عوامل کلیدی موثر بر راندمان حذف جیوه از کربن فعال

 

تحت شرایط یکسان مواد کربن فعال، نرخ حذف جیوه در شرایط کار واقعی نیروگاه ممکن است هنوز تفاوت های قابل توجهی را نشان دهد، که ریشه در اثر جفت شدن بسیاری از عوامل مانند ترکیب گاز دودکش، دما، موقعیت تزریق و تجهیزات پایین دستی دارد.

 

5.1 اثر کوپلینگ اجزای گاز دودکش

1. SO2 و SO3غلظت SO2 معمولاً بین هزاران تا ده ها هزار میلی گرم بر متر مکعب است، بسیار بیشتر از غلظت جیوه (میزان ug/m3)، و دارای مزیت رقابتی طبیعی در فرآیند جذب است. بخشی از SO2 را می توان بیشتر به SO3 اکسید کرد، که به راحتی غبار اسید سولفوریک را با H2O در بخش دمای پایین- تشکیل می دهد یا در منافذ کربن فعال متراکم می شود، در نتیجه منافذ را مسدود می کند و مکان های فعال را می پوشاند و منجر به غیرفعال شدن کربن فعال می شود. در شرایط کاری SO3 بالا، اغلب لازم است نرخ تزریق کربن فعال افزایش یابد یا طرح‌های اصلاح مقاوم در برابر مسمومیت گوگرد اتخاذ شود.

2. NOₓ و مشتقات آنNO خود دارای خواص اکسید کننده ضعیف و تأثیر محدودی بر جذب جیوه است. NO2 ممکن است در فرآیند اکسیداسیون Hg⁰ شرکت کند و به عنوان یک اکسیدان کمکی عمل کند. در همان زمان، NO2 همچنین می تواند با مکان های اکسیداسیون سطحی برای تغییر محیط شیمیایی سطح تعامل داشته باشد. به طور کلی، تاثیر NOₓ بر حذف جیوه ACI کمتر از SOₓ است، اما مکانیسم تعامل تحت شرایط کاری ترکیبی SCR+ACI مستحق تحقیقات عمیق‌تر است.

3. HCl و هالیدهای دیگرHCl یکی از گازهای کلیدی است که تبدیل Hg⁰ به HgCl2 را ترویج می کند. در گازهای دودکش با محتوای کلر بالا، حتی بدون ACI، حذف جزئی جیوه تنها از طریق کاتالیز SCR و هم افزایی FGD امکان پذیر است. برای زغال سنگ کم-کلر، اغلب لازم است که این کمبود را با تزریق کربن فعال برومه جبران کنیم. برخی از نیروگاه‌ها قبل از دیگ بخار، بهبود دهنده‌های احتراق حاوی کلر{4}} را اضافه می‌کنند یا به عنوان اقدامات کمکی مقدار مناسبی از HCl را به گاز دودکش اضافه می‌کنند، اما خطر خوردگی ناشی از این امر باید مراقب باشد.

4. بخار آب و اکسیژنبخار آب تا حدی با مکان‌های جذب، به‌ویژه مکان‌های جذب ضعیف رقابت می‌کند. اما مقدار مناسبی از H2O نیز می تواند در برخی از واکنش های اکسیداسیون سطحی شرکت کند. اکسیژن یک گاز پس‌زمینه مهم برای حفظ واکنش‌های اکسیداسیون جیوه است، به‌ویژه بر فرآیند اکسیداسیون مجدد درگیر در مکانیسم‌های اکسیداسیون چند مرحله‌ای-.

 

5.2 دما و زمان اقامت

دما یکی از مهم ترین پارامترهای عملیاتی در طراحی و بهینه سازی سیستم ACI است. تمرین نشان می دهد:

When the flue gas temperature is too high (>200 درجه)، ظرفیت جذب فیزیکی به طور قابل توجهی کاهش می یابد، و برخی از جیوه جذب شده شیمیایی ممکن است شروع به ناپایدار شدن کند و منجر به دفع شود.

وقتی دما خیلی پایین است (<100°C), although physical adsorption is enhanced, the risk of SO₃/H₂O condensation increases, and flue gas condensation and corrosion problems worsen, which is not conducive to long-term stable operation.

بنابراین، طرح معمولی ACI معمولاً نقطه تزریق را بعد از پیشگرمکن هوا یا اکونومایزر تنظیم می کند و آن را در یک پنجره حدوداً کنترل می کند.100-180 درجهبرای متعادل کردن ترمودینامیک جذب و خطرات خوردگی تجهیزات.

علاوه بر این، زمان ماندن ذرات کربن فعال در دودکش نیز یکی از عوامل کلیدی تعیین کننده راندمان حذف جیوه است. زمان ماند خیلی کوتاه منجر به جذب گرد و غبار قبل از تماس کامل با جیوه می شود. افزایش مناسب زمان اقامت برای تکمیل فرآیندهای انتقال جرم و واکنش بین جیوه و مکان‌های فعال مفید است. با تنظیم آرایش نازل، بهینه سازی ساختار دودکش و توزیع میدان جریان، می توان زمان ماند موثر را بدون افزایش قابل توجه کاهش مقاومت بهبود بخشید.

 

5.3 سرعت تزریق، اندازه ذرات و یکنواختی اختلاط

نرخ تزریق کربن فعال (که به صورت mgAC/m³ گاز دودکش یا نسبت جرم C/Hg بیان می شود) مستقیماً بر تعداد کل مکان های جذب موجود تأثیر می گذارد و بصری ترین متغیر برای کنترل میزان حذف جیوه است. در مهندسی واقعی، هنگام سوزاندن زغال سنگ با{1}کم کلر و دنبال کردن نرخ حذف جیوه حدود 90%، کربن فعال پودری معمولی اصلاح نشده اغلب به هزاران تا ده ها هزار برابر نسبت جرم C/Hg نیاز دارد که منجر به فشار هزینه بالا می شود. پس از استفاده از کربن فعال برومه شده، سرعت تزریق را می توان با همان سرعت حذف جیوه تا حد زیادی کاهش داد.

اندازه ذرات کربن فعال بر پراکندگی و ویژگی های انتقال جرم آن در گاز دودکش تأثیر می گذارد. اندازه ذرات کوچکتر برای افزایش سطح ویژه و افزایش فرکانس تماس با مولکول‌های جیوه مفید است، اما اندازه ذرات بسیار کوچک ممکن است تلفات پرواز را افزایش داده و بر عملکرد جمع‌کننده غبار تأثیر بگذارد. به طور کلی، اندازه ذرات کربن فعال پودری که برای ACI استفاده می شود، بیشتر در محدوده است10–30 μm.

یکنواختی اختلاط نیز عاملی است که به راحتی نادیده گرفته می شود اما بسیار حیاتی است. حتی اگر میزان تزریق کربن فعال کافی باشد، اگر اختلاط مقطعی- با گاز دودکش ناهموار باشد، جذب موضعی بیش از حد و حذف ناکافی جیوه محلی وجود خواهد داشت. بهینه‌سازی موقعیت تزریق و چیدمان نازل از طریق شبیه‌سازی CFD، همراه با نظارت آنلاین غلظت برای تنظیم شرایط تزریق، وسیله‌ای مؤثر برای بهبود عملکرد کلی سیستم است.کربن فعال پوسته نارگیل برای تصفیه گازدارای اندازه ذرات قابل تنظیم و سیالیت خوب، مناسب برای عملکرد پایدار طولانی مدت سیستم های تزریق پنوماتیک.

 

Ⅵ. کاربرد مهندسی، اقتصاد و توسعه بازار فناوری ACI

 

6.1 وضعیت فعلی برنامه مهندسی

از آنجایی که ایالات متحده به تدریج اجرا شداستانداردهای جیوه و سموم هوا (MATS)در دهه 2000، فناوری ACI در کاربردهای بزرگ-در صنعت برق آمریکای شمالی پیشتاز شد و به تدریج واحدهای مختلفی را که انواع مختلف زغال سنگ می سوزانند، پوشش داد. برخی از کشورهای اروپایی نیز سیستم‌های ACI را در واحدهای{3}}زغال‌سنگ بزرگ مستقر کرده‌اند تا الزامات انتشار جامع‌تر را برآورده کنند. در سال‌های اخیر، با-بهسازی واحدهای زغال‌سنگ-با انتشار کم آلاینده چین و افزایش توجه به انتشار جیوه، ACI و سایر فناوری‌های مرتبط با جیوه{7}}به‌تدریج در چشم‌انداز انتخاب فنی، به‌ویژه در واحدهایی با-کلر پایین، مسیرهای ACI کم، به عنوان یکی از مسیرهای فنی زغال‌سنگ در نظر گرفته شده است.

سیستم های ACI معمولاً دارای ویژگی های مهندسی زیر هستند:

• ساختار نسبتا ساده دستگاه، به طور کلی شامل سطل های ذخیره سازی، سیستم های اندازه گیری و تغذیه، خطوط لوله انتقال پنوماتیک، لنج های تزریق و سیستم های کنترل.
• سازگاری خوب با سیستم اصلی تصفیه گازهای دودکش، بدون-بهسازی در مقیاس بزرگ موتور اصلی و ساختار دودکش.
• نرخ تزریق را می توان با توجه به غلظت انتشار جیوه و الزامات نظارتی با مقیاس پذیری خاصی تنظیم کرد.

 

6.2 هزینه اقتصادی و مسائل مربوط به دفع محصول توسط-

اگرچه فناوری ACI دارای مزایای آشکاری در بلوغ فنی است، اما اقتصاد و عوامل خارجی محیطی آن همیشه از عوامل مهم محدود کننده ترویج گسترده آن بوده است.

1. هزینه کربن فعالاگرچه قیمت کربن فعال پودر شده به خودی خود پایین است (بازار داخلی)، محصولات اصلاح‌شده با عملکرد بالا-مانند کربن فعال برم دار قیمت واحد بالایی دارند. با در نظر گرفتن واحدهای زغال سنگ متوسط ​​و بزرگ{2}}برای دستیابی به نرخ حذف جیوه بالا، مصرف سالانه کربن فعال ممکن است به صدها تا هزاران تن برسد، با هزینه عملیاتی سالانه از میلیون ها یوان تا سطح بالاتر. با فشرده سازی حاشیه سود در صنعت انرژی، این هزینه عملیاتی مستمر به عاملی تبدیل شده است که باید در تصمیم گیری نیروگاه{4}}به دقت سنجیده شود.

2. دفع جیوه-حاوی خاکستر بادیکربن فعال تزریق شده به گاز دودکش در نهایت توسط سیستم حذف گرد و غبار همراه با خاکستر بادی جذب می شود و در نتیجه خواص فیزیکی و شیمیایی خاکستر بادی تغییر می کند. از یک طرف، افزایش محتوای کربن نسوخته و تغییر رنگ ممکن است بر ارزش استفاده از آن در صنایع سیمان و بتن تأثیر بگذارد. از سوی دیگر، خاکستر بادی جذب شده با فلزات سمی مانند جیوه اغلب به عنوان مدیریت می شودزباله های خطرناکمطابق با استانداردهای قانونی و زیست محیطی، افزایش هزینه حمل و نقل، دفع و کنترل خطرات زیست محیطی درازمدت-. در حال حاضر، دفن زباله ایمن و تصفیه انجماد/تثبیت گزینه های اصلی هستند، اما چگونگی بهبود میزان استفاده از منابع آن بر اساس اطمینان از ایمنی زیست محیطی هنوز یک مشکل حل نشده است.

3. خوردگی و قابلیت اطمینان سیستمدر حالی که کربن فعال برومه دارای ظرفیت حذف جیوه با کارآیی بالا-است، همچنین این خطر وجود دارد که برومیدها ممکن است باعث خوردگی سیستم های پایین دستی FGD، دودکش ها و مواد دودکش شوند. به خصوص در گوگرد زدایی مرطوب، افزایش غلظت هالوژن در فاز مایع ممکن است بر پوشش های لاستیکی و اجزای آلیاژی تأثیر منفی بگذارد و فرکانس تعمیر و نگهداری و هزینه های تعویض قطعات یدکی را افزایش دهد. هنگام طراحی یک سیستم ACI، مکانیسم خوردگی، انتخاب مواد و استراتژی های ضد خوردگی باید به طور جامع در نظر گرفته شود.

 

6.3 مقیاس بازار و روند توسعه

براساس گزارش‌های تحقیقات بازار جهانی در سال‌های اخیر، بازار کربن فعال برای تصفیه گازهای دودکش صنعتی (شامل{{0}نیروگاه‌های زغال‌سنگ، سوزاندن زباله، ذوب فلزات و غیره) به مقیاس میلیاردها دلار رسیده است که در این میان کربن فعال پودری ویژه برای حذف جیوه یکی از بخش‌های سریع است{2}.کربن فعال پوسته نارگیل برای تصفیه گازسهم مهمی در نیرو، سوزاندن زباله و تصفیه گاز متالورژی دارد. پیش‌بینی‌ها نشان می‌دهد که این بخش رشد مثبت خود را در چند سال آینده حفظ خواهد کرد، با نیروهای محرک اصلی شامل:

• تشدید استانداردهای انتشار جیوه برای واحدهای زغال‌سنگ جدید و مقاوم‌سازی‌شده-در کشورهای در حال توسعه؛
• مقررات سختگیرانه کنترل فلزات سنگین در صنایع سوزاندن زباله و زباله های خطرناک.
• گسترش برنامه توسط تبلیغات تجاری محصولات جدید کربن فعال اصلاح شده با کارایی بالا-.

 

Ⅶ. دستورالعمل‌های فنی آینده و ایده‌های جامع حکمرانی

 

با اصلاح بیشتر نظارت محیطی و پیشرفت مستمر تحول انرژی، مدل حاکمیتی "درمان علامتی" یک فناوری واحد به تدریج با یک طرح جامع کنترل هم افزایی سیستماتیک و چند آلاینده جایگزین می شود. در این زمینه، خود فناوری ACI نیز با نیازهای ارتقاء مکرر و یکپارچگی عملکردی مواجه است.

 

7.1 جاذب‌های جدید کم‌هزینه و قابل تجدید

از منظر منابع و هزینه ها، مواد جذبی تهیه شده از زیست توده یا پسماندهای جامد صنعتی (مانند کاه محصول، پوسته میوه، لجن، خاکستر بادی و غیره) توجه روزافزونی را به خود جلب می کنند. از طریق فعال‌سازی مناسب و اصلاح شیمیایی، این مواد می‌توانند عملکرد حذف جیوه را در برخی شرایط کاری نزدیک یا حتی فراتر از کربن فعال مبتنی بر زغال‌سنگ سنتی برسند، در حالی که هزینه‌های مواد خام و ردپای کربن را تا حد زیادی کاهش می‌دهند. علاوه بر این، توسعه جاذب‌هایی که می‌توانند بازیافت شوند و در نیروگاه‌ها یا تأسیسات متمرکز{4} در سایت مورد استفاده مجدد قرار گیرند، به کاهش تولید زباله‌های جامد خطرناک و بهبود پایداری کلی محیط‌زیست کمک می‌کند.

 

7.2 یکپارچه سازی کنترل هم افزایی آلاینده چند{1}

یکی از مسیرهای مهم توسعه فناوری تصفیه گازهای دودکش در آینده، پیوند عمیق عملکردهای حذف جیوه با سیستم های نیترات زدایی، گوگرد زدایی یا حذف گرد و غبار موجود برای ایجاد یک پلت فرم کنترل هم افزایی "همه{0}}در-است. به عنوان مثال:

• توسعه کاتالیزورهای SCR با عملکرد دوگانه کاهش NOₓ و اکسیداسیون Hg⁰ برای کاهش وابستگی به سیستم های ACI مستقل.
• پودرهای چند کاره با عملکرد جذب جیوه در فرآیندهای گوگرد زدایی نیمه خشک یا تزریق خشک برای دستیابی به کنترل هم افزایی SO2، HCl و Hg.
• با طبقه‌بندی و فن‌آوری جمع‌آوری خاکستر بادی ترکیب کنید تا کربن فعال جیوه-از خاکستر قابل استفاده جدا شود و تأثیر آن بر استفاده از مصالح ساختمانی کاهش یابد.

انتظار می رود این راه حل یکپارچه هزینه های کلی سرمایه گذاری و عملیاتی را کاهش دهد و در عین حال پیچیدگی سیستم و بار تعمیر و نگهداری را کاهش دهد.

 

7.3 دیجیتالی کردن و کنترل هوشمند

با توسعه فناوری نظارت بر جیوه آنلاین، نیروگاه های بیشتری شروع به استقرار کرده اندسیستم های نظارت بر انتشار مداوم جیوه (HgCEMS)برای به دست آوردن داده های واقعی-در مورد غلظت جیوه گازهای دودکش و تغییرات زایی. در ترکیب با شبیه‌سازی CFD، الگوریتم‌های مدل‌سازی و بهینه‌سازی مبتنی بر داده، کنترل بهینه پویا نرخ تزریق کربن فعال، موقعیت تزریق و حتی فرمول اصلاح‌کننده، می‌توان یک سیستم تنظیم حلقه بسته- برای به حداقل رساندن مصرف کربن فعال را با فرض اطمینان از انطباق با انتشار تشکیل داد.کربن فعال پوسته نارگیل برای تصفیه گازبه سرعت پاسخ می دهد و برای دوز دقیق در سیستم های تنظیم هوشمند مناسب است.

با پیشرفت تبدیل دیجیتال و هوشمند نیروگاه‌ها، سیستم‌های ACI را می‌توان با تنظیم بار واحد، سوئیچینگ سوخت، گوگردزدایی و تنظیم شرایط کاری نیترات زدایی برای دستیابی به کنترل هم افزایی دقیق‌تر و اقتصادی‌تر مرتبط کرد.

 

7.4 از شبیه سازی مکانیزم تا طراحی هدفمند مواد

روش های محاسبه شیمیایی کوانتومی نشان داده شده توسطنظریه تابعی چگالی (DFT)به تدریج به ابزارهای مهمی برای مطالعه مکانیسم های جذب و واکنش جیوه بر روی سطح مواد مختلف جذب تبدیل شده اند. با بررسی سیستماتیک فعل و انفعالات ساختار الکترونیکی بین جیوه و عناصر مختلف و ساختارهای سطحی در سطح نظری، می‌تواند پایه‌ای علمی برای "طراحی هدفمند" مواد جذبی جدید فراهم کند و زمان و منابع مورد نیاز برای تحقیقات و توسعه تجربی آزمایشی سنتی را کاهش دهد. بر اساس پیشینیان، انتظار می‌رود که ترکیب گسترده‌تری از چنین شبیه‌سازی‌هایی با آزمایش‌های{4}}با توان عملیاتی بالا و الگوریتم‌های یادگیری ماشینی، تحقیق و توسعه کربن فعال و مواد جایگزین را در مرحله «طراحی{5}» جدید ارتقا دهد.

 

7.5 فناوری حذف جیوه بستر ثابت کربن فعال گرانولی

کربن فعال گرانولی فناوری بستر ثابت ایده دیگری برای کنترل آلودگی جیوه در نیروگاه‌های{0}}ذغال‌سنگ است. متفاوت از جریان اصلی فناوری ACI،کربن فعال گرانولیبستر ثابت در پایین دست دستگاه گوگرد زدایی مرطوب (FGD) قرار می گیرد و دمای گاز دودکش تا حدود 50 درجه کاهش می یابد و به عنوان وسیله تصفیه نهایی برای دستیابی به حذف عمیق جیوه عمل می کند. این استراتژی چیدمان دارای مزایای قابل توجهی است: محیط دمای پایین برای اثر هم افزایی جذب فیزیکی و جذب شیمیایی مساعد است و از گلوگاه ظرفیت جذب محدود ACI در بخش دمای بالا (100-180 درجه) عبور می کند. در همان زمان، شکل دانه ای ازکربن فعال گرانولیاز مشکل اختلاط با خاکستر بادی که بر استفاده از منابع تأثیر می گذارد جلوگیری می کند.

 

 

بر اساس-تحقیقات عمیق در مورد مکانیسم جذب جیوه، طراحیکربن فعال گرانولیبستر ثابت می تواند به طور کامل از استراتژی اصلاح کربن فعال برومه یاد بگیرد. مطالعات نشان می دهد که جیوه به دنبال آن استلانگمویر-هین‌شلووداکسیداسیون{0}}مکانیسم جذب روی سطح کربن فعال، و در نهایت ترکیبات پایداری را با هالوژن های سطحی به شکل Hg2+ تشکیل می دهد. بارگیری از قبل-برم شدهکربن فعال گرانولیدر یک بستر ثابت می‌توان به اکسیداسیون و تثبیت موثر Hg⁰ در دماهای پایین دست یافت و از تداخل جذب رقابتی SO2 جلوگیری کرد - زیرا سولفات‌ها در سیستم FGD حذف شده‌اند. علاوه بر این، ساختار مدولار بستر ثابت، جایگزینی و بازسازی جاذب را تسهیل می‌کند، و مسیری امکان‌پذیر برای کاربرد مهندسی مواد با کارایی بالا مانند فلزات گرانبها-کربن فعال اصلاح‌شده و ارتقای کنترل جیوه در نیروگاه‌های زغال‌سنگ{3}}در جهت هدفانتشار نزدیک به-صفر.

با وجود این پیش‌زمینه واقع‌بینانه که تبدیل انرژی پاک جهانی هنوز زمان می‌برد، اجرای-کنترل آلودگی سطح بالا در واحدهای زغال‌سنگ{1}} موجود هنوز یک وظیفه انتقالی ضروری است. بهبود مستمر و نوآوری فناوری حذف جیوه کربن فعال نه تنها به انتخاب فنی یک صنعت منفرد مرتبط است، بلکه به بهبود کیفیت محیطی و حفاظت از سلامت عمومی نیز مرتبط است و همچنان نقش مهمی در عملکرد مهندسی در چند دهه آینده خواهد داشت.کربن فعال اکسترود شده برای تصفیه گاز, کربن فعال پوسته نارگیل برای تصفیه گاز، وکربن فعال برای تصفیه هوا و گازهر کدام مزایای منحصر به فردی دارند و همچنان نقش کلیدی در حذف جیوه گازهای دودکش و تصفیه گاز، حمایت از بهبود محیط زیست و حفاظت از سلامت عمومی خواهند داشت.