Aplikácia aktívneho uhlia na odstraňovanie ortuti v uhoľných-elektrárňach

Výroba energie-spaľovanie uhlia má stále dôležité postavenie v globálnej energetickej štruktúre. S tým spojené emisie ortuti (Hg) však predstavujú vážnu hrozbu pre ekologické prostredie a ľudské zdravie. S implementáciouMinamatský dohovorv mnohých krajinách, najmä v Číne, Spojených štátoch, Európskej únii a ďalších regiónoch, sa kontrola emisií ortuti v uhoľných{0}}elektrárňach zmenila z „možnosti“ napovinné obmedzenie. Medzi rôznymi technológiami odstraňovania ortuti je technológia adsorpcie ortuti v spalinách založená naACIje široko používaný v-servisných jednotkách vďaka svojmu vyspelému procesu, relatívne pohodlnej úprave a vysokej prispôsobivosti.Aktívne uhlie na čistenie vzduchu a plynovsa stal základným adsorbentom pre túto technológiu vďaka svojmu vysokému špecifickému povrchu a bohatej štruktúre pórov.

 

Ⅰ. Problémy s emisiami ortuti v uhoľných-elektrárňach

V súčasnom modeli globálnej spotreby primárnej energie uhlie stále pôsobí ako „balastný kameň“. Hoci podiel obnoviteľnej energie narastá, uhoľné-bloky je stále ťažké úplne nahradiť na dlhú dobu, pokiaľ ide o disponibilitu energetického systému a spoľahlivosť napájania. Medzitým, s rozšírením spaľovania uhlia, sa uvoľňovanie stopových ťažkých kovov v uhlí postupne presunulo z akademickej diskusie na regulačné zameranie.

 

Ortuť má nasledujúce vlastnosti:

1. Vysoká toxicita a neurotoxicita: Organická ortuť, ako je metylortuť, sa môže hromadiť v potravinovom reťazci a spôsobiť nezvratné poškodenie nervového vývinu plodov a detí;

2. Schopnosť migrovať-na veľké vzdialenosti: Potom, čo je emitovaná ako plynná elementárna ortuť (Hg⁰), môže migrovať tisíce kilometrov v atmosfére a vytvárať globálne znečistenie;

3. Žiaruvzdorná a environmentálna stálosť: Po usadení sa v pôde a vodných útvaroch môže znova vstúpiť do kolobehu biosféry prostredníctvom mikrobiálnej metylácie.

 

 

Preto majú emisie ortuti typické trans{0}}regionálne a medzigeneračné externality. Správa zo strany jednej krajiny je často nedostatočná a celková kontrola si vyžaduje medzinárodnú koordináciu. Minamatský dohovor od jeho prijatia v roku 2013 ratifikovalo viac ako 100 zmluvných strán vrátane Číny. Jedným z jej hlavných cieľov je obmedziť a znížiť emisie ortuti z priemyselných zdrojov, ako sú uhoľné-elektrárne.

 

V inžinierskej praxi sú systémy čistenia spalín v uhoľných elektrárňach-pomerne vyspelé a vo všeobecnosti sú vybavené nasledujúcimi zariadeniami:

• Selektívna katalytická redukcia (SCR)aleboSelektívna ne{0}}katalytická redukcia (SNCR)na denitrifikáciu;
• Elektrostatické odlučovače (ESP)aleboLátkové filtre (FF)na kontrolu pevných častíc;
• Mokré alebo polo{0}}suchéOdsírenie spalín (FGD)systémy na odstraňovanie SO₂.

 

Tieto zariadenia majú účinok „synergického odstraňovania“ niektorých foriem ortuti. Avšak pre najťažšie-kontrolovateľné-plynyelementárna ortuť (Hg⁰)konvenčný reťazec spracovania spalín nemôže zaručiť stabilné a efektívne zachytávanie. V tejto súvislosti sa technológia odstraňovania ortuti zameraná na vstrekovanie aktívneho uhlia považuje za dôležitý doplnok k tradičným cestám spracovania spalín a dokonca sa stáva kľúčovým článkom na dosiahnutie súladu s emisiami ortuti za určitých pracovných podmienok.aktívne uhlie z kokosových škrupín na čistenie plynu vykazuje vynikajúci výkon v tejto oblasti vďaka svojej vysokej adsorpčnej aktivite a mechanickej pevnosti.

 

Ⅱ. Dráhy speciácie a transformácie ortuti v spalinách

 

Pochopenie distribúcie speciácie ortuti z hľadiska termodynamiky a kinetiky je predpokladom pre diskusiu o mechanizme odstraňovania ortuti aktívnym uhlím.

 

2.1 Uvoľňovanie a počiatočná speciácia ortuti v uhlí

Ortuť v uhlí sa zvyčajne vyskytuje v stopových množstvách, pričom obsah sa vo všeobecnosti pohybuje od0,01 až 0,5 mg/kg, ktorý je obsiahnutý v organickej hmote, pyrite a ílových mineráloch. V podmienkach spaľovania v peci pri vysokej-tete (približne1300-1600 stupňov), tieto druhy ortuti sú takmer úplne odparené a premenené na plynnú ortuť. Väčšina pôvodne uvoľnenej ortuti existuje akoelementárna ortuť (Hg⁰), pričom v zóne vysokej-teploty sa oxiduje len malé množstvo.

Plynný Hg⁰ má nasledujúce vlastnosti: Silná chemická inertnosť; nerozpustný vo vode; obmedzená interakcia s konvenčnými zachytávacími zariadeniami v spalinách. Preto bez špeciálnych opatrení možno Hg⁰ ľahko vypustiť do atmosféry s vyčistenými spalinami.Extrudované aktívne uhlie na čistenie plynusa často používa v systémoch s pevným{0}lôžkom na hlboké odstránenie Hg⁰ vďaka svojej jednotnej štruktúre a dobrej priepustnosti.

 

2.2 Speciačná transformácia ortuti v systémoch spalín

Keď teplota spalín klesá od výstupu z pece a postupne prechádzajú cez ekonomizér, predhrievač vzduchu, SCR, zberač prachu a odsírovacie zariadenie, ortuť prechádza radom homogénnych a heterogénnych reakcií v rôznych zariadeniach a teplotných zónach, ktoré tvoria tri kľúčové formy:

1. Elementárna ortuť Hg⁰: Plynný, elektricky neutrálny, vysoko prchavý, nízka chemická reaktivita; nie je ľahko absorbovateľný mokrým odsírením alebo fyzikálne adsorbovaný na povrchoch popolčeka; najťažšie kontrolovateľný a hlavný cieľový druh technológie ACI.

2. Oxidovaná ortuť Hg²⁺: Zvyčajne existuje ako vysoko rozpustné soli, ako je HgCl2 a HgSO4; Hg⁰ sa môže oxidovať na Hg2⁺ v prítomnosti HCl, O2, N02 a katalytických povrchov; ľahko rozpustný v suspenzii FGD alebo zachytený na povrchoch popolčeka, teda čiastočne odstránený tradičnými zariadeniami na odsírenie a odstraňovanie prachu.

3. Ortuť- viazaná na častice: Ortuť v kombinácii s minerálmi na povrchu častíc popolčeka alebo nespáleného uhlíka za vzniku pevných{0}}fázových zložiek; môžu byť zachytávané vo veľkom množstve pomocou-vysokoúčinných zberačov prachu, čo je najjednoduchšia forma ortuti, ktorá sa dá kontrolovať.

 

V skutočných pracovných podmienkach závisí pomerné zastúpenie týchto troch foriem od charakteristík uhlia (najmä obsahu chlóru, síry a alkalických kovov), rozloženia teploty v peci a odťahu, spaľovacej a redukčnej atmosféry, stavu prevádzky SCR a fyzikálnych a chemických vlastností popolčeka. Vo všeobecnosti bitúmenové uhlie s vysokým obsahom chlóru v spalinách viac podporuje oxidáciu Hg⁰, čím zvyšuje pomer Hg2⁺ a umožňuje zariadeniu FGD vykonávať viac funkcií odstraňovania ortuti; pri spaľovaní uhlia s nízkym-chlórom (ako je lignit a sub{2}}bitúmenové uhlie) je pomer Hg⁰ výrazne vyšší a takéto pracovné podmienky závisia skôr od špeciálnych technológií na odstraňovanie ortuti (ako je ACI).Aktívne uhlie na čistenie vzduchu a plynurýchlo nahrádza nedostatky synergického spracovania v takýchto podmienkach a zabezpečuje dodržiavanie emisií.

 

Ⅲ. Základné princípy a materiálové vlastnosti aktívneho uhlia na odstraňovanie ortuti

 

Aktívne uhlie sa vo veľkej miere používa na odstraňovanie ortuti zo spalín v uhoľných-elektrárňach vďaka svojej jedinečnej štruktúre pórov a ľahko nastaviteľným chemickým vlastnostiam povrchu.

 

3.1 Štruktúra pórov a fyzikálna adsorpcia

Aktívne uhlie sa vo všeobecnosti pripravuje zo zdrojov uhlíka, ako je uhlie, biomasa, kokosové škrupiny, drevo alebo ropný koks prostredníctvom vysokoteplotnej karbonizácie a aktivácie. Proces aktivácie (fyzikálna alebo chemická aktivácia) produkuje veľké množstvomikropóry (<2 nm)**, **mesopores (2–50 nm)** and **macropores (>50 nm)vo vnútri materiálu vytvára vysoko prepojenú hierarchickú sieť pórov, vďaka čomu jeho špecifický povrch dosahuje tisíce m²/g.Aktívne uhlie z kokosových škrupín na čistenie plynuje známy svojimi dobre{0}}rozvinutými mikropórmi a silnou schopnosťou zachytávať ortuťové výpary s nízkou{1}}koncentráciou.

Fyzikálna adsorpcia sa spolieha hlavne na van der Waalsove sily a slabé polarizačné interakcie,charakterizovanéod:

• Proces adsorpcie je zvyčajne reverzibilný;
• Nízke adsorpčné teplo, blízke kondenzačnému teplu;
• Adsorpčná kapacita je citlivá na teplotu a zvýšenie teploty výrazne znižuje adsorpčnú kapacitu.

V rozsahu teplôt spalín uhoľných-elektrární (vo všeobecnosti100-200 stupňov), účinnosť zachytávania Hg⁰ výlučne fyzikálnou adsorpciou je často nedostatočná, najmä ak je koncentrácia ortuti v spalinách nízka (zvyčajne na úrovni ug/m³). V tomto čase nemá elementárna ortuť žiadnu výhodu v konkurenčnej adsorpcii v porovnaní s inými molekulami plynu a adsorpčná rovnováha smeruje k desorpčnej strane za podmienok vysokej teploty. Preto, aj keď je štruktúra pórov základom adsorpcie, musí sa zaviesť silnejší chemický adsorpčný mechanizmus, aby sa dosiahlo účinné odstránenie ortuti.

 

3.2 Povrchové funkčné skupiny a chemická adsorpcia

Na povrchu aktívneho uhlia je určitý počet funkčných skupín obsahujúcich kyslík-, ako sú hydroxylové skupiny (-OH), karboxylové skupiny (-COOH), karbonylové skupiny (C=O), laktónové štruktúry atď. Tieto funkčné skupiny môžu do určitej miery pôsobiť ako slabé centrá Lewisovej kyseliny alebo bázy a reagovať s niektorými zložkami v spalinách. V prípade ortuti môžu tieto funkčné skupiny na aktívnom uhlí poskytnúť obmedzené miesta chemickej adsorpcie, čo spôsobuje čiastočnú oxidáciu Hg⁰ alebo tvorbu povrchových komplexov, ale táto schopnosť ani zďaleka nespĺňa prísne požiadavky na kontrolu emisií.

V inžinierskych aplikáciách sa preto zvyčajne vyžaduje povrchová úprava aktívneho uhlia. Zavedením špecifických prvkov alebo chemických druhov sa vytvoria aktívne centrá s vyššou afinitou k ortuti, ktoré premenia zachytávanie ortuti z fyzikálnej adsorpcie-dominantnej na chemickú adsorpciu a dominujú-povrchové reakcie.Extrudované aktívne uhlie na čistenie plynuľahko sa napĺňa brómom, sírou a inými modifikátormi, pričom vykazuje lepšiu stabilitu pri odstraňovaní ortuti zo spalín.

 

Ⅳ. Modifikované aktívne uhlie: od fyzickej adsorpcie po riadenie reakcie

 

Technológia modifikácie aktívneho uhlia sa dá chápať ako „vybudovanie špecifického funkčného povrchu na uhlíkovej kostre“. Spomedzi mnohých metód modifikácie je to najmä modifikácia halogénumodifikácia brómu, je najviac študovaná a používaná v oblasti odstraňovania ortuti-v spalín zo spalín.

 

4.1 Základný mechanizmus brómovaného aktívneho uhlia

Brómované aktívne uhliesa zvyčajne pripravuje zavedením brómu v molekulárnej alebo iónovej forme do pórov a povrchu aktívneho uhlia impregnáciou, nástrekom alebo adsorpciou v plynnej -fáze. Bróm môže vytvárať väzby C-Br na povrchu uhlíka alebo môže existovať ako bromidové soli a adsorbované molekuly brómu, čím sa vytvárajú nové povrchovo aktívne miesta.Aktívne uhlie na čistenie vzduchu a plynumôže byť po bromácii niekoľkonásobne účinnejší, čo z neho robí hlavnú voľbu pre elektrárne.

 

Existujúce štúdie sa vo všeobecnosti domnievajú, že zachytávanie ortuti na brómovanom aktívnom uhlí vo všeobecnosti podlieha nasledujúcim základným krokom:

1. Prenos hmoty a fyzický vstup Hg⁰ do pórovHg⁰ najprv difunduje na povrch častíc aktívneho uhlia konvekciou a potom sa ďalej približuje k aktívnym miestam prostredníctvom molekulárnej difúzie v štruktúre pórov. Tento proces je riadený hlavne štruktúrou pórov a stavom prúdenia spalín.

2. Heterogénna oxidácia Hg⁰ aktívnymi miestami brómuKeď sa Hg⁰ dostane do blízkosti miest-obsahujúcich bróm, dochádza k heterogénnej oxidačnej reakcii za účasti druhov brómu. Zjednodušený výraz možno napísať takto:Hg⁰(g) + 2Br(s) → HgBr₂(reklamy)Kde Br predstavuje aktívne druhy brómu na povrchu aktívneho uhlia. Niektoré štúdie ukazujú, že tento oxidačný proces môže prechádzať strednými valenčnými stavmi alebo vytvárať HgBr(ads) pred ďalšou konverziou na HgBr₂.

3. Stabilizácia a silná väzba HgBr₂Generovaný HgBr2 môže byť adsorbovaný van der Waalsovými silami vo vnútri a na povrchu pórov a môže ďalej vytvárať stabilnejšiu komplexnú štruktúru s povrchovými funkčnými skupinami, čo sťažuje desorbciu pri teplote spalín120-180 stupňov, čím sa dosiahne efektívna fixácia ortuti.

 

Brómované aktívne uhlie má oproti chlórovanému aktívne uhlie tieto významné výhody:

• Bróm je priaznivejší pre oxidačnú kinetiku Hg⁰ a reakčná rýchlosť je zvyčajne vyššia;
• Generovaný HgBr2 má dobrú tepelnú stabilitu pri vysokých teplotách a je menej pravdepodobné, že sa rozloží alebo redukuje ako HgCl2;
• V prítomnosti konkurenčných plynov, ako je SO2 a H2O, je stupeň otravy aktívnych brómových miest relatívne nízky a schopnosť odolávať výkyvom pracovných podmienok je silnejšia.

Z inžinierskej praxe vyplýva, že pre podmienky spaľovania uhlia s nízkym-chlórom môže vstrekovanie vhodnej dávky brómovaného aktívneho uhlia často dosiahnuť celkovú mieru odstránenia ortutiviac ako 80-90%pred zberačom prachu, ktorý spĺňa súčasné emisné limity vo väčšine regiónov.

 

4.2 Iné modifikačné cesty: síra, chlór a kompozitná modifikácia

Okrem modifikácie brómu má určitý aplikačný potenciál niekoľko ďalších nápadov na modifikáciu:

1. Sírou-modifikované aktívne uhlieNa základe silnej afinity medzi Hg a S (konečne tvoriaci extrémne stabilný sulfid ortuťový HgS), výskumníci posilňujú chemickú adsorpčnú kapacitu naložením látok obsahujúcich síru- (ako je elementárna síra, sulfidy) na povrch aktívneho uhlia. Sírou-modifikované aktívne uhlie má silnú schopnosť zachytávať oxidovanú ortuť a časť Hg⁰, najmä pri nízkych teplotách (<150°C), but it is highly sensitive to working condition changes, and regeneration and stability problems remain to be solved.

2. Chlórom-modifikované aktívne uhlieModifikácia chlóru je v mechanizme podobná modifikácii brómu, hlavne zlepšuje účinnosť odstraňovania ortuti podporou oxidácie Hg⁰ na HgCl2. Keďže samotné spaliny často obsahujú určitú koncentráciu HCl, doplnenú o povrchové reakcie, ako sú katalyzátory SCR, niektoré elektrárne navyše nepoužívajú aktívne uhlie modifikované chlórom{1}}, ale využívajú synergický efekt existujúcich systémov. V porovnaní s brómom je modifikácia chlóru zvyčajne mierne horšia z hľadiska účinnosti a teplotnej adaptability, ale má určité výhody v nákladoch a korozívnosti.

3. Viac{1}}zložková zložená modifikáciaV posledných rokoch sa niektoré štúdie pokúšali zaviesť viacero funkčných zložiek (ako je bróm + síra, chlór + prechodné kovy atď.) na aktívne uhlie súčasne, aby sa dosiahlo synergické zachytávanie multi-ortuti v širšom teplotnom rozsahu. Takéto kompozitné modifikované materiály majú dobré vyhliadky na použitie na laboratórnej úrovni, ale ich priemyselný{5}}rozsah, dlhodobá{6}}stabilita a potenciálny vplyv na nadväzujúce zariadenia si stále vyžadujú ďalšie technické overenie.Aktívne uhlie z kokosových škrupín na čistenie plynuzachováva stabilný výkon pri odstraňovaní ortuti aj v spalinách s vysokou-sírou a vysokou{1}}vlhkosťou po modifikácii kompozitu, čím rozširuje rozsah použitia.

 

Ⅴ. Kľúčové faktory ovplyvňujúce účinnosť odstraňovania ortuti z aktívneho uhlia

 

Za rovnakých podmienok materiálu s aktívnym uhlím môže rýchlosť odstraňovania ortuti v skutočných pracovných podmienkach elektrárne stále vykazovať významné rozdiely, ktoré sú zakorenené v väzbovom účinku mnohých faktorov, ako je zloženie spalín, teplota, poloha vstrekovania a následné zariadenie.

 

5.1 Väzbový efekt komponentov spalín

1. SO2 a SO3Koncentrácia SO₂ je zvyčajne rádovo tisícky až desaťtisíce mg/m³, oveľa vyššia ako koncentrácia ortuti (úroveň ug/m³) a má prirodzenú konkurenčnú výhodu v adsorpčnom procese. Časť SO₂ sa môže ďalej oxidovať na SO3, ktorý ľahko vytvára hmlu kyseliny sírovej s H2O v nízkoteplotnej -časti alebo kondenzuje v póroch aktívneho uhlia, čím blokuje póry a prekrýva aktívne miesta, čo vedie k deaktivácii aktívneho uhlia. V pracovných podmienkach s vysokým obsahom SO₃ je často potrebné zvýšiť rýchlosť vstrekovania aktívneho uhlia alebo prijať schémy úprav odolných voči otrave sírou-.

2. NOₓ a jeho derivátyNO samotný má slabé oxidačné vlastnosti a obmedzený vplyv na adsorpciu ortuti; NO₂ sa môže podieľať na oxidačnom procese Hg⁰ a pôsobiť ako pomocný oxidant. Súčasne NO₂ môže tiež interagovať s miestami povrchovej oxidácie, aby zmenili povrchové chemické prostredie. Celkovo je vplyv NOₓ na odstraňovanie ortuti ACI menej významný ako vplyv SOₓ, ale mechanizmus interakcie v kombinovaných pracovných podmienkach SCR+ACI si zaslúži ďalší-hĺbkový výskum.

3. HCl a iné halogenidyHCl je jedným z kľúčových plynov, ktoré podporujú premenu Hg⁰ na HgCl2. V spalinách s vysokým obsahom chlóru, dokonca aj bez ACI, je možné čiastočné odstránenie ortuti dosiahnuť len prostredníctvom SCR katalýzy a FGD synergie. V prípade uhlia s nízkym{2}}chlórom je často potrebné kompenzovať tento nedostatok vstrekovaním brómovaného aktívneho uhlia. Niektoré elektrárne pridávajú chlór-obsahujúce látky zlepšujúce spaľovanie pred kotol alebo pridávajú primerané množstvo HCl do spalín ako pomocné opatrenia, ale riziko korózie, ktoré tým vzniká, je potrebné mať na pozore.

4. Vodná para a kyslíkVodná para do určitej miery konkuruje adsorpčným miestam, najmä slabým adsorpčným miestam; ale vhodné množstvo H20 sa môže tiež zúčastniť niektorých povrchových oxidačných reakcií. Kyslík je dôležitým plynom v pozadí na udržiavanie oxidačných reakcií ortuti, pričom ovplyvňuje najmä re-oxidačný proces zapojený do viac{2}}krokových oxidačných mechanizmov.

 

5.2 Teplota a doba zotrvania

Teplota je jedným z najdôležitejších prevádzkových parametrov pri návrhu a optimalizácii systému ACI. Cvičenie ukazuje:

When the flue gas temperature is too high (>200 stupňov), fyzikálna adsorpčná kapacita výrazne klesá a časť chemicky adsorbovanej ortuti sa môže začať destabilizovať, čo vedie k desorpcii;

Keď je teplota príliš nízka (<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.

Typický dizajn ACI preto zvyčajne usporiada vstrekovací bod za predhrievačom vzduchu alebo ekonomizérom a riadi ho v rámci okna približne100-180 stupňovna vyváženie adsorpčnej termodynamiky a rizík korózie zariadení.

Okrem toho, doba zotrvania častíc aktívneho uhlia v dymovode je tiež jedným z kľúčových faktorov určujúcich účinnosť odstraňovania ortuti. Príliš krátky čas zdržania povedie k zachyteniu v zberači prachu pred úplným kontaktom s ortuťou; vhodné predĺženie doby zotrvania prispieva k dokončeniu procesov prenosu hmoty a reakcií medzi ortuťou a aktívnymi miestami. Úpravou usporiadania dýz, optimalizáciou štruktúry dymovodu a distribúcie prúdového poľa možno zlepšiť efektívnu dobu zotrvania bez výrazného zvýšenia straty odporu.

 

5.3 Rýchlosť vstrekovania, veľkosť častíc a rovnomernosť miešania

Rýchlosť vstrekovania aktívneho uhlia (vyjadrená ako mgAC/m³ spalín alebo hmotnostný pomer C/Hg) priamo ovplyvňuje celkový počet dostupných adsorpčných miest a je najintuitívnejšou premennou na riadenie rýchlosti odstraňovania ortuti. V skutočnom strojárstve, keď sa spaľuje uhlie s nízkym{1}}chlórom a dosahuje sa miera odstraňovania ortuti približne 90 %, nemodifikované bežné práškové aktívne uhlie často vyžaduje tisíc až desaťtisícnásobok hmotnostného pomeru C/Hg, čo vedie k vysokému tlaku na náklady; po použití brómovaného aktívneho uhlia môže byť rýchlosť vstrekovania výrazne znížená pri rovnakej rýchlosti odstraňovania ortuti.

Veľkosť častíc aktívneho uhlia ovplyvňuje jeho rozptyl a prenos hmoty v spalinách. Menšia veľkosť častíc vedie k zvýšeniu špecifickej plochy povrchu a zvýšeniu frekvencie kontaktu s molekulami ortuti, ale príliš malá veľkosť častíc môže zvýšiť stratu pri lietaní a ovplyvniť výkon zberača prachu. Vo všeobecnosti je veľkosť častíc práškového aktívneho uhlia používaného pre ACI väčšinou v rozmedzí10–30 μm.

Rovnomernosť miešania je tiež ľahko prehliadnuteľný, ale veľmi kritický faktor. Aj keď je rýchlosť vstrekovania aktívneho uhlia dostatočná, ak je prierez{1}}miešania so spalinami nerovnomerný, dôjde k lokálnej nadmernej adsorpcii a lokálnemu nedostatočnému odstraňovaniu ortuti. Optimalizácia polohy vstrekovania a rozloženia trysky prostredníctvom simulácie CFD v kombinácii s online monitorovaním koncentrácie na úpravu podmienok vstrekovania je účinným prostriedkom na zlepšenie celkového výkonu systému.Aktívne uhlie z kokosových škrupín na čistenie plynumá nastaviteľnú veľkosť častíc a dobrú tekutosť, vhodný pre-dlhodobú stabilnú prevádzku pneumatických vstrekovacích systémov.

 

Ⅵ. Inžinierske aplikácie, ekonomika a rozvoj trhu technológie ACI

 

6.1 Aktuálny stav inžinierskej aplikácie

Od USA postupne implementovaliNormy pre ortuť a toxicitu vzduchu (MATS)v roku 2000 sa technológia ACI ujala vedenia vo veľkých{1}}aplikáciách v severoamerickom energetickom priemysle a postupne pokrývala rôzne jednotky spaľujúce rôzne typy uhlia. Niektoré európske krajiny nasadili systémy ACI aj na veľkých uhoľných-blokoch, aby splnili prísnejšie komplexné emisné požiadavky. V posledných rokoch, s ultra{5}}nízkoemisnou modernizáciou uhoľných-jednotiek a zvýšenou pozornosťou venovanou emisiám ortuti, ACI a ďalšie technológie súvisiace s ortuťou- boli postupne zahrnuté do vízie technického výberu, najmä na jednotkách s nízkou-chlórovou a nízkou-možnosťou uhlia s nízkou aktivitou popola, ACI sa považuje za jeden z možných typov uhlia.

Systémy ACI majú zvyčajne nasledujúce technické charakteristiky:

• Relatívne jednoduchá štruktúra zariadenia, vo všeobecnosti vrátane skladovacích zásobníkov, meracích a podávacích systémov, pneumatických dopravných potrubí, vstrekovacích tyčí a riadiacich systémov;
• Dobrá kompatibilita s pôvodným systémom úpravy spalín bez rozsiahlej{0}}dostavby hlavného motora a konštrukcie dymovodu;
• Rýchlosť vstrekovania sa dá flexibilne upraviť podľa koncentrácie emisií ortuti a regulačných požiadaviek s určitou škálovateľnosťou.

 

6.2 Ekonomické náklady a problémy s likvidáciou vedľajších{1}}produktov

Hoci technológia ACI má zjavné výhody v technickej vyspelosti, jej hospodárnosť a environmentálna externalita boli vždy dôležitými faktormi obmedzujúcimi jej širokú propagáciu.

1. Náklady na aktívne uhlieHoci cena samotného práškového aktívneho uhlia je nízka (domáci trh), vysoko{0}}účinné modifikované produkty, ako je brómované aktívne uhlie, majú vysokú jednotkovú cenu. Ak si vezmeme ako príklad stredné a veľké uhoľné-jednotky, na dosiahnutie vysokej miery odstraňovania ortuti môže ročná spotreba aktívneho uhlia dosiahnuť stovky až tisíce ton, pričom ročné prevádzkové náklady sa pohybujú od miliónov RMB až po vyššiu úroveň. So znížením ziskových marží v energetickom priemysle sa tieto nepretržité prevádzkové náklady stali faktorom, ktorý je potrebné dôkladne zvážiť pri rozhodovaní o elektrárňach-.

2. Likvidácia popolčeka-obsahujúceho ortuťAktívne uhlie vstrekované do spalín bude nakoniec zachytené systémom odstraňovania prachu spolu s popolčekom, čím sa zmenia fyzikálne a chemické vlastnosti popolčeka. Na jednej strane zvýšenie obsahu nespáleného uhlíka a zmena farby môžu ovplyvniť jeho úžitkovú hodnotu v cementárskom a betonárskom priemysle; na druhej strane sa s popolčekom adsorbovaným toxickými kovmi, ako je ortuť, často nakladá akonebezpečný odpadv súlade s právnymi a environmentálnymi normami, čím sa zvyšujú náklady na prepravu, likvidáciu a{0}}dlhodobú kontrolu environmentálnych rizík. V súčasnosti sú hlavnými možnosťami bezpečné skládkovanie a solidifikačné/stabilizačné spracovanie, ale ako zlepšiť mieru využívania zdrojov za predpokladu zaistenia environmentálnej bezpečnosti je stále nevyriešeným problémom.

3. Korózia a spoľahlivosť systémuZatiaľ čo brómované aktívne uhlie má vysokú{0}}účinnú kapacitu na odstraňovanie ortuti, existuje aj riziko, že bromidy môžu spôsobiť koróziu v systémoch FGD, dymovodu a komínových materiáloch. Najmä pri mokrom odsírovaní môže zvýšenie koncentrácie halogénu v kvapalnej fáze nepriaznivo ovplyvniť gumové obloženia a zliatinové komponenty, zvýšiť frekvenciu údržby a náklady na výmenu náhradných dielov. Pri navrhovaní systému ACI je potrebné komplexne zvážiť mechanizmus korózie, výber materiálu a antikorózne stratégie-.

 

6.3 Rozsah trhu a vývojové trendy

Podľa správ z celosvetového prieskumu trhu za posledné roky dosiahol trh s aktívnym uhlím pre priemyselné spracovanie spalín (vrátane uhoľných-elektrární, spaľovania odpadu, tavenia kovov atď.) objem miliárd amerických dolárov, pričom špeciálne práškové aktívne uhlie na odstraňovanie ortuti je jedným z rýchlo-rastúcich segmentov.Aktívne uhlie z kokosových škrupín na čistenie plynumá významný podiel na energetike, spaľovaní odpadu a čistení metalurgických plynov. Prognózy ukazujú, že segment si v najbližších rokoch udrží pozitívny rast, pričom hlavnými hnacími silami budú:

• sprísnenie noriem emisií ortuti pre nové a modernizované uhoľné-jednotky v rozvojových krajinách;
• Prísnejšia regulácia kontroly ťažkých kovov v odvetviach spaľovania odpadov a nebezpečných odpadov;
• Rozšírenie aplikácií prináša komerčná propagácia nových-výkonných produktov s modifikovaným aktívnym uhlím.

 

Ⅶ. Budúce technické smery a nápady na komplexné riadenie

 

S ďalším zdokonaľovaním dohľadu nad životným prostredím a neustálym pokrokom v transformácii energie sa model riadenia „symptomatickej liečby“ jedinej technológie postupne nahrádza systematickým komplexným plánom synergickej kontroly viacerých- znečisťujúcich látok. V tejto súvislosti samotná technológia ACI tiež čelí potrebám iteratívneho upgradovania a funkčnej integrácie.

 

7.1 Nové nízko{1}}nákladové a obnoviteľné adsorbenty

Z hľadiska zdrojov a nákladov sa čoraz väčšej pozornosti dostáva adsorpčným materiálom pripraveným z biomasy alebo pevného priemyselného odpadu (ako slama z plodín, ovocné škrupiny, kal, popolček a pod.). Prostredníctvom vhodnej aktivácie a chemickej modifikácie môžu tieto materiály za určitých pracovných podmienok dosiahnuť výkon odstraňovania ortuti, ktorý sa blíži alebo dokonca prevyšuje tradičné uhlie-na báze aktívneho uhlia, pričom výrazne znižuje náklady na suroviny a uhlíkovú stopu. Okrem toho vývoj adsorbentov, ktoré možno recyklovať a opätovne použiť na mieste-v elektrárňach alebo centralizovaných zariadeniach, pomôže znížiť tvorbu nebezpečného tuhého odpadu a zlepšiť celkovú udržateľnosť životného prostredia.

 

7.2 Integrácia synergickej kontroly viacerých-látok

Jedným z dôležitých smerov vývoja budúcej technológie úpravy spalín je hlboké prepojenie funkcií odstraňovania ortuti s existujúcimi systémami denitrifikácie, odsírenia alebo odstraňovania prachu s cieľom vybudovať synergickú riadiacu platformu „všetko v{1} jednom“. Napríklad:

• Vyvinúť katalyzátory SCR s dvojitou funkciou redukcie NOₓ a oxidácie Hg⁰ na zníženie závislosti na nezávislých systémoch ACI;
• Zaviesť multifunkčné prášky s funkciou adsorpcie ortuti v procesoch polo-suchého odsírenia alebo suchého vstrekovania na dosiahnutie synergickej kontroly SO₂, HCl a Hg;
• V kombinácii s technológiou klasifikácie a zberu popolčeka oddeľte aktívne uhlie-naplnené ortuťou od využiteľného popolčeka, čím sa zníži vplyv na využitie stavebného materiálu.

Očakáva sa, že toto integrované riešenie zníži celkové investičné a prevádzkové náklady a zároveň zníži zložitosť systému a záťaž na údržbu.

 

7.3 Digitalizácia a inteligentné riadenie

S rozvojom technológie online monitorovania ortuti sa začalo nasadzovať stále viac elektrárníSystémy kontinuálneho monitorovania emisií ortuti (HgCEMS)na získanie údajov-v reálnom čase o koncentrácii ortuti v spalinách a zmenách speciácie. V kombinácii so simuláciou CFD, dátami-riadenými modelovacími a optimalizačnými algoritmami je možné realizovať dynamické optimálne riadenie rýchlosti vstrekovania aktívneho uhlia, polohy vstrekovania a dokonca aj vzorca modifikátora, čím sa vytvorí uzavretý-regulačný systém na minimalizáciu spotreby aktívneho uhlia za predpokladu dodržiavania emisných požiadaviek.Aktívne uhlie z kokosových škrupín na čistenie plynurýchlo reaguje a je vhodný na presné dávkovanie v inteligentných regulačných systémoch.

S pokrokom v oblasti digitálnej a inteligentnej transformácie elektrární môžu byť systémy ACI prepojené aj s úpravou zaťaženia jednotky, prepínaním paliva, úpravou pracovných podmienok odsírenia a denitrifikácie, aby sa dosiahlo presnejšie a hospodárnejšie synergické riadenie.

 

7.4 Od simulácie mechanizmu k dizajnu cielenému na materiál

Metódy kvantovochemického výpočtu reprezentovanéFunkčná teória hustoty (DFT)sa postupne stali dôležitými nástrojmi na štúdium adsorpčných a reakčných mechanizmov ortuti na povrchu rôznych adsorpčných materiálov. Systematickým skúmaním interakcií elektronickej štruktúry medzi ortuťou a rôznymi prvkami a povrchovými štruktúrami na teoretickej úrovni môže poskytnúť vedecký základ pre „cielený dizajn“ nových adsorpčných materiálov, čím sa zníži čas a zdroje potrebné na tradičný experiment-a{2}}omylný experimentálny výskum a vývoj. Na základe predchodcov sa očakáva, že rozsiahlejšia kombinácia takýchto simulácií s vysoko-výkonnými experimentmi a algoritmami strojového učenia podporí výskum a vývoj aktívneho uhlia a alternatívnych materiálov do novej „dizajn{5}}riadenej“ fázy.

 

7.5 Technológia odstraňovania ortuti s pevným lôžkom s granulovaným aktívnym uhlím

Granulované aktívne uhlie technológia pevného lôžka predstavuje ďalšiu myšlienku kontroly znečistenia ortuťou v uhoľných{0}}elektrárňach. Na rozdiel od bežnej technológie ACIGranulované aktívne uhliepevné lôžko sa umiestni za zariadenie na mokré odsírenie (FGD) a teplota spalín klesne na približne 50 stupňov, čo slúži ako konečný čistiaci prostriedok na dosiahnutie hlbokého odstránenia ortuti. Táto stratégia rozloženia má významné výhody: prostredie s nízkou teplotou prispieva k synergickému efektu fyzikálnej adsorpcie a chemickej adsorpcie, čím sa prekonáva obmedzená adsorpčná kapacita ACI v sekcii s vysokou-teplotou (100 – 180 stupňov); zároveň granulovaná formaGranulované aktívne uhlieZabraňuje problémom miešania s popolčekom, ktoré ovplyvňujú využitie jeho zdrojov.

 

 

Na základe-hĺbkového výskumu mechanizmu adsorpcie ortuti, návrhGranulované aktívne uhliepevné lôžko sa môže plne poučiť z modifikačnej stratégie brómovaného aktívneho uhlia. Štúdie ukazujú, že ortuť nasleduje poLangmuir-Hinshelwoodoxidačným-adsorbčným mechanizmom na povrchu aktívneho uhlia a nakoniec vytvára stabilné zlúčeniny s povrchovými halogénmi vo forme Hg²⁺. Načítava sa vopred-bromovanéGranulované aktívne uhliev pevnom lôžku môže dosiahnuť účinnú oxidáciu a fixáciu Hg⁰ pri nízkych teplotách a vyhnúť sa konkurenčnej adsorpčnej interferencii SO₂ – pretože v systéme FGD boli odstránené sírany. Okrem toho modulárna štruktúra pevného lôžka uľahčuje výmenu a regeneráciu adsorbentov a poskytuje uskutočniteľnú cestu pre inžinierske aplikácie vysoko{1}}výkonných materiálov, ako je ušľachtilý kov-modifikované aktívne uhlie, a podporuje kontrolu ortuti v uhoľných-elektrárňach smerom k cieľutakmer{0}}nulové emisie.

Na realistickom pozadí, že globálna transformácia čistej energie si stále vyžaduje čas, je implementácia vysokej{0}}kontroly znečistenia existujúcich uhoľných{1}uhoľných blokov stále nevyhnutnou prechodnou úlohou. Neustále zdokonaľovanie a inovácia technológie odstraňovania ortuti z aktívneho uhlia nesúvisí len s technickým výberom jedného odvetvia, ale aj so zlepšovaním kvality životného prostredia a ochrany verejného zdravia a v inžinierskej praxi bude hrať dôležitú úlohu aj v najbližších desaťročiach.Extrudované aktívne uhlie na čistenie plynu, aktívne uhlie z kokosových škrupín na čistenie plynuaaktívne uhlie na čistenie vzduchu a plynukaždý z nich má jedinečné výhody a bude aj naďalej zohrávať kľúčovú úlohu pri odstraňovaní ortuti zo spalín a čistení plynov, čím podporuje zlepšovanie životného prostredia a ochranu verejného zdravia.