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摘 要：经科学验证，燃煤过程中除产生大量氮氧化物、硫氧化物外，还会产生Hg、Pb、As、Cd、Cr等有毒重金属元素。利用国家电站燃烧工程技术研究中心的燃煤烟气CO2脱除实验台，结合氨水的特有性质将工业氨水稀释成5%、7.5%、10%、11.25%、15%、21%六个浓度梯度作为吸收液，然后对吸收后的溶液采用哈希水质分析仪和电感耦合等离子体发射光谱（ICP—AES）原子发射仪进行离子分析。实验结果表明氨水浓度越高，对烟气中金属元素的吸收性能越好。综合氨水的挥发性，最终得出11.25%氨水是吸收燃煤烟气中重金属元素的最佳浓度。
关键词：氨水 煤燃烧 烟气 重金属 吸收能力
中图分类号：X830.2 文献标识码：A 文章编号：1007—3973（2012）009—065—02
1 引言
煤炭产业带动着国民经济的迅速发展，是我国经济发展不可或缺的重要渠道。燃煤烟气中除含有主、次量元素外，还含有多种痕量金属元素，如：Mn，Pb，Ni，Ba，Sr，Hg，Cr，As，Se等，其中部分元素属于有毒重金属元素。氨水作为常见的化学试剂，可以与酸反应生成铵盐，也可以作为金属的络合剂，还对烟气中颗粒物具有扑集作用，可以实现CO2和SOx、NOx的一体化脱除。例如采用氨法进行脱硫脱硝脱CO2的应用。近年来，不少专家学者热衷于燃煤烟气中金属元素的检测与研究。例如，于伟等采用连续气体采样和冷原子荧光分光光度计直接分析测定的方法，研究出配制模拟燃煤烟气中元素汞的在线测试方法；洪艳等总结出汞的去除主要有燃烧前、中、后脱汞三种方法；李剑锋尝试在烟气除尘装置之后，采用改性的金属氧化物为催化剂，提高零价汞被人为加入的HCl氧化的速率；刘晶等在一维煤粉燃烧炉台架上采用EPA推荐的Ontario Hydro方法，测量出燃烧不同煤种排放的烟气中汞的形态分布情况。本实验拟采用氨水吸收法，重点研究氨水对重金属污染物进行一体化吸收。
2 实验部分
2.1 实验仪器及药品
实验仪器：24小时恒温自动连续空气采样器，型号HY—1，青岛恒达智能仪器有限公司；哈希水质分析仪，型号DR/890，美国；电感耦合等离子体发射光谱（ICP—AES）原子发射仪，DRE，美国Leeman公司；移液枪；移液管；采样瓶；容量瓶；量筒等。
实验药品：工业纯氨水，分析纯，沈阳化学试剂厂；锌、钠、镁、铝、钼、镍、硒、铁、镉、铅、砷、汞、铬，分析纯，国家有色金属及电子材料分析中心。
2.2 实验方法
本实验在燃煤烟气CO2脱除实验台上进行，实验的关键在于采样点位置的确定以及烟气采样条件的控制。采用5%、7.5%、10%、11.25%、15%、21%六种浓度梯度的氨水作为吸收液，在24小时恒温自动连续空气采样器上进行烟气采样，每次样品量50mL，采样时间约为1h，采样温度约为28℃，瞬时流量约为0.3L/min，累计流量约为18L。然后对吸收后的溶液采用哈希水质分析仪和电感耦合等离子体发射光谱（ICP—AES）原子发射仪进行离子分析。最终通过实验数据对比分析氨水对重金属的吸收能力，找到氨水吸收重金属的最佳浓度，开发具有自主知识产权的燃煤电站多种污染物一体化脱除技术。
2.3 实验工况
本实验设备采用国家电站燃烧工程技术研究中心的燃煤烟气CO2脱除试验台。设备长7m，宽2.5m，高6m；占地面积17.5m2；耗费资金约60万元；可有有效处理燃煤烟气800m3/h；炉温1100℃—1300℃；采样点温度50℃；采样点风量11000m3/h；进口处烟气21%；出口处烟气15%；采样点距离除尘装置40—50m，距离烟气出口40—50m。
3 结果与讨论
3.1 5 %氨水对烟气中重金属元素的吸收
5%氨水是准确量取21%氨水母液20mL转移至100ml的容量瓶内定容而成。用其对烟气进行吸收，然后将吸收后的溶液采用ICP—AES法进行测量，结果显示5%氨水对燃煤烟气中金属元素的吸收量普遍较低，其中对钠、硒、砷的吸收量相对较多，超过了0.01Mg/L气，对镁、铝、铅的吸收量不到0.01Mg/L气，对铁、汞的吸收量为零。出现这种结果的原因可能是5%氨水浓度太低，含氨量较少，对重金属的吸收能力不明显。
3.2 11.25 %氨水对烟气中重金属元素的吸收
11.25%氨水也是以21%氨水作为母液加蒸馏水配制而成，用其对烟气进行吸收，得到锌、钠、镁、铝、钼、镍、铁、硒、镉、铅、砷、汞、铬13种金属元素的吸收值，结果见图1。
由图1可知，11.25%氨水可以吸出少量的铁和汞。出现此种结果的原因可能是11.25%氨水中含有3.75%的NH4HCO3，NH4HCO3属于两性物质，对酸性离子和碱性离子都有吸收作用，提高了氨水的吸收性能。
3.3 21 %氨水对烟气中重金属元素的吸收
21%氨水是用377.4mL 26.5 %的工业氨水转移至500ml容量瓶中定容而成的，其吸收烟气中各金属（吸收值单位：Mg/L）的结果见图2。
由图2可知，21% 氨水对硒、砷的吸收量超过了0.2Mg/L气，对镁的吸收量超过了0. 1Mg/L气，对铁的吸收量都超过了0.0 1Mg/L气，对汞的吸收量超过了0. 001Mg/L气，与前两种浓度相比较吸收能力大大增强。出现这种结果的原因可能是21% 的氨水纯度较高，成分比较复杂，有利于其对重金属元素的总体吸收。
4 结论
（1）通过对工业氨水进行不同浓度的稀释后对烟气进行吸收，实验结果显示氨水浓度越高，对烟气中金属元素的吸收性能越好，即吸收性能5%氨水<11.25%氨水<21%氨水。
（2）11.25%和21%氨水对烟气中13种金属离子均有吸收作用，且吸收含量随浓度的增加而增加。但21%氨水具有较大的挥发强度，致使实验进行的难度较大。因此，得出11.25%氨水是吸收重金属元素的最佳浓度。
（3）本实验以氨水为吸收载体，实现对燃煤烟气中重金属污染物的脱除。通过一系列数据显示，氨法用于燃煤烟气中重金属污染物的去除有一定的应用价值，是实现烟气污染物脱除的全新途径。
（资助项目：燃煤烟气中CO2及重金属污染物联合脱除技术，项目编号：LS2010154；沈阳师范大学大学生课题，编号：20111600010398）
参考文献：
[1] 于伟，张侠，杨旭，等.燃煤烟气中元素汞的快速检测方法研究[J].沈阳师范大学学报（自然科学版），2010（03）：405—406.
[2] 洪艳，潘红，曾青.燃煤烟气中汞的控制技术[A].中国环境科学学会2006年学术年会优秀论文集（下卷）[C].2006（05）：299—301.
[3] 李剑锋.改性Mn/Al2O3催化剂对零价汞的催化氧化研究[D].中国优秀硕士学位论文全文数据库，2010（10）：1—80.
[4] 刘晶，刘迎晖，贾小红，等.燃煤烟气中汞形态分析的实验研究[J].环境化学，2003（02）：69—73.
关键词：氨水 煤燃烧 烟气 重金属 吸收能力
中图分类号：X830.2 文献标识码：A 文章编号：1007—3973（2012）009—065—02
1 引言
煤炭产业带动着国民经济的迅速发展，是我国经济发展不可或缺的重要渠道。燃煤烟气中除含有主、次量元素外，还含有多种痕量金属元素，如：Mn，Pb，Ni，Ba，Sr，Hg，Cr，As，Se等，其中部分元素属于有毒重金属元素。氨水作为常见的化学试剂，可以与酸反应生成铵盐，也可以作为金属的络合剂，还对烟气中颗粒物具有扑集作用，可以实现CO2和SOx、NOx的一体化脱除。例如采用氨法进行脱硫脱硝脱CO2的应用。近年来，不少专家学者热衷于燃煤烟气中金属元素的检测与研究。例如，于伟等采用连续气体采样和冷原子荧光分光光度计直接分析测定的方法，研究出配制模拟燃煤烟气中元素汞的在线测试方法；洪艳等总结出汞的去除主要有燃烧前、中、后脱汞三种方法；李剑锋尝试在烟气除尘装置之后，采用改性的金属氧化物为催化剂，提高零价汞被人为加入的HCl氧化的速率；刘晶等在一维煤粉燃烧炉台架上采用EPA推荐的Ontario Hydro方法，测量出燃烧不同煤种排放的烟气中汞的形态分布情况。本实验拟采用氨水吸收法，重点研究氨水对重金属污染物进行一体化吸收。
2 实验部分
2.1 实验仪器及药品
实验仪器：24小时恒温自动连续空气采样器，型号HY—1，青岛恒达智能仪器有限公司；哈希水质分析仪，型号DR/890，美国；电感耦合等离子体发射光谱（ICP—AES）原子发射仪，DRE，美国Leeman公司；移液枪；移液管；采样瓶；容量瓶；量筒等。
实验药品：工业纯氨水，分析纯，沈阳化学试剂厂；锌、钠、镁、铝、钼、镍、硒、铁、镉、铅、砷、汞、铬，分析纯，国家有色金属及电子材料分析中心。
2.2 实验方法
本实验在燃煤烟气CO2脱除实验台上进行，实验的关键在于采样点位置的确定以及烟气采样条件的控制。采用5%、7.5%、10%、11.25%、15%、21%六种浓度梯度的氨水作为吸收液，在24小时恒温自动连续空气采样器上进行烟气采样，每次样品量50mL，采样时间约为1h，采样温度约为28℃，瞬时流量约为0.3L/min，累计流量约为18L。然后对吸收后的溶液采用哈希水质分析仪和电感耦合等离子体发射光谱（ICP—AES）原子发射仪进行离子分析。最终通过实验数据对比分析氨水对重金属的吸收能力，找到氨水吸收重金属的最佳浓度，开发具有自主知识产权的燃煤电站多种污染物一体化脱除技术。
2.3 实验工况
本实验设备采用国家电站燃烧工程技术研究中心的燃煤烟气CO2脱除试验台。设备长7m，宽2.5m，高6m；占地面积17.5m2；耗费资金约60万元；可有有效处理燃煤烟气800m3/h；炉温1100℃—1300℃；采样点温度50℃；采样点风量11000m3/h；进口处烟气21%；出口处烟气15%；采样点距离除尘装置40—50m，距离烟气出口40—50m。
3 结果与讨论
3.1 5 %氨水对烟气中重金属元素的吸收
5%氨水是准确量取21%氨水母液20mL转移至100ml的容量瓶内定容而成。用其对烟气进行吸收，然后将吸收后的溶液采用ICP—AES法进行测量，结果显示5%氨水对燃煤烟气中金属元素的吸收量普遍较低，其中对钠、硒、砷的吸收量相对较多，超过了0.01Mg/L气，对镁、铝、铅的吸收量不到0.01Mg/L气，对铁、汞的吸收量为零。出现这种结果的原因可能是5%氨水浓度太低，含氨量较少，对重金属的吸收能力不明显。
3.2 11.25 %氨水对烟气中重金属元素的吸收
11.25%氨水也是以21%氨水作为母液加蒸馏水配制而成，用其对烟气进行吸收，得到锌、钠、镁、铝、钼、镍、铁、硒、镉、铅、砷、汞、铬13种金属元素的吸收值，结果见图1。
由图1可知，11.25%氨水可以吸出少量的铁和汞。出现此种结果的原因可能是11.25%氨水中含有3.75%的NH4HCO3，NH4HCO3属于两性物质，对酸性离子和碱性离子都有吸收作用，提高了氨水的吸收性能。
3.3 21 %氨水对烟气中重金属元素的吸收
21%氨水是用377.4mL 26.5 %的工业氨水转移至500ml容量瓶中定容而成的，其吸收烟气中各金属（吸收值单位：Mg/L）的结果见图2。
由图2可知，21% 氨水对硒、砷的吸收量超过了0.2Mg/L气，对镁的吸收量超过了0. 1Mg/L气，对铁的吸收量都超过了0.0 1Mg/L气，对汞的吸收量超过了0. 001Mg/L气，与前两种浓度相比较吸收能力大大增强。出现这种结果的原因可能是21% 的氨水纯度较高，成分比较复杂，有利于其对重金属元素的总体吸收。
4 结论
（1）通过对工业氨水进行不同浓度的稀释后对烟气进行吸收，实验结果显示氨水浓度越高，对烟气中金属元素的吸收性能越好，即吸收性能5%氨水<11.25%氨水<21%氨水。
（2）11.25%和21%氨水对烟气中13种金属离子均有吸收作用，且吸收含量随浓度的增加而增加。但21%氨水具有较大的挥发强度，致使实验进行的难度较大。因此，得出11.25%氨水是吸收重金属元素的最佳浓度。
（3）本实验以氨水为吸收载体，实现对燃煤烟气中重金属污染物的脱除。通过一系列数据显示，氨法用于燃煤烟气中重金属污染物的去除有一定的应用价值，是实现烟气污染物脱除的全新途径。
（资助项目：燃煤烟气中CO2及重金属污染物联合脱除技术，项目编号：LS2010154；沈阳师范大学大学生课题，编号：20111600010398）
参考文献：
[1] 于伟，张侠，杨旭，等.燃煤烟气中元素汞的快速检测方法研究[J].沈阳师范大学学报（自然科学版），2010（03）：405—406.
[2] 洪艳，潘红，曾青.燃煤烟气中汞的控制技术[A].中国环境科学学会2006年学术年会优秀论文集（下卷）[C].2006（05）：299—301.
[3] 李剑锋.改性Mn/Al2O3催化剂对零价汞的催化氧化研究[D].中国优秀硕士学位论文全文数据库，2010（10）：1—80.
[4] 刘晶，刘迎晖，贾小红，等.燃煤烟气中汞形态分析的实验研究[J].环境化学，2003（02）：69—73.