基于形态调控的燃煤烟气中零价汞的脱除研究

发布时间：2020-03-22 19:18

【摘要】：汞是一种全球性污染物,严重危害人体健康和生态环境。燃煤电厂是我国汞污染物排放最重要的来源之一,燃煤烟气中汞的脱除具有重要意义。气态零价汞(Hg0)、气态二价汞(Hg2+)以及颗粒态汞(Hgp)是燃煤烟气中汞的主要存在形态。电厂的污染物控制设备能高效脱除Hg2+和Hgp,但对Hg0去除效率低,因此强化Hg0向Hg2+转化是燃煤电厂汞排放控制的关键。研究表明:烟气中Hg2+占比与燃煤中的卤素含量呈正相关,而我国燃煤中卤素含量普遍低,造成烟气中Hg0占比高,因此向燃煤中额外添加卤素化合物是一种强化Hg0氧化的方法;此外,在燃煤电厂烟气SCR脱硝过程中,Hg0能够在SCR催化剂上发生催化氧化生成Hg2+,但是对于广泛使用的V基SCR催化剂,其对Hg0的氧化作用有限,因此,通过对催化剂改性强化Hg0氧化的研究具有重要意义。在本文中,一方面,研究了燃煤中添加CaBr2对烟气中Hg0的氧化作用,并对氧化机制进行了推测。由于发现该方法会增加烟气中HBr的浓度,因此进一步研究了 HBr可能带来的不利影响,从而为该方法的实际工业应用提供综合评估;另一方面,通过理论分析,选取CeO2对传统V基SCR催化剂改性,强化Hg0在SCR催化剂上氧化,通过活性评价以及反应前后催化剂的表征,揭示了Hg0在催化剂表面的反应机理,并且研究了工艺参数对催化剂性能的影响。本论文取得的主要成果如下:(1)对全国19个煤样中的汞含量、氯含量进行了分析,研究了煤中汞的析出规律,并筛选出褐煤样品进行了 CaBr2添加脱汞实验,结果表明:CaBr2添加能有效加强Hg0氧化,当添加量为200μg/g时,Hg0析出量减少了40.4%;CaBr2的添加会增加烟气中HBr的浓度,HBr浓度与Hg0析出量之间存在强负相关性,推测HBr生成活性Br原子将Hg0氧化。(2)研究了CaBr2添加脱汞产生的HBr对V2O5-WO3/TiO2催化剂脱硝性能的影响,结果表明:在反应温度低于300℃时,HBr了抑制催化剂的脱硝活性,当烟气中HBr浓度为50 ppm,反应温度为200℃和250℃时,NO转化率分别降低了 10%和20%。XPS和In-situ FTIR的研究结果表明:HBr会与SCR脱硝反应中的氧化还原活性位点V=O发生反应:HBr+V5+=O→Br-V4+-OH,从而抑制了催化剂脱硝活性。(3)创新性的提出了加强NO在催化剂上的吸附将同时有利用提高催化剂脱硝活性和Hg0的催化氧化的改性思路,并选取CeO2对传统的V2O5/TiO2催化剂进行改性,通过浸渍法合成了V1Ti和V1Ce5Ti催化剂。活性评价结果表明:一方面,CeO2改性提高了V2O5/TiO2催化剂低温区间脱硝活性,在最佳反应温度区间250-400 ℃内,NO转化率均超过95%;另一方面,Hg0在催化剂上的氧化得到显著提升。Hg-TPD实验结果揭示了Hg(NO3)2是Hg0的氧化产物,HC1在反应中起到了促进Hg(NO3)2脱附的作用;综合实验结果,提出了Hg0在催化剂上的硝酸盐氧化路径,NO和O2首先在催化剂表面吸附并反应生成硝酸盐物种,进一步与Hg0反应生成Hg(NO3)2,在HC1作用下Hg(NO3)2从催化剂上脱附完成催化循环,催化剂表面生成的双齿硝酸盐物种在Hg0氧化过程中起到了重要作用。(4)探究了工艺参数对催化剂性能的影响,结果表明:SO2和H2O(g)对V1Ce5Ti催化剂SCR脱硝活性无明显影响;在400 ℃时SO2会抑制Hg0在V1Ce5Ti催化剂上的氧化,XPS分析结果表明SO2会与催化剂表面活性组分CeO2发生反应;Hg0的氧化率随空速的增加而降低,在空速远高于常规SCR操作空速的条件下(260000 h-1),在200-400℃温度范围内,Hg0氧化率均超过80%;催化剂在48h的稳定性评价过程中活性无明显下降,具有良好的工业应用前景。
【图文】：

ｔ；邋Ｚｈａｎｇ等人［６］建立了一种概率排放因子模型，并且估算了我国２０１０年燃煤汞逡逑排放量为２５４邋ｔ，其中工业锅炉、燃煤电厂和住宅锅炉分别占排放量的４７％、３９％逡逑和８％邋Ｊｈａｎｇ等人［７］总结了从２０００－２０１０年我国各行业历年汞排放数据（图１．２），逡逑结果表明，燃煤行业汞排放是我国最主要的大气汞排放源，其次是有色金属冶炼逡逑行业。２０００年到２０１０年，，我国汞排放量以平均每年４．２％的年增长率从３５６邋ｔ增逡逑长至５３８邋ｔ。逡逑３逡逑

ｎ邋Ｉ逦ｌ／ｌ逦Ｍ逦ｍ逦ｍ逦Ｍ逦Ｈ逦ｌ／ｉ逦ｉｊ逦Ｍ逦Ｍ逦ＩＪ逡逑２００８逦２００９逦２０１０逦２０１１逦２０１２逦２０１３逦２０１４逦２０１５逦２０１６逦２０１７逦２０１８逡逑图１．１邋２００８－２０１８年我国历年煤炭消费量逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．１邋Ｃｏａｌ邋ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ邋ｏｆ邋Ｃｈｉｎａ邋ｆｒｏｍ邋２００８邋ｔｏ邋２０１８．逡逑Ｗｕ等人［３］计算了我国历年来人为源汞排放的历史数据，结果表明从１９９５年逡逑到２００３年，我国人为源汞排放量以年平均增长率２．９％的速度递增，２００３年，其逡逑排放量己经达到６９６士３０７邋ｔ，其中有色金属冶炼和行业和燃煤行业的汞排放分别逡逑占４６％和３７％。Ｊｉａｎｇ等人［５］提出了一种详细的燃煤行业的排放清单，根据燃煤逡逑种类、锅炉类型、污染物控制技术将我国燃煤行业汞排放分为６５类，用两组不逡逑同的煤中汞含量数据估算出２０００年我国燃煤行业的汞排放量分别为１６２邋ｔ和２２０逡逑ｔ；邋Ｚｈａｎｇ等人［６］建立了一种概率排放因子模型，并且估算了我国２０１０年燃煤汞逡逑排放量为２５４邋ｔ，其中工业锅炉、燃煤电厂和住宅锅炉分别占排放量的４７％、３９％逡逑和８％邋Ｊｈａｎｇ等人［７］总结了从２０００－２０１０年我国各行业历年汞排放数据（图１．２）
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院过程工程研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X773

【参考文献】

相关期刊论文 前7条

1 谭增强;牛国平;;烟气汞脱除的研究进展[J];热力发电;2013年10期

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3 刘盛余;能子礼超;赖亮;万书宇;刘沛;曲兵;;燃煤烟气中单质汞的氧化吸收研究[J];煤炭学报;2010年02期

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本文编号：2595500