铁基催化剂催化氧化脱硫脱硝脱汞实验研究

发布时间：2020-06-01 01:57

【摘要】：为控制燃煤烟气中二氧化硫、氮氧化物和汞排放,燃煤电厂一般选用湿法脱硫、选择性催化还原脱硝和活性炭喷射吸附脱汞等方法,这种分级串联式的治理方式明显存在着氨逃逸、占地面积大、投资和运行费用高以及系统稳定性差等缺陷。因此,研发高效、经济和二次污染低的烟气同时脱硫脱硝脱汞新技术成为大气污染控制领域的研究热点,具有重要的理论意义和广泛的应用价值。本论文主要工作如下:实验研究了多种催化剂的合成条件,制备出四种铁基催化剂,通过一系列污染物脱除实验比较并评估了其对污染物脱除效果及稳定性的影响,筛选出理想的复合铁型催化剂,并在自行设计的类气相催化氧化结合液相吸收实验平台上考察了不同反应条件对催化氧化同时脱硫脱硝脱汞效率的影响,形成了三种由催化剂和不同自由基活性物种构成的同时脱硫脱硝脱汞催化氧化体系:(1)利用制备的由Fe0和Fe3O4组成的复合铁型催化剂,活化蒸气态H2O2和少量氯化氢产生羟基自由基(·OH)和含氯自由基等活性物种,实现了难溶性气态污染物NO和Hg0的快速氧化及氧化产物和SO2的吸收,得到的平均脱硫脱硝脱汞效率分别达到99.8%、82.7%和90.1%;(2)将含有Fe0、Fe3O4的复合铁型催化剂负载于ZSM-5分子筛,形成负载型铁基催化剂(Fe/ZSM-5),用于催化活化过硫酸盐溶液产生·OH和硫酸根自由基(SO4·-)等氧化性物种,快速将烟气中NO和Hg0氧化并被反应溶液吸收,平均脱硫脱硝脱汞效率分别达到100%、72.6%和93.4%;(3)利用Fe/ZSM-5催化剂活化由H202和过硫酸盐组成的蒸气态复合氧化剂产生·OH和SO·-等氧化性物种,实现了 NO和Hg0的高效氧化且其氧化产物和残余的SO2被Ca(OH)2溶液吸收,获得平均脱硫脱硝脱汞效率分别为99.8%、95.5%和90.8%。通过系统实验研究,提出了三种基于催化氧化和液相吸收的同时脱除烟气中SO2、NO和Hg0的新方法。采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱分析(XPS)、傅立叶红外光谱(FT-IR)和电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)等表征手段,分析并比较了催化氧化反应前后催化剂组分和结构属性的变化,证实了在复合铁型催化剂内存在FeG和Fe3O4两种物种,并可发生Fe0、Fe2+和Fe3+之间的电子转移,使得Fe2+在催化剂中稳定存在,促进了 H202和过硫酸盐的催化活化,利于·OH和SO4·-等氧化性物种的生成,提高了多污染物的脱除效率。透射电子显微镜(TEM)、XRD和FT-IR等表征方法对负载型铁基催化剂Fe/ZSM-5分析表明,催化剂内Fe0和Fe3O4球形颗粒的直径介于40-90 nm,且均匀分散于载体表面,有效避免了颗粒之间的团聚,且部分Fe0和Fe304进入分子筛骨架内,提高了催化剂的稳定性;磁饱和强度计(VSM)测得Fe/ZSM-5的饱和磁化强度为55.19 emu/g,表明在外加磁场条件下,制备的催化剂可实现回收利用。借助紫外可见光谱(Uv-Vis)、自由基淬灭实验和电子顺磁共振(EPR)测试等手段,证实了催化氧化过程中·OH和SO4·-的存在,并比较了不同催化氧化条件下自由基产量的差异;利用荧光光谱仪(AFS)、汞程序升温解吸(Hg-TPD)和离子色谱(IC)等手段分析了脱除产物,确定了 CaSO4、Ca(NO3)2、HgO、HgCl2和HgSO4等为催化氧化脱硫脱硝脱汞的主要脱除产物。在此基础上,参考大量相关文献,提出了催化氧化脱硫脱硝脱汞反应机理。
【图文】：

流程图,脱汞,活性炭,流程

，脱硝后的活性炭在吸收塔下段将烟气中Ｓ邋０邋２吸附，在氧气和水蒸气的存在在活性炭表面产生硫酸后被水吸收并形成硫酸溶液。使用后的活性炭被输解吸塔内进行加热再生，可实现活性炭的循环使用。该项技术既可以实现中ＳＯｄＰＮＯｘ同时有效的脱除，也可对颗粒物和重金属有协同脱除作用１１５１方法的优点在于操作简单、设备投资费川较低和活性炭可以循环使用，缺括吸附剂消耗量大、运行费用高等。许多研宄者还尝试对活性炭进行改性变其结构特性和表面酸碱性，进而实现吸附能力的进？？步提升｜１６１。但由于烟气总量较多，改性后的活性炭依然面临着活性炭消耗量人等缺陷。逡逑活性炭喷射脱汞技术（ＡＣＩ）在治理燃煤烟气重金属污染领域己经具为成熟的工业应用，通过往烟道内喷射活性炭将烟气汞吸附或催化氧化成汞，然后被后续除尘装置捕获，该方法的最高脱汞效率可达９９％。按照喷置的差异，该技术主要分为静电除尘器前喷射和布袋除尘器前喷射两种。相比，布袋除尘器前喷射技术对除尘设备的稳定运行和粉煤灰的品质影响但多数燃煤电厂广泛采用的的除尘设备却是静电除尘器。阁１－２为活性炭喷汞流程图。逡逑吸附

示意图,钢瓶,催化氧化,减压阀

２．２实验平台和系统逡逑２．２．１类气相催化氧化实验平台逡逑类气相催化氧化实验系统如图２－１所示，，该实验平台主要由模拟烟气控制系逡逑统、类气相氧化剂发生系统、催化氧化反应系统、吸收系统和尾气检测系统五部逡逑分组成。逡逑——ＤＳ＇ｌ逦？邋ＭＦＣ邋—逡逑夏邋逦邋柋＾邋１１逡逑２逦Ｉ邋Ｄ０３邋－ＭＦＣ邋—逦！逦邋［逦逦逡逑Ｉ邋＾邋Ｉ邋ｍ逦Ｘ邋２３邋．逡逑３逦：：邋—Ｄ８ｄ——＊邋ＭＦＣ逦」逦0逡逑Ｉ逦ｉ0邋＇邋ｉｎ邋Ｉ逦？逡逑Ａ逦ｒ－ｎ邋＇？逦ＵＡＬ－ａ逦２２逦逦逡逑４邋—Ｄ０Ｏ￣￣｜ＭＲ逦ＴＣ逦２２逡逑Ａ逦￣Ｉ逦ｖ逦”邋１７逦逦ｆ邋Ｉ逦ｆｆｌ？）逡逑６［｜－０８Ｑ－邋ＭＦＣ邋—邋Ｈｇ＾＞逦１９＾｜逦ｒ邋Ｈ逡逑９邋Ｉ逦Ｉ邋—邋２０邋—＼ｍ逡逑：三厂邋：逦２１逡逑｜＿＿邋：邋＿邋￣逡逑图２－１类气相催化氧化实验示意图逡逑１－４邋Ｓ０２，邋ＮＯ，邋０２，邋Ｃ０２钢瓶；５，邋６－Ｎ２钢瓶；７－减压阀；８－质
【学位授予单位】：华北电力大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X773

【参考文献】