磁性铁基尖晶石对气态零价汞的化学吸附研究

发布时间：2020-06-05 20:25

【摘要】：我国汞污染排放总量位居世界各国之首,已经引起国内外的高度关注。其中燃煤汞污染排放已经占到我国汞污染排放总量的40%左右。新修订的《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223-2011)中已经增设了汞的排放限值。目前国际上燃煤电厂汞污染控制技术主要有两种:活性炭吸附法和SCR+FGD法。由于我国燃煤普遍具有低氯高硫的特点,这两种技术在我国的大规模推广应用受到限制。因此开发适合我国国情、具有自主知识产权的燃煤烟气汞污染控制技术就显得十分迫切。 本论文创新性地提出用磁性铁基尖晶石控制燃煤烟气汞污染排放的新思路,系统研究了气态零价汞在铁基尖晶石表面的化学吸附。本论文依据铁基尖晶石的物理化学性质、铁基尖晶石吸附零价汞的容量以及吸附反应前后铁基尖晶石表面化学性质的变化,研究了零价汞在铁基尖晶石表面化学吸附的反应机理以及SO2抑制铁基尖晶石吸附零价汞的微观作用机制,探讨了铁基尖晶石的物理化学性质与零价汞吸附容量之间的构效关系,并设计出了成本低廉、零价汞吸附容量大、抗硫性能好的磁性铁基尖晶石。 本论文所取得的主要研究成果如下: (1)将Ti4+引入磁赤铁矿(γ-Fe_2O_3)晶格中,并将其用于烟气中零价汞的吸附。(Fe3-xTix)1-δO4吸附零价汞的容量近似地与其BET比表面积、表面阳离子空位密度和表面可还原的Fe3+离子浓度的乘积成正比。Ti4+掺杂显著提高了γ-Fe_2O_3表面阳离子空位密度、表面可还原的Fe3+离子浓度和热稳定性,因此钛掺杂显著提高了γ-Fe_2O_3在200-350 oC吸附零价汞的能力。SO2会破坏(Fe_2Ti)0.8O4表面的阳离子空位,从而抑制零价汞在(Fe_2Ti)0.8O4表面的吸附。(Fe3-xTix)1-δO4吸附零价汞的温度窗口与布袋除尘器的烟温不匹配。 (2)将MnOx负载在γ-Fe_2O_3上,并将其用于烟气中零价汞的吸附。Mn/γ-Fe_2O_3具有较强的吸附零价汞的能力。零价汞在Mn/γ-Fe_2O_3表面的氧化路径与[ ? Mn 4?]/[ ? ]和反应温度有关。100-200 oC时,零价汞在15%-Mn/γ-Fe_2O_3 -250表面的吸附基本不受SO2干扰。即使烟气中含有SO2,15%-Mn/γ-Fe_2O_3-250在150 oC吸附零价汞的容量可达2.2 mg g-1。 (3)将锰离子引入γ-Fe_2O_3晶格中,并将其用于烟气中零价汞的吸附。(Fe_(3-x)Mn_x)_(1-δ)O_4吸附零价汞的容量近似地与其BET比表面积、表面阳离子空位密度和表面Mn4+离子浓度的乘积成正比。尽管(Fe_(3-x)Mn_x)_(1-δ)O_4的BET比表面积随着锰掺杂量的增加明显降低,但(Fe_(3-x)Mn_x)_(1-δ)O_4表面阳离子空位密度和表面Mn4+离子浓度明显增大。因此锰掺杂显著提高了γ-Fe_2O_3吸附零价汞的容量。由于Fe_2+和Mn2+/Mn3+的氧化动力学差异,(Fe_(3-x)Mn_x)_(1-δ)O_4中会产生化学不均相现象(即Mn4+和阳离子空位在表面富集),从而促进了零价汞在(Fe_(3-x)Mn_x)_(1-δ)O_4表面的吸附。SO_2对零价汞在(Fe_2.2Mn0.8)1-δO4表面吸附的影响远较其对(Fe_2Ti)0.8O4吸附零价汞的影响弱。即使烟气中含有SO_2,(Fe_2.2Mn0.8)1-δO4在150 oC吸附零价汞的容量可达1.9 mg g-1。 (4)为了进一步提高(Fe_(3-x)Mn_x)_(1-δ)O_4吸附零价汞的能力,将Ti4+引入其晶格中。钛掺杂显著提高了(Fe_(3-x)Mn_x)_(1-δ)O_4的BET比表面积和表面阳离子空位密度,增加了吸附在表面阳离子空位上的零价汞与表面Mn4+碰撞发生反应的机率。因此钛掺杂促进了零价汞在(Fe_(3-x)Mn_x)_(1-δ)O_4表面的吸附。此外钛掺杂还提高了(Fe_(3-x)Mn_x)_(1-δ)O_4吸附零价汞的抗硫性能。即使烟气中含有SO_2,(Fe_2Ti0.5Mn0.5)1-δO4在150 oC吸附零价汞的容量可达4.2 mg g-1。 (5)将钒和钛一起引入γ-Fe_2O_3晶格中,并将其用于烟气中零价汞的吸附。钒钛磁赤铁矿具有氧化存储-催化还原零价汞的功能。钒钛磁赤铁矿在100 oC具有良好的吸附零价汞的能力和抗硫性能。吸附在钒钛磁赤铁矿表面的HgO在300 oC可被其反向催化还原为零价汞从表面脱附,这可以用来再生吸附汞后的钒钛磁赤铁矿并集中控制汞污染。 (6)Fe-Ti尖晶石和Fe-Ti-V尖晶石在300-400 oC具有优异的SCR活性、N2选择性和抗水抗硫能力;Mn-Fe尖晶石具有较好的低温SCR活性,但其低温SCR反应水硫稳定性较差。在Fe-Ti尖晶石和Mn-Fe尖晶石上有可能同时实现SCR反应和零价汞的化学吸附。 总之,用磁性铁基尖晶石控制燃煤烟气中汞污染排放,将有可能实现汞污染的集中控制和金属汞的资源化,具有较强的实际应用前景。
【图文】：

第一章博士学位论文烧条件、煤的化学组成（氯元素的含量）[35, 36]、烟气的化学组氧化物）[37]和烟温[38]等的影响。吸附在颗粒物上的汞包含零价[39-41]。吸附态的汞可以被电除尘器或者布袋除尘器捕集；水溶性湿式脱硫设施去除[33]。有污染控制设施的协同除汞能力电厂空气污染控制装置的结构见图 1-1。研究人员测试了这些污染除汞的能力（见表 1-1）。

第一章 绪论上海交通大学博士学位论文放量逐年减少。但是随着中国国民经济的高速发展，能源需求不断加大，使得燃煤用量剧增。1999 年中国燃煤向环境中排放汞的量已经占全国人为汞排放总量的 40%[6]，，这个比例正以较快的速率增长。目前燃煤电厂已经成为中国最大的汞污染排放点源，迫切需要加强治理。美国上世纪 90 年代就开始了燃煤电厂汞污染排放控制的相关研究，不少技术已经通过中试，投入示范运行。为使中国燃煤电厂的汞污染控制技术不受制于人，开发适合中国国情、具有自主知识产权的燃煤电厂汞污染控制技术就显得尤为重要。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：X773

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 徐景芳;;净化除雾器在火力发电厂烟气脱硫系统中的应用[J];山东电力高等专科学校学报;2011年02期

2 孙普春;尹民权;;600MW机组烟气脱硫系统运行方式的优化[J];华电技术;2011年08期

3 王岩;孙伟;许鹏;;火电厂石灰石—石膏湿法脱硫特点及效率的影响因素[J];东北电力技术;2011年08期

4 彭桂云;朱跃;高正来;程雪山;宋广田;;脱硫增效剂在电厂的应用[J];华电技术;2011年07期

5 王秀珍;;可再生湿法烟气脱硫过程有机胺吸收液中硫酸根的测定[J];化工环保;2011年03期

6 ;扬子石化烟气脱硫系统建成投运[J];石油化工安全环保技术;2011年02期

7 刘猛;李新峰;;燃煤机组石灰石—石膏湿法脱硫仪表和控制系统(I&C)设计与应用[J];技术与市场;2011年08期

8 张东平;孙克勤;潘效军;李乾军;杨凤;;烟气脱硫系统增压风机仿真模型开发及应用[J];环境工程学报;2011年09期

9 李国峰;;烟气脱硫综合自动化监控系统的设计与应用[J];工矿自动化;2011年08期

10 吴金泉;;白泥脱硫剂的开发应用[J];中国造纸;2011年07期

相关会议论文 前10条

1 李军;李炜玺;李晓亮;;关于宣钢360M~2烧结机烟气脱硫系统几个运行问题的探讨[A];2011年全国烧结烟气脱硫技术交流会文集[C];2011年

2 陈少军;熊泽明;敬大宾;;攀成钢105m~2烧结机机头烟气脱硫系统简介[A];2010年全国炼铁生产技术会议暨炼铁学术年会文集（下）[C];2009年

3 高文娟;李世成;赵永平;李军;;宣钢360M~2烧结机烟气脱硫系统的运行实践[A];2011年全国烧结烟气脱硫技术交流会文集[C];2011年

4 王树君;;国华太仓电厂烟气脱硫系统“石膏雨”治理[A];苏州市自然科学优秀学术论文汇编(2008-2009)[C];2010年

5 高文娟;李世成;赵永平;李军;;宣钢360M~2烧结机烟气脱硫系统的运行实践[A];2011年全国冶金节能减排与低碳技术发展研讨会文集[C];2011年

6 杜一庆;姚洪;孔德友;;武钢三烧烟气脱硫系统旁通烟道优化设计[A];2011年全国烧结烟气脱硫技术交流会文集[C];2011年

7 程瑛;易凌;沙月萍;;动力波逆喷氧化锌洗涤吸收低浓度SO_2烟气工艺[A];第七届全国重有色金属冶炼烟气处理及低位热能回收、酸性废水处理技术研讨会论文集[C];2010年

8 范明豪;刘英卫;田万军;钟世强;;湿式石灰石—石膏烟气脱硫系统的若干问题讨论[A];安徽节能减排博士科技论坛论文集[C];2007年

9 张文辉;刘春兰;刘静;肖友国;;国内外活性焦烟气脱硫技术发展概况[A];第十届全国电除尘、第二届脱硫学术会议论文集[C];2003年

10 薛建明;马果骏;;现有燃煤电厂烟气脱硫改造方案的经济评价[A];第九届全国电除尘、第一届脱硫学术会议论文集[C];2001年

相关重要报纸文章 前10条

1 张星芒;泸天化烟气脱硫系统项目成功试运行[N];中国工业报;2009年

2 通讯员 马庆明　王庆鲲;石横特钢：首套烧结机烟气脱硫系统运行[N];现代物流报;2009年

3 本报记者 黄敏清　通讯员 潘全旺;催化烟气脱硫系统高效运行[N];中国石化报;2011年

4 记者 于艳新　丁雷;1.5万婴幼儿享“零价起跑”[N];大连日报;2011年

5 特约记者 张星芒;泸天化烟气脱硫系统项目成功试运行[N];农资导报;2009年

6 童志中;“三位一体”成套工程实现零突破[N];中国机电日报;2001年

7 午言;话说零价格[N];人民日报;2002年

8 实习记者 纪凡;小天鹅零价格增持营销公司[N];中国证券报;2004年

9 本报记者 黄捷文;保生产保稳定是企业头等大事[N];韶关日报;2009年

10 本报记者 陈健健;“零价格”普及电信终端考验运营商实力[N];通信信息报;2003年

相关博士学位论文 前9条

1 杨士建;磁性铁基尖晶石对气态零价汞的化学吸附研究[D];上海交通大学;2012年

2 吴辉;燃煤汞释放及转化的实验与机理研究[D];华中科技大学;2011年

3 武成利;燃煤烟气中汞再析出及抑制研究[D];安徽理工大学;2010年

4 严森;厌氧条件下纳米铁还原水中六价铀的反应动力学和机理研究[D];中国地质大学;2010年

5 周继红;直接电解两步法处理硫化氢废气的研究[D];中南大学;2000年

6 任建莉;燃煤过程汞析出及模拟烟气中汞吸附脱除试验和机理研究[D];浙江大学;2003年

7 刘海蛟;MCFB烟气净化系统的多种污染物协同脱除研究[D];浙江大学;2009年

8 温正城;臭氧在烟气中氧化降解多种污染物的机理研究[D];浙江大学;2009年

9 肖仕丽;静电纺零价纳米铁/聚合物材料的制备、表征及其环境修复应用[D];东华大学;2010年

相关硕士学位论文 前10条

1 张伟彦;零价汞的去除及汞离子检测[D];大连理工大学;2012年

2 杜颖魁;基于集散控制技术的烟气脱硫系统的设计与实现[D];电子科技大学;2012年

3 张艳茹;电厂烟气脱硫系统运行维护成本分析与节能指标控制[D];华北电力大学（北京）;2011年

4 李冠男;某技改扩能电场烟气脱硫系统的重建升级研究[D];内蒙古大学;2012年

5 刘飞;ESP弱电离场—卤硫化物协同氧化燃煤烟气中零价汞的研究[D];上海交通大学;2011年

6 王淇;火力发电厂烟气脱硫控制系统的设计与应用[D];上海交通大学;2007年

7 李娜;零价铁还原修复模拟地下水中三氯乙烯研究[D];华东理工大学;2011年

8 万玮;液柱式湿法烟气脱硫系统中液柱喷射性能的研究[D];清华大学;2003年

9 陈杰;钛基复合催化剂对零价汞催化氧化的研究[D];上海交通大学;2011年

10 张晓敏;化学还原法去除饮用水中溴酸盐比较研究[D];哈尔滨工业大学;2010年

本文编号：2698567