可循环再生磁珠吸附剂脱汞及其反应机理研究
发布时间：2020-06-18 22:02
【摘要】：煤燃烧是大气中汞的重要来源,汞是一种神经毒物,对人类健康威胁很大。活性炭喷射(ACI)技术是目前美国燃煤电厂应用较广的烟气汞排放控制技术,但是,该技术在应用过程中受到以下因素的制约:吸附剂的回收和再生、汞的二次释放污染、运行成本昂贵等。磁性吸附剂易于从飞灰中磁选分离出来,经再生以后可以循环使用,能够比较好的解决上述限制因素。燃煤飞灰中磁珠对单质汞(Hg~0)具有一定的捕获和氧化能力。我国飞灰产量巨大,如果能将磁珠分选出来用于燃煤电厂汞的排放控制,将会产生巨大的环境和经济效益。本文首先系统表征了磁珠的物理化学特性,揭示了磁珠中的铁质组分与脱汞性能的关联机制。磁珠中的铁质组分主要为Fe_3O_4、γ-Fe_2O_3、α-Fe_2O_3和含Fe~(2+)和Fe~(3+)的硅酸盐玻璃体,不同电厂磁珠中各铁质组分含量差异较大,但均以Fe_3O_4和γ-Fe_2O_3为主,其含量范围介于54.5-82.9%之间。建立了磁特性与铁质组分含量的定量关联机制,磁特性与磁珠中磁铁矿含量呈正相关关系,具体可表述为[饱和磁化强度]=12.03 + 0.34[Fe_3O_4](r = 0.89)。磁珠的最佳脱汞反应温度为250 ℃,在100 ℃和150℃时磁珠对Hg0的脱除以吸附为主,在200-400 ℃时以催化氧化为主。磁珠的脱汞性能与铁含量和铁尖晶石及赤铁矿的含量呈正相关关系。为了提高磁珠的脱汞能力及其适用性,本文开发了以过渡金属氧化物Co_3O_4强化磁珠脱汞性能的方法。在低氯模拟烟气气氛下,合成的Co-MF吸附剂具有良好的脱汞性能和再生能力。在最佳Co_3O_4负载量(5.8%)、最佳脱汞反应温度(150 ℃)下,Co-MF吸附剂的脱汞效率达94.7%。烟气组分对吸附剂的脱汞性能具有重要影响:O_2和HCl对吸附剂的脱汞性能有极大的促进作用;SO_2和H_2O对脱汞性能有一定的抑制作用;NO对脱汞性能的影响表现出两面性,在低浓度(50 ppm)下,NO促进了 Hg0的脱除,但是在高浓度(300 ppm)下,NO具有一定的抑制作用。Co-MF吸附剂具有良好的再生循环性能和稳定性,5次汞吸附-再生循环实验后,吸附剂的脱汞性能没有明显降低。针对Co-MF吸附剂在复杂气氛下抗SO_2和H_2O干扰的能力较差以及制备过程复杂的问题,开发了过渡金属卤化物CuCl_2改性磁珠吸附剂(Cux-MF)。Cux-MF吸附剂具有良好的抗烟气组分干扰的能力。Cu负载量会影响吸附剂上Cu和Cl的配位状态:低Cu负载量时,以位于缺氯配位上的离散态的Cu~(2+)离子为主;高Cu负载量时,以位于富氯配位上的聚集态的Cu~(2+)离子为主,前者对Hg0的吸附和氧化是惰性的,而后者具有高反应活性。Cux-MF吸附剂的脱汞性能取决于Cu的负载量和反应温度,最佳Cu负载量为6%,最佳反应温度为150℃。在有O_2和HCl共同参与的情况下,Hg~0与CuCl_2之间的反应主要包括三个反应过程:(1)CuCl_2将Hg~0氧化为Hg~(2+),同时其本身被还原为CuCl;(2)CuCl与O_2反应生成Cu-O-Cl中间过渡态产物;(3)HCl补充Cu-O-Cl中Cl原子使其被修复为CuCl_2。基于Hg~0与CuCl_2的反应机理,提出了在特定气氛下再生失活吸附剂的方法。再生温度和O_2与HCl对活性位的修复是影响失活吸附剂再生性能的主要因素。在400 ℃加热解析后采用O_2和HCl修复吸附剂上的活性位,能够使其脱汞性能恢复到原有水平。多次汞吸附—再生循环实验表明,吸附剂上的活性组分(Cu和Cl元素)具有较好的稳定性,失活吸附剂的再生效率可达90.5%-94.2%。在模拟烟气实验台架上进行了吸附剂喷射脱汞性能验证。脱汞效率随着初始烟气汞浓度的增加而增加。增加吸附剂的喷射量和在烟气中的停留时间可提高脱汞效率。在空气气氛下,当停留时间为1.61s,吸附剂喷射量为1.09 g/m~3时,脱汞效率可达到80.6%,继续增加停留时间和喷射量,脱汞效率的增加幅度不大。减小吸附剂的粒径,可提高脱汞效率。综合考虑脱汞效率、吸附剂生成成本、工艺流程等方面,吸附剂颗粒粒径可选择为45-74 μm。在100-150 ℃的温度范围内,反应温度对脱汞效率的影响不大。酸性气体(SO_2、NO和HCl)和H_2O对脱汞性能影响不大,在最优运行工况、模拟烟气条件下,吸附剂的脱汞效率可到达70%。建立了吸附剂喷射脱汞过程预测模型,可用于预测最优运行工况参数,从而为吸附剂喷射脱汞技术的工业化推广应用积累设计和运行参数。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：X773
【图文】：
图１－１全球人为隶源组成（２０１０年）Ｗ逡逑根据联合国环境规划署发布的《２０１３年全球亲评估报告》，２０１０年全球人为束释逡逑放量约为１９饥吨，但是，全球隶释放量显示出地域不均衡性［１：１，如图１－２所示。人为逡逑隶释放源主要分布在北半球，包括亚洲东部及东南部、欧洲中部、非洲北部近地中海逡逑地区、北美洲东南部等，其中亚洲地区释放到大气中的隶绮占全球束释放总量的５０％，逡逑而亚洲地区的gq释放源主要集中在亚洲东部和东南部。中国作为最大的煤炭资源消费逡逑国，隶的释放量占亚洲东部和东南部末释放总量的四分之ｈｗ。逡逑＇．倍邋＇邋＇邋．ｊ．＊－邋．邋！逡逑Ｌ－一＊ｒｆｆ逡逑就颇抑０，ｇ}0；逦’^儯簽靛义希板危插澹渝澹保板澹保埃板澹保埃埃板义贤迹保踩蛉宋ゴ欠旁捶植纪迹ǎ玻埃保澳辏族义希插义
本文编号：2719896
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：X773
【图文】：
图１－１全球人为隶源组成（２０１０年）Ｗ逡逑根据联合国环境规划署发布的《２０１３年全球亲评估报告》，２０１０年全球人为束释逡逑放量约为１９饥吨，但是，全球隶释放量显示出地域不均衡性［１：１，如图１－２所示。人为逡逑隶释放源主要分布在北半球，包括亚洲东部及东南部、欧洲中部、非洲北部近地中海逡逑地区、北美洲东南部等，其中亚洲地区释放到大气中的隶绮占全球束释放总量的５０％，逡逑而亚洲地区的gq释放源主要集中在亚洲东部和东南部。中国作为最大的煤炭资源消费逡逑国，隶的释放量占亚洲东部和东南部末释放总量的四分之ｈｗ。逡逑＇．倍邋＇邋＇邋．ｊ．＊－邋．邋！逡逑Ｌ－一＊ｒｆｆ逡逑就颇抑０，ｇ}0；逦’^儯簽靛义希板危插澹渝澹保板澹保埃板澹保埃埃板义贤迹保踩蛉宋ゴ欠旁捶植纪迹ǎ玻埃保澳辏族义希插义
本文编号：2719896
本文链接：https://www.wllwen.com/shengtaihuanjingbaohulunwen/2719896.html
