低温等离子体提高烟气汞脱除性能的实验及机理研究

发布时间：2020-08-04 19:46

【摘要】：煤的燃烧利用会带来许多环境问题,其排放的重金属汞会危害人类健康,因而有必要对燃煤电厂的汞排放进行控制。燃煤烟气中的Hg主要有三种存在形态:单质态汞(Hg0)、颗粒态汞(HgP)、氧化态汞(Hg2+)。由于Hg0不溶于水且极易挥发,最难被脱除;而Hgp可被除尘装置捕获;Hg2+易溶于水可被燃煤烟气尾部的湿法脱硫装置捕获。因此,脱除Hg0便成为了燃煤电厂的主要目标。目前脱除Hg0的技术思路主要有两种:一种是利用氧化剂或者催化剂将Hg0转化为Hg2+,另一种是通过吸附剂吸附将Hg0转化为Hgp。低温等离子体技术能在常温下产生高活性的自由基,这些自由基能与难降解的一些污染物反应,因此被应用于挥发性有机物VOCs及汽车尾气污染物的处理。此外,得益于高活性自由基,低温等离子体技术在材料的改性领域也有广泛应用。虽然等离子体技术在污染物处理方面展现出了巨大潜力,但目前将其应用到燃煤烟气脱汞方面的研究仍较少。为此,本文结合低温等离子体技术的特点,将其创新地应用于燃煤电厂的烟气脱汞,以提高燃煤烟气的脱汞效率。首先,本文将低温等离子体技术与均相氧化脱汞的技术思路相结合,研究了低温等离子体作用下O2、HCl与Cl2对单质汞的氧化效果。借助低温等离子体均相氧化实验装置,分析了烟气中单质汞氧化效率的影响因素及反应机理。实验结果表明低温等离子体能很好的促进烟气中氧化性成分O2、HCl与Cl2对Hg0的氧化效率,增加O2、HCl与Cl2的浓度或者增加低温等离子体功率均能进一步提升单质汞的氧化效率。氧化反应机理为:低温等离子体处理后,烟气中的O2、HCl与Cl2会形成高活性的O和Cl等离子体,这些粒子与单质汞发生快速反应,从而提高单质汞的氧化效率。反应温度的升高会抑制O2、HCl与Cl2对单质汞的氧化效率,这是因为温度的升高会缩短生成的O及Cl自由基的存在时间。此外,实验也研究了低温等离子体作用下,烟气中的其他气体成分对单质汞的氧化效率的影响,其中CO2会轻微地促进汞的氧化效率,NO会极大地抑制汞的氧化效率,而SO2对汞的氧化效率基本没有影响。然后,本文将低温等离子体技术与活性炭喷射技术相结合,以提高活性炭对汞的吸附效率。分别设计和搭建了低温等离子体处理活性炭装置和活性炭吸附汞实验装置。先在空气中借助低温等离子体处理活性炭,然后将处理后的活性炭进行汞吸附实验。结果表明低温等离子体处理会增加活性炭对汞的吸附效率,且处理时间越长吸附效率越高。这是由于空气中的氧气经过等离子电离后形成了高活性的氧自由基,这些自由基与碳原子反应生成了含氧官能团,而含氧官能团对汞有很好的吸附作用,其中以羰基官能团与酯基官能团为主。烟气中的组分对处理后活性炭的吸附效率也有影响:SO2与H2O会与汞竞争吸附位点,从而抑制汞的吸附;NO会催化含氧官能团与汞的反应,进而促进汞的吸附;而HCl会与含氧官能团反应生成新的C1吸附位点促进汞的吸附。为了进一步探究吸附机理,本文还搭建了一套程序升温汞脱附实验装置,对吸附了一定量汞的活性炭进行了程序升温汞脱附实验,结果表明不同吸附位点的吸附温度区间不同,其中羰基和酯基吸附位点对应的吸附温度区间分别为30-170℃和30-210℃,而物理吸附位点对应的吸附温度区间则为30-130℃。且不同吸附位点吸附汞的优先度不同,酯基吸附位点优先于羰基吸附位点,羰基吸附位点优先于物理吸附位点。最后,为了进一步提高活性炭对汞的吸附效率,本文利用低温等离子体将卤族元素加载于活性炭。实验发现在较低浓度的Cl2与Br2气氛下用低温等离子体处理后的活性炭在30-210℃的温度区间内均有较高的吸附效率,且使用的Cl2与Br2浓度与活性炭的汞吸附总量成正相关性。同样地,烟气组分对负载了卤族元素的活性炭的吸附效率也有一定影响,其中O2和HCl可以提高活性炭的吸附效率,而H20和S02会降低活性炭的吸附效率。通过与化学负载法相比,发现低温等离子体法能使得卤族形成更加有效的汞吸附位点,即C-Cl与C-Br,且两种吸附位点对汞的吸附机理相似。以Cl元素为例,利用低温等离子体加载卤素于活性炭的脱汞过程为:Cl2分子在低温等离子体中转化为高活性的Cl等离子体,之后与C原子形成C-Cl键存在于活性炭表面,Hg0与C-Cl键发生化学吸附,C-Cl向Cl-转换,形成HgCl2。
【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】：X701
【图文】：

成为人类对能源的主要利用方式，煤炭的燃烧利用在其中占到了很大一部分。逡逑化石能源的形成需要很长的时间，它属于不可再生能源，虽然化石能源储量巨大，但逡逑随着世界世界经济的增长，其每年的消耗量在逐年增加。图１－１为《ＢＰ世界能源统计逡逑２０１５》中世界能源消费量逐年的变化叫从中可看出，近１５年来世界能源的消费量逡逑一直在增长，其中煤炭占比３０．０％，天然气占比２９．４％，石油占比３２．５％。可Ｗ预见逡逑未来一段时间之内化石能源的主导地位不会变。逡逑Ｗｏｒｌｄ邋ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ逡逑、中１｜＂．仪邋Ｗ。’邋？Ｘ？ｖ，逡逑■。，。Ｄ冢常r浬＂

本文编号：2781006