低温SCR脱硝催化剂脱除燃煤烟气中Hg~0的实验研究

发布时间：2020-08-13 08:13

【摘要】：大气中的汞一般具有持久性、易迁移性和高度的生物富集性，可随大气循环扩散至全球，经干湿沉降后进入水体和土壤，在生物甲基化反应的作用下还可形成剧毒的甲基汞，对人群健康和生态环境产生了极大的威胁，已成为全球广泛关注的环境污染物之一。燃煤汞排放是大气中汞的主要来源，因此有效控制燃煤汞排放，并开发出具有发展前景的汞污染控制技术是我国环境汞污染控制的重中之重。利用燃煤电站现有的污染物控制装置实现汞的协同处理是实现燃煤电厂汞污染控制最为简单、经济的技术方法，研究发现选择性催化还原（SCR）脱硝催化剂在促进氮氧化物还原的同时，对汞的脱除也有一定的促进作用，但其催化性能并不理想，且商用SCR催化剂所需要的温度操作区间较高（300oC），容易发生空气预热器和催化剂的堵塞和腐蚀。因此研发具有高脱汞性能的低温（300oC）SCR脱硝催化剂，不但可以实现对燃煤烟气中氮氧化物和汞的协同处理，而且可避免催化剂的磨损，增长催化剂的使用寿命，对燃煤汞污染控制具有重要的理论、经济和现实意义。本文简要介绍了汞的理化性质、用途及危害，论述了大气环境中汞的主要来源以及国内外在燃煤烟气中汞污染控制方面的主要技术方法；介绍了SCR脱硝的基本原理和工艺流程，论述了国内外在低温SCR脱硝催化剂方面的发展概况。在此基础上，选用活性炭纤维（ACF）和酸性沸石分子筛（HZSM-5）类低温SCR脱硝催化剂进行脱汞和协同脱硝脱汞的实验，以期开发出高效的燃煤烟气汞污染控制技术。实验部分首先制备负载型的ACF和HZSM-5催化剂，模拟研究催化剂的制备方法、活性组成、反应温度以及烟气组分对催化剂Hg~0脱除性能的影响；对反应前后的催化剂分别进行物理化学表征，研究Hg~0在催化剂气固两相传质的规律以及在催化剂表面的物理化学行为，阐明催化剂对Hg~0氧化的作用机理。在分析Hg~0在催化剂表面气固两相的传质规律、物理化学行为和Hg~0的氧化作用机理的基础上，筛选脱汞性能较好的催化剂，在实验室模拟研究其对燃煤烟气中的氮氧化物和汞的联合脱除性能，分析催化剂组分、反应温度、烟气成分对催化剂同时脱汞和脱硝效率的影响；对反应前后的催化剂分别进行物理化学表征，运用Hg~0在催化剂表面的脱除机理以及NO在催化剂表面的作用机理揭示脱硝和脱汞之间的相互作用机制。以上研究结果显示：①低温SCR脱硝催化剂CeO_2/ACF对Hg~0的脱除效率随着反应温度的升高呈先升高后减小的趋势，并在150oC时达到最大值。CeO_2/ACF中的CeO_2的负载量对Hg~0的去除反应具有很大影响，在负载量为6%时对Hg~0的脱除效率达到最高的90%。另外烟气组分中有O_2存在时，SO_2和NO可以提高CeO_2/ACF的脱汞效率，但是烟气中存在的H2O对CeO_2/ACF的脱汞效率表现出一定的抑制作用。②相较于其它商业用SCR催化剂，CeO_2/ACF表现出了良好的低温同时脱硝脱汞性能，特别是在反应温度为200oC时，CeO_2负载量为11%时，CeO_2/ACF对Hg~0的脱除效率达到最佳的90%，对NO的脱除效率虽不是最佳值，但依然达到了82%，展现出良好的实现同时脱硝脱汞的工业应用价值。③CeO_2/HZSM-5催化脱汞的活性温度区间较宽，其在200~280oC的温度范围内均表现出良好的脱汞性能。而CuO/HZSM-5催化脱汞的活性温度区间较窄，只有当反应温度达到240oC时，其对Hg~0的脱除性能高才能达到最佳。这一结果表明相较于CuO，CeO_2更有利于Hg~0的脱除。④对CuO/HZSM-5的同时脱硝脱汞实验研究发现，在反应温度为250oC时，6%CuO/HZSM-5对Hg~0的脱除效率达到了最佳的90%，其脱硝效率也处于较高的90%左右，且催化剂CuO/HZSM-5的再生工艺较为简单，这一结果预示着CuO/HZSM-5有着良好的实现低温同时催化脱硝脱汞工业应用的价值。
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：X701
【图文】：

示意图,示意图,汞中毒,研究人员

汞被认为是一种环境污染物而受到广泛的重视，始于 1956 年在日本熊本生的“水俣病”事件，当时造成多达 2262 人产生汞中毒症状，此后因汞的流行病学事件更是层出不穷，其中造成危害最大，后期影响最为深远年爆发于伊拉克境内的汞污染事件，有多达 6000 于人出现汞中毒症状直接死于汞中毒[8-13]。另外，汞还是一种全球性的污染物，是除了温室一一种可在全球范围产生影响的化学物质，如上世纪末期，研究人员发圈附近的一些水域中，水生生物体内的汞含量远远高于其环境背景值，O 公布的生物体内汞含量标准值还要高，但是当地环境中并没有直接的[14]。北美和欧洲的一些研究人员在其境内同样观察到在一些没有明显汞地区，而当地的一些水域和土壤中却存在着明显度的汞污染，研究人员这种情况的发生与汞在大气中的长距离运送有关[15-17]，图 1.1 为全球汞图。

空间分布图,全球大气,废物,大气汞

图 1. 2 全球大气汞浓度的空间分布图大气中汞的来源主要包括人为源和自然源，如表 1.3 所示。大气中汞的自然来源主要包括火山喷发、地壳活动、土壤、水体的释汞作用、植物表面的蒸腾作用、以及森林火灾等，由自然原因释放到大气中的汞主要是单质汞，另外还包括一些二甲基汞、挥发性无机汞化合物等[35]。大气中汞的人为来源主要来自于人类在生产、使用、消耗汞的过程中释放的汞[36]。具体来说，包括：① 在矿石燃料的燃烧、金属冶炼等工业生产中排放的废气所携带的汞；② 在农业生产中含汞废水的灌溉、含汞废物的施肥及施用含汞农药的过程中，汞会被释放而进入大气；③ 城市生活垃圾、废物、工业垃圾、医疗废物及含汞污泥等废物的焚烧处理过程中，会有大量的汞被释放进入大气。全球每年向大气排放汞的总量约为 5000 吨，其中约 3/4 是人为活动的结果，据美国 EPA 的评估结果，每年人为向大气排放的汞占全年大气汞排放总量的50~75%，而由化石燃料和垃圾焚烧而释放进入大气的汞占到大气汞人为排放总量

大气汞,排放总量

博士学位论文含量的统计数据[48-50]。燃煤中汞元素的量很少，但由于数量众多的燃煤消耗的汞，由此带来大量环境问题。据报道，从 1978 年煤行业向大气释放的汞累计已有 2000 多吨，汞年均释1]。美国科学家和我国清华大学的郝吉明院士通过对 1得出，当年我国全年向环境释放了大约 500 多吨的汞关，如图 1.3 所示[52, 53]。

【参考文献】