低温等离子氧化Hg~0及改性吸附剂脱汞研究

发布时间：2019-03-05 14:33

【摘要】：汞是一种痕量重金属污染物,由于其化学性质稳定,且具有较强的挥发性,能够在大气层中远距离输送,并逐步沉降到远离污染源的地区,对生态环境和人类健康造成严重危害,已经成为继粉尘、SO_2、NO_x之后的又一主要燃煤污染物。燃煤烟气中汞主要以单质汞(Hg~0),氧化汞(Hg~(2+))和颗粒吸附汞(Hgp)三种形态存在,其中Hg~0由于具备极强的挥发性和难溶性,难以被电厂现有大气污染控制设备(APCD)有效脱除,且其在烟气中占有较大比例,导致燃煤烟气总汞脱除效率降低。活性炭喷射技术(ACI)虽是目前燃煤电厂汞排放控制中成熟可行的技术,但脱除成本过高。低温等离子技术(Non-Thermal Plasma,NTP)是一种具备多种污染物联合脱除的新技术,被认为是具有发展和应用潜力的Hg~0脱除技术之一。本文针对低温等离子体强化Hg~0的氧化机理、关键性反应、主要因素的影响规律,低温等离子电离改性对固体吸附剂表面理化特性的影响,以及强化吸附剂脱汞脱硫的机理等方面的科学问题开展研究。搭建了低温等离子体强化Hg~0氧化的实验装置系统,分析了介质阻挡放电低温等离子体反应器的放电参数间的关联特性,研究了气相Hg~0的价态分布及烟气组分对Hg~0氧化的影响规律。结果表明:反应体系的能量密度与介质间放电电压正向相关;放电过程中产生的O_3随能量密度增大线性增加,当气体温度高于300℃时,产生的O_3能够完全被分解;输入能量密度(SED)与Hg~0的氧化效率之间存在最佳关联值,在实验条件下,当SED为240J/L时,Hg~0氧化效率达到最大约81%;OHM方法取样分析得出低温等离子作用后模拟烟气中总汞质量平衡,主要以氧化汞形式存在;模拟烟气中O_2体积分数提高利于Hg~0的氧化,H2O(g)和CO_2在无O_2时能够促进Hg~0的氧化,而在O_2存在时,却对Hg~0的氧化起抑制作用,SO_2和NO均对Hg~0的氧化起抑制作用;低温等离子作用下HCl对Hg~0的氧化具有明显促进作用,当模拟烟气中HCl浓度高于50ppm时,Hg~0能被完全氧化。借助基元反应和动力学参数建立了低温等离子强化Hg~0氧化的动力学模型,研究了低温等离子氧化Hg~0过程中自由基浓度的变化规律,主要影响因素和关键性反应,揭示了 Hg~0氧化的反应历程和机理。结果表明:随电子平均能量增大,低温等离子场中电子向高能区域迁移,有利于烟气中O_2分子解离和自由基的形成;高能电子数目增加,自由基O浓度增大,Hg~0的氧化效率提高,自由基O是Hg~0氧化的关键因素;低温等离子作用下,气体中O_2含量增大有利于自由基O的形成和Hg~0的氧化,添加水蒸气后自由基O浓度快速下降,但水蒸气含量越大,Hg~0的氧化效率反而增加;NO和SO_2会导致气相中自由基0浓度和Hg~0的氧化率降低。进行了 CaCl_2耦合低温等离子强化Hg~0氧化的实验研究,借助程序升温脱附(TPD)技术分析了 Hg~0的主要氧化产物和分布,揭示了 CaCl_2促进低温等离子体氧化Hg~0的机理。研究结果表明:CaCl_2置于低温等离子放电区域时,对低温等离子氧化Hg~0具有明显促进作用,随输入能量增大,Hg~0的氧化效率不断提高,当输入能量大于240J/L时,Hg~0被完全氧化;模拟烟气中O_2对Hg~0的氧化具有重要影响,随O_2浓度提高,Hg~0的氧化率不断增大;而NO和SO_2会导致Hg~0氧化效率下降,且SO_2的影响明显高于NO,但与单纯等离子相比,CaCl_2耦合作用下NO和SO_2对低温等离子氧化Hg~0的影响明显减弱;反应后CaCl_2表面沉积的汞化合物主要为HgCl_2、Hg_2O和HgO三种,而气相中仅含有HgO,电离后CaCl_2表面C1元素并无明显损失或降低。建立了介质阻挡放电低温等离子吸附剂改性实验装置,研究了低温等离子电离改性对活性炭(AC)表面理化特性的影响规律,并在固定床上对改性AC脱汞性能进行评价。结果表明:低温等离子电离改性后,AC的比表面积和孔容积略有下降,但其表面酸性含氧官能团数量明显增多;改性后AC吸附Hg~0的性能明显提高,在改性功率和时间分别为15W和20min时,Hg~0的脱除效率达到最大;Hg~0在改性AC表面的吸附主要受外部传质扩散和表面化学吸附控制,低温等离子改性后AC对Hg~0的平衡吸附量qe增大,外部扩散和表面化学吸附过程增强。制备了一种复合钙基吸附剂,借助低温等离子电离改性强化其脱汞脱硫性能,优化了吸附剂制备和改性的最佳条件。结果表明:复合钙基吸附剂孔隙结构较为发达,其比表面积明显高于CaO,随CaO质量增加,其比表面积不断下降,但表面Ca含量增加;复合钙基吸附剂表面酸性含氧官能团的数量和种类明显高于原始AC,且当AC与CaO质量比为1,水热时间和温度分别为1h和70℃时制备的复合钙基吸附剂表面含氧官能团数量最多,吸附剂的脱汞和脱硫性能最佳;低温等离子电离改性后,复合钙基吸附剂表面颗粒粒径变小,C元素含量下降,而O元素含量增加,吸附剂表面含氧官能团数量明显增加,当改性功率和时间分别为20W和1Omin时,吸附剂表面含氧官能团数量最多,改性吸附剂脱除Hg~0和SO_2的效率最大。
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【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：X701

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