煤燃燒過程中汞、砷、硒的排放與控制研究.pdf

1、煤燃燒過程中痕量重金屬排放的研究已成為燃燒污染中的一個(gè)新的前沿領(lǐng)域。特別是一些易揮發(fā)元素或化合物，它們不能被先進(jìn)的除塵裝置(如電除塵器，布袋除塵器等)有效捕獲，無控制地大量排放進(jìn)入大氣，成為環(huán)境污染的一個(gè)重要來源，對(duì)生態(tài)環(huán)境具有很大的直接或潛在的危害。本文以煤中最易揮發(fā)性的痕量元素汞、砷、硒作為研究對(duì)象，對(duì)它們?cè)诿喝紵^程中的分布，轉(zhuǎn)化及控制機(jī)理進(jìn)行了較為系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)及理論研究。 由于煤中基體復(fù)雜，不均勻性高，同時(shí)，三種元素都具有

2、含量低，揮發(fā)性較強(qiáng)等特點(diǎn)，給預(yù)處理和檢測(cè)過程帶來了很大困難。本文采用先進(jìn)的微波消解技術(shù)，建立了快速準(zhǔn)確測(cè)定煤和飛灰中汞、砷、硒的方法。本法具有速度快、待測(cè)元素?zé)o損失、空白值低、精密度好等特點(diǎn)。為深入研究遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律打下了良好基礎(chǔ)。 應(yīng)用逐級(jí)化學(xué)提取法、浮沉實(shí)驗(yàn)等多種方法定量研究了煤中汞、砷、硒的賦存形態(tài)及親合特性。研究不僅有助于深入了解重金屬在煤燃燒過程發(fā)生的物理化學(xué)反應(yīng)及形態(tài)轉(zhuǎn)化機(jī)理，同時(shí)對(duì)預(yù)測(cè)洗煤，煤的存放等過程中重金屬的遷

3、移去向有很重要的意義。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明煤中汞和砷的賦存形態(tài)相近，主要以硫化物形態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)存在，硒在煤中的分布較為分散。由于煤存在多成因、多形態(tài)的硫化物，煤種不同，不能簡(jiǎn)單地根據(jù)硫量進(jìn)行汞、砷、硒含量的預(yù)測(cè)。 從實(shí)驗(yàn)室小型臺(tái)架到實(shí)際運(yùn)行鍋爐，對(duì)煤燃燒過程中汞的遷移轉(zhuǎn)化進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究。采用Ontario-Hydro方法對(duì)實(shí)際運(yùn)行鍋爐電除塵器后煙氣中汞的形態(tài)分布進(jìn)行研究，結(jié)果表明汞主要以煙氣形式排放，Hg2+占?xì)鈶B(tài)汞量的55﹪-69

4、﹪，Hg0占31﹪-45﹪，探討了Hg0與氯氣及氯化氫可能的化學(xué)轉(zhuǎn)化反應(yīng)。分析汞捕獲量與燃煤飛灰粒徑、未燃盡碳之間的關(guān)系，結(jié)果顯示飛灰吸附汞的作用機(jī)理是物理吸附與化學(xué)吸附共同作用的結(jié)果。 對(duì)煤燃燒過程中砷、硒釋放反應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了較為系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究。臺(tái)架實(shí)驗(yàn)表明，砷在煤燃燒過程中只部分蒸發(fā)，硒絕大部分都蒸發(fā)成氣態(tài)形式，只有少部分殘留在灰中。在國內(nèi)首次采用EPA method 29方法對(duì)裝備有靜電除塵設(shè)備的某電廠砷、硒的排放特征進(jìn)行研

5、究，實(shí)驗(yàn)表明砷主要以飛灰形式排放，砷濃度與飛灰粒徑呈明顯的負(fù)相關(guān)性。飛灰能捕獲在燃燒過程中蒸發(fā)出來的硒蒸氣，但與砷相比，以氣相形式排放的量有明顯升高。采用逐級(jí)化學(xué)浸提法研究不同粒度飛灰中砷的形態(tài)分布，不同粒徑的飛灰形態(tài)分布相似，但在相同質(zhì)量條件下，細(xì)顆粒中的砷遷移性和危害性更大。從4個(gè)方面對(duì)砷富集于飛灰的機(jī)理進(jìn)行了分析與探討：即飛灰對(duì)砷化物的吸附作用、硅酸鹽熔體對(duì)砷的溶解作用、飛灰中礦物成分與砷反應(yīng)生成穩(wěn)定的化合物、氣相砷化合物在飛灰表

6、面的凝結(jié)作用等。 本文將理論計(jì)算與燃煤污染的聯(lián)合脫除的實(shí)際需要相結(jié)合，創(chuàng)新性地提出將密度泛函理論(Density Functional Theory)應(yīng)用于氣固吸附機(jī)理研究，對(duì)煙氣中不同形態(tài)的汞在氧化鈣固體表面的吸附進(jìn)行理論計(jì)算。構(gòu)建了嵌入原子簇Ca9O9模型，并將目標(biāo)簇嵌入到一個(gè)模擬晶格排列的點(diǎn)電荷電場(chǎng)中作為邊界處理方法。計(jì)算表明，汞垂直底物表面吸附，屬于較弱的物理吸附，氯化汞平行底物吸附為穩(wěn)定構(gòu)型，屬于化學(xué)吸附。與相關(guān)的煤燃