低溫等離子氧化Hg0及改性吸附劑脫汞研究.pdf

1、汞是一種痕量重金屬污染物，由于其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，且具有較強(qiáng)的揮發(fā)性，能夠在大氣層中遠(yuǎn)距離輸送，并逐步沉降到遠(yuǎn)離污染源的地區(qū)，對生態(tài)環(huán)境和人類健康造成嚴(yán)重危害，已經(jīng)成為繼粉塵、SO2、NOx之后的又一主要燃煤污染物。燃煤煙氣中汞主要以單質(zhì)汞(Hg0)，氧化汞(Hg2+)和顆粒吸附汞（Hgp）三種形態(tài)存在，其中Hg0由于具備極強(qiáng)的揮發(fā)性和難溶性，難以被電廠現(xiàn)有大氣污染控制設(shè)備(APCD)有效脫除，且其在煙氣中占有較大比例，導(dǎo)致燃煤煙氣總汞脫除

2、效率降低。活性炭噴射技術(shù)(ACI)雖是目前燃煤電廠汞排放控制中成熟可行的技術(shù)，但脫除成本過高。低溫等離子技術(shù)(Non-Thermal Plasma，NTP)是一種具備多種污染物聯(lián)合脫除的新技術(shù)，被認(rèn)為是具有發(fā)展和應(yīng)用潛力的Hg0脫除技術(shù)之一。本文針對低溫等離子體強(qiáng)化Hg0的氧化機(jī)理、關(guān)鍵性反應(yīng)、主要因素的影響規(guī)律，低溫等離子電離改性對固體吸附劑表面理化特性的影響，以及強(qiáng)化吸附劑脫汞脫硫的機(jī)理等方面的科學(xué)問題開展研究。
　　搭建了低

3、溫等離子體強(qiáng)化Hg0氧化的實驗裝置系統(tǒng)，分析了介質(zhì)阻擋放電低溫等離子體反應(yīng)器的放電參數(shù)間的關(guān)聯(lián)特性，研究了氣相Hg0的價態(tài)分布及煙氣組分對Hg0氧化的影響規(guī)律。結(jié)果表明:反應(yīng)體系的能量密度與介質(zhì)間放電電壓正向相關(guān);放電過程中產(chǎn)生的O3隨能量密度增大線性增加，當(dāng)氣體溫度高于300℃時，產(chǎn)生的O3能夠完全被分解;輸入能量密度(SED)與Hg0的氧化效率之間存在最佳關(guān)聯(lián)值，在實驗條件下，當(dāng)SED為240J/L時，Hg0氧化效率達(dá)到最大約81％

4、; OHM方法取樣分析得出低溫等離子作用后模擬煙氣中總汞質(zhì)量平衡，主要以氧化汞形式存在;模擬煙氣中O2體積分?jǐn)?shù)提高利于Hg0的氧化，H2O(g)和CO2在無O2時能夠促進(jìn)Hg0的氧化，而在O2存在時，卻對Hg0的氧化起抑制作用，SO2和NO均對Hg0的氧化起抑制作用;低溫等離子作用下HCl對Hg0的氧化具有明顯促進(jìn)作用，當(dāng)模擬煙氣中HCl濃度高于50ppm時，Hg0能被完全氧化。
　　借助基元反應(yīng)和動力學(xué)參數(shù)建立了低溫等離子強(qiáng)化H

5、g0氧化的動力學(xué)模型，研究了低溫等離子氧化Hg0過程中自由基濃度的變化規(guī)律，主要影響因素和關(guān)鍵性反應(yīng)，揭示了Hg0氧化的反應(yīng)歷程和機(jī)理。結(jié)果表明:隨電子平均能量增大，低溫等離子場中電子向高能區(qū)域遷移，有利于煙氣中O2分子解離和自由基的形成;高能電子數(shù)目增加，自由基O濃度增大，Hg0的氧化效率提高，自由基O是Hg0氧化的關(guān)鍵因素;低溫等離子作用下，氣體中O2含量增大有利于自由基O的形成和Hg0的氧化，添加水蒸氣后自由基O濃度快速下降，但水

6、蒸氣含量越大，Hg0的氧化效率反而增加;NO和SO2會導(dǎo)致氣相中自由基O濃度和Hg0的氧化率降低。
　　進(jìn)行了CaCl2耦合低溫等離子強(qiáng)化Hg0氧化的實驗研究，借助程序升溫脫附(TPD)技術(shù)分析了Hg0的主要氧化產(chǎn)物和分布，揭示了CaCl2促進(jìn)低溫等離子體氧化Hg0的機(jī)理。研究結(jié)果表明:CaCl2置于低溫等離子放電區(qū)域時，對低溫等離子氧化Hg0具有明顯促進(jìn)作用，隨輸入能量增大，Hg0的氧化效率不斷提高，當(dāng)輸入能量大于240J/L時

7、，Hg0被完全氧化;模擬煙氣中O2對Hg0的氧化具有重要影響，隨O2濃度提高，Hg0的氧化率不斷增大;而NO和SO2會導(dǎo)致Hg0氧化效率下降，且SO2的影響明顯高于NO，但與單純等離子相比，CaCl2耦合作用下NO和SO2對低溫等離子氧化Hg0的影響明顯減弱;反應(yīng)后CaCl2表面沉積的汞化合物主要為HgCl2、Hg2O和HgO三種，而氣相中僅含有HgO，電離后CaCl2表面Cl元素并無明顯損失或降低。
　　建立了介質(zhì)阻擋放電低溫等

8、離子吸附劑改性實驗裝置，研究了低溫等離子電離改性對活性炭(AC)表面理化特性的影響規(guī)律，并在固定床上對改性AC脫汞性能進(jìn)行評價。結(jié)果表明:低溫等離子電離改性后，AC的比表面積和孔容積略有下降，但其表面酸性含氧官能團(tuán)數(shù)量明顯增多;改性后AC吸附Hg0的性能明顯提高，在改性功率和時間分別為15W和20min時，Hg0的脫除效率達(dá)到最大;Hg0在改性AC表面的吸附主要受外部傳質(zhì)擴(kuò)散和表面化學(xué)吸附控制，低溫等離子改性后AC對Hg0的平衡吸附量q

9、e增大，外部擴(kuò)散和表面化學(xué)吸附過程增強(qiáng)。
　　制備了一種復(fù)合鈣基吸附劑，借助低溫等離子電離改性強(qiáng)化其脫汞脫硫性能，優(yōu)化了吸附劑制備和改性的最佳條件。結(jié)果表明:復(fù)合鈣基吸附劑孔隙結(jié)構(gòu)較為發(fā)達(dá)，其比表面積明顯高于CaO，隨CaO質(zhì)量增加，其比表面積不斷下降，但表面Ca含量增加;復(fù)合鈣基吸附劑表面酸性含氧官能團(tuán)的數(shù)量和種類明顯高于原始AC，且當(dāng)AC與CaO質(zhì)量比為1，水熱時間和溫度分別為1h和70℃時制備的復(fù)合鈣基吸附劑表面含氧官能團(tuán)數(shù)