發(fā)布時(shí)間：2020-10-02 08:27

　　 能源與環(huán)境是制約人類發(fā)展最關(guān)鍵的兩個(gè)問題。以煤為主的能源結(jié)構(gòu)造成了我國大氣污染嚴(yán)重的現(xiàn)狀。煤燃燒除了向大氣中排放顆粒物、SO2以及NOx等常規(guī)污染物外,還可以引起汞污染。由于汞的生物毒性、持久性以及生物累積性,燃煤煙氣中汞的排放及控制近年來受到了極大的關(guān)注。隨著燃煤電廠逐步配備煙氣脫硫(Flue gas desulfurization, FGD)及選擇性催化還原(Selective catalytic reduction, SCR)脫硝系統(tǒng),利用常規(guī)污染物控制設(shè)備實(shí)現(xiàn)汞的高效脫除成為了一種極具競爭力汞排放控制方法。該方法的關(guān)鍵是如何在FGD尤其是濕法FGD前將單質(zhì)汞(Hg0)高效氧化成氧化態(tài)汞(Hg2+)。大量研究表明SCR催化劑可以促進(jìn)汞的氧化。雖然現(xiàn)有的商業(yè)SCR催化劑已在工業(yè)上成功應(yīng)用,但是它們?nèi)源嬖谝恍┤毕?一些新型的催化劑在將來很可能會(huì)替代現(xiàn)有的SCR催化劑。探索性地研究該類催化劑上汞的催化氧化具有重要的科學(xué)意義和實(shí)踐價(jià)值。 本文首先根據(jù)傳統(tǒng)V2O5/TiO2基SCR催化劑比表面積較小的不足,向其中引入SiO2,采用溶膠-凝膠法合成了比表面積高達(dá)250 m2·g-1的SiO2-TiO2-V2O5 (STV)催化劑。在SCR操作溫度下測試了STV催化劑的汞氧化性能。結(jié)果表明：在模擬低階煤煙氣(低HCl濃度)及高空塔氣速等不利條件下,300℃時(shí)STV催化劑上汞的氧化效率仍可高于60%。SCR操作溫度下,STV催化劑上汞的氧化遵循Eley-Rideal機(jī)制。無O2條件下,HCl極大地抑制了汞的物理吸附,有O2條件下,被吸附的HCl轉(zhuǎn)化成為活性C1卻極大地促進(jìn)了汞的氧化；有O2條件下,SO2及NO均能促進(jìn)汞的氧化,但與HCl相比其促進(jìn)作用有限；H2O的存在抑制了汞的氧化與脫除。SCR操作溫度下,STV催化劑仍可以吸附Hg2+,但吸附的Hg2+對(duì)后續(xù)的汞氧化過程基本無影響,催化劑的汞氧化性能可以長時(shí)間保持穩(wěn)定。 由于傳統(tǒng)釩基催化劑在燃煤煙氣汞氧化過程中具有一定的局限性,本文提出了采用低溫鈰基催化劑催化氧化燃煤煙氣中汞的新思路。采用超聲波增強(qiáng)的化學(xué)浸漬法合成了具有不同CeO2/TiO2質(zhì)量比的CeO2-TiO2 (CeTi)催化劑,該催化劑在低溫條件下(150-250℃)具有很高的汞氧化活性,最佳的CeO2/TiO2質(zhì)量比在1-2之間。在模擬低階煤煙氣及60,000 h-1的空塔氣速條件下,200-250℃時(shí)汞的氧化效率仍可高達(dá)90%以上。有O2條件下,僅需SO2及NO就可以實(shí)現(xiàn)汞的高效氧化,含有300 ppm NO及1200 ppm SO2的模擬煙氣中,汞的氧化效率可高達(dá)99.9%。應(yīng)用CeTi催化劑可以使汞氧化擺脫對(duì)HCl的依賴,在無HCl條件下實(shí)現(xiàn)汞的高效氧化,這對(duì)于低階煤煙氣中汞的氧化具有極其重要的意義。 CeTi催化劑具有巨大的儲(chǔ)氧能力,無O2條件下HCl仍能極大地促進(jìn)汞的氧化；無O2條件下SO2抑制了汞的物理吸附從而抑制了汞的進(jìn)一步氧化,但有O2條件下,SO2轉(zhuǎn)化成為SO3等活性物質(zhì),促進(jìn)了汞的氧化；NO在有02及無O2條件下均可促進(jìn)汞的氧化；H20對(duì)汞的氧化起抑制作用,但是相比于其它催化劑,CeTi催化劑的抗H20能力明顯提高。實(shí)驗(yàn)及模擬研究結(jié)果表明,CeTi催化劑上汞的氧化遵循Langmuir-Hinshelwood機(jī)制。200℃時(shí),鈰基催化劑上汞氧化反應(yīng)速率常數(shù)在80-130s-1之間,HCl的吸附平衡常數(shù)在2-3×103 m3·mol-1左右。利用建立的模型及獲得的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù),可以預(yù)測不同催化劑用量,不同HCl濃度條件下汞的氧化效率。這對(duì)CeTi催化劑的工業(yè)應(yīng)用及工程設(shè)計(jì)具有非常重要的指導(dǎo)意義。 最后在CeTi催化劑中引入了MnOx進(jìn)一步強(qiáng)化了CeTi催化劑的汞氧化性能。MnOx與CeO2混合后對(duì)汞的氧化產(chǎn)生了協(xié)同促進(jìn)作用,MnOx-CeO2/TiO2(MnCeTi)催化劑比CeTi催化劑具有更強(qiáng)的汞氧化活性。模擬低階煤煙氣條件下,MnCeTi催化劑上汞的氧化效率高于90%；SCR煙氣條件下,汞的氧化效率略有降低。NH3抑制了Hg0的吸附,消耗了催化劑表面的活性氧,從而抑制了汞的氧化。然而,切斷NH3后催化劑對(duì)汞的氧化能力可以得到迅速、完全的恢復(fù)。因此,MnCeTi催化劑可應(yīng)用于SCR煙氣條件下汞的催化氧化。MnCeTi催化劑上汞的催化氧化同樣遵循Langmuir-Hinshelwood機(jī)理。HCl仍然是引起汞氧化最重要的煙氣組分；SO2及H20抑制了汞的物理吸附從而抑制了汞的進(jìn)一步氧化；NO在無氧條件下抑制了汞的氧化,但有氧條件下其抑制作用不明顯。
【學(xué)位單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2011
【中圖分類】：X511;O643.3
【部分圖文】：

研究背景煤是當(dāng)今中國最重要也是儲(chǔ)量最豐富的化石能源，占中國主要能源供應(yīng)的70%以上[l]。如圖1一1所示，目前中國的煤炭需求量占全世界煤炭需求量的43%左右，且以煤為主的能源結(jié)構(gòu)在未來相當(dāng)長時(shí)期內(nèi)難以改變，預(yù)計(jì)到2035年中國對(duì)煤炭的需求量將達(dá)到全世界的500，012〕。2005年中國的煤炭產(chǎn)量達(dá)到22.3億噸，已躍居世界首位[3]，2010年全國原煤產(chǎn)量約犯億噸，比2005年增長了 1.5倍。我國的絕大部分煤炭產(chǎn)能均在國內(nèi)消費(fèi)

盡管有些情況下WFGD中汞的脫除效率較低，實(shí)際電廠的的測試數(shù)據(jù)表明90%以上的氧化態(tài)汞可以在鈣基濕法脫硫系統(tǒng)中得到脫除127]。實(shí)際燃煤電廠中通常在WFGD上游安裝 ESP等PMCD。如圖1一7所示，ESP與WFGD聯(lián)用時(shí)，汞的脫除效率遠(yuǎn)高于單一ESP的脫汞效率。這說明WFGD具有較強(qiáng)的脫汞能力。WFGD中汞的脫除效率依賴于煙氣中氧化態(tài)汞的比例，氧化態(tài)汞比例越高，汞的脫除效率越高。通常高階煤煙氣中的汞以氧化態(tài)汞為主，而低階煤煙氣中的汞主要以單質(zhì)汞形式存在，提高燃煤煙氣尤其是低階煤煙氣中氧化態(tài)汞的比例是利用WFGD實(shí)現(xiàn)汞高效脫除的關(guān)鍵。

的碳含量等。因此，混煤、添加氧化劑、增加飛灰中未燃炭含量、在煙道中添加專門的汞催化氧化裝置，利用SCR裝置增強(qiáng)汞的氧化等方法均可以增強(qiáng)PMCD及WFGD中汞的脫除[27]。這些方法如圖1一8所示。認(rèn)下GD通力吸扮荊污封崔化考‘乙裝里某下二空銳硫攫圖1一8增強(qiáng)PMCD及WFGD中汞脫除的方法吸附劑噴射吸附劑噴射的典型的應(yīng)用是在PMCD上游煙道中噴入吸附劑，利用吸附劑的吸附能力將氣相汞轉(zhuǎn)化成顆粒態(tài)汞。為了避免噴入活性炭等吸附劑對(duì)飛灰后續(xù)利用的影響，也可以在ESP出口噴入活性炭等吸附劑，然后利用下游的FF將吸附汞后的吸附劑捕獲，即ToxEc0N方法[3’】。影響吸附劑噴射效果的因素主要有噴射方式及速度、煙氣條件(溫度、HCI，503濃度等)、PMcD配置、吸附劑的物理化學(xué)性質(zhì)等。活性炭噴射(ACI)是目前可以商業(yè)應(yīng)用的最主要的汞排放控制方法。通常在PMCD前噴射活性炭可以明顯提高汞的脫除效率。但是在 PleasantPrairie電廠，由于燃燒次煙煤，煤中的氯含量較低，月飛灰中Na、Ca含量很高可以降低煙氣中HCI的含量

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 劉建忠,范海燕,周俊虎,曹欣玉,岑可法;煤粉爐PM_(10)/PM_(2.5)排放規(guī)律的試驗(yàn)研究[J];中國電機(jī)工程學(xué)報(bào);2003年01期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前3條

1 葉群峰;吸收法脫除模擬煙氣中氣態(tài)汞的研究[D];浙江大學(xué);2006年

2 王泉海;煤燃燒過程中汞排放及其控制的實(shí)驗(yàn)及機(jī)理研究[D];華中科技大學(xué);2006年

3 胡長興;燃煤電站汞排放及活性炭穩(wěn)定吸附機(jī)理研究[D];浙江大學(xué);2007年

本文編號(hào)：2832166