模拟烟气低温等离子体汞氧化及耦合钙基吸附剂脱汞研究

摘要

煤炭燃烧是粉尘、NOx、SO2等大气污染物的最大污染源，也是大气中人为汞排放的最主要来源。我国煤炭生产和消费量位居世界第一，燃煤汞排放更为严重，随着环保标准日益提高，燃煤汞排放控制日趋严格，燃煤烟气脱汞已经势在必行。燃煤过程烟气汞的排放主要有气态单质汞(Hg0)，颗粒吸附态汞(HgP)和气态氧化态汞（Hg2+）三种形态，其中Hg0具有极强的挥发性和难溶性，难以脱除，且在烟气中占有较大比例，导致燃煤烟气总汞的脱除效率降低。如何将Hg0转化为易脱除的Hg2+和Hg(p)是提高燃煤烟气脱汞效率的前提和研究重点。
　　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，被国内外学者认为是最具发展和应用潜力的Hg0氧化技术之一。钙基吸附剂储量丰富，价格低廉，且广泛应用于燃煤电厂烟气中脱硫剂。因此，本文提出采用低温等离子体汞氧化并耦合钙基吸附剂脱除燃煤烟气中的汞，为进一步实现燃煤烟气多种污染物联合脱除提供研究基础。
　　首先采用介质阻挡放电低温等离子体(Dielectric Barrier Discharge Non-ThermalPlasma，DBD-NTP)研究输入能量以及烟气组分对单质汞氧化过程的影响规律，探究模拟烟气条件下低温等离子体汞氧化的过程机制。结果表明，N2/O2/Hg0模拟烟气气氛下NTP单质汞氧化过程中的输入能量存在最佳值，当输入能量为240J/L时，Hg0氧化效率可达81％左右。利用OHM方法取样分析得出NTP作用后模拟烟气中汞质量平衡，获得NTP作用后气相汞形态分布，在输入能量为240J/L条件下氧化态汞的比例达75％以上。NTP作用下O2产生的O3以及O自由基是与Hg0反应的主要氧化剂，其含量增加促进单质汞的氧化效率提高;CO2部分离解产生O自由基利于Hg0氧化，但是CO2含量继续增加，NTP体系的还原性大大增强，不利于Hg0的氧化反应;H2O离解产生OH自由基，能够有效氧化Hg0，但形成的汞的氢氧化物状态不稳定，极易分解，因此其氧化效率较为有限。在N2/O2/CO2/H2O/Hg0复杂气氛下，OH自由基会与O3、O自由基发生竞争反应，从而抑制Hg0的氧化。NTP能够离解NO和SO2产生O自由基，并与Hg0发生氧化反应，但是相比Hg0，未分解的NO、SO2与O自由基发生竞争反应，抑制Hg0的氧化效率。复杂烟气气氛下，由于NO与活性自由基的反应速率较大，因此NO对O3以及O自由基氧化Hg0反应影响较大;由于SO2与活性自由基的反应速率较低，其对于Hg0氧化过程的影响相对较小。
　　其次本文采用介质阻挡放电低温等离子体(DBD-NTP)耦合钙基吸附剂脱除模拟烟气中单质汞，研究钙基吸附剂种类及耦合方式、输入能量以及O2浓度对单质汞氧化脱除的影响规律。通过对吸附后的钙基吸附剂进行升温热解脱附以及X射线能谱分析，探讨N2/O2气氛下低温等离子体中间耦合钙基吸附剂汞氧化脱除过程的机制。结果表明，单纯CaO和CaCl2对单质汞的物理吸附效果很差，但是能够有效吸附经NTP氧化后形成的汞化合物，并且CaCl2相比CaO对氧化态汞的吸附性能更强。采用DBD-NTP耦合钙基吸附剂氧化脱汞方式效果更为优越，当输入能量为120J/L时，DBD-NTP耦合CaCl2方式下Hg0的脱除效率数分钟内接近100％，并且能够保持较长稳定时间。在DBD-NTP耦合钙基吸附剂氧化脱汞过程中，除了发生气相氧化反应外，已形成的汞氧化物通过提供一定的活性位，可发生表面诱导反应进一步强化Hg0的氧化及吸附。此外，当钙基吸附剂为CaCl2时，NTP还能够激发Cl元素参与到Hg0的氧化过程，进一步提高Hg0的脱除效率。通过对吸附后的钙基吸附剂采取升温热解脱附实验以及X射线能谱分析，推测CaO吸附剂上吸附的汞化合物产物形态主要为Hg2O、HgO3以及HgO混合物，而CaCl2吸附剂上吸附的汞化合物产物形态主要为HgCl2、Hg2O、HgO3以及HgO混合物。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景

1．1．1 我国能源的利用现状

1．1．2 燃煤汞污染

1．2 燃煤汞排放控制技术

1．3 低温等离子体技术

1．3．1 低温等离子体概述

1．3．2 介质阻挡放电基本理论

1．3．2 低温等离子体烟气脱汞技术研究现状

1．4 本文研究内容

1．5 本章小结

参考文献

第二章 实验装置与方法

2．1 引言

2．2 低温等离子体汞氧化实验装置

2．2．1 气体发生装置

2．2．2 低温等离子体反应装置

2．2．3 汞浓度测量装置

2．2．4 气体处理装置

2．3 实验仪器

2．3．1 VM3000

2．3．2 EMP-2

2．3．3 TEKWAY数字示波器

2．4 定义参数

2．4．1 输入能量密度

2．4．2 脱汞性能评价

2．5 本章小结

参考文献

第三章 低温等离子体汞氧化实验研究

3．1 引言

3．2 输入能量对低温等离子体汞氧化的影响

3．3 汞质量平衡

3．4 烟气组分对低温等离子体汞氧化的影响

3．4．1 O2浓度对单质汞氧化的影响

3．4．2 CO2浓度对单质汞氧化的影响

3．4．3 水蒸气含量对单质汞氧化的影响

3．4．4 SO2浓度对单质汞氧化的影响

3．4．5 NO浓度对单质汞氧化的影响

3．5 本章小结

参考文献

第四章 低温等离子体耦合钙基吸附剂脱汞实验研究

4．1 引言

4．2 钙基吸附剂种类及耦合方式对脱汞的影响

4．3 输入能量对低温等离子体耦合钙基吸附剂脱汞的影响

4．4 O2对低温等离子体耦合钙基吸附剂脱汞的影响

4．5 低温等离子体耦合钙基吸附剂脱汞机理分析

4．5．1 程序升温热解脱附实验

4．5．2 X射线能谱分析

4．6 本章小结

参考文献

第五章 总结及展望

5．1 全文总结

5．1．1 低温等离子体单质汞氧化特性

5．1．2 低温等离子体耦合钙基吸附剂汞氧化脱除特性

5．2 展望

作者简介，攻读硕士期间的学术成果

致谢