活性炭在袋式除尘器内脱除元素汞的实验研究与数值模拟

摘要

汞是煤中存在的微量元素之一,在煤燃烧过程中随着烟气排放到自然环境中。汞污染物具有生理毒性,能在生物体内以及食物链中累积,所以人们对汞污染控制的关注程度越来越高。我国目前的能源结构是以煤为主,由于燃煤所引发的汞污染已成为主要的环境问题之一,政府相关部门及研究学者正在积极开展汞污染控制的研究工作。依托国家高技术研究发展计划项目(863计划)“基于干法联合脱除难捕集燃煤可吸入颗粒物及重金属关键技术研究”(编号:2008AA05Z305),利用同时脱除燃煤烟气中可吸入颗粒物及元素汞的装置,对活性炭在除尘器中吸附脱除烟气中的元素汞展开研究。分析了我国煤消费以及煤中汞含量的基本情况,阐述了煤在燃烧全过程中,汞形态的迁移及转化。结合活性炭喷射控制烟气汞排放技术,着重对汞在吸附反应器和袋式除尘器中去除的影响因素进行了实验研究,同时分析了除尘器中粉尘层对汞脱除的影响。结合实验研究,提出了袋式除尘器空间活性炭汞吸附模型。通过浸渍和烧结的方法制备了负载氧化锰的活性炭纤维,并利用先进的材料表征技术进行了表征,在固定床中研究了其对元素汞的吸附去除能力,初步分析了其脱除元素汞的机理。利用并流吸附反应器,以活性炭为吸附剂,进行了脱汞实验研究。结果表明:活性炭对元素汞的脱除效率随着吸附反应温度的升高而降低,吸附反应温度越高,元素汞的脱除效率越低。当温度为80℃、120℃和150℃时,活性炭对元素汞的脱除率的分别为46.3％、44.0%和40.0%;汞脱除率随着碳汞比的增大而增大;当碳汞比为4000、6000和8000的条件下,并流吸附反应器脱汞效率分别达到31.3%、34.7%和40.0%。以活性炭为吸附剂,在袋式除尘器中考察了对元素汞的吸附脱除特性。研究中把除尘器中活性炭对元素汞的脱除作用分成两部分,分别是除尘器空间和粉尘层,并着重研究分析了滤袋上粉尘层的存在对脱汞效率的影响。结果表明:随着碳汞比的增加,脱汞效率明显提高。当碳汞比为4000、6000和8000时,除尘器中汞的脱除效率分别为30.4%、34.6%和40.3%,粉尘层对汞的脱除效率分别为3.65%、3.20%、3.66%。在除尘器中元素汞的脱除,其中除尘器空间作出了主要贡献,粉尘层只起了很小一部分作用,并且碳汞比的变化对粉尘层吸附元素汞的影响很小。可以利用袋式除尘器作为活性炭的吸附反应场所,强化对元素汞的吸附去除,从而减少燃煤烟气中汞的排放。在并流吸附反应器和袋式除尘器中,利用活性炭吸附元素汞研究的基础上,建立了袋式除尘器空间活性炭汞吸附模型。利用所建立的模型,讨论了元素汞初始浓度、气布比、温度、碳汞比和颗粒粒径对脱汞效率的影响。模型的建立对利用活性炭喷射技术,控制烟气汞排放的实验研究和工程工艺优化提供了建议。利用浸渍烧结的方法,制备了负载氧化锰的活性炭纤维(activated carbon fiber，ACF),对负载后材料用TEM、XRD、XPS和FTIR进行了表征,结果表明氧化锰在ACF表面分散良好,颗粒粒径在50nm左右。ACF表面氧化锰的形式为MnO和MnO2。负载后的ACF表面C-OH、C=O、COOH的含量增加。利用负载后材料进行了吸附元素汞的实验,研究结果表明:负载后的ACF吸附汞的穿透时间大大延长。浸渍液浓度对氧化锰的负载量有明显影响,锰负载量为6.7at.%,对汞的去除效率最佳。在150℃时,负载氧化锰后的ACF对元素汞表现出良好的吸附性能。研究表明活性炭在袋式除尘器中对元素汞的吸附为物理吸附,所建立的吸附模型可以预测操作参数对活性炭吸附元素汞的影响。制备的负载氧化锰的活性炭纤维新型过滤材料对元素汞的吸附为化学吸附,促进了对元素汞的吸附去除。本研究对利用袋式除尘器对烟气中元素汞的去除具有工程指导意义。

目录

摘要

ABSTRACT

目录

第一章 课题背景

1.1 背景

1.2 汞排放研究现状

1.2.1 全球汞排放现状

1.2.2 我国汞排放现状

1.3 国内外汞控制技术研究现状

1.3.1 美国等发达国家的研究

1.3.2 国内的研究

1.4 活性炭吸附汞数学模型的研究进展

1.5 本文研究的目的及技术路线

第二章 煤燃烧全过程汞的形态分析

2.1 用煤的现状分析

2.2 汞在煤中的含量

2.3 煤中汞的赋存形态

2.4 烟气中汞的形态

2.5 现有除尘、脱硫、脱硝装置对汞排放的影响

2.6 本章小结

第三章 并流吸附反应器脱除元素汞的特性研究

3.1 联合脱除系统装置

3.2 实验材料及方法

3.3 实验结果与讨论

3.3.1 联合脱除实验系统可靠性检验

3.3.2 两种吸附反应器元素汞脱除能力比较

3.3.3 吸附反应温度的影响

3.3.4 初始浓度的影响

3.3.5 停留时间的影响

3.3.6 碳汞比的影响

3.3.7 反应器管壁效应

3.4 本章小结

第四章 活性炭在袋式除尘器中脱除元素汞的特性研究

4.1 实验材料与方法

4.2 实验结果与讨论

4.2.1 碳汞比的影响

4.2.2 气布比的影响

4.2.3 管壁效应

4.2.4 粉尘层的脱汞能力

4.2.5 系统联合脱汞能力

4.2.6 粉尘层脱汞能力分析

4.3 本章小结

第五章 除尘器空间活性炭吸附汞数学模型

5.1 吸附理论

5.1.1 吸附过程分析

5.1.2 吸附等温线

5.2 袋式除尘器空间汞吸附数学模型的建立

5.2.1 模型假设

5.2.2 根据质量平衡建立模型方程

5.2.3 活性炭汞吸附传质过程分析

5.3 传质系数K_F的确定

5.4 模型的计算

5.5 结果与讨论

5.5.1 模型的验证

5.5.2 操作参数的影响

5.6 本章小结

第六章 新型滤材的制备及应用研究

6.1 实验材料与步骤

6.1.1 实验材料

6.1.2 实验步骤

6.2 结构表征

6.2.1 TEM

6.2.2 XRD

6.2.3 XPS

6.2.4 FTIR

6.3 元素汞吸附脱除实验

6.3.1 固定床实验系统可靠性检验

6.3.2 ACF负载锰前后汞吸附能力对比

6.3.3 浸渍液浓度对ACF-Mn吸附性能的影响

6.3.4 温度对ACF-Mn吸附能力的影响

6.3.5 初始汞浓度的影响

6.3.6 ACF-Mn的脱汞机理分析

6.4 本章小结

第七章 全文总结及展望

7.1 主要研究成果

7.2 创新点

7.3 展望

参考文献

攻读博士学位期间的主要成果

致谢