燃煤飞灰与烟气汞作用机理的研究

论文摘要

本文首先综述了国内外燃煤烟气汞排放状况、汞的排放控制技术以及汞对环境和人类健康的危害,详细地阐述了实验系统的构成以及原理。本文采用物理方法对三个电厂的燃煤飞灰进行筛分,得到了不同粒径分布的飞灰颗粒,并对电厂1各种飞灰样品进行表征,得到样品的矿物组成、化学元素,表面微观结构、LOI、比表面积等信息。在自行开发的评价飞灰吸附剂实验台上,首先进行了燃煤飞灰吸附烟气汞的影响因素的实验研究,通过研究发现了不同来源的飞灰、温度、停留时间、汞的入口浓度、飞灰的粒径分布、比表面积及改性飞灰对汞的脱除效率有着不同程度的影响。结果表明,改性后的燃煤飞灰对烟气汞的脱除影响明显增大,最高可达到74.34%。其次是不同粒径分布的飞灰对汞形态变化的影响较大,其中D1AS-1燃煤飞灰样品对烟气汞的脱除效率47.17%,同时还发现大颗粒的燃煤飞灰有利于烟气中汞的脱除;但是较小颗粒不一定不利于飞灰吸附气态汞。不同来源的飞灰对烟气汞的捕捉能力各不相同,电厂1飞灰对汞的脱除效率为34.6%。不同的反应温度条件下飞灰对烟气汞的脱除效率的不同,温度越高越有利于飞灰对汞的吸附。在低温情况下,汞的入口浓度值越高越能促进烟气中汞的形态的转化,在入口浓度为10.39μg/m3,燃煤飞灰对烟气汞的脱除效率为34.6%。飞灰在多相流反应器内的停留时间越长,对汞的吸附越有利。比表面积与脱除效率成正比的关系,当飞灰颗粒比表面积较大时,烟气中的单质汞浓度就越低。通过实验发现,燃煤飞灰的残炭量（LOI）随着飞灰粒径的减小而降低,而对烟气汞的脱除效率与粒径大小没有直接的关系。但是在大于50μm燃煤飞灰颗粒脱除效率随着粒径的减小而降低,小于50μm的飞灰颗粒对烟气汞的脱除效率与粒径大小成反比。总体而言,燃煤飞灰样品的残炭量（LOI）与其相应的脱除效率没有密切的关系。无机矿物成分对烟气汞的吸附的影响可能与其中氧化钙（CaO）、氧化铁（Fe2O3）、氧化铝（Al2O3）等活性物质相关。在基本烟气气氛（压缩空气作为平衡气体,CO2的含量为12%,O2的含量为6%）+ HCl或SO2或CO2或O2或NO或NO2或H2O（水蒸汽）条件下,通过实验发现,SO2、HCl、NO以及NO2对飞灰吸附烟气汞形态转化有着较大的促进作用,O2和H2O促进作用较小,CO2有一定的抑制作用;同时在基本气氛+SO2+HCl条件下,SO2对烟气汞转化有着一定的抑制作用;在基本气氛+SO2+HCl+NO条件下,HCl和NO对烟气汞转化的促进作用明显大于SO2的抑制作用。燃煤飞灰在累积沉积状态下对烟气汞的脱除效率最大达到67.34%,在飞行状态下燃煤飞灰捕捉烟气汞的能力较小,仅为21.46%。本文在参考前人和自己实验研究的基础上,建立了燃煤飞灰在飞行过程中吸附汞的简单数学模型,研究了汞在飞灰颗粒表面的吸附平衡过程与动力学过程。结果表明,燃煤飞灰吸附烟气汞的模型更符合二级吸附反应动力学模型。本文还对多相流反应器内的流场、温度场、压力场以及颗粒轨迹进行了数值模拟,同时还采用CHEMKIN软件对烟气与汞的均相及烟气、飞灰和汞的非均相反应进行了数值模拟,得出了燃煤飞灰与烟气汞作用过程中重要反应机理。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 国内外能源与汞排放污染现状
• 1.2 汞污染物控制技术发展趋势
• 1.2.1 燃烧前脱汞
• 1.2.2 燃烧中脱汞
• 1.2.3 燃烧后脱汞
• 1.3 燃煤重金属汞的排放标准
• 1.4 本文研究内容及研究方法
• 第二章 实验系统构成及其原理
• 2.1 实验系统原理
• 2.2 实验系统及其功能
• 2.3 烟气单质汞的在线测量装置
• 2.3.1 主要用途及适用范围：
• 2.3.2 主要参数及注意事项：
• 2.3.3 仪器适用的工作条件
• 2.3.4 基本原理
• 2.3.5 注意事项
• 2.4 本章小结
• 第三章 实验样品的制备及其特性研究
• 3.1 燃煤飞灰的来源及取样
• 3.1.1 飞灰样品的来源
• 3.1.2 实验飞灰的取样
• 3.1.3 电厂煤样工业分析
• 3.1.4 不同电厂不同部分飞灰的粒径分布
• 3.2 实验样品的制备
• 3.2.1 不同粒径飞灰样品的制备
• 3.2.2 各粒径不含LOI 的飞灰样品的制备
• 3.2.3 模拟飞灰制备
• 3.2.4 化学改性燃煤飞灰
• 3.3 燃煤飞灰样品的特性研究
• 3.3.1 微观形貌特征
• 3.3.2 矿物组成
• 3.3.3 化学组成
• 3.3.4 比表面积及孔径分布
• 3.4 本章小结
• 第四章 燃煤飞灰与烟气汞作用机理的实验研究
• 4.1 实验准备
• 4.1.1 主要试剂与用品
• 4.1.2 化学药品的配置
• 4.1.3 主要的实验步骤
• 4.2 试验方法
• 4.3 燃煤飞灰吸附汞的影响因素的实验研究
• 4.3.1 不同来源的飞灰对烟气中汞形态的影响
• 4.3.2 温度对飞灰吸附烟气汞的影响
• 4.3.3 停留时间对飞灰吸附烟气汞的影响
• 4.3.4 汞的入口浓度对飞灰吸附汞的影响
• 4.3.5 燃煤飞灰粒径分布对烟气汞形态转化的影响
• 4.3.6 比表面积对燃煤飞灰吸附汞的影响
• 4.3.7 改性飞灰对燃煤飞灰吸附汞的影响
• 4.4 飞灰的化学组成对汞形态转化的影响
• 4.4.1 LOI 对飞灰吸附烟气汞的影响
• 4.4.2 无机矿物组分对烟气汞的影响
• 4.5 烟气成分对飞灰吸附烟气汞的影响
• 2 对飞灰吸附汞的影响'>4.5.1 CO₂对飞灰吸附汞的影响
• 2对飞灰吸附汞的影响'>4.5.2 O₂对飞灰吸附汞的影响
• 2 对飞灰吸附汞的影响'>4.5.3 SO₂对飞灰吸附汞的影响
• 4.5.4 HCl 对飞灰吸附汞的影响
• 2 对飞灰吸附汞的影响'>4.5.5 NO₂对飞灰吸附汞的影响
• 4.5.6 NO 对飞灰吸附汞的影响
• 2O 对飞灰吸附汞的影响'>4.5.7 H₂O 对飞灰吸附汞的影响
• 4.5.8 两种或多种气氛条件对飞灰吸附汞的影响
• 4.6 燃煤飞灰的飞行、累积及沉积对烟气汞的脱除的影响
• 4.7 本章小结
• 第五章 燃煤飞灰吸附烟气汞的动力学及数值模拟研究
• 5.1 吸附理论
• 5.2 燃煤飞灰吸附汞的数学模型
• 5.2.1 等温吸附模型
• 5.2.2 吸附动力学模型
• 5.3 多功能反应器流场的数值模拟
• 5.3.1 计算区域的划分
• 5.3.2 计算结果与分析
• 5.4 燃煤飞灰与烟气汞作用机理的数值模拟
• 5.4.1 烟气成分与燃煤烟气汞的反应机理
• 5.4.2 烟气成分与汞均相反应模拟
• 5.4.3 烟气成分、飞灰与汞非均相反应模拟
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结
• 6.1 本文研究结论
• 6.2 创新点
• 6.3 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果
• 研究生期间的获奖情况