燃煤电站汞排放环境影响与TAC对烟气零价汞的吸附机理研究

摘要

汞污染是全球关注的环境问题之一.我国煤炭消耗量巨大，由此引发的燃煤汞排放污染问题日益突出，人们对燃煤汞的排放规律和抑制机理的探索与认识却较少.积极开展燃煤汞排放特性、迁徙转移规律及汞污染防治技术等相关研究，对减少燃煤烟气汞排放及其周边环境影响等具有重要意义。本文针对燃煤汞排放周边影响及汞吸附机制等问题，围绕燃煤电站烟气汞采样分析、汞排放的周边环境影响、活性炭控制烟气汞吸附机理以及NOx、汞污染物协同控制等四个方面开展了深入的研究。
　　 首先，依据燃煤电站的烟气汞特性和干吸附测汞法基本原理，自行设计建立了一套便捷的干吸附形态汞取样测试系统(Flue gas mercury speciation system，FMSS)，并与OH、CEM等常规取样测试方法一起对国内3个典型燃煤电站进行了汞排放的对比测试。结果表明，所测燃煤烟气汞浓度介于2.8-14.3μg/m3之间，三种测试方法对同一采样点的总汞测试偏差仅6.7％，在SO2浓度高达1248ppm时，FMSS测得的结果仍可满足70％-130％的锅炉汞平衡要求，这为适合国情的燃煤电站烟气形态汞的便捷取样测试方法建立打下基础。
　　 其次，采用基于汞排放源数据以及气象、地理条件的模型计算，结合周边环境介质的采样分析，应用地统计学的方法系统研究了(-)2×125MW燃煤电站烟气汞排放的迁徙转移规律及其对局域环境的影响。结果表明周边表层土壤汞含量介于0.045-0.529 mg/kg之间，均值0.180 mg/kg，与当地土壤背景汞含量相比增加了2.3％;在半径7km的采样区域内，电站周边地表大气中汞的浓度范围为4.3-12.4 ng/m3，均值7.0 ng/m3，略高于当地背景值(6.7 ng/m3);在高斯扩散与干湿沉降的共同作用下，地表大气汞浓度随着与电站距离的增加总体上呈驼峰形递减的分布规律。
　　 再者，本文进行了基于表面汞形态分析的活性炭吸汞机理研究。采用惰性气氛下高温脱附的方法制备高温脱附活性炭（heat-treated activated carbon，TAC），以消除表面化学官能团与烟气组分的交互影响，在模拟烟气实验台上开展不同烟气组分下TAC对Hg0的吸附实验，并利用XPS、XAFS等先进测试手段对吸汞产物中汞的赋存状态和配位情况进行分析研究.结果表明，TAC对Hg0的吸附并非简单的物理吸附;酸性气体组分下Hg0在TAC上的吸附主要遵循Eley-Rideal反应机理，酸性气体组分在TAC活性反应位上的反应和吸附为氧化吸附Hg0提供了所需的酸性反应基团，TAC则起促进酸性反应基团生成以及汞氧化的催化作用;在本文实验条件下，N2气氛中单一组分HCl、NO2或NO的添加均可使TAC氧化吸附Hg0的效率高达50％以上，而SO2仅约20％;酸性气体组分下，O2对TAC氧化吸附Hg0具有一定的协同促进作用;与其它酸性气体组分同时存在时，SO2可通过竞争吸附TAC表面活性位的方式降低TAC对Hg0的吸附性能，且这种现象在H2O存在时更为明显。
　　 最后，围绕NOx、汞两种燃煤污染物的协同控制展开了实验研究。在空速8000 h-1、烟温80-100℃的实验条件下，活性炭拥有良好的NOx吸附性能，且饱和吸附后，在O2含量低至4％时，活性炭在高效脱汞同时催化氧化NO的效率仍可达55％。基于以上研究结果，本文提出了一种利用活性炭实现对燃煤烟气NOx和汞协同脱除的可行技术途径。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 汞的环境化学及危害

1．3 燃煤汞排放情况

1．4 燃煤汞排放环境影响与控制技术研究现状

1．4．1 电站汞排放测试技术研究

1．4．2 电站汞排放周边环境影响研究

1．4．3 汞脱除技术发展现状

1．5 本文的研究内容及其意义

2 干吸附形态汞取样测试系统建立与燃煤电站汞排放测试

2．1 引言

2．2 干吸附形态汞取样测试系统(FMSS)建立

2．2．1 烟气汞的干吸附取样测试方法与发展

2．2．2 FMSS的建立与制作

2．3 常规燃煤烟气测汞法及相关采样分析仪器

2．3．1 OH法与KNJ M5等速烟气采样仪

2．3．2 MA-2000自动测汞仪

2．3．3 DM-6B／MS-1A在线烟气测汞仪

2．3．4 烟气成分分析仪

2．4 燃煤电站汞排放测试与 FMSS 评估

2．4．1 取样测试过程

2．4．2 对象燃煤电站与取样测试工况

2．4．3 取样测试结果的波动属性

2．4．4 FMSS评估

2．5 燃煤电站汞排放与烟气净化设备影响

2．6 本章小结

3 燃煤电站汞排放的局域环境影响

3．1 引言

3．2 对象燃煤电站及其烟气汞排放

3．3 烟气汞的扩散与沉降模型计算

3．4 环境介质的采样分析

3．4．1 土壤样品的采集与处理

3．4．2 地表大气样品的采集

3．4．3 样品分析结果及其数据处理

3．5 烟气汞的迁徙转移规律与局域环境影响

3．5．1 实测地表大气汞浓度分布与模型计算结果的比较

3．5．2 地表大气汞浓度的分布特性与烟气汞的迁徙转移

3．5．3 大气汞浓度风险评估

3．5．4 表层土壤汞含量的分布特性

3．5．5 地表大气汞浓度与土壤汞含量的相关性分析

3．5．6 土壤汞含量风险评估

3．6 本章小结

4 TAC对烟气零价汞的吸附行为与机理研究

4．1 引言

4．2 吸附剂的表征方法与相关仪器

4．2．1 物理／化学吸附分析仪

4．2．2 扫描电镜(SEM)

4．2．3 X射线光电子能谱(XPS)

4．2．4 X射线吸收精细结构谱(XAFS)

4．3 TAC的制备及表征

4．3．1 活性炭的选择与制备

4．3．2 TAC的表征

4．4 TAC吸附烟气汞实验系统

4．4．1 模拟烟气吸附试验装置

4．4．2 试验条件

4．4．3 试验方法

4．5 烟气组分对TAC吸汞行为的影响及其作用机理

4．5．1 N2及基本烟气组分下TAC对Hg0的吸附

4．5．2 HCl对TAC吸汞行为的影响及其机理

4．5．3 NO2对TAC吸汞行为的影响及其机理

4．5．4 NO对TAC吸汞行为的影响及其机理

4．5．5 SO2对TAC吸汞行为的影响及其机理

4．5．6 多酸性气体组分对TAC吸附Hg0的综合影响

4．5．7 H2O对TAC吸附Hg0的影响

4．6 本章小结

5 活性炭协同脱除NOx与汞研究

5．1 引言

5．2 实验装置

5．3 实验条件

5．4 活性炭协同脱除NOx和汞的实验研究

5．4．1 温度对吸附行为的影响

5．4．2 空速对吸附行为的影响

5．4．3 O2含量对吸附行为的影响

5．5 活性炭协同脱除NOx和汞的工艺方案

5．6 本章小结

6 全文总结与展望

6．1 全文总结

6．2 本文研究创新之处

6．3 研究展望

参考文献

作者简历