模擬煤氣條件下金屬氧化物吸附脫除單質(zhì)汞的機(jī)理研究.pdf

1、發(fā)展以煤氣化為基礎(chǔ)的先進(jìn)能源轉(zhuǎn)化技術(shù)是實(shí)現(xiàn)煤炭潔凈高效利用的主要途徑之一。在煤氣化過(guò)程中，絕大部分的汞以氣態(tài)單質(zhì)汞的形態(tài)從煤中釋放出來(lái)，由于汞具有毒性、持久性、生物累積性和長(zhǎng)程傳輸性等特點(diǎn)，會(huì)對(duì)人體健康和生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重的危害。因此，實(shí)現(xiàn)煤氣中重金屬污染物汞的高效、經(jīng)濟(jì)脫除是發(fā)展先進(jìn)高效煤轉(zhuǎn)化利用技術(shù)急需解決的問(wèn)題之一。氣化煤氣由于含有H2，CO等還原性氣體，屬于強(qiáng)還原性氣氛，實(shí)現(xiàn)汞的催化氧化變得非常困難，且由于工藝要求煤氣汞脫除處于較

2、高的溫度環(huán)境，難以依靠現(xiàn)有的污染物控制技術(shù)對(duì)其實(shí)現(xiàn)高效脫除。目前關(guān)于煤氣中單質(zhì)汞的脫除仍處在初始研究階段，已經(jīng)開(kāi)發(fā)的煤氣汞吸附劑仍存在效率不高，溫度窗口較窄等缺陷。探索性地開(kāi)展煤氣中單質(zhì)汞的吸附機(jī)理研究，對(duì)先進(jìn)煤轉(zhuǎn)化技術(shù)的發(fā)展以及環(huán)境保護(hù)具有重大的科學(xué)意義。
　　本文利用還原性氣氛下汞的脫除在有氧協(xié)助的條件下效率大大提高的特點(diǎn)，提出了采用具有強(qiáng)大儲(chǔ)氧能力的鈰基吸附劑脫除煤氣中汞的新思路。在固定床實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上研究了CeTi吸附劑對(duì)模擬

3、煤氣氣氛中汞的吸附脫除機(jī)理。結(jié)果表明，CeTi吸附劑可以有效地脫除煤氣中的單質(zhì)汞。在模擬還原性氣氛及120，000 h-1的空塔氣速條件下，150℃時(shí)汞的脫除效率可以維持在80％以上;H2S與HCl是促進(jìn)汞脫除最主要的煤氣組分，H2與CO對(duì)汞的脫除沒(méi)有明顯的影響，NH3消耗了吸附劑表面化學(xué)吸附態(tài)的氧，因此極大地抑制了汞的脫除;H2S與HCl共存時(shí)，彼此削弱對(duì)方對(duì)汞脫除的促進(jìn)作用。實(shí)驗(yàn)及密度泛函理論模擬計(jì)算結(jié)果表明:在H2S存在條件下（無(wú)

4、HCl），汞在CeTi吸附劑表面的吸附遵循Eley-Rideal機(jī)制，即H2S首先被催化氧化為吸附態(tài)的硫(Sad)，接著與氣相Hg0發(fā)生反應(yīng)生成HgS，將Hg0捕獲。CeTi吸附劑在低溫缺氧環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了單質(zhì)汞的高效脫除，對(duì)于還原性氣氛下汞的脫除具有極其重要的意義。
　　然后根據(jù)Hg能與貴金屬形成合金的特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了適合于高溫條件下除汞的高效貴金屬Pd基吸附劑。測(cè)試結(jié)果表明，Pd/Al2O3吸附劑在高溫條件下(200-270℃)具有很

5、強(qiáng)的汞脫除能力。在模擬還原性氣氛及120，000 h-1的空塔氣速條件下，8Pd/Al2O3吸附劑在200-270℃溫度范圍內(nèi)的汞脫除效率可以保持在90％以上，Pd-Hg合金的生成是Pd/Al2O3吸附劑在高溫條件下具有高脫汞活性的主要原因;H2與CO還原了PdO，使金屬Pd獲得了補(bǔ)充，從而促進(jìn)了汞的脫除;H2S消耗了吸附劑表面的金屬Pd，造成汞脫除效率的降低，H2的存在可以極大的緩解H2S對(duì)汞脫除的抑制作用。由于催化氧化作用，HCl的

6、存在也有利于汞的脫除，然而其對(duì)汞脫除的促進(jìn)作用有限。
　　接著利用氧化鈰在高溫條件下能與H2S快速反應(yīng)的特點(diǎn)，在Pd/Al2O3吸附劑中引入了CeO2，合成了具有更強(qiáng)抗硫能力的PCxA吸附劑。由于H2S能被PCxA吸附劑上的CeO2組分捕獲，因此，CeO2的引入在一定程度上緩解了S對(duì)Pd的中毒作用，增強(qiáng)了吸附劑的抗硫能力。PC1.0A吸附劑本身較強(qiáng)的脫硫能力是其具有高脫汞活性的主要原因。由于具有一定的H2S脫除能力，因此該吸附劑有

7、望實(shí)現(xiàn)高溫條件下H2S和Hg聯(lián)合脫除。
　　最后，采用熱脫附再生方法，考察了低溫CeTi汞吸附劑與高溫Pd/Al2O3、PCxA汞吸附劑上汞的析出規(guī)律以及吸附劑其多次循環(huán)再生后的脫汞性能，發(fā)現(xiàn)CeTi吸附劑上溢出的汞主要以單質(zhì)汞的形態(tài)存在;CeTi吸附劑表現(xiàn)出了優(yōu)良的再生性能。經(jīng)過(guò)5次再生循環(huán)后，CeTi吸附劑仍然可以達(dá)到甚至超過(guò)新鮮吸附劑的脫汞性能。PCxA與Pd/Al2O3吸附劑再生循環(huán)后的脫汞性能類(lèi)似，在400℃條件下加熱再