等离子体诱导制备活性基团表层富集吸附剂及其烟气脱汞性能

The chemical-impregnated sorbent injection is an efficient way to control mercury emission from coal-fired power plant. However, the active components in the inner layer of the sorbent has no chance to react with mercury due to the high inner diffusion resistance and short residence time during the injection process. Based on this principle, the applicant proposes a novel sorbent synthesis process. The high reactive functional groups are concentrated on the outer layer of sorbents by dissociating gaseous halogen or sulfur containing gas chemical. The sorbent cost was save by reducing the chemical usage. This proposal is going to study the following aspects: 1)plasma chemistry of halogen/sulfur containing chemicals; 2) Interaction between the active species in plasma and sorbent surface; 3) The effects of the new-born reactive functional groups on the native mechanism of mercury adsorption and the assessment of sorbent performance; The optimization of sorbent synthesis process and it's combination to the injection system. Through this study, we will elucidate the mechanism of mercury adsorption on the novel sorbent, proving the fundamentals of how to make a cost-effective sorbent for coal-fired flue gas mercury control and it's injection system design.

化学改性吸附剂喷射是控制燃煤烟气汞排放的有效手段。然而烟道喷射时，颗粒内活性组分均匀分布的化学改性吸附剂受内扩散阻力和停留时间短的影响，内层活性组分未得到有效利用。基于此，申请者提出利用低温等离子体诱导含卤含硫前驱体在吸附剂表层生成高汞反应活性基团，增加反应活性，减少内扩散阻力的影响，提高吸附性能同时降低化学物质用量，从而降低吸附剂成本。本申请围绕前驱体的等离子体化学；等离子体中活性粒子与吸附剂表面的相互作用规律；等离子体作用下吸附剂上新生活性基团对汞吸附反应本质机理的影响及吸附剂性能评价；吸附剂制备与喷射耦合集成等方面开展应用基础及开发研究，揭示新型吸附剂汞吸附机理及调控规律，为利用低温等离子体将活性基团富集于吸附剂表层制备廉价高效燃煤烟气喷射脱汞吸附剂和相应的喷射系统设计提供理论指导。

首先研究了低温等离子体加载氧元素于活性炭表面提高汞的吸附效率机理。本阶段在固定床进行了汞吸附试验，探究了不同方法处理的活性炭对汞的吸附效率的影响。并通过程序升温脱附实验探究了吸附效率不同的原因。实验结果显示活性炭表面的含氧官能团和表面积促进汞的吸附和氧化，活性炭的表面积是在30-130℃内通过物理吸附提高汞脱除效率，而活性炭表面的含氧官能团主要是在130-210℃通过化学吸附提高汞脱除效率。 . 然后探究了低温等离子体加载Cl元素和S元素在活性炭表面对其脱汞性能的影响。本阶段探究了Cl2、H2S浓度、处理时间、吸附温度对载Cl活性炭脱汞性能的影响，进一步解释了载Cl、载S活性炭对汞的吸附机理。实验结果显示低温等离子体技术可以在短时间内将Cl和单质S负载于活性炭表面，并且Cl2和H2S浓度越高，汞脱除效率越高。通过程序升温脱附实验和表征结果发现载Cl活性炭脱汞的机理是低温等离子体处理使Cl2分子转化为高活性的Cl原子或Cl等离子体，它们与C原子形成C-Cl键存在于活性炭表面，并与Hg0反应形成HgCl2。载S活性炭脱汞的机理是H2S在低温等离子体作用下在活性炭表面生成H2和单质S，单质S与Hg0反应生成HgS。. 最后探究了低温等离子体处理FeMnOx吸附剂和Fe-Ce氧化物增强其吸附汞的性能和再生性能。本阶段先采共沉淀法合成FeMnOx和Fe-Ce氧化物，并探究了等离子体处理时间对汞脱除性能的影响。并通过程序升温脱附和表征分析发现FeMnOx吸附剂脱汞的原因是低温等离子体处理FeMnOx增加了高价锰氧化物和晶格氧的含量，晶格氧是源于高价锰氧化物的还原过程（MnO2 -- Mn2O3 --MnO），且在汞的吸附中起着氧化剂的作用。Fe-Ce氧化物脱汞的机理是低温等离子体处理Fe-Ce氧化物使Ce4+和晶格氧的含量增加，Ce4+和晶格氧对Hg0具有氧化作用，使得汞脱除效率增加。