燃煤污染物控制及资源化过程表界面介尺度行为及调控机制

The annual coal consumption in China has increased rapidly from 1.35 billion tons to 3.45 billion tons in the decade from 2001 to 2011, and the coal will be consumed at least 150 billion tons until 2050 as the relevant prediction showed. The emission of coal-fired pollutants has become a bottleneck of the sustainable development and ecological civilization construction. Therefore, the development of high efficiency technology, with low-energy and material consumptions, together with pollutants utilization will be pivotal demand in China. According to the guidelines, three typical coal-fired pollutants control technologies are analyzed in this application: the resources recycling technology based on adsorption and conversion process, the dry-flue gas purification technology based on the gas-solid reaction process and the wet-flue gas purification technology based on the gas-liquid reaction process. The multi-scale space-time structure in the coal-fired pollutants control and resource utilization technologies was extracted, and three mesoscale issues with defined features have been put forward for “the relationship between Medium scale structure/ behavior at interface and reaction- diffusion process”(1) Mechanisms of “SO3/H2SO4 migration and control in activated coke interior, (2) Oriented growth mechanisms of the rough product layers on Ca-based sorbents surface, (3) Formation mechanisms of mesoscale structure on gas-liquid interface in the heat and momentum transfer process. It is expected to lay the theoretical foundation for developing the innovative coal-fired pollutants control technologies.

近十年，我国燃煤年消费量迅猛增长。据预测，到2050年中国至少还将消耗燃煤1500亿吨。燃煤污染物排放已成为制约我国可持续发展的瓶颈。发展低能耗、低物耗、高效率并致力于污染物资源化利用的新工艺符合国家重大需求。本申请根据指南要求，分析三类典型燃煤污染物控制工艺：基于吸附转化过程的可资源化工艺；基于气固反应过程的干法烟气净化工艺；基于气液反应过程的湿法烟气净化工艺，抽提了燃煤污染控制及资源化利用过程中的多尺度时空结构，针对“表界面介尺度结构/行为与反应-扩散过程的相互关系”，分别提出了三个具有明确介尺度特征的介尺度问题作为研究对象：（1）纳孔碳材料纳米空间内介尺度行为形成机理；（2）钙基吸收剂硫化过程气固表界面介尺度结构形成机制；（3）热量与动量传递过程气液表界面介尺度结构形成机制及稳定性。可望为创新燃煤污染控制工艺奠定理论基础。

燃煤污染物排放是制约我国经济社会可持续发展的重要问题。当前，污染物控制技术的规模化推广和使用对低能耗、低物耗、高效率、可资源化的新工艺提出了要求。本项目通过分析典型烟气污染物控制工艺，抽提出污染控制过程中，“气液、气固表界面介尺度结构形成机制及调控方法”为项目的科学问题，并开展了针对性的研究。具体成果如下：.一、绿色氧化物种·OH产用过程中的介尺度问题.（1）液相氧化体系中，·OH的产生和利用效率同时受反应和扩散过程的控制。为提高·OH产生和利用的效率，本项目利用不同反应速率常数的差异，通过反应物添加方式的改变实现了反应物液相扩散过程的调控，进而达到调控·OH竞争反应的目的。.（2）本项目研究了典型添加剂（对苯二酚、对苯醌等）对Fe2+/H2O2体系中Fe2+再生及·OH产量的调控作用，建立了基于添加剂的液相体系·OH产生与消耗反应的调控方法。.（3）·OH是反应与扩散过程共同关注的活性物种。项目基于经典的Russell反应机理，提出采用FeSO4抑制显色剂坚牢蓝BB盐的萃取问题，成功解决了分光光度法检测精度低的问题，并提出了改进型检测流程。.（4）为实现·OH及其前驱物H2O2的绿色、原位生产，项目研究了基于O2还原的H2O2生成过程，发现通过调控O2和H2O2在电极内的扩散过程，可达到强化H2O2生成、减弱H2O2消耗反应的目的。项目提出的“脉冲电流”及“漂浮阴极”策略，可使H2O2产量分别提高61.6%和329.4%。.二、钙基产物层硫化过程中的介尺度问题.（1）通过金属盐调质实验，发现钙基吸收剂表面形成的共熔液膜会改变吸收剂硫化反应过程中的反应-扩散过程，进而影响硫化产物的生长行为，使表面呈现呈现针状、肋片状、球状等形貌特征，并显著影响直接硫化反应中产物层的扩散性能。.（2）提出“调节孔隙结构，协同扩散与反应过程，是提高吸收剂利用率的关键”。项目发现，微量Na2CO3添加剂可使CaO孔径分布由70nm处的单峰分布转化为4nm和140nm处的双峰分布，实现扩散与反应过程的协同，并显著提高CaO吸收剂的硫酸化转化率。