载氧体颗粒对煤中汞释放及形态转化的影响机理

Mercury release from coal combustion caused huge harm to humans and the environment, the control of which draws the domestic and international attention increasingly. Chemical looping combustion (CLC) is a new combustion type of coal. However, the insight into the migration of mercury in coal chemical looping combustion is very limit. Chemical looping combustion decomposed the tradition combustion reaction into the reaction between oxygen carrier and coal and the regeneration of oxygen carrier, using lattice oxygen instead of molecule oxygen. The direct contact between oxygen carrier and coal will affect the release, migration and transformation. The release, migration and transformation of mercury in coal chemical looping combustion are investigated by the experiments and simulations, using Fe-based and Ca-based compound oxygen carrier. The effects of oxygen carrier on the release of mercury in coal/unconverted char, and the transformation of mercury during transferring is presented. The composition change of flue gas and the fly ash and the structure and morphology of fly ash is analyzed. Influence mechanism of oxygen carrier on the release and transformation of mercury is revealed. Homogeneous oxidation mechanism of mercury and the heterogeneous oxidation mechanism on the surface of fly ash are developed. It will provide important theoretical basis for the control of mercury emissions from coal chemical looping combustion and the effect of mercury on the transportation and storage of carbon dioxide.

煤燃烧汞的排放严重危害了生态环境和人类健康，对其控制引起国内国际的日益关注。煤化学链燃烧是一种煤与空气非接触式的新型燃烧方式，人们对该燃烧方式煤中汞迁移规律的认识仍十分有限。煤化学链燃烧是利用载氧体的晶格氧，将传统燃烧反应解耦为煤与载氧体和载氧体与空气的两步反应。载氧体与煤发生相互作用并在两反应器间循环利用，势必会影响煤中汞的释放、迁移和形态转化。本项目以铁基和钙基复合载氧体为研究对象，通过实验和数值模拟相结合的研究方法，考察载氧体对煤/未转化焦中汞释放行为及其循环过程中汞形态转化的影响，分析载氧体作用下烟气成分和煤灰组成、结构形貌的变化，揭示载氧体对煤化学链燃烧过程中汞的释放及形态转化的影响机理；建立汞的均相氧化及其在飞灰表面的非均相氧化反应机理模型。本项目将为煤化学链燃烧汞排放的控制以及二氧化碳输送和封存过程中的汞影响提供重要的理论依据。

煤中汞的排放和控制引起国内国际的日益关注。作为全新的煤转化方式，煤化学链燃烧/气化过程煤中汞释放、迁移和形态转化规律的认识仍十分有限。煤化学链燃烧/气化过程中载氧体与煤发生相互作用并在两反应器间循环利用，势必会影响煤中汞的释放、迁移和形态转化。因此，本项目以载氧体为着眼点，研究化学链燃烧/气化过程煤中汞的释放和形态变化规律。首先，通过热力学模拟发现，载氧体的晶格氧对汞的形态分布具有显著影响，载氧体Fe2O3加强了氯元素对汞形态分布的影响，而载氧体CaSO4使氯元素对汞形态分布的影响很小。其次，实验研究了不同温度下载氧体对煤中汞的释放作用，研究发现：高温下载氧体抑制了汞的释放，而大大增加了释放气态汞中Hg2+的比例。随着燃料反应器温度的增加，燃料反应器中汞释放率逐渐增加，空气反应器中释放率的逐渐减小。最后，通过载氧体对汞的高温吸附实验，发现900℃时载氧体不但具有氧化作用，而且对汞具有较高的物理化学吸附作用。另外，本项目还揭示了煤灰对载氧体的、促进、抑制和惰性影响机理，以及制备了抑制硫释放、高机械性能和反应活性的CaSO4复合载氧体。为煤化学链燃烧汞排放的控制以及二氧化碳输送和封存过程中的汞影响提供重要的理论依据。在项目执行过程中，获省部级奖励2项，授权发明专利2项；发表期刊学术论文6篇，会议论文4篇，其中SCI收录1篇，EI收录1篇；培养研究生6名。