东南大学段钰锋等：低温等离子体如何实现燃煤烟气高效脱汞?

　　1项目背景燃煤烟气中的汞主要有单质汞Hg0，氧化汞Hg2+，以及颗粒汞Hgp三种形态。其中Hg2+和Hgp能够被燃煤电厂现有污染物控制装置，如电除尘器/布袋除尘器(ESP/FF)以及湿法脱硫装置(WFGD)等有效脱除。但Hg0具有极强的挥发性和难水溶性，难以脱除，且由于其在烟气中占比较大，导致燃煤电厂现有污染物控制装置对总汞的脱除效率极大的较低。因此，如何将Hg0转化为易脱除的Hg2+和Hgp是提高燃煤电厂现有污染物控制设备协同高效脱汞的前提和研究重点。活性炭喷射脱汞虽然脱汞效率高，但成本也高。本项目提出以低温等离子耦合CaCl2强化气相Hg0的氧化，利用程序升温热脱附技术对低温等离子强化Hg0氧化过程中CaCl2表面吸附的汞化合物形态进行识别，揭示CaCl2对低温等离子氧化Hg0的强化作用机理。

　　2论文所解决的问题及意义本文旨在研究低温等离子体耦合CaCl2对氧化Hg0的机理和影响因素，并采用程序升温热脱附法以及能谱分析对氧化吸附后的汞产物形态进行分析，揭示等离子耦合CaCl2强化Hg0的氧化及吸附脱除机理，为实现燃煤烟气汞高效氧化及脱除提供基础数据和理论依据。

　　3论文重点内容本文利用自行搭建的介质阻挡放电低温等离子体(DBD-NTP)实验台，以CaCl2为催化剂和吸附剂，研究放电功率、烟气成分等对Hg0氧化和强化吸附的影响，借助程序升温热脱附实验台和X光能谱仪对CaCl2表面吸附的汞形态进行分析。结果表明：CaCl2能够有效促进低温等离子体对Hg0的氧化脱除，在输入能量为120J/L时，Hg0的脱除效率在数分钟内就达98%以上。通过对CaCl2表面吸附的汞氧化产物升温脱附和能谱分析(EDS)，推断出汞化合物形态主要为HgCl2、Hg2O、HgO3和HgO的混合物，证实了低温等离子放电能够激发CaCl2表面Cl元素的释放，并参与Hg0的氧化反应。

　　4结论

　　1)低温等离子放电过程中CaCl2能够有效促进Hg0的氧化，随着低温等离子反应体系输入能量的增加，Hg0氧化效率不断提高，当输入能量为240J/L时，Hg0完全被氧化，脱除效率达100%，并能够长期稳定;

　　2)在无O2情况下，Hg0的氧化效率仅为14%左右，当添加6%O2后，Hg0的氧化效率快速增加，表明CaCl2表面的Cl元素并不能直接与Hg0反应，低温等离子放电过程中产生的O自由基是Hg0氧化的主要途径;

　　3)通过对CaCl2表面沉积的汞化合物分析得出低温等离子耦合CaCl2作用下Hg0的主要氧化产物为HgCl2、Hg2O、HgO3以及HgO混合物。表明除了发生气相氧化反应外，等离子体还能够激发Cl元素参与Hg0的反应，从而提高Hg0的氧化效率。

　　图1NTP与CaCl2两种耦合方式下输入能量对Hg0氧化的影响

　　图2NTP耦合CaCl2强化Hg0氧化的机理模型

　　团队介绍

　　段钰锋，男，工学博士，教授，博士生导师，主要从事燃煤汞脱除、污染物联合脱除、循环流化床燃烧与气化、危废焚烧污染物一体化脱除、水煤浆输送与雾化、燃烧过程数值模拟等方面的研究。主持过和在研国家自然科学基金，“863”、“973”、“国家科技支撑”、“国家重点研发项目”，以及江苏省科研基金等项目多项。目前广泛开展燃煤电厂汞和重金属现场测试，开发出国内首套OHM、30B总汞/价态汞取样装置及高效Hg0和Hg2+碳吸附管。合著专著1本，发表学术论文200余篇，其中SCI/EI收录100余篇，授权脱汞吸附剂/脱汞技术发明专利10余项。

　　图为段钰锋教授2014年10月率博士生访问美国UIUC大学

　　张君:博士生，主要从事低温等离子体改性吸附剂脱汞及协同脱硫脱硝研究。参与在研国家自然科学基金项目“高硫石油焦制备富硫高活性吸附剂烟气喷射脱汞机理研究(51376046)”、“基于CLP过程的燃煤烟气汞脱除回收及吸附剂再生的机理研究(51576044)”，和国家重点研发项目“汞形态浓度高精度在线监测技术研发及应用示范(2016YFC0201105)”。主持在研江苏省普通高校研究生科研创新计划项目“等离子-超重力耦合强化钙基吸附剂脱汞协同脱硫脱硝机理研究”。

　　图为博士生张君出席第31届国际匹兹堡煤会议(2014.10.6-9)留影