溴化物對燃煤汞的氧化脫除機理和反應動力學研究

《溴化物對燃煤汞的氧化脫除機理和反應動力學研究》是依託華中科技大學，由劉晶擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：溴化物對燃煤汞的氧化脫除機理和反應動力學研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：劉晶
• 依託單位：華中科技大學

中文摘要

本項目針對燃煤汞控制的前沿領域進行研究。燃煤汞控制的關鍵在於單質汞的氧化，溴化物可高效廉價地氧化脫汞，其關鍵在於研究溴化物對汞的氧化脫除機理及其反應動力學。現有研究局限於實驗現象觀測和數據積累，缺乏對微觀相互作用機理的深入研究。本項目將量子化學和變分過渡態理論交叉融入到燃燒學中，對溴化物與汞的均相-非均相氧化反應機理和動力學進行系統深入的研究，從分子水平上剖析氧化作用的本質和微觀機理。揭示汞-溴化物-煙氣-飛灰之間的相互作用機理；建立溴化物對汞氧化的多相反應動力學模型；通過動力學模擬，敏感性分析，尋找反應的關鍵步驟，闡明溴化物對汞定量氧化的本徵機制；理論模擬與實驗結果進行對比驗證，以期構建較為完整的燃煤煙氣汞形態轉化及其與溴化物相互作用機制的理論框架；建立溴化物氧化脫汞新方法，最佳化脫汞效率。通過燃燒學、量子化學、化學反應動力學、分子計算科學等的交叉研究，為燃煤汞的高效廉價脫除奠定基礎。

結題摘要

本項目針對燃煤汞控制的前沿領域進行研究。燃煤汞控制的關鍵在於單質汞的氧化，溴化物可高效廉價地氧化脫汞，其關鍵在於研究溴化物對汞的氧化脫除機理及其反應動力學。現有研究局限於實驗現象觀測和數據積累，缺乏對微觀相互作用機理以及汞反應動力學的深入研究。因此，揭示煤燃燒過程中汞反應機理，並建立汞反應動力學模型具有重要的科學意義和實用價值。本項目將量子化學和過渡態理論交叉融入到燃燒學中，對溴化物與汞的均相-非均相氧化反應機理和動力學進行了系統深入的研究，從分子水平上剖析氧化作用的本質和微觀機理。揭示了汞在飛灰中不同催化活性組分表面的吸附和催化反應機理，計算得到了煤燃燒過程中汞形態轉化的反應動力學參數，將均相和非均相反應機理相結合，建立了實際燃煤煙氣中Hg/Br/Cl/C/H/O/N/S複雜體系、飛灰中多催化活性組分耦合的多相反應動力學模型。該模型的均相反應機理包括352個基元反應，非均相反應機理包括38個不可逆基元反應。該模型可以定量預測實際燃煤煙氣中汞形態分布，模擬結果與實驗室規模、中試規模和電廠的實驗數據具有較好的一致性。通過敏感性分析、產率分析、反應路徑分析，尋找含溴燃煤煙氣中汞形態轉化的主要反應路徑，闡明溴化物對汞定量氧化的本徵機制，從本質上揭示煤燃燒過程中汞-溴化物-煙氣-飛灰之間的相互作用機制。發展了適合非均相反應表面活性位密度計算的新方法，提出了溫度係數的概念，構建非均相反應化學與溫度之間的關係式，闡明了反應溫度對汞氧化反應的影響機制。揭示了Hg與HBr在V2O5/TiO2催化劑表面的非均相反應機理。理論模擬與實驗結果進行對比驗證，構建較為完整的燃煤煙氣汞形態轉化及其與溴化物相互作用機制的理論框架，最佳化溴化物氧化脫汞方法，為燃煤汞的高效廉價脫除奠定基礎。發表學術期刊論文28篇，其中SCI論文20篇，包括燃燒領域頂級期刊Combust. Flame 1篇、Proc. Comb. Inst. 2篇、以及環境領域頂級期刊Environ. Sci. Technol. 2篇、1區論文8篇；ESI高被引1篇。建立的反應動力學模型得到國際同行的肯定和套用。參加國際學術會議13次，包括在本學科領域的最高級別學術會議——International Symposium on Combustion上做口頭報告2次（35屆、36屆）。申請專利5項。