燃煤烟气中零价汞的催化氧化理论研究进展

燃煤烟气中零价汞的催化氧化理论研究进展

赵莉;刘宇;吴洋文;庄柯;陆强

【摘要】汞是燃煤锅炉烟气重金属污染元素之一,主要存在形态为零价汞(Hg0)、氧化态汞(Hg2+)和颗粒态汞(Hg.),其中Hg0难以去除,通常需将其氧化为较易脱除的Hg2+后再脱除;催化剂可以促进Hg0的氧化,按照催化剂来源与功能的不同,将其分为3类,即燃煤飞灰、常规Hg0氧化催化剂及联合脱硝脱汞催化剂,综述了

Hg0在不同催化剂作用下发生氧化反应的密度泛函理论(DFT)研究现状;对各种催化剂表面Hg0的吸附以及氧化反应机理进行了总结并比较了一些相近研究的内容与结果;指出了现有研究的不足,提出了Hg0氧化剂DFT理论计算研究今后的发展趋势.%Mercury is one of the heavy metal element pollution in the flue gas of coal-fired power generation,with elemental mercury (Hg0),oxidized mercury (Hg2+) and particulate mercury (HgP) as its main existing forms.Since Hg0 is difficult to be removed,it is usually oxidized to

Hg2+,which can be removed easily with the help of catalysts.Hg0 oxidation catalyst can be divided into three major types according to their different sources and functions,i.e.,coal-fired fly ash,conventional Hg0 oxidation catalyst,and cooperative de-NOx and Hg-removal catalyst.In this paper,the present status of the density functional theory (DFT) study of oxidation reaction of Hg0 under different catalysts is reviewed.Then the mechanisms of adsorption and oxidation reaction of Hg0 on various catalysts are summarized and the contents and results of some similar studies are compared.In addition,the deficiency of the current research is pointed out

and the future development trend of DFT calculation study of Hg0 oxidation catalyst is put forward.

【期刊名称】《中国电力》

【年(卷),期】2018(051)003

【总页数】7页(P170-176)

【关键词】燃煤电站;汞排放;汞脱除;零价汞,汞催化氧化;密度泛函理论

【作者】赵莉;刘宇;吴洋文;庄柯;陆强

【作者单位】生物质发电成套设备国家工程实验室(华北电力大学)北京 102206;生物质发电成套设备国家工程实验室(华北电力大学)北京 102206;生物质发电成套设备国家工程实验室(华北电力大学)北京 102206;国电环境保护研究院,江苏南京210031;生物质发电成套设备国家工程实验室(华北电力大学)北京 102206

【正文语种】中文

【中图分类】TK621;X501

0 引言

汞（Hg），俗称水银，是常温下唯一以液态形式存在的金属。汞具有剧毒性、易

迁移性、生物富集性，进入生物体后难以排出，对健康危害极大。煤炭等化石燃料的燃烧是汞的主要排放源之一。现阶段在我国的能源消耗中，煤炭仍占主要地位。在燃煤锅炉产生的烟气中，Hg主要以3 种形态存在，即 Hg0、Hg2+ 和 HgP[1]。Hg2+ 易溶于水，可通过湿法（例如燃煤电厂湿法脱硫系统）去除；HgP可随飞

灰在除尘设备中去除；而Hg0利用燃煤锅炉现有的污染物控制设备很难除去，几

乎全部释放到大气中，且停留久、易迁移，造成全球性污染。

目前，燃煤锅炉汞污染物控制技术主要包括燃烧前脱汞、燃烧中脱汞和燃烧后脱汞3类[2-3]。其中，燃烧前脱汞和燃烧中脱汞在效率和经济性方面都有很大的局限性，而燃烧后添加催化剂脱汞技术效率较高，是当前燃煤电厂汞污染控制技术的研究重点和热点[4-5]。

1 Hg0氧化反应机理假设

Hg0氧化催化剂的结构和化学特性直接决定了其对Hg0的氧化性能，Hg0氧化反应机理主要涉及催化剂与烟气中Hg0及其化合物的相互作用。目前Hg0氧化催化剂的研究还处在实验室阶段，因此在实验的基础上，深入研究Hg0氧化反应的机理，对指导开发高效Hg0氧化催化剂具有重要意义。

关于Hg0的非均相氧化反应，迄今有许多学者基于初步的实验研究给出了多种机理假设，包括Deacon过程、Mars-Maessen机理、Eley-Rideal机理以及Langmuir-Hinshelvood机理等[6]。尽管上述机理都存在一定的合理性，但是没有一种机理可以解释不同催化剂、不同条件下Hg0的非均相氧化过程。现有的实验和表征手段难以在微观尺度全面揭示Hg0氧化催化剂的结构特性及反应机理，而量子化学密度泛函理论（Density Functional Theory，DFT）计算方法能够模拟催化剂表面上分子及原子之间的相互作用，为突破这一瓶颈创造了条件。本文将对现有的关于Hg0氧化催化剂的DFT理论研究进行综述。

2 Hg0氧化催化剂的DFT理论研究进展

2.1 燃煤飞灰

诸多研究证明，燃煤飞灰中Fe2O3、CuO等成分对Hg0的氧化有显著促进作用[7-8]。飞灰的主要化学成分包括CaO、MgO、Fe2O3、CuO、MnO2、Al2O3以及SiO2等，其中的金属氧化物对Hg0都有一定的脱除能力[9]。γ-Fe2O3和α-Fe2O3都具有吸附Hg0的能力，HgCl和HgCl2在α-Fe2O3(001)表面发生解