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作 者
解 炜1,2,3,曲思建1,2,3,王 鹏2,3,梁大明2,3,吴 倩2,3,张 媛4
1. 中国矿业大学(北京) 化学与环境工程学院；2. 煤炭科学技术研究院有限公司煤化工分院；3. 煤基节能环保炭材料北京市重点实验室；4. 煤炭科学技术研究院有限公司 节能工程技术研究分院
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研究背景
近年来的研究已经证实,SO2及NOx所形成的二次气溶胶与雾霾的生成有着密切的关系,随着国家环保法规的日渐严格,在能源利用上出现了弃煤改气的政策倾向。这不仅与我国资源赋存的客观条件不符,造成了局地的天然气荒现象,同时又提高了全社会的能源使用成本。
目前,国内火力发电厂燃煤机组所产生的烟气经过成熟的脱硫和SCR脱硝工艺处理,完全可以达到超低排放的要求。然而,除了火力发电厂,分布于供热、冶金、建材和化工等行业的、约50万台燃煤工业锅炉消耗了国内煤炭总消费量的1/3。现有工业燃煤锅炉排放的烟气需要达到《锅炉大气污染物排放标准》(GB13271—2014),新增项目还需要满足更为苛刻的超低排放要求。
燃煤工业锅炉排放的烟气具有排烟量较小、为保证锅炉运行的热效率排烟温度低的特点,尤其是湿法或半干法脱硫工序又进一步降低了烟气温度:国内普遍运用、技术成熟且可与煤粉工业锅炉无缝对接的高倍率灰钙循环脱硫技术(No Gap Desulfurization,NGD),在脱硫和除尘后排烟温度通常在70~110℃。尽管采用了改进燃烧方式等炉内脱硝手段,工业燃煤锅炉仍然无法达到NOx超低排放要求。
包括活性焦在内的炭材料有着理想的低温脱硝性能,在烟气温度120~200℃内SCR 脱硝机制已经较为清晰,相关脱硝技术已经在德国、日本、韩国开展了成功的工业化运行,国内也已经建设了50余套装置。活性焦烟气净化装置为移动床,可在1套装置内将烟气中的SO2和NOx联合脱除,并且活性焦可以重复利用。但是,将活性焦联合脱硫脱硝工艺简单套用于燃煤锅炉烟气净化系统,会出现移动床工程量较大、排烟温度不匹配等一系列问题,还原剂NH3逸出、泄露也会造成整个系统的运行不安全及环保不达标等难题。
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摘 要
随着国家环保标准越来越严格,针对典型燃煤工业锅炉排烟温度低,烟气量小特点,为了满足烟气NOx超低排放要求,催化氧化脱硝是理想的技术。
为了研究活性焦催化氧化脱除低温烟气中NO的性能及机理,利用固定床反应装置研究70~110℃低温烟气活性焦催化氧化脱硝过程,考察温度、烟气中O2对脱硝的影响。此外,通过解析活性焦77K条件下N2吸/脱附等温线获得其孔径分布及比表面积、利用XPS表征活性焦炭基质及表面化学特性、应用TPD获取反应前后活性焦升温脱附曲线,研究活性焦催化氧化脱硝及活性焦热再生机制。
结果表明:70~110℃内,温度越低活性焦催化氧化脱硝的性能越好;活性焦催化氧化脱硝初始阶段,逸出的少量NO2来自于NO和活性焦表面多聚芳环边缘的碱性含氧官能团CO反应;活性焦表面酸性含氧官能团抑制NO的吸附,而炭基质多聚芳环是构成炭基质的主要物质,其π键提供电子促进催化脱硝;无O2条件下NO作为电子受体占据吸附位,O2存在时由于O2获得π键提供的电子形成反应中间体,与NO生成NO2。
活性焦催化氧化NO最终可达到低温烟气脱硝的目的,然而,由于活性焦中碳的还原作用,热再生并不能将活性焦催化氧化生成的NO2脱附,而是以NO的形态伴随着CO2脱附下来。
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文中图片
1—高压钢瓶;2—减压阀;3—微量调节阀;4—质量流量计;5—电加热保温带;6—气体混合器;7—固定床反应管;8—恒温油浴锅;9—截止阀;10—烟气分析仪;11—尾气吸收瓶
活性焦催化氧化脱硝实验系统
活性焦样品孔径分布
活性焦样品的XPS全谱
活性焦样品C1s的高分辨率图谱
S1样品在70~110℃条件催化氧化脱硝过程NO的出口体积分数
S2样品在70~110℃条件催化氧化脱硝过程NO的出口体积分数
活性焦样品在不同温度条件下脱硝容量
含O2条件下活性焦脱硝过程中NO/NO2出口体积分数
无O2条件下活性焦脱硝过程中NO/NO2出口体积分数
O2存在下活性焦催化氧化NO的反应机制
O2存在条件下脱硝反应前后活性焦样品CO2/NO升温脱附曲线
无O2条件下脱硝反应前后活性焦样品CO2/NO升温脱附曲线
研究方向
炭材料的制备及应用
主要成果
致力于多孔炭材料的制备及应用研究，尤其是在煤基炭材料的配煤工艺、化学改性及脱硝催化特性等方面，取得了一些研究成果，完善了相关的理论体系。作为项目负责人/项目骨干，完成了国内多个大型活性炭企业的设计，部分研究成果成功应用于煤基炭材料的生产，取得了一定的经济效益
解炜,曲思建,王鹏,等. 活性焦催化氧化脱除低温烟气中NO 的性能及机理[J]. 煤炭学 ,2019,44(11):3578-3588.
XIE Wei,QU Sijian,WANG Peng,et al. Removal of NO from low temperature flue gas by catalytic oxidation over activated coke😛erformance and mechanism[J]. Journal of China Coal Society,2019,44(11):3578 -3588.
审 核：常琛
End
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