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浅谈低温SCR脱硝催化剂及其制备和应用

发表时间:2018-11-06


万纯SCR脱硝催化剂


一、低温SCR硝催化剂相关概念简述


脱硝,顾名思义就是将硝脱离出来,当前主要有两种脱硝工艺,一是SCR,即选择性催化还原法。一种是SNCR,即选择性非催化还原法。其中前者是当前世界主流的脱硝技术研究方向,也是发展最成熟的脱硝技术。从过程上来讲,其属于炉后脱硝技术。其作用时,需要含氧气氛、催化剂和氨、尿素等还原剂才能将烟气中的NOx还原成N2和水。


传统的SCR脱硝技术进行的温度多在三百摄氏度及以上,这就要求催化剂在布置时必须安排在高温的环境中,然而现实中,催化剂的放置地中存在大量的粉尘等物,非常容易出现催化剂中毒。同时受历史因素的影响,我国火电机组中也没有预留其位置。另外,我国的燃煤总体质量不高,严重损害了SCR的装置和催化剂。


低温SCR脱硝技术的进行温度在三百摄氏度以下,能够有效解决上述传统SCR脱硝技术存在的问题。其反应机理目前尚未有一个比较统一的说法,因此此处所介绍的反应机理只是众多说法中比较流行的一种。这种说法认为,低温SCR脱硝技术在进行过程中主要遵循的机理有两种,一种是LH机理,一种是ER机理,这两者不同时存在。


当前主要的低温SCR脱硝催化剂有锰、铜等金属氧化物制备的非负载型催化剂组分和负载型催化剂。本文主要介绍的就是负载型锰基氧化物催化剂中的Mn/TiO2催化剂的制备和其在NH3作为还原剂时的应用情况。


二、低温SCR脱硝催化剂的制备


当前Mn/TiO2催化剂的制备方法较多,此处以10%Mn/TiO2的制作为例选择了比较具有代表性的传统浸渍法、超声波浸渍法、溶胶凝胶法三种方法进行详细的介绍。


(一)传统浸渍法


首先,需要将两克纳米二氧化钛P25溶于五十毫升的去离子水以促使其变成稀粘稠状,然后要将硝酸锰溶液加入其中并在二十摄氏度的环境下进行两小时的机械搅拌,再在八十五摄氏度的环境中将其搅拌至水分蒸发。然后再将其置于烘箱中以一百一十摄氏度进行十二小时的干燥处理,其后再使用马弗炉用二百五十摄氏度的高温将其煅烧三小时。焙烧后,就要将其进行研磨筛分处理,其最终所得到的催化剂应当是40~60目。所得到的催化剂记述形式为10%Mn/TiO2(TI),此处的TI表示传统浸渍法。


(二)超声波浸渍法


将两克的二氧化钛P25加入五十毫升去离子水中,然后再根据负载量加入适当数量的硝酸锰。再将其放置在超声波发生器内使用25kHz,400W超声波根据所需不同进行不同时间长度的浸渍。然后将其置于烘箱之中,进行十二小时的干燥。最后,将其放于马弗炉中,使其以不同温度在空气中煅烧,此后,便得到10%Mn/TiO2(UI,T,t)。此时UI、T、t分别表示超声波浸渍法、煅烧温度、浸渍时间。然后再将催化剂压片成型,过筛,取四十到六十目的颗粒。


(三)溶胶凝胶法


在室温环境中混合钛酸正丁酯(1mol)、乙醇(1mol)、水(0.05-0.5mol)、乙酸(0.01-0.5mol)和硝酸锰,并剧烈搅拌三十分钟,此时混合物变成透明溶胶。然后将其置于室温环境数日,此时混合物由透明溶胶变成灰黑色凝胶,将其置于一百一十摄氏度环境中进行十二小时的烘干处理就会得到多孔固体。再将得到的多孔固体置于马弗炉中,在空气气氛中使用五百摄氏度的高温进行三小时的煅烧。完成上一步之后,就要再将其压片成型,过筛,而后取四十到六十目的颗粒即可。此时就得到了催化剂,其表示为10%Mn/TiO2(S),此处S表示溶胶凝胶法。


需要注意的是Mn/TiO2催化剂记为Mn(x)/TiO2,此处的x是Mn/Ti的摩尔比例的表示。


万纯SCR脱硝设备


三、一种低温SCR催化剂的应用方法


Mn/TiO2催化剂之所以会成为锰基脱硝催化剂研究中比较重点研究的对象,是因为TiO2的抗二氧化硫中毒能力较强,其表面的硫酸盐也不够稳定。同时TiO2也跟MnOx、CeOx、FeOx等活性组分过渡金属氧化物发生良好的电子作用,这就能够保证制备出的催化剂的脱硝活性较好。因此这种催化剂在当前中国的应用范围较广,特别是在工业领域中,Mn/TiO2催化剂更是占到了脱硝催化剂总重量的百分八十到百分之九十。


同时在实际使用时,Mn/TiO2催化剂也会出现一些问题,主要有六。首先,催化剂如果长时间处在450摄氏度以上的环境中就会出现烧结的现象,此时TiO2晶形也会跟着变化,具体表现为:颗粒变大、表面积变小,同时催化剂的活性也会逐渐衰退。


其次,当催化剂直接接触碱金属离子时,其活性也会慢慢衰退。第三,烟气中的气态As2O3扩散后,进入催化剂内部孔道并在其毛细孔中出现毛细凝结的现象,或者其与催化剂活性位发生反应使催化剂活性衰退。通常,这种现象在干法排渣锅炉中并不严重。


其在液态排渣锅炉中发作较多,这是因为液态排渣锅炉中的静电除尘器后还有一个飞灰再循环的过程。第四,钙也会对催化剂造成影响。游离在飞灰中的CaO与SO3发生反应后形成CaSO4,此生成物会吸附在催化剂的表面,这就极不利于脱硝技术中的反应物向催化剂表面扩散然后进入内部。


第五,催化剂堵塞。催化剂使用了一段时间后,催化剂的小孔中会逐渐沉积有铵盐及小颗粒的飞灰,这些铵盐及小颗粒的飞灰会给NOx、NH3、O2到达催化剂活性表面这一重要过程带来严重的不利影响,最终催化剂就会钝化。第六,催化剂的侵蚀、磨损。这是因为在长久的使用中飞灰会时常催化剂的表面相撞击。


Mn/TiO2催化剂在应用时应当做到,活性在数值较小的温度和较大的温度区间内应当处在一个比较高的程度,而选择性和抗SO2、卤素、碱金属、重金属等性能则需始终处在一个较高的水平上,相反,催化剂的SO2/SO3转化率应处在较低的水平上。除此之外,当周边温度波动较剧烈的时候,其热稳定性则应处在一个较好的水平上。


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