低温SCR锰基催化剂脱硝研究进展

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  摘 要:氮氧化物是大气污染物的主要来源之一,其无序排放也日益成为严重影响大气环境的全球性问题。传统SCR技术有反应温度较高,热量损失大,催化剂易失活等缺点。低温SCR技术将装置置于除尘、脱硫之后,对催化剂的影响较少。通过近年来对低温SCR脱硝催化剂的研究发现锰系氧化物的低温SCR活性最好,因此国内外研究最多的也是锰系低温SCR催化剂。
  关键词:锰基催化剂
  一、引言
  氮氧化物是大气污染物的主要来源之一,其无序排放也日益成为严重影响大气环境的全球性问题。氮氧化物主要包括有NO、NO2、N2O、N2O2、N2O3和N2O4等几种,其中对大气产生污染的主要是NO和NO2,其中NO占典型燃煤烟气NOx的95%。现有的固定源脱硝技术主要集中在控制燃烧过程和尾气净化两大类上。燃烧过程控制是通过改进设计和调节燃烧条件等方式来实现的,但该技术对NOx排放的控制一般只能降低50%左右。這就需要尾气净化技术来实现更严格的排放要求。选择性催化还原法(SCR)是目前在国际上研究和应用最广的尾气控制技术,该技术具有过程简单、装置运行稳定、脱除效率高等特点。
  二、传统SCR技术
  NOx的选择性催化还原法可使用多种还原剂,如CH4、H2、CO、NH3等,其中应用最广泛的是以NH3为还原剂,其主要反应如下:
  4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O
  在无催化剂介入的情况下,该反应的理想温度为800~900℃。商业上常用的催化剂是以V2O5/TiO2混合WO3或MoO3为活性组分,此催化剂在300~400℃时具有较好的催化活性和抗硫性能。
  在传统的SCR技术中,根据SCR装置相对于除尘器的安装位置,分为“低含尘SCR(LD-SCR)”、“高含尘SCR(HD-SCR)”和“尾部SCR(TE-SCR)”:在“LD-SCR”中,装置位于脱硫装置之前,除尘装置之后,SO2对装置的影响仍存在,并且尾气温度已经下降,因此为了保持催化活性需加装蒸汽加热器和烟气换热器,成本较高,在实际应用中较少;在“HD-SCR”中,装置位于空气预热器和锅炉省煤器之间,虽然保持了催化剂的活性温度,但是因飞灰量比较高,对催化剂磨损较高;“TE-SCR”避免了催化剂的中毒和磨损问题,提高了催化剂的使用寿命,但为了以使气体从脱硫温度达到SCR反应温度(300~400℃),必须配置气体再加热器,因此热能损失大。
  三、低温SCR技术
  低温SCR技术是将SCR装置安装在烟气处理工艺的最后工序,因此可以同时避免粉尘和SO2的影响、减少还原剂的氧化损耗,且无需改动现有的烟气处理系统。但该技术的难点在于催化剂的低温活性(100~300℃)。近年来对低温SCR脱硝催化剂的研究主要集中在过渡金属的氧化物,如Mn、Fe、Ni、Cr等,其中锰系氧化物的低温SCR活性最好,国内外研究最多的也是锰系低温SCR催化剂。
  锰系催化剂主要分为无载体型和载体型两大类。本文对当前低温锰系无载体型和载体型催化剂的研究现状进行介绍,并对下一步的研究进行了展望。
  1.无载体型低温SCR催化剂。非负载型锰系催化剂构成中只有活性组分———MnOx 或以MnOx 为主要活性组分添加其他金属氧化物的复合催化剂。Qi G等采用共沉淀法制备了Mn-Ce催化剂。在空速42000h-1,温度150℃下,其NO转化率为95%。当摩尔分数Mn/(Mn+Ce)从0升高到40%,NO转化率迅速上升,但是Mn含量很高时,NO转化率下降。反应温度在150℃以下时,只有N2无N2O出现,温度高于150℃,会有N2O产生。反应过程可能为:首先催化剂的Lewis酸位吸收NH3,然后与亚硝酸盐反应生成N2和H2O,反应中可能出现了中间产物,但所有的中间产物都转化为NH2NO,最后生成了N2和H2O。
  他们提出了在MnOx-CeO2催化剂上的SCR反应机理:
  O2(g)→2O(a) (1)
  NH3(g)→NH3(a) (2)
  NH3(a)+O(a)→NH(a)+OH(a) (3)
  NO(g)+1/2O2(g)→NO2(a) (4)
  NH2(a)+NO(g)→HN2NO(a)→N2(g)+H2O(g) (5)
  OH(a)+NO2→O(a)+NHO2(a) (6)
  NH3(a)+NHO2→NH4NO2(a)→NH2NO(a)+H2O(g)→N2(g)+2H2O(g) (7)
  在SCR反应过程中,NH3吸附在催化剂的表面,生成了吸附态NH3、NH2及OH,NO被氧化为NO2,随即吸附态物质之间及与气态NO反应生成硝酸盐和亚硝酸盐;硝酸盐和亚硝酸盐分解生成N2。其中(5)是很多钒、锰类催化剂研究报道中都曾提及的典型催化反应机理。
  2.载体型低温SCR催化剂。
  2.1以TiO2为载体。Wu等研究了过渡金属元素添加到Mn/TiO2催化剂中的低温催化活性。在低温下,过渡金属的添加使Mn/TiO2催化剂保持较高的NO脱除效率;使Mn氧化物、TiO2更均匀的分散;使在过渡金属、Mn氧化物和TiO2中形成固溶体,提高了孔体积和BET比表面积;使更多的一氧化氮氧化成二氧化氮和硝酸盐,然后与氨气反应。因此过渡金属的添加使Mn/TiO2催化剂的活性有了很大的提高。还研究了Mn/TiO2催化剂在SO2存在的条件下SCR脱硝活性,发现Mn/TiO2催化剂受SO2影响较大,生成大量硫酸盐(Ti(SO4)2、Mn(SO4)x、(NH4)2SO4和NH4HSO4)附着在Mn/TiO2催化剂的表面。Ce的加入防止了Mn/TiO2催化剂被硫酸化,有效的提高了抵抗SO2的能力,抑制了在催化剂表面形成硫酸铵盐。在150℃、SO2浓度为100ppm条件下,6.5h后NO的脱除效率依然达到了84%以上。   Shen等采用溶胶-凝胶法将Fe掺杂于Mn-Ce/TiO2中,制备了Fe-Mn-Ce/TiO2催化剂。铁元素的加入提高了NO的转化率,尤其在摩尔分数为Fe/Ti=0.1时。在空速50000h-1,温度180℃下,Fe(0.1)-Mn-Ce/TiO2催化剂有96.8%的NO转化率,同时表现出了较Mn-Ce/TiO2更高的抗SO2和H2O的性质。Fe元素的加入增强了Mn和Ce在催化剂表面的分散和氧化程度,催化剂表面的氧气浓度也有所提高。
  2.2以活性炭为载体。沈伯雄、郭宾彬等研究了 MnOx/ACF低温选择性催化还原烟气中的NO。ACF经浓酸预氧化处理后,再负载MnOx,NO脱除效率提高,并且以20wt%HNO3预氧化处理的ACF脱除效率最佳。CeO2负载量为10%的CeO2/ACFN催化剂,在120~240℃时NO脱除效率达85%以上。在10%相同负载量下,CeO2/ACFN催化活性明显高于MnOx/ACFN。采用等体积浸渍法制备了Mn-CeOx/ACFN复合催化剂,经400℃煅烧、Mn含量为40mol%的Mn-CeOx/ACFN复合催化剂在80~150℃范围具有很高的催化活性,并且在NH3/NO为1.08、NO初始体积分数650×10-6、O2体积分数在3.6%时具有较高的NO脱除效率。对于总负载量为10%,1:1(质量比)的不同负载顺序的MnOx-CeO2/ACFN复合型催化剂,先负载Mn后负载Ce的复合型催化剂比同等条件下不同负载顺序的复合型催化剂催化活性高。
  Masaaki Yoshikawa等研究了Mn2O3/ACF的低温催化活性。在温度为323~423K时,Mn2O3/ACF催化剂与V2O5/TiO2催化剂相比,SCR催化活性更高。在423K时,Mn2O3/ACF催化剂的催化活性可达92%,高于Mn2O3/GAC和Mn2O3/γ-Al2O3催化剂,也高于Fe2O3/ACF和Co2O3/ACF催化剂。这是因为Mn2O3颗粒在AFC微孔内分散良好,提高了与气体的接触面积。
  唐晓龙、郝吉明等制备了MOx/AC/C催化剂,发现MnOx/AC/C催化剂在低温下仍保持较高的活性。在150~250℃、空速10600h-1下,NOx的脱除效率仍可达到90%以上。引入活性炭,增强了催化剂的吸附作用,用超声波配合浸渍过程,提高了金属氧化物在AC上的分散程度,增强了低温催化活性。
  2.3以分子筛为载体。林绮纯、李俊华等研究了Mn/USY和Mn-Fe/USY催化剂,在温度为423~573K、空速36000h-1下,10%Mn-8%Fe/USY催化剂的NO脱除效率几乎达到100%。Fe元素的加入使10%Mn-8%Fe/USY 的布朗斯特酸位和路易斯酸位的数量增多和酸强度增强,这可能使催化剂的NH3吸收能力增强形成活性中介,提高低温下的催化活性。杨祖保等在超稳分子筛(USY)上先负载MnOx后,再分别浸渍铈和铁,在80℃时,转化率为43%和50%;14%Ce-6%Mn/USY催化剂在180℃时转化率可以达到98%。
  B. Greenhalgh等对MnCBV-2314催化剂进行了研究,当锰的质量分数为1.6%和1.9%时,以NH3为还原气时,MnCBV-2314催化剂的催化活性开始上升,当锰含量为3.5%时,催化活性达到平衡,在520K时达到100%的脱硝效率。
  孙亮、唐幸福等将钒离子(V5+)用热液合成法注入OMS-2分子筛中,制备了V-OMS-2催化剂。钒的含量影响V-OMS-2的催化活性,2%V-OMS-2表现出最高的催化活性。这是因为钒含量2%时,路易斯酸位最高,表面氧化还原能力最强,增加了低温SCR反应活性。
  2.4以陶瓷为载体。Teresa等用新的方法将V2O5负载到碳-瓷多孔性整体式载体上,能够提高催化剂抗SO2毒性。在150℃时,加入SO2其催化活性只降低20%;在125℃时,加入H2O其催化活性降低45%。这是因为水蒸气与NO能够形成吸收竞争。
  周超强、董国君等采用溶胶-凝胶法在堇青石蜂窝陶瓷的表面交替负载Mn-Ce-O/TiO2和Cu-Ce-O/TiO2,制备了多层复合催化剂。在250℃、空速12600h-1时,以NH3为还原剂,NO浓度为1025mg/m3时,NO脱除效率就可达95%;在200~300℃时,脱除效率仍高于80%。复合催化剂的催化活性高于单活性相催化剂是由于较大的比表面积、较高含量的无定形活性组分等原因。
  2.5以碳纳米管为载体。纪辛等采用等体积浸渍法制备了MxOy(M表示V、Mn、Cu和Fe)/CNTs催化剂共4种。在NO为1248 mg/ m3、NH3为707 mg/ m3、O2为5 %(体积分数)、气体总流量为700 mL/ min、反应温度为353~513K的条件下,不同催化剂存在不同的最佳活性温度,V2O5/CNTs催化剂在473 K下NO脱除效率达最大,可达82.9 %;催化活性均随氧气含量的增加先升高后降低,变化幅度相似;在20~160 min时,各催化剂活性随着反应时间的变化基本保持不变;催化活性均随NH3/NO比的增大先升高后降低。
  樊孝玉、杨杭生等用Sol--Gel法制备了Mn-Ce-Ox/TiO2-CNTs复合催化剂。在温度75~225℃、空速36000h-1下,NOx的脱除效率在90%以上。在温度100~250℃、SO2浓度250ppm下,NOx脱除效率增长到了99.6%。这与CNTs的BET比表面较大有关。
  四、前景展望
  低温SCR 脱硝催化剂具有的活性温度低、使用寿命长等优点,使其成为脱硝催化剂的主要发展方向。虽然,低温锰基SCR 催化剂在工业化应用的过程中仍有很多问题需要解决,其高效性、稳定性和经济性仍然是阻碍低温SCR 脱硝催化剂大规模应用的问题。但是,除了技术层面,相关部门也要在脱硝推广上予以奖励、在排放方面加强执法,推动形成人与自然和谐发展。
  参考文献:
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  作者简介:郭勇(1982—)男。民族:汉。山东青岛人。高分子化学专业博士。青岛董家口经济区管理委员会。主要从事石化产业研究工作。
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