1. Предисловие
Благодаря постоянному продвижению национальных стратегий, таких как энергосбережение и сокращение выбросов, технология денитрификации дымовых газов угольных электростанций постепенно совершенствуется. Доля неэлектроэнергетических производств в очистке атмосферы постепенно увеличивается, а некоторые из них выбрасывают дымовые газы с низкой температурой, такие как коксование, производство цемента, производство стекла, промышленные котлы, сжигание отходов и т. д. Поэтому исследования эффективных низкотемпературных Технология температурной денитрификации является важным направлением современного процесса денитрификации. Существующие коммерческие катализаторы в основном представляют собой V2O5-WO3, MoO3/TiO2, с TiO2 в качестве носителя, V2O5 в качестве активного компонента и WO3 или MoO3 в качестве активной добавки. Добавление активной добавки улучшает высоко- и низкотемпературную активность катализатора и эффективно тормозит протекание побочных реакций. Однако катализатор представляет собой средне-высокотемпературный катализатор с окном активной температуры 300-400°С. Ниже или выше этого температурного диапазона денитрифицирующая активность катализатора начинает снижаться и происходит обратимая/необратимая отравляющая дезактивация, что не может удовлетворить потребности производств с температурой дымовых газов ниже 300°С. Если используется повторный нагрев дымовых газов с последующим процессом денитрификации, это приведет к увеличению потребления энергии. Использование низкотемпературной денитрификации SCR может поместить процесс денитрификации после удаления пыли или процесса десульфурации, чтобы уменьшить износ и отравляющее действие сажи на катализатор, избежать повторного нагрева дымовых газов, и, таким образом, повысить энергоэффективность и сократить эксплуатационные расходы. Поэтому очень важно изучить характеристики эффективных катализаторов низкотемпературной денитрификации для промышленности низкотемпературной денитрификации.

2. Направление исследований и разработок
низкотемпературных катализаторов. Трудности низкотемпературных катализаторов денитрификации.
(1) Низкая активность денитрификации: активность катализатора денитрификации обычно снижается по мере снижения температуры дымовых газов, а когда температура ниже 200 ℃, существующая активность низкотемпературного катализатора низка, что приведет к снижению эффективности денитрификации, а также приведет к к проблемам вторичного загрязнения, таким как утечка аммиака сверх нормы;
(2) Плохая эффективность защиты от отравления серой: SO2 и SO3 в дымовых газах будут реагировать с активными частицами катализатора, что приведет к уменьшению количества активных частиц и ухудшению характеристик денитрификации.
(3) Серьезное отравление засорением: SO2 в дымовых газах, образующийся при окислении SO3, будет реагировать с NH3 с образованием солей сернистого аммония, которые будут прилипать к поверхности катализатора, вызывая покрытие активного участка катализатора, а соли сернистого аммония будут дополнительно адсорбировать летучую золу в дымовых газах, усугубляя закупорку и приводя к быстрой дезактивации катализатора.
(4) Плохая переносимость водяного пара: во время низкотемпературной СКВ-денитрификации водяной пар, присутствующий в дымовых газах, может влиять на эффективность денитрификации катализатора посредством взаимодействующих реакций физической конкурирующей адсорбции и хемосорбции.
Катализаторы низкотемпературной денитрификации SCR все еще находятся на стадии исследований с точки зрения селективного катализа, срока службы, стабильности работы и каталитического эффекта. Во время исследований SO2 и водяной пар оказывают определенное токсическое воздействие на катализаторы, и стойкость катализаторов к SO2 и водяному пару может быть улучшена за счет улучшения методов приготовления катализатора и выбора подходящих активных ингредиентов катализатора и носителей. Следовательно, необходимы углубленные исследования для проведения низкотемпературных катализаторов денитрификации СКВ в отношении стойкости к водяному пару и SO2.

3. Ход исследования низкотемпературного катализатора группой Центра технологий защиты окружающей среды Пекинского научно-исследовательского института низкоуглеродной чистой энергии (Low Carbon Institute) Национальной энергетической группы.
Исследователи Low Carbon Institute впервые обнаружили кислотный эффект молекулярного сита на окислительно-восстановительные характеристики активного компонента и раскрыли механизм низкотемпературной реакции с участием «двойного активного центра» активных и кислотных центров, который был опубликован в поджурнале Nature. Химия коммуникаций. Результаты этого исследования были опубликованы в поджурнале Nature Communications Chemistry.

В настоящее время более 60% угольных установок в Китае работают при низкой нагрузке, а температура дымовых газов часто ниже 300°C, когда денитрифицирующая активность катализаторов VW-Ti низкая. Таким образом, разработка катализаторов денитрификации с высокой активностью при низкой температуре (<300 ℃) важна для поддержки угольных электростанций в достижении полной денитрификации с глубоким пиковым выходом новой энергии. Также широко востребована технология низкотемпературной денитрификации для очистки дымовых газов в неэлектрических областях.

Оксиды марганца являются широко используемым активным компонентом катализаторов низкотемпературной денитрификации. Обычно считается, что MnO2 обладает высокой низкотемпературной денитрифицирующей активностью, тогда как Mn2O3 обладает наилучшей селективностью по N2. Как сбалансировать денитрифицирующую активность и селективность одновременно, становится самой большой проблемой для молекулярного дизайна катализаторов денитрификации на основе марганца. Между тем, носитель мезопористого молекулярного сита из чистого кремния с высокой удельной площадью поверхности и богатой пористой структурой ограничивает его применение в катализе денитрификации из-за низкой кислотности.

В ответ на эти проблемы исследователи из группы денитрификации Института низкого углерода в сотрудничестве с исследователями из Центра чистой окружающей среды и энергетики Университета Гриффита, Австралия, провели расчеты термодинамики активных компонентов катализаторов на основе плотности. Теория заводнения (DFT) и инфракрасная характеристика in situ, а также исследовали процесс адсорбции реагентов на поверхности катализатора с помощью программного обеспечения для молекулярного моделирования VASP и впервые обнаружили, что кислотность молекулярных сит оказывает значительное влияние на активный механизм. также выявлена ​​низкотемпературная реакция с участием «двойных активных центров» активного и кислотного центров.

Руководствуясь этим механизмом реакции, исследователи использовали элементы Si и Al в летучей золе твердых угольных отходов для контролируемого синтеза мезопористых молекулярных сит Al-SBA-15 с различными скелетными отношениями Si/Al, а результаты Py-IR в сочетании с различными ЯМР-анализ показал, что легирование алюминием значительно улучшило кислотность молекулярного сита; а синергетический эффект кислот L и B эффективно регулировал рост активного компонента MnO. Было получено наиболее подходящее соотношение содержания MnO2 и Mn2O3.

Было обнаружено, что введение Al не только индуцировало кристаллическое превращение активного компонента MnOx, но также индуцировало размер его зерен и положение роста кристаллов с помощью XRD, XPS, NH3-TPD, HAADF-STEM и других методов аналитической характеристики. Результаты экспериментов показали, что летучее состояние марганца в катализаторе Fe-Mn/Al-SBA-15 более благоприятно для реакции NH3-СКВ.

Была протестирована денитрифицирующая активность катализаторов NH3-SCR, и было обнаружено, что катализаторы денитрификации, приготовленные Low Carbon Institute, имели как высокую конверсию NOx (≥90 %), так и хорошую селективность (≥86 %) при низких температурах (150–300°С). °С).