微波椰壳活性炭催化剂同时脱除燃煤烟气中NO_x、Hg~0的研究

发布时间：2017-07-07 00:16

  本文关键词：微波椰壳活性炭催化剂同时脱除燃煤烟气中NO_x、Hg~0的研究

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【摘要】：氮氧化物(NOx),是大气中常见的主要污染物之一,是我国“十二五”及今后相当长时期减排目标重点控制的大气污染物之一。气态汞(Hg0)因其全球迁移性和生物危害性,已成为全球广泛关注的大气环境污染物之一。我国是能源消耗大国,随着现代工业的发展,煤炭能源在我国结构中长期占一次能源消费总量的比例接近甚至高于75%。我国以煤为主的能源结构决定了我国大气污染的特征为燃煤烟气型污染。燃煤烟气中所包含的大量氮氧化物(NOx)、二氧化硫(SO2)、Hg等污染物,会造成严重的环境污染问题。在大多数燃煤电厂中,一般先采用石灰石湿法将高浓度SO2进行脱除,然后再对尾气进行脱硝除尘处理。现应用最广的SCR技术工艺成熟,效率高,应用广泛,但存在反应温度高(一般在450℃左右)等问题。考虑到我国燃煤电厂多数配有SCR装置的现状,并受到选择性催化氧化气态汞技术的启发,本研究尝试将目前应用最为成熟的SCR脱硝技术与催化氧化汞技术相结合,提出了低温条件下同时脱除燃煤烟气中硝汞的思路,在保证原有脱硝的高性能前提下,同时实现低温条件下气态汞的催化脱除。本文针对催化剂制备条件(载体、活性组分、负载量、焙烧温度)和反应条件等对同时脱硝脱汞的影响进行了评价,尝试制备出一种性能稳定、高效的低温脱硝脱汞催化剂,并通过借助比表面积(BET)、X晶格射线衍射(XRD)、NH3程序升温脱附(NH3-TPD)、CO脉冲化学吸附(CO chemisorption)、原位漫反射傅里叶变换红外光谱(in suit-DRIFTS)等表征手段尝试对材料的结构、表面特性以及可能的反应机理进行探索分析。本研究实验所模拟烟气总流量为500mL/min,613.5mg/m3 (500ppm) NO, 25-35μg·m-3 Hg,417.2 mg/m3 (600ppm) NH3,3%O2, N2作为平衡气,体积空速为30000h-1。首先通过考察不同载体、活性组分、Cu负载量,Cu前驱体、焙烧温度等因素来确定最佳的催化剂制备工艺。通过六种不同载体催化活性的比较,选定微波椰壳活性炭(MCSAC)作为本研究的催化剂载体。不同金属改性催化剂所表现出的催化活性表明,Cu改性的MCSAC催化剂具有最佳的脱硝效率。考察的五种不同Cu负载量中,脱除效率随着Cu负载量的增加先增大后减小,15%为最佳Cu负载量：在200-225℃反应温度范围内,其脱硝率为75.7%,脱汞率为64.9%,其N20的生成量均低于55ppm,其N2选择性大于60%。焙烧温度对脱除效果的影响较为复杂,温度过低和过高都不利于催化剂的活性,最佳焙烧温度为400℃。在确定Cu/MCSAC催化剂的最佳制备条件之后,为了提高其脱硝率、脱汞率及N2选择性,本研究对进行了双组份负载的考察。通过对第二金属种类、负载量及前驱体等方面的筛选来确定Cu/MCSAC催化剂最佳二次负载条件,得出了以下结论：通过Fe(NO3)3改性的15%Cu-5%Fe/MCSAC催化剂具有最佳的脱除效率,即在225℃时可达到脱硝率为86%,脱汞率为61%,N20生成量低于55ppm(N2选择性大于76%)。研究中考察了氨氮比、02浓度、反应空速、H20和SO2的添加等工艺参数对于Cu-Fe/MCSAC催化剂低温同时脱硝脱汞活性的影响。研究发现优选NH3/NO摩尔比1.2为Cu-Fe/MCSAC催化剂低温同时脱除硝汞实验的氨氮比；本研究所选O2浓度为3%；随着空速的增大,NO和Hg0的脱除效率逐渐下降。空速为20000h-1和70000h-1时,其在225℃下脱硝率分别为90%、74%,脱汞率分别为66%、44%,N20生成量分别为70ppm、89ppm,综合起来优选空速为30000h-1。抗水抗硫综合实验结果如下：反应正常进行30min后,脱硝率稳定在88%左右,脱汞率稳定在60%左右,N20生成量在76ppm左右(N2选择性为62%)。开始通入H20与802后,脱硝率降为54%,脱汞率降为42%。在反应120min后停止通入H20与S02,催化剂活性有一定的恢复,脱硝率恢复至79%,脱汞率恢复为44%,N20生成量降为55ppm(N2选择性为40%)。在H20与SO2通入后Cu-Fe/MCSAC催化剂出现了一定程度的中毒现象。与此同时,综合in suit-DRIFTS等表征结果和对比试验结果分析,研究认为在Cu-Fe/MCSAC催化剂同时脱硝脱汞的反应中,在催化剂表面先发生NO、NH3和Hg0的吸附,吸附后的NO随即与O2反应生成N02,进而被氧化为亚硝酸盐或硝酸盐。然后吸附态NH3和亚硝酸盐或硝酸盐反应生成N2、吸附态Hg0与O2反应生成HgO,从而导致了NOx和Hg0的脱除。
【关键词】：燃煤烟气 微波椰壳活性炭 氮氧化物 零价汞 选择性
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：X701;O643.36
【目录】：

• 摘要6-9
• Abstract9-15
• 第一章 绪论15-19
• 1.1 研究背景及意义15-17
• 1.2 课题研究内容17-19
• 第二章 文献综述19-29
• 2.1 NO_x和Hg~0的性质、来源及危害19-20
• 2.2 燃煤烟气脱硝技术现状20-23
• 2.2.1 选择性催化还原脱硝技术20-21
• 2.2.2 选择性催化氧化脱硝技术21
• 2.2.3 选择性非催化还原脱硝技术21-22
• 2.2.4 微生物脱硝技术22
• 2.2.5 其他脱硝技术22-23
• 2.3 燃煤烟气脱汞技术现状23-25
• 2.3.1 吸附脱汞技术23
• 2.3.2 液相吸收脱汞技术23-24
• 2.3.3 催化氧化脱汞技术24
• 2.3.4 其他脱汞技术24-25
• 2.4 燃煤烟气同时脱硝脱汞技术研究现状与进展25-27
• 2.4.1 分子筛类催化剂25-26
• 2.4.2 炭基载体类催化剂26
• 2.4.3 金属氧化物类催化剂26-27
• 2.5 本章小结27-29
• 第三章 实验方法与装置29-37
• 3.1 实验系统、用品及方案设计29-33
• 3.1.1 实验系统29-31
• 3.1.2 实验气体及试剂31-32
• 3.1.3 实验方案32-33
• 3.2 催化剂制备33-34
• 3.3 同时脱硝脱汞催化性能评价34-35
• 3.3.1 催化剂的评价指标34
• 3.3.2 催化剂活性评价34-35
• 3.4 催化剂的表征35-37
• 3.4.1 BET35
• 3.4.2 XRD35-36
• 3.4.3 NH_3-TPD36
• 3.4.4 CO脉冲化学吸附36
• 3.4.5 TG-DTA36
• 3.4.6 in situ-DRIFTS36-37
• 第四章 Cu/MCSAC催化剂同时脱硝脱汞性能研究37-55
• 4.1 载体材料对催化剂同时脱硝脱汞性能的影响37-41
• 4.2 金属氧化物对催化剂同时脱硝脱汞性能的影响41-43
• 4.3 铜负载量对催化剂同时脱硝脱汞性能的影响43-47
• 4.4 铜前驱体对催化剂同时脱硝脱汞性能的影响47-48
• 4.5 焙烧温度对催化剂同时脱硝脱汞性能的影响48-52
• 4.6 本章小结52-55
• 第五章 Cu-Fe/MCSAC催化剂同时脱硝脱汞性能研究55-63
• 5.1 二次负载活性组分对Cu-Fe/MCSAC催化剂同时脱硝脱汞性能的影响55-57
• 5.2 铁负载量对Cu-Fe/MCSAC催化剂同时脱硝脱汞性能的影响57-59
• 5.3 铁前驱体对Cu-Fe/MCSAC催化剂同时脱硝脱汞性能的影响59-60
• 5.4 本章小结60-63
• 第六章 Cu-Fe/MCSAC催化剂同时脱硝脱汞工艺条件优化及机理分析63-79
• 6.1 烟气组分对同时脱硝脱汞性能的影响63-66
• 6.1.1 NH_3/NO比对同时脱硝脱汞性能的影响63-65
• 6.1.2 氧气浓度对同时脱硝脱汞性能的影响65-66
• 6.2 反应空速对同时脱硝脱汞性能的影响66-68
• 6.3 15%Cu-5%Fe/MCSAC催化剂抗水抗硫性能研究68-73
• 6.3.1 15%Cu-5%Fe/MCSAC催化剂抗水性能研究68-70
• 6.3.2 15%Cu-5%Fe/MCSAC催化剂抗硫性能研究70-71
• 6.3.3 15%Cu-5%Fe/MCSAC催化剂抗水抗硫性能研究71-73
• 6.4 Cu-Fe/MCSAC催化剂同时脱硝脱汞的反应机理探索73-77
• 6.5 本章小结77-79
• 第七章 结论与展望79-83
• 7.1 结论79-81
• 7.2 创新点81-82
• 7.3 展望82-83
• 致谢83-85
• 参考文献85-95
• 附录A 攻读硕士学位期间的成果95-97
• 附录B 攻读硕士学位期间获得的奖励97-98
• 附录C 攻读硕士学位期间参与的项目98

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