活性炭及其負載金屬氧化物脫除SO2的基礎研究.pdf

1、活性炭(AC)作為催化劑和吸附劑，在工業(yè)領域廣泛使用，近年來以活性炭為基礎的SO2，NOx控制技術引起了研究者的持續(xù)關注，一方面是由于日益嚴格的排放法規(guī)，另一方面活性炭可以富集SO2來實現(xiàn)硫資源的有效回收。此外，干法脫除的優(yōu)點，使其非常適用于缺水地區(qū)的電廠，因而發(fā)展適于中國國情的活性炭SO2，NOx脫除技術顯得尤為緊迫?；跈C理探索與放大驗證相結合的試驗方法，本文對活性炭脫除SO2進行了系統(tǒng)性研究，在試驗的基礎上，建立了相關的數(shù)學模型并

2、對經(jīng)濟性進行了評估。此外著眼于同時脫除NOx，對負載金屬氧化物的活性炭低溫下選擇性催化還原NOx(SCR)也進行了研究，以下是本文的主要結論：
　　首先，活性炭的物理化學性質與其制備原料有關，對于生物質原料(椰殼)制成的活性炭，表面形成的含氧官能團以羧酸，酚，羰基，醌為主；對于煤質活性炭，表面含氧官能團以內酯，酚，羰基，醌為主；生物質原料的添加對于孔隙結構的發(fā)展有促進作用。另一方面，這些物理化學結構與脫硫密切相關，影響著飽和吸附量

3、，抗氧化性與機械強度。發(fā)達的孔隙結構對于樣品的飽和吸附量有促進作用，比表面積相比總孔容，對吸附量影響更大；而炭表面分解產(chǎn)物為CO2的官能團對吸附量的增加有抑制作用.對樣品的抗氧化性研究表明，樣品的初始氧化溫度(PIO)與自燃溫度(SIT)是兩個同等重要的參數(shù)，由于Ce，Cu，V的氧化物的催化作用，能使樣品的SIT值與PIO值降低100℃以上.樣品機械強度與孔隙結構有關，一些大孔形成了天然裂紋導致了結構強度的下降。
　　針對影響活性

4、炭脫硫的運行參數(shù)，重點關注了與脫硫密切相關的三個因素：空速，煙氣組成與再生.研究發(fā)現(xiàn)空速與活性炭的穿透時間成反比，這主要歸因于反應時間的增加；O2與H2O能夠促進脫硫，延長穿透時間并增加吸附量；SO2濃度的升高對于脫硫有不利影響.在試驗條件下觀察到的變化趨勢與前人文獻報道的一致，表明之前建立的脫硫反應步驟在超高濃度SO2條件下仍然適用.再生后的脫硫測試表明脫硫效率，吸附量有明顯的降低；再生后活性炭表面發(fā)生了氧化，分解產(chǎn)物為CO的官能團占

5、據(jù)了活性位，導致了活性炭吸附量的下降；除了化學性質的改變，再生也會導致炭的燒蝕，改變物理性質。
　　對活性炭負載金屬氧化物進行了系統(tǒng)研究，揭示了其促進脫硫脫硝的機理.基于不同的理化特性，提出了金屬氧化物增強SO2脫除的反應路徑，即催化氧化，直接反應和吸附，這一分類以金屬氧化還原對的標準還原電勢為判據(jù).試驗表明金屬的催化氧化作用對SO2的脫除至關重要，在所測試的金屬中，含V，Ce，F(xiàn)e和Cu的樣品表現(xiàn)出較好的SO2脫除效果，源于它們

6、的催化性能；金屬在脫硝中的不同表現(xiàn)依然可以歸因于金屬氧化還原對的標準還原電勢，含V，Ce和Cu的樣品表現(xiàn)出良好的催化還原NO效果，而Fe與Ni增強了NO的吸附而不是還原，Mn與Co則表現(xiàn)出負的效應.金屬陽離子能夠自由在兩個價態(tài)間轉換對于同時具有良好的SO2與NO脫除效果至關重要，如V和Cu；在所調查的金屬中，由于高的脫硝活性和無毒的性質，Ce非常有希望取代V作為脫硝活性組分。
　　以篩選出的含釩活性炭為研究對象，揭示了NO2低溫下

7、促進脫硝的機理。研究發(fā)現(xiàn)微孔非常有利于NO2的吸附，NO2在炭表面形成-C(ONO2)復合結構；含釩活性炭的NOx的脫除測試表明，低溫下NH3還原NOx的轉化率隨著NO2/NOx比率的增加而增加，在150℃表現(xiàn)的尤為明顯，隨著反應溫度的升高，NO2向NO轉化增加，使得NOx轉化率的增加受到抑制。為了解釋觀察到的現(xiàn)象，提出了活性炭參與的NO2-SCR反應，在這一過程中，活性炭替代NO將NO2與NH3反應生成的NH4NO3還原為N2。

8、>　　建立了活性炭中試試驗臺，驗證機理探索結果的同時，重點考察了反應熱效應對于脫硫的影響。研究表明SO2的吸附是導致床層溫升的主要原因，采用移動床，增加活性炭循環(huán)，能夠降低床層溫度，改善溫度的不均勻分布，同時對床層壓降沒有顯著的影響；強制冷卻系統(tǒng)能夠有效降低局部熱點熱量的傳遞，由于局部熱點形成后的溫升主要是由于活性炭與氧氣反應放熱造成的，因此局部熱點的散熱只能依靠冷卻系統(tǒng)，保持煙氣通過只會帶來參與反應的氧氣，短暫降低溫度后，熱點溫度會急

9、劇升高。
　　建立了考慮內外擴散影響的SO2脫除模型，并通過一些假設，求得了模型的漸近解，模型預測的結果與試驗數(shù)值較為吻合，驗證了模型的可靠性。通過對模型參數(shù)的討論，我們發(fā)現(xiàn)在試驗范圍內，當界面?zhèn)髻|系數(shù)km≥0.0215m/s時，可以忽略外擴散的影響，當Deff≥3.84×10-5m2/s時，可以忽略內擴散的影響。針對某一工業(yè)化系統(tǒng)，分析了活性炭脫硫的經(jīng)濟性，分析結果表明采用不同的活性炭再生方法，對于SO2的脫除成本影響很大，對于