1. Lời nói đầu
Với việc không ngừng thúc đẩy các chiến lược quốc gia như tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu phát thải, công nghệ khử nitơ khí thải của các nhà máy nhiệt điện than đã dần trưởng thành. Tỷ trọng các ngành công nghiệp không sử dụng điện trong xử lý khí quyển ngày càng tăng, một số ngành thải ra khí thải có nhiệt độ thấp như luyện cốc, xi măng, thủy tinh, lò hơi công nghiệp, đốt chất thải ... Vì vậy, việc nghiên cứu hiệu quả thấp công nghệ khử nitơ bằng nhiệt độ là một hướng quan trọng của quá trình khử nitơ hiện nay. Các chất xúc tác thương mại hiện nay chủ yếu là V2O5-WO3, MoO3 / TiO2, với TiO2 là chất mang, V2O5 là thành phần hoạt động và WO3 hoặc MoO3 là phụ gia hoạt tính. Việc bổ sung chất phụ gia hoạt tính giúp cải thiện hoạt tính ở nhiệt độ cao và thấp của chất xúc tác và ức chế hiệu quả sự xuất hiện của các phản ứng phụ. Tuy nhiên, chất xúc tác là chất xúc tác nhiệt độ trung bình-cao với cửa sổ nhiệt độ hoạt động là 300-400 ° C. Dưới hoặc trên phạm vi nhiệt độ này, hoạt tính khử nitơ của chất xúc tác bắt đầu giảm và quá trình khử hoạt tính bằng chất độc có thể đảo ngược / không thể đảo ngược xảy ra, điều này không thể đáp ứng nhu cầu của các ngành công nghiệp có nhiệt độ phát thải khí thải dưới 300 ° C. Nếu sử dụng quá trình hâm nóng khí thải sau quá trình khử nitơ, nó sẽ dẫn đến tăng tiêu thụ năng lượng. Sử dụng quá trình khử nitơ SCR ở nhiệt độ thấp có thể đặt quá trình khử nitơ sau quá trình khử bụi hoặc khử lưu huỳnh để giảm tác dụng mài mòn và nhiễm độc của muội than trên chất xúc tác, tránh làm nóng lại khí thải, và do đó nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng và tiết kiệm chi phí vận hành. Vì vậy, việc nghiên cứu tính năng của xúc tác khử nitơ ở nhiệt độ thấp hiệu quả cho ngành công nghiệp khử nitơ ở nhiệt độ thấp là rất quan trọng.

2. Xúc tác nhiệt độ thấp Hướng nghiên cứu và phát triển
Khó khăn của xúc tác khử nitơ ở nhiệt độ thấp.
(1) Hoạt tính khử nitơ thấp: hoạt tính của chất xúc tác khử nitơ thường giảm khi nhiệt độ khí thải giảm, và khi nhiệt độ dưới 200 ℃, hoạt tính của chất xúc tác ở nhiệt độ thấp hiện tại thấp, điều này sẽ làm cho hiệu suất khử nitơ không đạt tiêu chuẩn, và cũng dẫn đến các vấn đề ô nhiễm thứ cấp như amoniac thoát ra ngoài tiêu chuẩn;
(2) Hiệu suất chống ngộ độc lưu huỳnh kém: SO2 và SO3 trong khí thải sẽ phản ứng với các bit hoạt tính của chất xúc tác, dẫn đến giảm số lượng bit hoạt tính và giảm hiệu suất khử nitơ.
(3) Ngộ độc do tắc nghẽn nghiêm trọng: SO2 trong khí thải được tạo thành do quá trình oxy hóa SO3 sẽ phản ứng với NH3 tạo ra muối amoni lưu huỳnh, muối này sẽ bám vào bề mặt chất xúc tác, làm cho vị trí hoạt động của chất xúc tác bị che, và các muối amoni lưu huỳnh sẽ tiếp tục hấp phụ tro bay trong khí thải, làm trầm trọng thêm sự tắc nghẽn và dẫn đến vô hiệu hóa chất xúc tác nhanh chóng.
(4) Khả năng chịu hơi nước kém: Trong quá trình khử nitơ SCR ở nhiệt độ thấp, hơi nước có trong khí thải có thể ảnh hưởng đến hiệu quả khử nitơ của chất xúc tác thông qua các phản ứng can thiệp hấp phụ cạnh tranh vật lý và hấp phụ hóa học. Chất xúc tác khử nitơ SCR
nhiệt độ thấp vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu về xúc tác chọn lọc, tuổi thọ, độ ổn định hiệu suất và tác dụng của xúc tác. Trong quá trình nghiên cứu, SO2 và hơi nước có những ảnh hưởng độc hại nhất định đến xúc tác, và khả năng chịu hơi nước và SO2 của xúc tác có thể được cải thiện bằng cách cải tiến phương pháp điều chế xúc tác và lựa chọn hoạt chất xúc tác và chất mang phù hợp. Do đó, cần nghiên cứu sâu để thực hiện xúc tác khử nitơ SCR ở nhiệt độ thấp đối với tính kháng hơi nước và khí SO2.

3. Tiến độ nghiên cứu chất xúc tác nhiệt độ thấp của nhóm Trung tâm Công nghệ Bảo vệ Môi trường thuộc Viện Nghiên cứu Năng lượng Sạch Các bon Thấp Bắc Kinh (Low Carbon Institute) thuộc Tập đoàn Năng lượng Quốc gia
Các nhà nghiên cứu của Viện Carbon thấp lần đầu tiên phát hiện ra tác dụng có tính axit của sàng phân tử đối với hiệu suất oxy hóa khử của thành phần hoạt động và tiết lộ cơ chế của phản ứng ở nhiệt độ thấp liên quan đến "trung tâm hoạt động kép" của các vị trí hoạt động và có tính axit, được công bố trên tạp chí Nature subjournal Hóa học Truyền thông. Kết quả của nghiên cứu này đã được công bố trên tạp chí Nature subjournal Communications Chemistry.

Hiện nay, hơn 60% các đơn vị đốt than ở Trung Quốc đang ở mức tải thấp và nhiệt độ khí thải thường dưới 300 ° C, khi hoạt tính khử nitơ của xúc tác VW-Ti kém. Do đó, việc phát triển các chất xúc tác khử nitơ có hoạt tính cao ở nhiệt độ thấp (<300 ℃) là rất quan trọng để hỗ trợ các nhà máy nhiệt điện than đạt được quá trình khử nitơ toàn tải với mức năng lượng mới đạt đỉnh sâu. Ngoài ra, công nghệ khử nitơ ở nhiệt độ thấp cũng đang có nhu cầu lớn để làm sạch khí thải trong các lĩnh vực không sử dụng điện.

Các oxit mangan là một thành phần hoạt tính thường được sử dụng của các chất xúc tác khử nitơ ở nhiệt độ thấp. Người ta thường tin rằng MnO2 có hoạt tính khử nitơ ở nhiệt độ thấp cao, trong khi Mn2O3 có tính chọn lọc N2 tốt nhất. Làm thế nào để cân bằng hoạt tính khử nitơ và độ chọn lọc đồng thời trở thành thách thức lớn nhất đối với thiết kế phân tử của xúc tác khử nitơ dựa trên mangan. Trong khi đó, chất mang rây phân tử silic tinh khiết với diện tích bề mặt riêng cao và cấu trúc lỗ xốp phong phú hạn chế ứng dụng của nó trong xúc tác khử nitơ do tính axit thấp.

Để giải quyết những vấn đề này, các nhà nghiên cứu thuộc nhóm khử nitơ của Viện Carbon thấp, phối hợp với các nhà nghiên cứu từ Trung tâm Năng lượng và Môi trường Sạch của Đại học Griffith, Australia, đã tiến hành tính toán nhiệt động lực học của các thành phần hoạt động của chất xúc tác dựa trên mật độ lý thuyết ngập lụt (DFT) và đặc tính hồng ngoại tại chỗ, và nghiên cứu quá trình hấp phụ chất phản ứng trên bề mặt chất xúc tác bằng cách sử dụng phần mềm mô phỏng phân tử VASP, và lần đầu tiên nhận thấy rằng độ axit của rây phân tử có ảnh hưởng đáng kể đến hoạt động của cơ chế. của phản ứng nhiệt độ thấp liên quan đến "trung tâm hoạt động kép" của các vị trí hoạt động và có tính axit cũng được tiết lộ.

Được hướng dẫn bởi cơ chế phản ứng này, các nhà nghiên cứu đã sử dụng các nguyên tố Si và Al trong tro bay chất thải rắn than để tổng hợp có kiểm soát các sàng phân tử trung tính Al-SBA-15 với các tỷ lệ Si / Al dạng xương khác nhau, và kết quả của Py-IR kết hợp với các Các phân tích NMR cho thấy việc pha tạp Al đã cải thiện đáng kể tính axit của rây phân tử; và tác dụng hiệp đồng của axit L và B điều chỉnh hiệu quả sự phát triển của thành phần hoạt tính MnO Thu được tỷ lệ hàm lượng MnO2 và Mn2O3 thích hợp nhất.

Người ta thấy rằng sự ra đời của Al không chỉ gây ra sự biến đổi tinh thể của thành phần hoạt động MnOx, mà còn gây ra kích thước hạt và vị trí phát triển tinh thể của nó bằng XRD, XPS, NH3-TPD, HAADF-STEM và các phương pháp phân tích thử nghiệm đặc trưng khác. Các kết quả thí nghiệm cho thấy trạng thái bốc mùi của mangan trong xúc tác Fe-Mn / Al-SBA-15 thuận lợi hơn cho phản ứng NH3-SCR.

Hoạt tính khử nitơ NH3-SCR của các chất xúc tác đã được thử nghiệm, và người ta thấy rằng các chất xúc tác khử nitơ do Viện Cacbon thấp điều chế có cả độ chuyển hóa NOx cao (≥90%) và độ chọn lọc tốt (≥86%) ở nhiệt độ thấp (150-300 ° C).