Fe改性MnOx/TiO2催化剂脱硝协同氧化Hg0的抗硫氧化物中毒机制研究
批准号:
52106169
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
张世博
依托单位:
学科分类:
燃烧学
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
张世博
中文摘要
燃煤汞排放控制是当前我国生态环境保护战略的重要组成部分,采用MnOx/TiO2中低温SCR催化剂脱硝协同氧化脱除烟气中的Hg0是一种具有良好应用前景的汞减排方式。本项目针对MnOx/TiO2催化剂在抗硫性上存在的不足以及Fe改性对其抗硫性产生的改善效果,采用实验研究与理论计算相结合的方法,探究催化剂的SO2中毒失活机制、SO3对催化剂汞氧化效率的影响规律、以及富氧燃烧烟气下催化剂的抗硫性;分析在改性后催化剂上,Fe元素在硫氧化物参与的反应过程中所起的催化作用。深入揭示燃煤烟气中的硫氧化物对MnOx/TiO2脱硝协同汞氧化活性的影响机制,阐明Fe对催化剂在不同烟气下抗硫性的改性机制,掌握决定催化剂抗硫中毒性能的关键因素,形成“催化剂构型-烟气工况-抗硫性”的理论体系。项目的研究成果可为提高MnOx/TiO2在燃煤烟气下的抗硫性,实现其在中低温下脱硝协同脱汞的商业化应用提供科学依据与技术支撑。
英文摘要
Control of mercury emissions from coal combustion is an important part of the ecological environment protection strategy of China. Utilizing the medium-low temperature SCR catalyst of MnOx/TiO2 to oxidize elemental mercury in coal combustion flue gas synergistically while removing NO is a Hg emission reduction approach with bright application prospects. This project aims at the defect of the MnOx/TiO2 catalyst in sulfur resistance and the improvement effect on the sulfur resistance by Fe modification. Through the research method of combining experiment and theoretical calculation, the poisoned inactivation mechanism of SO2 on the MnOx/TiO2 catalyst, influence rule of SO3 on Hg0 oxidation efficiency of the catalyst, and the sulfur resistance of the catalyst under oxy-fuel combustion flue gas will be explored. On the modified catalyst, the catalysis of element Fe in the reaction process with sulfur oxides participating will be analyzed. As a result, the influencing mechanisms of sulfur oxides on the NO removal and synergistic Hg0 oxidation activity of MnOx/TiO2 will be revealed in depth. The modification mechanisms of Fe on the sulfur resistance of the catalyst in different flue gases will be clarified. The key determining factors of the modification effect of Fe on the sulfur tolerance will be grasped. A theoretical system of “catalyst configuration - flue gas condition - sulfur resistance” will be formed. The research achievements of the project will supply scientific basis and technical support for improving the sulfur resistance of the MnOx/TiO2 catalyst under coal-fired flue gases, thereby realizing the commercial application of the catalyst for NO and synergistic Hg removal in the condition of medium-low temperature.
汞(Hg)是一种具有剧毒性、强挥发性和生物累积性的污染物,对生态环境和人类健康构成严重威胁。燃煤是主要的人为汞排放源,约占全球汞排放总量的四分之一,控制燃煤过程的汞排放至关重要。MnOx/TiO2是一种具有良好脱硝协同脱汞活性的低温SCR(选择性催化还原)催化剂,能够氧化脱除燃煤烟气中的单质汞(Hg0),然而,MnOx/TiO2催化剂存在抗硫性不足的技术瓶颈,烟气中的硫氧化物会显著影响其催化效率。本项目通过实验和理论计算探究了MnOx/TiO2等Mn基催化剂的低温催化性能及汞氧化反应机理,研究了硫氧化物(SO2和SO3)对Fe改性前后MnOx/TiO2催化剂的Hg0脱除性能的影响。研究结果表明,MnOx/TiO2催化剂表面的汞氧化反应服从Langmuir-Hinshelwood机理,反应过程中较高的反应速率常数和反应物吸附常数及较低的表观活化能证明了催化剂良好的低温催化性能;SO2会对催化剂在燃煤烟气中的脱硝和汞协同氧化效率产生明显抑制作用,且温度越低,抑制作用越明显;SO3在200℃以下的温度范围显著抑制催化剂的汞氧化效率,同时,H2O的存在会加剧SO3的抑制作用,当温度升高至250℃以上时,SO3对汞氧化的抑制作用减弱并逐渐转变为促进作用;采用Fe对MnOx/TiO2催化剂改性能够明显改善SO2和SO3对汞氧化活性的影响,Fe-MnOx/TiO2催化剂在含有SO2和SO3的燃煤烟气中的汞氧化效率维持在较高水平且保持良好稳定性。MnO2是MnOx/TiO2催化剂的主要活性组分,SO2和SO3在MnO2表面的吸附均属于化学吸附,吸附态的SO2和SO3与Hg0在其占据和相邻活性位点上形成竞争吸附,且吸附后与表面原子结合形成MnSO4,导致催化剂失活;Hg0向HgSO4转化需要克服较大反应能垒,即Hg0被SO3氧化生成HgSO4需要较高反应温度,实验与量子化学计算结果保持一致,该反应过程从能量上倾向于通过Hg0→HgO→HgSO4的路径完成,即HgO作为反应的中间体。本项目揭示了硫氧化物对MnOx/TiO2催化剂脱硝协同氧化脱汞活性的影响机理及Fe对催化剂抗硫性的改性机理,研究结果能够为定向设计和优化催化剂以提高其抗硫性,实现MnOx/TiO2低温SCR催化剂在燃煤烟气中脱硝协同脱汞的商业化应用提供科学指导与技术支撑。
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