图 1
实验装置示意图
Figure 1.
Schematic diagram of the experimental equipment
引用本文:
宋永吉, 王婷, 赵玉, 李翠清, 王虹, 任晓光. M-Y/AC催化剂同时脱硫脱硝性能研究[J]. 燃料化学学报,
2016, 44(9): 1112-1118.
Citation: SONG Yong-ji, WANG Ting, ZHAO Yu, LI Cui-qing, WANG Hong, REN Xiao-guang. Desulfurization and denitrification performance of M-Y/AC catalysts[J]. Journal of Fuel Chemistry and Technology, 2016, 44(9): 1112-1118.
Citation: SONG Yong-ji, WANG Ting, ZHAO Yu, LI Cui-qing, WANG Hong, REN Xiao-guang. Desulfurization and denitrification performance of M-Y/AC catalysts[J]. Journal of Fuel Chemistry and Technology, 2016, 44(9): 1112-1118.
M-Y/AC催化剂同时脱硫脱硝性能研究
English
Desulfurization and denitrification performance of M-Y/AC catalysts
Abstract:
The catalysts M-Y/AC were prepared by incipient-wetness impregnation method and characterized by XRD, H2-TPR and BET analysis. The experiments of simultaneous removal for SO2 and NO over M-Y/AC catalyst were conducted in a fixed bed reactor using CO as reducing gas. Ni-Y/AC catalyst shows an excellent desulfurization and denitration performance. As the catalyst is loaded with 0.5% of Ni and 6% of Y, the t90 of SO2 and NO removal in the absence of oxygen is 370℃ and 360℃, respectively.
-
Key words:
- desulfurization and denitrification
- / AC
- / CO
- / Y2O3
-
在传统的脱硫技术中，湿法脱硫应用最为广泛，但是其能耗较高、设备复杂且会产生水污染；脱硝技术中，应用最多的是SCR技术，也存在氨气泄漏造成的二次污染问题[1]。烟气干法同时脱硫脱硝相对于它们减少了设备的重复配制，节省占地面积，减少投资及运行费用，同时可以避免二次污染[2, 3]，是一项很有应用前景的控制SO2和NO排放的技术手段[4-6]。随着2014年《煤电节能减排升级与改造行动计划》的发布，要求在6%含氧量条件下，SO2和NOx的排放浓度分别不高于35、50mg/m3，因此，脱硫和脱硝技术又迎来了新的挑战。同时脱硫脱硝作为一种新的控制SO2和NOx排放技术，也应该加大理论研究，为工业应用提供更多的理论依据。
目前的干法脱硫脱硝催化剂中，CuO/γ-Al2O3受到了人们的关注[7-9]，其可在350-400℃达到同时脱除SO2和NO的效果，但是还原气体NH3仍然会带来氨气泄漏的问题。
此外，稀土催化剂的同时脱硫脱硝性能也被广泛的研究[10-13]。其还原气体一般为CO，脱硫和脱硝率均可达到90%以上。这虽然解决了气体二次污染的问题，但是反应温度较高，基本为500℃以上，如：王磊等[10]研究了Ce、La、Nd等10多种稀土氧化物，反应温度均高于500℃；胡辉等[11]研究了γ-Al2O3负载La和Ce双组分催化剂在550℃催化效果才能达到90%以上。而如果按照SCR反应器布置的结构来看，反应器一般处于省煤器和空气预热器之间，而这里的温度一般为300-400℃，500℃的催化剂使用温度，明显高于此段的温度，因此，需要用换热器或燃烧器来提高烟气温度，这就增加了能耗和运行费用。
研究采用CO作为还原气体，它可以避免SCR系统中的氨泄漏问题，而且在排放出的烟气中本身就含有大量的CO，因此，烟气中的CO可以被重新利用。
用活性炭作为催化剂的载体可以给催化剂提供一个还原环境，因为活性炭是具有还原性的，在研究结果中可以看出，活性炭作为载体，使催化剂的温度显著降低，可以达到300-400℃。
1 实验部分
1.1 催化剂的制备
催化剂载体用果壳制成的活性炭(分析纯，天津市化学试剂三厂)；钇源采用硝酸钇(分析纯，国药集团化学试剂有限公司)；镍源采用硝酸镍(分析纯，天津市光复科技发展有限公司)；铝源采用硝酸铝(分析纯，天津市光复精细化工研究所)；钼源采用钼酸铵(分析纯，天津市光复科技发展有限公司)；对载体采用HNO3(分析纯，北京化工厂) 进行预处理。
催化剂采用等体积浸渍制备，先将载体处理成20-40目，测定载体的饱和吸水率，量取一定量的去离子水，按计算量称取需要的活性组分，将其溶解到去离子水中，搅拌均匀，将称量好的活性炭加入到此溶液中，室温下浸渍12h，然后于110℃干燥12h，最后置于具有氮气保护的旋转焙烧炉中于500℃焙烧4h，催化剂制备完毕。其中，Mo-Y/AC的制备采用先浸渍Mo，后浸渍Y的方法制备而成。制备的催化剂为1%M-6%Y/AC (M为Ni、Al、Mo) 及x%Ni-6%Y/AC (x=0.5、1、2、3、4、5、10)，以下用M[1]-Y[6]/AC、Ni[x]-Y[6]/AC表示，质量分数指的是占催化剂载体的质量分数。
1.2 催化剂的表征
1.3 SO2+NO+CO的活性评价
图 1为实验装置示意图。在常压固定床反应器上考察了催化剂对SO2+NO+CO的反应活性，评价过程中控温过程采用程序升温，在0-250℃只含有升温过程，升温速率为5℃/min；在250-500℃有升温过程和恒温过程，升温过程的升温速率为2℃/min，恒温过程为每10℃恒温30min。反应气体体积配比为：SO2 0.1%、NO 0.05%、CO 0.27%、其余为N2。
图 1
实验装置示意图
Figure 1.
Schematic diagram of the experimental equipment
SO2和NO的转化率按照以下公式计算：
1.2.1 程序升温还原
H2-TPR采用美国Micromeritics的Chemisorb-2750，催化剂用量100mg，粒径为20-40目，在N2气氛下200℃预处理30min，N2流量为20mL/min，冷却至室温，在还原气氛(10%H2/90%N2) 中进行还原，流量为20mL/min，温度为50-800℃，升温速率为10℃/min。
1.2.2 X射线衍射
XRD分析采用德国Bruke公司D8-focus衍射分析仪，采用Cu Kα为射线源(λ=0.15418nm)，工作电压和电流分别为40kV和30mA，15°-80°扫描，扫描速率为4(°)/min。
2 结果与讨论
2.1 晶型结构分析
2.2 催化剂同时脱硫脱硝活性
2.3 催化剂的耐氧性
由以上研究可以看出，M-Y/AC催化剂在无氧条件下具有较好的脱硫脱硝效果，但是由于实际烟气中存在2%-6%的氧气，而催化还原法脱硫脱硝在还原气氛下才能进行，所以O2的存在将会对M-Y/AC的催化还原反应产生影响。因此，探讨O2的存在对反应过程的影响十分必要。研究设计了如下反应，用Ni[10]-Y[6]/AC和Ni[0.5]-Y[6]/AC做催化剂，在550℃硫化2h，然后温度稳定在400℃，考察有氧条件下催化剂的脱硫脱硝活性。
图 12为氧气对Ni-Y/AC同时脱硫脱硝的影响。由实验中，0-60min全程通入NO+SO2+CO，20-60min通入3%O2。由图 12可知，在无氧的条件下，Ni[10]-Y[6]/AC和Ni[0.5]-Y[6]/AC都表现出了很高的脱硫脱硝活性，最高脱硫脱硝率均超过98%。但是，当体系中通入氧气后，短时间内，NO和SO2的转化率显著下降。其中，NO的转化率虽然下降，但最低转化率也能达到20%以上；而SO2的转化率却出现了负值。且Ni[10]-Y[6]/AC的SO2的转化率比Ni[0.5]-Y[6]/AC的SO2的转化率小的多，这可能是由于催化剂对SO2的脱附造成，Ni[10]-Y[6]/AC的活性位多，因此，脱附的SO2较多。由图 13中催化剂的XRD谱图可以看出，通入氧气后催化剂的状态发生改变，因而催化剂的催化活性降低，在Ni[10]-Y[6]/AC催化剂中，NiS2晶型消失，而且出现了新的NiO的晶型，NiS依然存在。在催化剂Ni[0.5]-Y[6]/AC中，Y2O2S和Y2O3的峰的相对强度也发生了明显的改变，通入O2后的催化剂中Y2O3的峰相对强度明显增强，但是由于Ni负载量过低，并不能看出Ni化合物的变化。研究可看出O2对催化效果具有显著的抑制作用。
图 12
氧气对Ni-Y/AC同时脱硫脱硝的影响
Figure 12.
Effects of O2 on the NO and SO2 conversion over Ni-Y/AC catalyst for CO+SO2+NO system
图 13
Ni-Y/AC通入氧气反应后的XRD谱图
Figure 13.
XRD patterns of the catalysts Ni-Y/AC catalyst for CO+SO2+NO+O2 system
因此，催化剂需要在无氧环境下才能表现出优良的催化效果。然而实际烟气中存在氧气，要解决其对催化剂的影响，可以通过对本系列催化剂结构调整改进其耐氧气性能，另一种途径是从工艺上先消除氧气，比如可在脱硫脱硝反应前增加碳的不完全燃烧反应，产生的CO正好用于催化转化的还原反应。
2.1.2 Ni不同负载量的Ni[x]-Y[6]/AC
图 3
Ni[x]-Y[6]/AC催化剂的XRD谱图
Figure 3.
XRD patterns of the catalysts Ni[x]-Y[6]/AC
由图 3可知，在24.6°和43.7°左右出现了活性炭的两个包峰。此外，还检测到了44.3°、51.7°Ni的特征衍射峰(根据PDF#65-0380)，随着Ni负载量的增大可以很明显的看出，Ni的特征衍射峰在不断增强，特别是在Ni的负载量达到3%以后。这表明，随着Ni负载量增加，在催化剂上出现结晶结构。另外，在Ni的负载量达到4%以后，Y2O3的特征衍射峰逐渐消失，这说明Ni可以使Y2O3高度分散。
2.1.1 掺杂不同物质的M[1]-Y[6]/AC
图 2为掺杂了不同物质的M[1]-Y[6]/AC催化剂的XRD谱图。由图 2可知，在24.6°和43.7°左右出现的两个包峰是活性炭产生的，说明活性炭呈无定型结构。负载M-Y后，在29.1°、43.5°、48.5°、57.6°检测到了Y2O3的特征衍射峰(如图 2所示Y[6]/AC谱图，根据PDF#41-1105)，双组分的催化剂XRD谱图中未出现M的特征衍射峰，这表明M在催化剂上高度分散，可能由于M的含量仅为1%。对于Al-Y/AC和Mo-Y/AC，Y2O3的特征衍射峰分别向左和向右有所偏移，且峰强度减少，峰的位置移动说明晶胞参数发生了变化，这是掺入了其他的原子导致的结果。但是Ni-Y/AC中Y2O3的特征衍射峰基本不变，也就是说，Ni的加入对Y2O3晶型结构影响不大。
图 2
M-Y/AC催化剂的XRD谱图
Figure 2.
XRD patterns of the catalysts M-Y/AC
2.1.3 反应前后的Ni[10]-Y[6]/AC
图 4为新鲜的和反应后的Ni[10]-Y[6]/AC的XRD谱图。新鲜的催化剂是指制备完成后未经过脱硫脱硝反应的催化剂；反应后的催化剂是指将新鲜的催化剂进行活化并且完成评价过程后，将进气(SO2、NO、CO、N2) 切换为高纯氮气，让催化剂在氮气的气氛下降温至室温，然后再取样对其进行后续的表征，可以认为此方法获得的催化剂样品基本上可以保持催化剂在反应条件下的氧化状态。由图 4可知，反应前后催化剂的活性组分发生了变化，反应前的主要物质为Ni (根据PDF#65-0380)，这与刘金红等[14]的研究结果相同，说明在焙烧条件500℃下，氧化镍在活性炭的促进作用下已经部分还原为金属镍，未还原的氧化镍单层分散在活性炭表面，因而不出峰。反应后出现Y2O2S、NiS、NiS2晶相。根据PDF#65-3419，在22.8°、26.7°、36.5°、48.2°检测到了NiS的特征衍射峰；根据PDF#65-3325，在31.5°、35.3°、45°、53.5°检测到了NiS2的特征衍射峰；根据PDF#24-1424，在48.0°、49.9°检测到了Y2O2S的特征衍射峰。因此，活性组分由金属或金属氧化物变为硫化物。
图 4
Ni[10]-Y[6]/AC催化剂反应前后的XRD谱图
Figure 4.
XRD patterns of Ni[10]-Y[6]/ACbefore and after reaction
2.2.1 催化剂的活化实验
图 5为硫化对Ni[0.5]-Y[6]/AC同时脱硫脱硝影响，硫化条件为，在SO2+CO+N2气氛下，于550℃下反应2h。由图 5可知，硫化后催化剂的脱硫效果和脱硝效果明显提高。而且XRD表征结果可以看出，硫化物才是真正起到催化效果的活性组分。因此，在反应中，催化剂均经过硫化。
图 5
硫化对Ni[0.5]-Y[6]/AC同时脱硫脱硝影响
Figure 5.
Effects of sulfurization on the SO2 and NO conversion over Ni[0.5]-Y[6]/AC catalyst
2.2.2 M-Y/AC的催化活性评价
图 6、图 7为M[1]-Y[6]/AC (M为Ni、Al、Mo) 催化剂的脱硫脱硝活性。
图 6
M-Y/AC催化剂同时脱硫脱硝时脱硫活性
Figure 6.
SO2 conversion over M-Y/AC catalyst for CO+SO2+NO system
图 7
M-Y/AC催化剂同时脱硫脱硝时脱硝活性
Figure 7.
NO conversion over M-Y/AC catalyst for CO+SO2+NO system
由图 6可知，Ni和Al的加入促进了催化剂的脱硫活性，其脱硫效果比单组分Y[6]/AC的效果好。而Mo的加入使得催化剂的活性降低。由XRD谱图可知，Mo的加入使Y2O3的晶格结构发生变化，正是这一变化使催化剂的脱硫活性下降。而Al的加入虽然使Y2O3的晶格结构发生变化，但是这一变化并不影响催化反应的进行。在四种催化剂中，Ni[1]-Y[6]/AC的催化活性最佳，SO2的t90(转化率达到90%的温度，下同) 约为383℃，比Y[6]/AC降低24℃。
由图 7可知，Ni和Al的加入同样也促进了催化剂的脱硝活性，其脱硝效果比单组分Y[6]/AC的效果好。而Mo的加入使得催化剂的活性下降。因此，Mo的加入导致Y2O3晶格结构的变化使催化剂的脱硝活性下降，而Al的加入并不影响脱硝催化反应的进行。在四种催化剂中，Al[1]-Y[6]/AC和Ni[1]-Y[6]/AC催化活性较好，在280-500℃最高脱硝率都能达到100%左右，且NO的t90分别为370和378℃，比Y[6]/AC降低18和10℃。
图 8和图 9分别为M-Y/AC催化剂反应前和反应后的H2-TPR谱图。
图 8
M-Y/AC新鲜催化剂的H2-TPR谱图
Figure 8.
H2-TPR curves of fresh catalysts M-Y/AC
图 9
M-Y/AC反应后催化剂的H2-TPR谱图
Figure 9.
H2-TPR profiles of catalysts M-Y/AC after reaction
在脱硫脱硝的反应中，一般认为，反应遵循Redox反应机理或COS反应机理[15]。
Redox机理：
COS反应机理(以La为例)：
式中，[O]表示晶格氧，[]表示氧离子空穴，[S]表示晶格硫。反应中包含多个氧化还原过程，而对催化剂进行H2-TPR表征，能反映出催化剂的氧化还原性能，这样就能在一定程度上反映催化剂的活性。
对于反应前的催化剂，同Y[6]/AC催化剂的H2-TPR谱图相比，不同过渡金属的掺杂，对催化剂的还原峰的峰值温度及还原峰的面积影响不大，但是由图 8可知，Ni[1]-Y[6]/AC和Al[1]-Y[6]/AC的还原峰温度相对较低，因此，还原性较好，而且Ni[1]-Y[6]/AC还原峰的面积最大，因此，此催化剂中含有的活性物质最多，有利于催化剂的脱硫脱硝反应，这同催化剂的活性评价相符。
由图 9可知，反应后的催化剂还原峰面积均高于反应前，这是由于经过反应后，催化剂活性物质的状态已经发生改变，氧化态物质经过硫化变为硫化态和氧化态的混合物质，反应后的活性物质均比反应前增多。且Ni[1]-Y[6]/AC反应后在低温400℃出现了一个新的还原峰，这说明此催化剂具有比其他催化剂更优的催化性能。根据胡大为等[16]的研究，NiS的还原峰温度在800℃左右，较难被H2还原，但是在本研究中，未发现800℃的NiS还原峰，这说明存在NiS与活性炭及Y2O3的相互作用，使得催化剂的还原性发生改变，提高了催化剂的还原性能。
2.2.3 Ni-Y/AC的催化活性评价
图 10和图 11分别为Ni[x]-Y[6]/AC (x=0.1、0.5、1、2、3、4、10) 催化剂的脱硫脱硝活性。
图 10
Ni的负载量对Ni-Y/AC同时脱硫脱硝的脱硫影响
Figure 10.
Effects of Ni contents on the SO2 conversion over Ni-Y/AC catalyst for CO+SO2+NO system
图 11
Ni的负载量对Ni-Y/AC同时脱硫脱硝的脱硝影响
Figure 11.
Effects of Ni contents on the NO conversion over Ni-Y/AC catalyst for CO+SO2+NO system
由图 10和图 11可知，在Ni低负载量时(0.1-3)，Ni负载量的不同对其脱硫脱硝有一定的影响，NO的t90相差在10-20℃，SO2的t90相差在15-24℃。最高脱硫脱硝率均可达到100%。其中，Ni [0.5]Y[6]/AC的脱硫脱硝较好，SO2和NO的t90分别为370和360℃，且在考察温度范围内低温脱硫率在35%以上，脱硝率在60%以上，转化率均较高。
Ni负载量高的催化剂(4%、10%) 脱硫脱硝率均小于Ni负载量低的，Ni[10]-Y[6]/AC的脱硫脱硝效果最差。
通过对催化剂Ni[1]-Y[6]/AC和Ni[10]-Y[6]/AC进行比表面积测定，两者的比表面积分别为490和416m2/g。催化剂Ni[10]-Y[6]/AC的XRD谱图显示，催化剂已经明显地出现结晶结构。这表明，在高负载量下，由于活性组分的结晶或者结晶物造成的催化剂孔堵塞，使催化剂的比表面积减小，同时催化剂活性组分结晶会导致活性位减少，这又会引起反应气体进入催化剂活性中心的机会减小，从而使催化效果降低，催化温度升高。研究中Ni-Y/AC催化剂425-500℃时的脱硫率能达到100%，脱硫效果比单独的Y/AC好，而且根据胡大为等[16]的研究，单独的NiS在500℃时的脱硫率仅为10%左右。这说明两种活性物质的协同作用使催化剂有了较好的催化活性。当Ni负载量增加时，脱硫脱硝效果变差，说明两种活性组分的浓度需要维持在一定范围内。当Ni负载量增加时，NiS周围Y2O2S出现的几率变小，NiS出现的几率增加，两者不能达到良好的协同作用，因而催化温度升高。
3 结论
催化剂的XRD表征表明，Ni-Y/AC中Y2O3的特征衍射峰基本不变，其对Y2O3晶型结构影响不大；催化剂Ni-Y/AC中起到催化作用的活性物质为Y2O2S、NiS、NiS2。
催化剂的H2-TPR表征表明，在新鲜M-Y/AC中Ni[1]-Y[6]/AC、Al[1]-Y[6]/AC的还原性较好；在反应后的催化剂中Ni[1]-Y[6]/AC出现了新的低温还原峰，具有较好的还原性。
在M-Y/AC中，1%Ni-6%Y/AC催化剂的脱硫脱硝催化活性最佳；Ni-Y/AC中0.5%Ni-6%Y/AC催化活性较好。催化剂需要在无氧环境下才能表现出优良的催化效果。
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图 4 Ni[10]-Y[6]/AC催化剂反应前后的XRD谱图
Figure 4 XRD patterns of Ni[10]-Y[6]/ACbefore and after reaction
图 5 硫化对Ni[0.5]-Y[6]/AC同时脱硫脱硝影响
Figure 5 Effects of sulfurization on the SO2 and NO conversion over Ni[0.5]-Y[6]/AC catalyst
图 6 M-Y/AC催化剂同时脱硫脱硝时脱硫活性
Figure 6 SO2 conversion over M-Y/AC catalyst for CO+SO2+NO system
图 7 M-Y/AC催化剂同时脱硫脱硝时脱硝活性
Figure 7 NO conversion over M-Y/AC catalyst for CO+SO2+NO system
图 10 Ni的负载量对Ni-Y/AC同时脱硫脱硝的脱硫影响
Figure 10 Effects of Ni contents on the SO2 conversion over Ni-Y/AC catalyst for CO+SO2+NO system
图 11 Ni的负载量对Ni-Y/AC同时脱硫脱硝的脱硝影响
Figure 11 Effects of Ni contents on the NO conversion over Ni-Y/AC catalyst for CO+SO2+NO system
图 12 氧气对Ni-Y/AC同时脱硫脱硝的影响
Figure 12 Effects of O2 on the NO and SO2 conversion over Ni-Y/AC catalyst for CO+SO2+NO system
■: Ni[0.5]Y[6]/AC-NO; ●: Ni[0.5]Y[6]/AC-SO2; ▲: Ni[10]Y[6]/AC-NO; ▼: Ni[10]Y[6]/AC-SO2
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