1. مقدمة
مع التعزيز المستمر للاستراتيجيات الوطنية مثل الحفاظ على الطاقة وتقليل الانبعاثات ، نضجت تكنولوجيا نزع النتروجين من غاز المداخن لمحطات الطاقة التي تعمل بالفحم تدريجياً. تتزايد نسبة صناعات الطاقة غير الكهربائية في المعالجة الجوية تدريجياً ، وبعضها ينبعث منها غاز مداخن بدرجة حرارة منخفضة ، مثل فحم الكوك ، والأسمنت ، والزجاج ، والمراجل الصناعية ، وحرق النفايات ، وما إلى ذلك. لذلك ، فإن البحث عن كفاءة منخفضة تعد تقنية نزع النتروجين من درجة الحرارة اتجاهًا مهمًا لعملية نزع النتروجين الحالية. المحفزات التجارية الحالية هي أساسًا V2O5-WO3 ، MoO3 / TiO2 ، مع TiO2 كحامل ، V2O5 كمكون نشط و WO3 أو MoO3 كمادة مضافة نشطة. تعمل إضافة المادة المضافة النشطة على تحسين نشاط درجة الحرارة العالية والمنخفضة للمحفز وتمنع بشكل فعال حدوث التفاعلات الجانبية. ومع ذلك ، فإن المحفز عبارة عن محفز بدرجة حرارة متوسطة إلى عالية مع نافذة درجة حرارة نشطة من 300-400 درجة مئوية. تحت أو أعلى من نطاق درجة الحرارة هذا ، يبدأ نشاط نزع النتروجين للمحفز في الانخفاض ويحدث تعطيل التسمم القابل للانعكاس / الذي لا رجعة فيه ، والذي لا يمكن أن يلبي احتياجات الصناعات ذات درجات حرارة انبعاث غاز المداخن التي تقل عن 300 درجة مئوية. إذا تم استخدام إعادة تسخين غاز المداخن متبوعة بعملية نزع النتروجين ، فسيؤدي ذلك إلى زيادة استهلاك الطاقة. يمكن أن يؤدي استخدام إزالة النتروجين SCR بدرجة حرارة منخفضة إلى وضع عملية إزالة النتروجين بعد إزالة الغبار أو عملية إزالة الكبريت لتقليل تأثير التآكل والتسمم للسخام على المحفز ، وتجنب إعادة تسخين غاز المداخن ، وبالتالي تحسين كفاءة الطاقة وتوفير تكاليف التشغيل. لذلك ، من المهم جدًا دراسة أداء محفزات نزع النتروجين الفعالة في درجات الحرارة المنخفضة لصناعة نزع النتروجين في درجات الحرارة المنخفضة.

2- اتجاه البحث والتطوير لمحفز درجة الحرارة
المنخفضة. صعوبات محفزات نزع النتروجين في درجات الحرارة المنخفضة.
(1) نشاط نزع النتروجين المنخفض: ينخفض ​​نشاط محفز نزع النتروجين بشكل عام مع انخفاض درجة حرارة غاز المداخن ، وعندما تكون درجة الحرارة أقل من 200 درجة مئوية ، يكون نشاط محفز درجة الحرارة المنخفضة الحالي منخفضًا ، مما يؤدي إلى أن تكون كفاءة نزع النتروجين دون المستوى المطلوب ، ويؤدي أيضًا إلى لمشاكل التلوث الثانوية مثل تسرب الأمونيا فوق المعيار ؛
(2) ضعف أداء التسمم المضاد للكبريت: سوف يتفاعل ثاني أكسيد الكبريت وثاني أكسيد الكبريت في غاز المداخن مع البتات النشطة للمحفز ، مما يؤدي إلى تقليل عدد البتات النشطة وتدهور أداء نزع النتروجين.
(3) التسمم الخطير بالانسداد: سوف يتفاعل ثاني أكسيد الكبريت الموجود في غاز المداخن الناتج عن أكسدة ثاني أكسيد الكبريت مع NH3 لإنتاج أملاح الأمونيوم الكبريتية ، والتي ستلتصق بسطح المحفز ، مما يتسبب في تغطية الموقع النشط للمحفز ، وستزيد أملاح الأمونيوم الكبريتية يمتص الرماد المتطاير في غاز المداخن ، مما يؤدي إلى تفاقم الانسداد ويؤدي إلى التعطيل السريع للمحفز.
(4) تحمل بخار الماء الضعيف: أثناء نزع النتروجين SCR بدرجة حرارة منخفضة ، يمكن أن يؤثر بخار الماء الموجود في غاز المداخن على كفاءة نزع النتروجين للمحفز من خلال تفاعلات التداخل في الامتصاص الفيزيائي والتفاعل الكيميائي. محفزات نزع النتروجين
ذات درجة الحرارة المنخفضة لا تزال في مرحلة البحث من حيث التحفيز الانتقائي وعمر الخدمة واستقرار الأداء والتأثير الحفاز. أثناء البحث ، يكون لثاني أكسيد الكبريت وبخار الماء تأثيرات سامة معينة على المحفزات ، ويمكن تحسين تحمل المحفزات لثاني أكسيد الكبريت وبخار الماء عن طريق تحسين طرق تحضير المحفز واختيار المكونات النشطة والمحفزات المناسبة. لذلك ، هناك حاجة إلى بحث متعمق لإجراء محفزات نزع النتروجين SCR منخفضة الحرارة فيما يتعلق ببخار الماء ومقاومة ثاني أكسيد الكبريت.

3. التقدم المحرز في أبحاث الحفازات ذات درجات الحرارة المنخفضة من قبل فريق مركز تكنولوجيا حماية البيئة التابع لمعهد بكين لأبحاث الطاقة النظيفة للكربون المنخفض (معهد الكربون المنخفض) التابع لمجموعة الطاقة الوطنية
اكتشف باحثو معهد Low Carbon أولاً التأثير الحمضي للمنخل الجزيئي على أداء الأكسدة والاختزال للمكون النشط ، وكشفوا عن آلية تفاعل درجات الحرارة المنخفضة التي تتضمن "المركز النشط المزدوج" للمواقع النشطة والحمضية ، والتي نُشرت في دورية Nature الفرعية. كيمياء الاتصالات. تم نشر نتائج هذه الدراسة في دورية Nature subjournal Communications Chemistry.

حاليًا ، أكثر من 60٪ من الوحدات التي تعمل بالفحم في الصين تحمل حمولة منخفضة ، وغالبًا ما تكون درجة حرارة غاز المداخن أقل من 300 درجة مئوية ، عندما يكون نشاط إزالة النتروجين من محفزات VW-Ti ضعيفًا. لذلك ، فإن تطوير محفزات نزع النتروجين ذات النشاط العالي عند درجة حرارة منخفضة (<300 ℃) مهم لدعم محطات الطاقة التي تعمل بالفحم لتحقيق نزع النتروجين بالحمل الكامل مع بلوغ الذروة العميقة للطاقة الجديدة. كما أن هناك طلبًا كبيرًا على تقنية نزع النتروجين عند درجات الحرارة المنخفضة لتنظيف غاز المداخن في المجالات غير الكهربائية.

أكاسيد المنغنيز هي مكون نشط شائع الاستخدام لمحفزات نزع النتروجين في درجات الحرارة المنخفضة. من المعتقد بشكل عام أن MnO2 له نشاط عالي لنزع النتروجين في درجات الحرارة المنخفضة ، بينما Mn2O3 لديه أفضل انتقائية N2. تصبح كيفية تحقيق التوازن بين نشاط نزع النتروجين والانتقائية في نفس الوقت التحدي الأكبر للتصميم الجزيئي لمحفزات نزع النتروجين القائمة على المنغنيز. وفي الوقت نفسه ، فإن حاملة الغربال الجزيئي متوسطة المسام من السيليكون النقي مع مساحة سطح محددة عالية وبنية مسامية غنية تحد من تطبيقها في تحفيز نزع النتروجين بسبب انخفاض الحموضة.

استجابةً لهذه المشكلات ، أجرى باحثون من فريق نزع النتروجين في معهد Low Carbon ، بالتعاون مع باحثين من مركز البيئة والطاقة النظيفة بجامعة جريفيث ، أستراليا ، حسابات على الديناميكا الحرارية للمكونات النشطة للمحفزات بناءً على الكثافة. نظرية الغمر (DFT) وتوصيف الأشعة تحت الحمراء في الموقع ، ودراسة عملية امتصاص المادة المتفاعلة على سطح المحفز باستخدام برنامج المحاكاة الجزيئية VASP ، ووجدت لأول مرة أن حموضة المناخل الجزيئية لها تأثير كبير على الآلية النشطة. كما تم الكشف عن تفاعل درجات الحرارة المنخفضة الذي يشمل "المراكز النشطة المزدوجة" للمواقع النشطة والحمضية.

واسترشادًا بآلية التفاعل هذه ، استخدم الباحثون عناصر Si و Al في الرماد المتطاير للنفايات الصلبة القائمة على الفحم لتخليق المناخل الجزيئية المسامية Al-SBA-15 مع نسب Si / Al الهيكلية المختلفة ، ونتائج Py-IR جنبًا إلى جنب مع مختلف أظهرت تحليلات الرنين المغناطيسي النووي أن تعاطي المنشطات لـ Al قد أدى إلى تحسن كبير في حموضة المنخل الجزيئي ؛ والتأثير التآزري للأحماض L و B ينظم بشكل فعال نمو المكون النشط MnO تم الحصول على أنسب نسبة لمحتوى MnO2 و Mn2O3.

لقد وجد أن إدخال Al لم يتسبب فقط في التحول البلوري للمكون النشط MnOx ، ولكن أيضًا تسبب في حجم حبيباته وموضع نمو البلورات بواسطة XRD و XPS و NH3-TPD و HAADF-STEM وطرق توصيف الاختبار التحليلي الأخرى. أظهرت النتائج التجريبية أن الحالة المنفلتة للمنجنيز في محفز Fe-Mn / Al-SBA-15 كانت أكثر ملاءمة لتفاعل NH3-SCR.

تم اختبار نشاط نزع النتروجين NH3-SCR للعوامل الحفازة ، ووجد أن محفزات نزع النتروجين المحضرة من قبل معهد Low Carbon كان لها تحويل أكاسيد النيتروجين عالي (≥90٪) وانتقائية جيدة (≥86٪) عند درجات حرارة منخفضة (150-300) درجة مئوية).