1. Prefacio
Con la promoción continua de estrategias nacionales como la conservación de energía y la reducción de emisiones, la tecnología de desnitrificación de gases de combustión de las centrales eléctricas de carbón ha madurado gradualmente. La proporción de industrias no eléctricas en el tratamiento atmosférico está aumentando gradualmente, y algunas de ellas emiten gases de combustión a baja temperatura, como la coquización, el cemento, el vidrio, las calderas industriales, la incineración de residuos, etc. La tecnología de desnitrificación a temperatura es una dirección importante del proceso de desnitrificación actual. Los catalizadores comerciales actuales son principalmente V2O5-WO3, MoO3/TiO2, con TiO2 como portador, V2O5 como componente activo y WO3 o MoO3 como aditivo activo. La adición del aditivo activo mejora la actividad del catalizador a alta y baja temperatura e inhibe eficazmente la aparición de reacciones secundarias. Sin embargo, el catalizador es un catalizador de temperatura media-alta con una ventana de temperatura activa de 300-400°C. Por debajo o por encima de este rango de temperatura, la actividad de desnitrificación del catalizador comienza a disminuir y se produce una desactivación de envenenamiento reversible/irreversible, que no puede satisfacer las necesidades de las industrias con temperaturas de emisión de gases de combustión inferiores a 300 °C. Si se utiliza el recalentamiento de los gases de combustión seguido del proceso de desnitrificación, se producirá un mayor consumo de energía. El uso de la desnitrificación SCR a baja temperatura puede colocar el proceso de desnitrificación después del proceso de eliminación de polvo o desulfuración para reducir el desgaste y el efecto de envenenamiento del hollín en el catalizador, evitar el recalentamiento de los gases de combustión, y así mejorar la eficiencia energética y ahorrar costes operativos. Por lo tanto, es muy importante estudiar el rendimiento de los catalizadores de desnitrificación a baja temperatura eficientes para la industria de la desnitrificación a baja temperatura.

2. Dirección de I + D del catalizador
de baja temperatura Dificultades de los catalizadores de desnitrificación a baja temperatura.
(1) Baja actividad de desnitrificación: la actividad del catalizador de desnitrificación generalmente disminuye a medida que disminuye la temperatura de los gases de combustión, y cuando la temperatura es inferior a 200 ℃, la actividad del catalizador a baja temperatura existente es baja, lo que hará que la eficiencia de desnitrificación sea inferior al estándar y también conducirá a problemas de contaminación secundaria como el escape de amoníaco por encima del estándar;
(2) Rendimiento deficiente contra el envenenamiento por azufre: el SO2 y el SO3 en los gases de combustión reaccionarán con los fragmentos activos del catalizador, lo que resultará en la reducción del número de fragmentos activos y la degradación del rendimiento de desnitrificación.
(3) Envenenamiento por obstrucción grave: el SO2 en el gas de combustión formado por la oxidación del SO3 reaccionará con el NH3 para producir sales de azufre y amonio, que se adherirán a la superficie del catalizador, haciendo que el sitio activo del catalizador quede cubierto, y las sales de azufre y amonio se unirán aún más. adsorber las cenizas volantes en los gases de combustión, lo que agrava el bloqueo y conduce a una rápida desactivación del catalizador.
(4) Mala tolerancia al vapor de agua: durante la desnitrificación SCR a baja temperatura, el vapor de agua presente en los gases de combustión puede afectar la eficiencia de desnitrificación del catalizador a través de reacciones de interferencia de adsorción física competitiva y quimisorción. Catalizadores de desnitrificación SCR de
baja temperatura todavía están en la etapa de investigación en términos de catálisis selectiva, vida útil, estabilidad del rendimiento y efecto catalítico. Durante la investigación, el SO2 y el vapor de agua tienen ciertos efectos tóxicos en los catalizadores, y la tolerancia al SO2 y al vapor de agua de los catalizadores se puede mejorar mejorando los métodos de preparación del catalizador y seleccionando los ingredientes activos y los vehículos adecuados para el catalizador. Por lo tanto, se necesita una investigación profunda para llevar a cabo los catalizadores de desnitrificación SCR de baja temperatura con respecto a la resistencia al vapor de agua y al SO2.

3. Progreso de la investigación de catalizadores de baja temperatura por parte del equipo del Centro de Tecnología de Protección Ambiental del Instituto de Investigación de Energía Limpia de Bajo Carbono de Beijing (Instituto de Bajo Carbono) del Grupo Nacional de Energía
Los investigadores del Low Carbon Institute descubrieron en primer lugar el efecto ácido del tamiz molecular en el rendimiento redox del componente activo y revelaron el mecanismo de reacción a baja temperatura que implica el "doble centro activo" de los sitios activos y ácidos, que se publicó en la revista Nature. Química de las Comunicaciones. Los resultados de este estudio se publicaron en la revista Nature Communications Chemistry.

Actualmente, más del 60 % de las unidades alimentadas con carbón en China tienen poca carga y la temperatura de los gases de combustión suele ser inferior a 300 °C, cuando la actividad de desnitrificación de los catalizadores VW-Ti es escasa. Por lo tanto, el desarrollo de catalizadores de desnitrificación con alta actividad a baja temperatura (<300 ℃) es importante para ayudar a las centrales eléctricas de carbón a lograr una desnitrificación a plena carga con picos profundos de nueva energía. También la tecnología de desnitrificación a baja temperatura tiene una gran demanda para la limpieza de gases de combustión en campos no eléctricos.

Los óxidos de manganeso son un componente activo de uso común de los catalizadores de desnitrificación a baja temperatura. En general, se cree que el MnO2 tiene una alta actividad de desnitrificación a baja temperatura, mientras que el Mn2O3 tiene la mejor selectividad por el N2. Cómo equilibrar la actividad de desnitrificación y la selectividad al mismo tiempo se convierte en el mayor desafío para el diseño molecular de los catalizadores de desnitrificación a base de manganeso. Mientras tanto, el portador de tamiz molecular mesoporoso de silicio puro con área de superficie específica alta y estructura de poros rica limita su aplicación en la catálisis de desnitrificación debido a la baja acidez.

En respuesta a estos problemas, investigadores del equipo de desnitrificación del Low Carbon Institute, en colaboración con investigadores del Clean Environment and Energy Center de la Universidad de Griffith, Australia, han realizado cálculos sobre la termodinámica de los componentes activos de los catalizadores en función de la densidad. teoría de inundación (DFT) y caracterización infrarroja in situ, e investigó el proceso de adsorción de reactivos en la superficie del catalizador utilizando el software de simulación molecular VASP, y descubrió por primera vez que la acidez de los tamices moleculares tiene un efecto significativo en el mecanismo activo También se reveló una reacción a baja temperatura que involucra los "centros activos duales" de sitios activos y ácidos.

Guiados por este mecanismo de reacción, los investigadores utilizaron elementos Si y Al en cenizas volantes de residuos sólidos a base de carbón para sintetizar de forma controlada tamices moleculares mesoporosos Al-SBA-15 con diferentes proporciones esqueléticas Si/Al, y los resultados de Py-IR combinados con varios Los análisis de RMN mostraron que el dopaje de Al mejoró significativamente la acidez del tamiz molecular; y el efecto sinérgico de los ácidos L y B reguló eficazmente el crecimiento del componente activo MnO. Se obtuvo la proporción más adecuada de contenido de MnO2 y Mn2O3.

Se encontró que la introducción de Al no solo indujo la transformación cristalina del componente activo MnOx, sino que también indujo su tamaño de grano y la posición de crecimiento del cristal mediante XRD, XPS, NH3-TPD, HAADF-STEM y otros métodos analíticos de caracterización de pruebas. Los resultados experimentales mostraron que el estado fugitivo del manganeso en el catalizador Fe-Mn/Al-SBA-15 fue más favorable para la reacción NH3-SCR.

Se probó la actividad de desnitrificación de NH3-SCR de los catalizadores y se encontró que los catalizadores de desnitrificación preparados por Low Carbon Institute tenían una alta conversión de NOx (≥90%) y una buena selectividad (≥86%) a bajas temperaturas (150-300 ºC).