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我国的可持续发展要求不断提高燃煤烟气SO.2.(硫)脱除的技术水平。与目前主流烟气脱硫技术相比,可再生干法技术占地面积小,耗水量少,无二次污染,具有显著的优越性。可再生干法脱硫技术的代表是MMC-BF移动床工艺,已在日本和德国工业应用十余例,核心是采用直径为5-9 mm、具有低温(150℃左右)脱硫和脱硝(NOx)活性的柱状活性焦(AC),问题是AC的活性不够理想,活性焦用量很大,脱硫后AC的再生温度较高(400℃以上)。近年来中科院山西煤化所的研究表明,负载有少量V.2.O.5.的AC(V.2.O.5/AC)具有远高于AC的同时脱SO.2/和NO.X.括性,而且吸附SO.2.的V.2.O.5/AC可在含NH.3.气氛下于300℃左右再生,显著降低过程能耗,减少AC的损失,极具应用前景。
现有认识表明,经挤压成型、炭化和活化等工序制备出的柱状AC颗粒内外的性质差异很大,这种差异会影响到V.2.O.5.的担载、V.2.O.5/AC的脱硫和再生行为。因此,本文重点研究了柱状AC和V.2.O.5/AC颗粒中物理结构和化学性质的分布规律以及这种分布对脱硫和再生行为的影响,并探讨了V.2.O.5/AC的脱硫动力学。论文的主要结论如下:
(1)研究了柱状V.2.O.5/AC颗粒内部孔结构和V.2.O.5.的分布以及脱硫后S在颗粒内部的分布情况。发现柱状AC轴向外表面含有较多的微孔和较多的V.2.O.5.,脱硫后吸附和生成较多含S产物。轴向表面在脱硫过程中发挥的作用比径向大,较短的柱状V.2.0.5/AC颗粒的脱硫活性优于较长的V.2.O.5/AC颗粒。由于颗粒内部传质阻力的影响,V.2.O.5在柱状V.2.O.5/AC脱硫中的作用小于其在粉末V.2.O.5/AC中的作用。
(2)考察了吸附SO.2.的柱状V.2.O.5/AC的热再生和NH3,再生行为。发现柱状V2.O.5/AC的NH3再生效率高于热再生的效率,再生过程中生成的SO.2.主要沿颗粒轴向向外扩散。热再生减小V.2.O.5/AC的脱硫活性,NH3.再生提高V2.O.5/AC的脱硫活性。NH3.再生增加了V2.O.5/AC表面的含N官能团,减少了V.2.O.5/AC的微孔烧失。
(3)通过过量浸渍、等体积浸渍和半等体积浸渍三种不同方法,分别制得三种柱状V2.O.5/AC并进行脱硫活性评价。发现V.2.O.5.在柱状AC中的分布差异较大。外层的V.2.O.5.在脱硫前期的作用很大,但随脱硫时间的延长,内层V2.O.5。的影响变大。
(4)以四种煤制AC为载体,制得了系列V2.O.5/AC,通过脱硫能力评价、催化氧化性测试和孔结构分析,揭示了V.2.O.5/AC制备中AC的选择原则,即AC自身的氧化性强弱并不重要,关键是要有发达的孔结构以提高V2.O.5.的分散性。
(5)利用热重分析仪对V2.O.5/AC脱除SO.2.的微观动力学进行了研究,得出V.2.O.5/AC脱除SO.2.的微观动力学可由微孔填充模型进行描述。将V.2.O.5/AC脱硫反应中活性组分的表面分率和微孔孔容的变化对反应的影响程度以一个参数n值表示,使V.2.O.5/AC脱硫的微观反应动力学得到了较好地描述,模型预测与实验结果有较好的一致性。
论文的重要意义在于揭示了传质对脱硫过程中的影响规律,对工业用的V/AC催化剂的制备具有重要的指导价值。