1. Prefácio
Com a promoção contínua de estratégias nacionais, como conservação de energia e redução de emissões, a tecnologia de desnitrificação de gases de combustão de usinas a carvão amadureceu gradualmente. A proporção de indústrias de energia não elétrica no tratamento atmosférico vem aumentando gradativamente, e algumas delas emitem gases de combustão com baixa temperatura, como coque, cimento, vidro, caldeiras industriais, incineração de resíduos, etc. tecnologia de desnitrificação de temperatura é uma direção importante do processo de desnitrificação atual. Os catalisadores comerciais atuais são principalmente V2O5-WO3, MoO3/TiO2, com TiO2 como carreador, V2O5 como componente ativo e WO3 ou MoO3 como aditivo ativo. A adição do aditivo ativo melhora a atividade do catalisador em altas e baixas temperaturas e inibe efetivamente a ocorrência de reações secundárias. No entanto, o catalisador é um catalisador de temperatura média-alta com uma janela de temperatura ativa de 300-400°C. Abaixo ou acima dessa faixa de temperatura, a atividade de desnitrificação do catalisador começa a diminuir e ocorre a desativação do envenenamento reversível/irreversível, que não consegue atender às necessidades das indústrias com temperaturas de emissão de gases de combustão abaixo de 300°C. Se for utilizado o reaquecimento dos gases de combustão seguido do processo de desnitrificação, levará a um aumento do consumo de energia. O uso de desnitrificação SCR de baixa temperatura pode colocar o processo de desnitrificação após o processo de remoção de poeira ou dessulfuração para reduzir o desgaste e o efeito de envenenamento da fuligem no catalisador, evitar o reaquecimento do gás de combustão, e assim melhorar a eficiência energética e economizar custos operacionais. Portanto, é muito importante estudar o desempenho de catalisadores eficientes de desnitrificação de baixa temperatura para a indústria de desnitrificação de baixa temperatura.

2. Direção de I&D do catalisador
de baixa temperatura Dificuldades de catalisadores de desnitrificação de baixa temperatura.
(1) Baixa atividade de desnitrificação: a atividade do catalisador de desnitrificação geralmente diminui à medida que a temperatura do gás de combustão diminui e, quando a temperatura está abaixo de 200 ℃, a atividade do catalisador de baixa temperatura existente é baixa, o que fará com que a eficiência de desnitrificação seja abaixo do padrão e também leve a problemas de poluição secundária, como escape de amônia sobre o padrão;
(2) Baixo desempenho de envenenamento anti-enxofre: SO2 e SO3 no gás de combustão reagirão com os bits ativos do catalisador, resultando na redução do número de bits ativos e na degradação do desempenho de desnitrificação.
(3) Envenenamento por bloqueio grave: SO2 no gás de combustão formado pela oxidação do SO3 reagirá com NH3 para produzir sais de amônio de enxofre, que aderirão à superfície do catalisador, fazendo com que o local ativo do catalisador seja coberto e os sais de amônio de enxofre ainda mais adsorve cinzas volantes no gás de combustão, agravando o bloqueio e levando à rápida desativação do catalisador.
(4) Baixa tolerância ao vapor de água: Durante a desnitrificação SCR de baixa temperatura, o vapor de água presente no gás de combustão pode afetar a eficiência de desnitrificação do catalisador por meio de reações de interferência de adsorção e quimissorção física competitiva. Catalisadores de desnitrificação SCR de
baixa temperatura ainda estão em fase de pesquisa em termos de catálise seletiva, vida útil, estabilidade de desempenho e efeito catalítico. Durante a pesquisa, SO2 e vapor de água têm certos efeitos tóxicos nos catalisadores, e a tolerância a SO2 e vapor de água dos catalisadores pode ser melhorada melhorando os métodos de preparação de catalisadores e selecionando ingredientes ativos e transportadores de catalisador adequados. Portanto, é necessária uma pesquisa aprofundada para realizar os catalisadores de desnitrificação SCR de baixa temperatura em relação à resistência ao vapor de água e ao SO2.

3. Progresso da pesquisa de catalisador de baixa temperatura pela equipe do Centro de Tecnologia de Proteção Ambiental do Instituto de Pesquisa de Energia Limpa de Baixo Carbono de Pequim (Instituto de Baixo Carbono) do Grupo Nacional de Energia
Pesquisadores do Low Carbon Institute descobriram pela primeira vez o efeito ácido da peneira molecular no desempenho redox do componente ativo e revelaram o mecanismo de reação de baixa temperatura envolvendo o "duplo centro ativo" de sítios ativos e ácidos, que foi publicado no subjornal Nature Química da Comunicação. Os resultados deste estudo foram publicados na Nature subjournal Communications Chemistry.

Atualmente, mais de 60% das unidades a carvão na China estão em baixa carga, e a temperatura do gás de combustão é frequentemente abaixo de 300°C, quando a atividade de desnitrificação dos catalisadores VW-Ti é fraca. Portanto, o desenvolvimento de catalisadores de desnitrificação com alta atividade em baixa temperatura (<300℃) é importante para apoiar usinas de energia a carvão para atingir a desnitrificação de carga total com picos profundos de nova energia. Também a tecnologia de desnitrificação de baixa temperatura está em grande demanda para limpeza de gases de combustão em campos não elétricos.

Os óxidos de manganês são um componente ativo comumente usado de catalisadores de desnitrificação de baixa temperatura. Acredita-se geralmente que o MnO2 tem alta atividade de desnitrificação em baixa temperatura, enquanto o Mn2O3 tem a melhor seletividade de N2. Como equilibrar a atividade de desnitrificação e a seletividade ao mesmo tempo se torna o maior desafio para o projeto molecular de catalisadores de desnitrificação à base de manganês. Enquanto isso, o transportador de peneira molecular mesoporosa de silício puro com alta área de superfície específica e rica estrutura de poros limita sua aplicação na catálise de desnitrificação devido à baixa acidez.

Em resposta a esses problemas, pesquisadores da equipe de desnitrificação do Low Carbon Institute, em colaboração com pesquisadores do Clean Environment and Energy Center da Griffith University, na Austrália, realizaram cálculos sobre a termodinâmica dos componentes ativos dos catalisadores com base na densidade teoria de inundação (DFT) e caracterização infravermelha in situ, e investigou o processo de adsorção de reagentes na superfície do catalisador usando o software de simulação molecular VASP, e descobriu pela primeira vez que a acidez das peneiras moleculares tem um efeito significativo sobre o mecanismo ativo. de reação de baixa temperatura envolvendo os "centros ativos duplos" de sítios ativos e ácidos também foi revelado.

Guiados por esse mecanismo de reação, os pesquisadores usaram elementos Si e Al em cinzas volantes de resíduos sólidos à base de carvão para sintetizar de forma controlada peneiras moleculares mesoporosas Al-SBA-15 com diferentes proporções esqueléticas de Si/Al, e os resultados de Py-IR combinados com vários As análises de RMN mostraram que a dopagem do Al melhorou significativamente a acidez da peneira molecular; e o efeito sinérgico dos ácidos L e B regulou efetivamente o crescimento do componente ativo MnO. Obteve-se a proporção mais adequada de teor de MnO2 e Mn2O3.

Verificou-se que a introdução de Al não apenas induziu a transformação cristalina do componente ativo MnOx, mas também induziu seu tamanho de grão e posição de crescimento do cristal por XRD, XPS, NH3-TPD, HAADF-STEM e outros métodos analíticos de caracterização de teste. Os resultados experimentais mostraram que o estado fugitivo do manganês no catalisador Fe-Mn/Al-SBA-15 foi mais favorável para a reação NH3-SCR.

A atividade de desnitrificação de NH3-SCR dos catalisadores foi testada e verificou-se que os catalisadores de desnitrificação preparados pelo Low Carbon Institute tiveram alta conversão de NOx (≥90%) e boa seletividade (≥86%) em baixas temperaturas (150-300 °C).