CN113499778A - 一种煤气化渣水泥窑炉高温烟气脱硝催化剂及其制备方法 - Google Patents

一种煤气化渣水泥窑炉高温烟气脱硝催化剂及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种煤气化渣水泥窑炉高温烟气脱硝剂的制备方法，属于固废资源利用和烟气污染物控制技术领域。本发明利用煤气化渣特有的硅铝基固溶体结构，同时含有部分铁相融于其中，具有催化氮氧化物直接分解的特性，将气化渣研磨过筛后直接作为高温脱硝催化剂，催化NO的分解，并且通过乙醇活化的改性方法，制得高温脱硝催化剂；将制得的脱硝剂作为替代原料加入到水泥生产过程中，同时消除烟气中的NO。改性前的煤气化渣催化剂在NO浓度为1000ppm，1％O2含量，脱硝率随温度的升高而提高，温度达到900℃后，脱硝率可以达到82.36％。在2％O2含量时，900℃时脱硝率达到最高，可达到76.83％。经过乙醇活化后的制备的高温脱硝催化剂，脱硝率提高，其中煤气化渣用量为10g，无水乙醇80ml，65℃水浴加热搅拌3h的制备条件时，在1％O2含量，温度为900℃，脱硝率可达到96.8％。煤气化渣用量为10g，无水乙醇100ml，65℃水浴加热搅拌4h条件下制备时，在1％O2含量，温度为900℃，脱硝率可达到94.16％。此高温脱硝催化剂以煤气化渣为原料，在固废资源再利用的同时，去除水泥工业中产生的大量NO，制备工艺简单，脱硝率高，实现了“以废治废”的新思路。

Description

一种煤气化渣水泥窑炉高温烟气脱硝催化剂及其制备方法
技术领域
本发明属于烟气污染物控制技术领域，具体涉及煤气化渣处理和再利用，用于水泥窑炉的烟气氮氧化物处理。
背景技术
氮氧化物(NOx)是大气中的主要污染物之一，对人体有极强的毒性，对环境也存在很大的危害，可导致酸雨、光化学烟雾、臭氧耗竭、大气可见度下降等问题。其主要来源是化学原料的燃烧，而其中水泥行业的NOx排放量约占总排放量的十分之一。2019年，我国水泥年产量达23.3亿吨，约占世界水泥产量的55％，消耗2.6亿吨标准煤，其排放NOx占全国工业排放总量的10％～12％。成为我国第三大氮氧化物污染排放源。在当前的研究中，非氨类的脱硝材料无氨逃逸造成的二次污染，使用方便，是实现氮氧化物转化的理想途径。将废渣进行处理，制备成高效脱硝材料，同时作为水泥生产的原料，用于消除水泥窑炉烟气中的NO有重要意义。
煤气化技术作为最有前途的一种技术途径，能够实现高效、环保的煤炭转化。而煤气化渣是煤与氧气或富氧空气发生不完全燃烧生成CO与H2的过程中，煤中无机矿物质经过不同的物理化学转变伴随着煤中残留的碳颗粒形成的固态残渣。其化学组成主要包括SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3等，其晶相主要以非晶态玻璃体为主，其含量达到67％以上。煤气化渣可以根据其自身特点作为二次资源进行二次利用。然而，大部分废渣用于低洼填海、矿山填筑，甚者直接进行大量堆放，可能造成土壤和地下水的污染，破坏生态循环，引发环境危害。因此，煤气化渣的综合利用成为一个迫切需要解决的问题。实现煤气化渣的资源再利用，以废治废，对环境保护和煤化工业的可持续发展有重要意义。
本发明以煤气化渣为原料，干燥筛分后，经过乙醇活化制备出高温脱硝剂，直接用于水泥生产过程中去除氮氧化物。这主要是由于煤气化渣具有独特的硅铝基固溶体结构，同时含有部分铁相融于其中，这种形式可以更有效地发挥组分之间的耦合增强效应，从而有效催化NO的高温分解。而将其经过乙醇活化后，溶解掉煤气化渣表面的有机残留物，使之暴露出更多的活性位点，从而提高催化活性，降低NO的排放。同时煤气化渣的主要成分为氧化硅、氧化钙、氧化铝等无机相，作为替代原料加入到水泥的制备过程中，对水泥生产的影响小，节约成本。此方法能够充分利用煤气化渣，实现废物二次利用的同时，降低水泥工业中氮氧化物的排放，以废治废，符合节能环保理念。
发明内容
本发明旨在以煤气化渣为原料，经过干燥研磨和乙醇活化后，制备出具有高催化活性的水泥窑炉高温烟气脱硝催化剂。其特征在于以下步骤：
(1)将煤气化渣放入烘箱，干燥12h后取出研磨至过100目筛。
(2)依次向烧瓶中加入干燥研磨后的煤气化渣和无水乙醇，其中煤气化渣用量为10～15g，无水乙醇80～100ml，65℃水浴加热搅拌3～4h，后用去离子水洗涤至中性，50℃条件下干燥4h，研磨至过200目筛，制得高温脱硝催化剂，密封保存。
(3)将制备的高温脱硝催化剂置于脱硝测试装置中测试其脱硝效率，催化剂用量为1g，烟气组成为NO浓度1000ppm，ω(O2)＝1，2％，N2为平衡气，气体流速为450mL/min，在室温25℃升温至700℃，800℃，900℃，测试不同温度下出口烟气的成分及含量，计算脱硝率，表征高温脱硝催化剂的脱硝性能。
本发明中，改性前的煤气化渣催化剂在NO浓度为1000ppm，1％O2含量，脱硝率随温度的升高而提高，温度达到900℃后，脱硝率可以达到82.36％。在2％O2含量时，900℃时脱硝率达到最高，可达到76.83％。经过乙醇活化后的制备的高温脱硝催化剂，脱硝率提高，其中煤气化渣用量为10g，无水乙醇80ml，65℃水浴加热搅拌3h的制备条件时，在1％O2含量，温度为900℃，脱硝率可达到96.8％。煤气化渣用量为10g，无水乙醇100ml，65℃水浴加热搅拌4h条件下制备时，在1％O2含量，温度为900℃，脱硝率可达到94.16％。
本发明的催化剂脱硝原理为：改性后煤气化渣的NO催化活性提高,随着反应温度的升高，NO转化率不断提高。这是因为煤气化渣经过乙醇活化后，溶解掉存在其表面的有机残留物，同时也洗去了表面其它杂质，使其暴露出更多的活性位点和酸性位。同时在高温加热过程中，煤气化渣的结构和物相发生改变，被包覆于硅铝基固溶体内的活性组分铁析出，Fe3+和Fe2+之间的相互转化，有利于催化剂晶格氧和表面吸附氧的流动，进一步提高催化剂在高温下的氧化还原能力，从而表现出更高的NO催化活性。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
实施例1
取未处理的煤气化渣放入烘箱干燥12h后取出研磨。并过100目筛，得到改性前煤气化渣粉末，将其置于脱硝测试装置中测试其脱硝效率，用量为1g，在烟气成分为NO浓度1000ppm，ω(O2)＝1％，N2为平衡气，气体流速为450mL/min时，800℃时，脱硝率为77.5％；900℃时，脱硝率为82.36％。
实施例2
取未处理的煤气化渣放入烘箱干燥12h后取出研磨，并过100目筛，得到煤气化渣粉末。依次向烧瓶中加入煤气化渣粉末和无水乙醇，其中煤气化渣用量为10g，无水乙醇80ml，65℃水浴加热搅拌3h，用去离子水洗涤至中性，50℃条件下干燥4h，研磨至过200目筛，制得高温脱硝催化剂。将高温脱硝催化剂置于脱硝测试装置中测试其脱硝效率，催化剂用量为1g，在烟气成分为NO浓度1000ppm，ω(O2)＝1％，N2为平衡气，气体流速为450mL/min时，800℃时，脱硝率为89.57％；850℃时，脱硝率94.835％；900℃时，脱硝率为96.8％。
实施例3
取未处理的煤气化渣放入烘箱干燥12h后取出研磨。并过100目筛，得到改性前煤气化渣粉末，将其置于脱硝测试装置中测试其脱硝效率，用量为1g，在烟气成分为NO浓度1000ppm，ω(O2)＝2％，N2为平衡气，气体流速为450mL/min时，700℃时，脱硝率为65.25％；800℃时，脱硝率为69.5％；900℃时，脱硝率为76.83％。
实施例4
取未处理的煤气化渣放入烘箱干燥12h后取出研磨，并过100目筛，得到煤气化渣粉末。依次向烧瓶中加入煤气化渣粉末和无水乙醇，其中煤气化渣用量为10g，无水乙醇80ml，65℃水浴加热搅拌3h，用去离子水洗涤至中性，50℃条件下干燥4h，研磨至过200目筛，制得高温脱硝催化剂。将高温脱硝催化剂置于脱硝测试装置中测试其脱硝效率，催化剂用量为1g，在烟气成分为NO浓度1000ppm，ω(O2)＝2％，N2为平衡气，气体流速为450mL/min时，800℃时，脱硝率为85.88％；850℃时，脱硝率92.39％；900℃时，脱硝率为95.57％。
实施例5
取未处理的煤气化渣放入烘箱干燥12h后取出研磨，并过100目筛，得到煤气化渣粉末。依次向烧瓶中加入煤气化渣粉末和无水乙醇，其中煤气化渣用量为10g，无水乙醇100ml，65℃水浴加热搅拌4h，用去离子水洗涤至中性，50℃条件下干燥4h，研磨至过200目筛，制得高温脱硝催化剂。将高温脱硝催化剂置于脱硝测试装置中测试其脱硝效率，催化剂用量为1g，在烟气成分为NO浓度1000ppm，ω(O2)＝1％，N2为平衡气，气体流速为450mL/min时，800℃时，脱硝率为82.37％；850℃时，脱硝率89.42％；900℃时，脱硝率为92.68％。
实施例6
取未处理的煤气化渣放入烘箱干燥12h后取出研磨，并过100目筛，得到煤气化渣粉末。依次向烧瓶中加入煤气化渣粉末和无水乙醇，其中煤气化渣用量为10g，无水乙醇100ml，65℃水浴加热搅拌4h，用去离子水洗涤至中性，50℃条件下干燥4h，研磨至过200目筛，制得高温脱硝催化剂。将高温脱硝催化剂置于脱硝测试装置中测试其脱硝效率，催化剂用量为1g，在烟气成分为NO浓度1000ppm，ω(O2)＝2％，N2为平衡气，气体流速为450mL/min时，800℃时，脱硝率为75.98％；850℃时，脱硝率80.5％；900℃时，脱硝率为94.16％。

Claims (2)

1.一种气化渣水泥窑炉高温烟气脱硝剂的制备方法，其特征在于：
(1)将煤气化渣放入烘箱，干燥12h后取出研磨至过100目筛；
(2)依次向烧瓶中加入干燥研磨后的煤气化渣和无水乙醇，其中煤气化渣用量为10～15g，无水乙醇80～100ml，65℃水浴加热搅拌3～4h，后用去离子水洗涤至中性，50℃条件下干燥4h，研磨至过200目筛，制得高温脱硝催化剂，密封保存。
2.一种气化渣水泥窑炉高温烟气脱硝剂的测试方法，其特征在于：
将制备的高温脱硝催化剂置于脱硝测试装置中测试其脱硝效率，催化剂用量为1g，烟气组成为NO浓度1000ppm，ω(O2)＝1，2％，N2为平衡气，气体流速为450mL/min，在室温25℃升温至700℃，800℃，900℃，测试不同温度下出口烟气的成分及含量，计算脱硝率，表征高温脱硝催化剂的脱硝性能。
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