梁云波,鄭仙榮,譚煜幺,樊保國(guó)
(太原理工大學(xué) 電氣與動(dòng)力工程學(xué)院,山西 太原 030024)
煤炭利用方式大多為直接燃燒,煤炭燃燒過程中除了產(chǎn)生CO2和水外,還會(huì)產(chǎn)生SO2、NOx和粉塵顆粒等污染物[1],其中NOx是致酸物質(zhì),排放到大氣中會(huì)形成酸雨。酸雨已成為我國(guó)最具危害性的污染之一[2],因此,煙氣脫硝是大氣污染治理的必然趨勢(shì)。粉煤灰作為燃煤電廠廢棄物,含有鈣、鐵、鎂、鋁等氧化物,其中鐵含量豐富,若鐵氧化物質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)10%以上,則稱為高鐵灰[3]?;抑泻械慕饘傺趸锞哂幸欢ǖ难趸芰?,可氧化脫除NOx,但原始粉煤灰的吸附容量不高,為進(jìn)一步提高粉煤灰的吸附能力,對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)改性處理,以期獲得吸附性能較好的吸附劑。
原始粉煤灰中主要成分是SiO2、Al2O3、Fe2O3等,這些金屬氧化物可以提供大量活性點(diǎn),有利于吸附反應(yīng)的進(jìn)行,但粉煤灰表面的致密硅鋁結(jié)構(gòu)阻礙了金屬氧化物與NOx接觸,故原始粉煤灰的脫硝性能較差。因此利用粉煤灰制備吸附劑首要任務(wù)是破壞粉煤灰的硅鋁結(jié)構(gòu),激發(fā)其活性。目前針對(duì)玻璃體的處理方式有機(jī)械研磨法[4]、水合法[5]、酸洗法[6]、堿洗法[7]等。LIN等[8]發(fā)現(xiàn)經(jīng)Ca(OH)2改性的粉煤灰吸附劑,其反應(yīng)性會(huì)隨其比表面積的提高而增強(qiáng);YANG等[9]研究發(fā)現(xiàn)機(jī)械研磨與堿洗法結(jié)合可以加劇破壞玻璃體,并通過磁選提高FeOx質(zhì)量分?jǐn)?shù),F(xiàn)e3+具有較好的氧化能力,極易被還原為Fe2+,F(xiàn)e2+既可以被氧化為Fe3+也可以被還原為Fe,此種特性使其應(yīng)用于吸附劑的活性組分和助劑[10]。吸附劑脫硝是物理吸附和化學(xué)吸附共同作用的結(jié)果,物理吸附為分子間作用力相互吸引,吸附熱少,但易脫附;化學(xué)吸附則以化學(xué)鍵的力相互吸引,吸附熱大,不易脫附。破壞粉煤灰玻璃體提高其物理吸附能力,負(fù)載具有氧化能力的金屬可提高其化學(xué)吸附能力[11]。氧化錳由于含有豐富的晶格氧,在NOx脫除方面表現(xiàn)出較高的氧化性能而備受關(guān)注[12]。而稀土元素Ce特有的Ce4+、Ce3+價(jià)態(tài)使其具有十分優(yōu)異的儲(chǔ)氧功能,因此在吸附劑中添加適量的Ce可提高吸附劑的吸附性能,特別是Ce和Mn之間存在強(qiáng)烈的協(xié)同作用[13]。在粉煤灰玻璃體破壞后,粉煤灰中的金屬氧化物也可以與Mn、Ce產(chǎn)生強(qiáng)烈的協(xié)同作用,顯著提高吸附劑的活性[14]。粉煤灰中鐵氧化物質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高,采用金屬組分Mn和Ce對(duì)高鐵灰進(jìn)行改性有望獲得吸附性能較好的吸附劑。
筆者提出通過磁改性提高粉煤灰中鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù),利用堿改性,負(fù)載Mn和Ce制備Mn-Ce高鐵灰吸附劑,并進(jìn)行脫硝性能研究,以期獲得廉價(jià)高效的燃煤煙氣脫硝用吸附劑。
對(duì)原灰進(jìn)行干式研磨、濕式磁選、干燥,獲得高鐵灰;將高鐵灰、CaO、Mn(NO3)2、Ce(NO3)3·6H2O和去離子水混合,經(jīng)水合浸漬、烘干、焙燒、冷卻獲得吸附劑。研磨吸附劑并篩分,以備后續(xù)進(jìn)行脫硝試驗(yàn)。
吸附劑脫硝試驗(yàn)在固定床評(píng)價(jià)系統(tǒng)上進(jìn)行,固定床評(píng)價(jià)系統(tǒng)如圖1所示。模擬煙氣流量為400 mL/min,由O2(5%)、NO(300 mg/m3)和N2組成;反應(yīng)溫度為300 ℃,石英管入口和出口處NO濃度由煙氣分析儀測(cè)量,每次量取2 g吸附劑進(jìn)行脫硝試驗(yàn)。
圖1 固定床評(píng)價(jià)系統(tǒng)Fig.1 Fixed bed evaluation system
評(píng)價(jià)指標(biāo)為NO脫除效率和每克吸附劑脫除NOx質(zhì)量(以下簡(jiǎn)稱硝容):
η=(C0-C)/C0×100%,
(1)
(2)
粉煤灰中含有豐富的鐵氧化物,可通過磁改性改變Fe質(zhì)量分?jǐn)?shù)。原始粉煤灰命名為FA,經(jīng)過研磨后的粉煤灰為RA,濕式磁選2次后的粉煤灰為RMA,濕式磁選4次后的粉煤灰為DMA。RA、RMA和DMA粉煤灰無機(jī)物組分分析結(jié)果見表1。
表1 RA、RMA和DMA無機(jī)物組分分析
在XRF測(cè)試中,采用Fe2O3表示所有鐵氧化物。顯然,相對(duì)于RA,RMA和DMA中FeOx質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯增加,說明濕式磁選富集FeOx,而無磁性的成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)下降。
粉煤灰表面的玻璃體將金屬氧化物包裹在顆粒內(nèi)部,使其無法與NO接觸,單純的機(jī)械研磨對(duì)玻璃體的破壞有限,因此制備高鐵灰吸附劑需要進(jìn)一步破壞包裹在粉煤灰外側(cè)的玻璃體。本次試驗(yàn)粉煤灰(RA、RMA、DMA)與CaO以質(zhì)量比5∶1混合制備吸附劑,并在固定床試驗(yàn)系統(tǒng)中進(jìn)行脫硝試驗(yàn),脫硝效率曲線如圖2所示,吸附劑的硝容和穿透時(shí)間見表2(Ca-DMA、Ca-RMA和Ca-RA分別為DAM、RMA和RA經(jīng)CaO水合改性后的樣品)。
圖2 鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)吸附劑脫硝效率的影響Fig.2 Influence of iron mass fraction on denitrificationefficiency of adsorbents
表2 鐵質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)吸附劑的硝容和穿透時(shí)間影響
未經(jīng)磁選的吸附劑Ca-RA脫除NO能力較差,由DMA制備的吸附劑穿透時(shí)間和脫除效率均有所增加,原因是濕式磁選使更多的磁性物質(zhì)被富集,堿改性破壞粉煤灰表面的玻璃體結(jié)構(gòu),使更多的鐵氧化物暴露,進(jìn)一步增強(qiáng)脫硝性能。經(jīng)機(jī)械研磨和堿改性后的吸附劑硝容也僅為100 μg/g,為提高脫硝性能,需對(duì)吸附劑繼續(xù)改性。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)濕式磁選次數(shù)增加,磁選工藝耗水量隨之增加,且經(jīng)過濕式磁選后排出的粉煤灰活性較低,難以處理[15],因此后續(xù)試驗(yàn)以DMA作為試驗(yàn)對(duì)象。
分別對(duì)FA、DMA和經(jīng)過CaO改性的Ca-DMA進(jìn)行XRD和BET表征,結(jié)果如圖3和表3所示,圖3顯示,原灰FA中的主要晶相是莫來石和SiO2。在15°~40°出現(xiàn)“饅頭峰”,主要是玻璃體和未燃盡碳[16];機(jī)械研磨及磁選后的粉煤灰DMA中莫來石和SiO2峰強(qiáng)度明顯下降,同時(shí)檢測(cè)到Fe2O3衍射峰,但并未產(chǎn)生新物質(zhì),說明機(jī)械研磨僅破壞了粉煤灰表面的玻璃體結(jié)構(gòu),將包裹在玻璃體內(nèi)部的FeOx暴露出來;灰中鐵元素主要是由赤鐵礦(α-Fe2O3)、磁赤鐵礦(γ-Fe2O3)和磁鐵礦(Fe3O4)構(gòu)成,原灰中Fe質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低,故在XRD中無對(duì)應(yīng)的衍射峰,但在DMA的圖譜中發(fā)現(xiàn)Fe3O4和少量的Fe2O3衍射峰,說明濕式磁選使更多的磁性鐵氧化物富集。而Ca-DMA中,莫來石和SiO2峰強(qiáng)度有所下降,主要是由于堿改性過程破壞了粉煤灰中的Al—O和Si—O化學(xué)鍵,進(jìn)而與CaO在水熱條件下發(fā)生火山灰反應(yīng),在灰表面形成一系列化合物[17],如式(3)~(5):
(3)
(4)
(5)
圖3 FA、DMA和Ca-DMA吸附劑的XRD圖譜Fig.3 XRD patterns of FA,DMA and Ca-DMA adsorbents
由表3可知,吸附劑Ca-DMA的比表面積和孔體積較大,DMA次之,F(xiàn)A最小。原灰比表面積較小,經(jīng)過機(jī)械研磨破壞了內(nèi)部的Si—Al結(jié)構(gòu),使DMA孔隙結(jié)構(gòu)增大,堿改性過程中,CaO與粉煤灰中Si—Al結(jié)構(gòu)反應(yīng),破壞Si—Al結(jié)構(gòu)激發(fā)其化學(xué)活性,使比表面積比FA大2.93倍,說明機(jī)械研磨和堿改性對(duì)破壞玻璃體起重要作用。
表3 FA、DMA和Ca-DMA吸附劑孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)
粉煤灰表面玻璃體破壞后仍可通過負(fù)載金屬組分Mn增加脫硝性能。因此在Ca-DMA的基礎(chǔ)上,添加Mn(NO3)2制備吸附劑Mn/Ca-DMA,詳細(xì)制備信息見表4,并在固定床評(píng)價(jià)系統(tǒng)中進(jìn)行脫硝性能測(cè)試。
表4 不同Mn(NO3)2添加量的吸附劑制備
Mn(NO3)2添加量對(duì)吸附劑脫硝效率的影響如圖4所示,吸附劑的硝容和穿透時(shí)間見表5,可知脫硝性能最佳的吸附劑為Mn(4)/Ca-DMA,其硝容為368 μg/g。XRD結(jié)果如圖5所示,可知吸附劑制備過程中添加適量的Mn(NO3)2會(huì)形成MnSiO3和Ca2Fe2O5,在高溫下Mn(NO3)2的熱分解產(chǎn)物為MnO納米顆粒[18],MnO納米顆粒與二氧化硅基質(zhì)反應(yīng),轉(zhuǎn)化為由多晶MnSiO3殼組成的中空納米結(jié)構(gòu)[19],可用于催化劑或吸附劑;Ca2Fe2O5結(jié)構(gòu)中大量無序的氧空位,使其具有較高的催化氧化活性[20],這2種物質(zhì)的形成增加了吸附劑脫硝性能,因此在一定范圍內(nèi),脫硝效率隨著Mn添加量的增加而增加;但當(dāng)Mn(NO3)2添加量超過0.1 mol時(shí),吸附劑的脫硝性能急劇下降。
圖4 Mn(NO3)2添加量對(duì)吸附劑脫硝效率的影響Fig.4 Influence of Mn(NO3)2 additions ondenitrification efficiency of adsorbents
表5 Mn(NO3)2添加量對(duì)吸附劑硝容和穿透時(shí)間的影響
圖5 Ca-DMA和Mn(4)/Ca-DMA吸附劑的XRD圖譜Fig.5 XRD patterns of Ca-DMA andMn(4)/Ca-DMA adsorbents
Mn(4)/Ca-DMA和Mn(6)/Ca-DMA的SEM微觀形貌如圖6所示。Mn(6)/Ca-DMA吸附劑結(jié)構(gòu)密實(shí),片狀顆粒堆積,孔隙結(jié)構(gòu)堵塞,原因是過量的Mn離子使活性物質(zhì)的生成速率遠(yuǎn)高于生長(zhǎng)速率,產(chǎn)生團(tuán)聚堆積現(xiàn)象,導(dǎo)致吸附劑的孔隙結(jié)構(gòu)變小,有利于減少脫硝的活性位點(diǎn),從而導(dǎo)致脫硝性能降低;而Mn(4)/Ca-DMA樣品表面粗糙,微觀結(jié)構(gòu)蓬松,孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá),為脫硝過程提供豐富的空間結(jié)構(gòu),利于反應(yīng)物吸附和生成物轉(zhuǎn)移,再次證實(shí)適量Mn(NO3)2能優(yōu)化吸附劑孔隙結(jié)構(gòu),顯著改善Mn在吸附劑表面的分散性,促進(jìn)更多活性位形成,使吸附劑活性明顯高于Mn(6)/Ca-DMA,故Mn(NO3)2添加量為0.1 mol時(shí)制備的吸附劑Mn(4)/Ca-DMA效果最佳。在XRD圖譜中并未發(fā)現(xiàn)Fe、Mn的結(jié)合物,這可能是由于Mn在吸附劑中以無定形態(tài)存在,與吸附劑中的Fe形成鐵錳固溶體,分散均勻,未形成微晶堵塞孔結(jié)構(gòu),進(jìn)而增強(qiáng)吸附劑活性。
圖6 Mn(4)/Ca-DMA和Mn(6)/Ca-DMA吸附劑的SEM圖Fig.6 SEM images of Mn(4)/Ca-DMA andMn(6)/Ca-DMA adsorbents
在吸附劑Mn(4)/Ca-DMA的基礎(chǔ)上采用金屬組分Ce對(duì)其進(jìn)一步改性,研究Ce添加量對(duì)吸附劑脫硝性能的影響。表6為吸附劑制備信息,圖7和表7為分別為Ce(NO3)3·6H2O添加量對(duì)吸附劑脫硝效率影響曲線和吸附劑的硝容和穿透時(shí)間。
表6 不同Ce(NO3)3·6H2O添加量的吸附劑制備
圖7 Ce(NO3)3·6H2O添加量對(duì)吸附劑脫硝效率的影響Fig.7 Influence of Ce(NO3)3·6H2O additions on denitrification efficiency of adsorbents
表7 Ce(NO3)3·6H2O添加量對(duì)吸附劑硝容和穿透時(shí)間的影響
由圖7可知,Ce的添加量在0.02 mol時(shí),吸附劑脫硝效果最好,與Mn(4)/Ca-DMA相比,添加Ce后的吸附劑具有更高的NO脫除效率和更長(zhǎng)的穿透時(shí)間,硝容達(dá)629 μg/g。然而隨Ce負(fù)載量的增加,當(dāng)Ce添加量在0.03 mol,Mn(NO3)2和Ce(NO3)3·6H2O物質(zhì)的量比為10∶3時(shí),吸附劑脫硝性能并未提升,而當(dāng)Mn(NO3)2和Ce(NO3)3·6H2O物質(zhì)的量比為5∶1時(shí),脫硝效果最佳。
Mn(4)/Ca-DMA和不同Ce負(fù)載量吸附劑的XRD圖譜如圖8所示,由圖8可知衍射峰主要是Ca3Al2O6和Ca2Fe2O5。通過對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)卡可知,Mn(4)Ce(2)/Ca-DMA中Ca2Fe2O5和CaMnSi2O6的衍射峰較強(qiáng),說明少量鈰的混入可增加吸附劑活性物質(zhì),從而顯著提高錳基吸附劑的硝容。隨Ce添加量的增加,脫硝效率減少,這是由于稀土元素Ce對(duì)陰離子的吸附能力較強(qiáng)[21],但過高或過低的Ce添加量會(huì)阻礙吸附過程的進(jìn)行。顯然,只有選出最恰當(dāng)?shù)腗n(NO3)2和Ce(NO3)3·6H2O添加比例,使高鐵粉煤灰吸附劑具備最多的活性位點(diǎn),吸附劑的吸附能力才能夠達(dá)到最佳。因此,本次試驗(yàn)選擇Mn(NO3)2和Ce(NO3)3·6H2O最佳物質(zhì)的量比為5∶1。
圖8 不同Ce(NO3)3·6H2O添加量吸附劑的XRD圖譜Fig.8 XRD patterns of adsorbents with differentCe(NO3)3·6H2O additions
圖8中并未發(fā)現(xiàn)Fe、Mn和Ce的結(jié)合物,這可能是Ce與吸附劑中的Fe、Mn形成固溶體,F(xiàn)e、Mn和Ce之間存在較強(qiáng)的相互作用,F(xiàn)e、Mn進(jìn)入CeO2螢石型結(jié)構(gòu),部分Ce原子被取代形成固溶體,導(dǎo)致CeO2的晶格結(jié)構(gòu)畸變和缺陷,從而增加了CeO2的貯存氧和釋放氧的能力。相對(duì)于單純的CeO2物質(zhì),固溶體的穩(wěn)定性和催化性能更強(qiáng)。在未添加Ce吸附劑的XRD中檢測(cè)到MnO2,添加Ce吸附劑的XRD未檢測(cè)到Mn和Ce氧化物,猜測(cè)原因可能是:① MnOx和CeOx氧化物在載體中分散度較高,不存在大量團(tuán)聚現(xiàn)象,因此沒有明顯的衍射峰;② Ce作為稀土元素對(duì)晶簇的形成有抑制作用,使得Mn和Ce呈無定型狀態(tài),因此衍射峰不明顯。
圖9 Mn(4)Ce(2)/Ca-DMA脫硝前后FTIRFig.9 FTIR of Mn(4)Ce(2)/Ca-DMAbefore and after denitration
焙燒是Mn-Ce高鐵灰吸附劑制備中的關(guān)鍵步驟,焙燒溫度會(huì)影響吸附劑的晶型、孔結(jié)構(gòu)和表面形貌,進(jìn)而影響吸附劑脫硝性能。因此筆者研究了焙燒溫度(400、450、500和550 ℃)對(duì)Mn-Ce修飾高鐵灰吸附劑脫硝性能的影響,結(jié)果如圖10和表8(Mn(4)Ce(2)/Ca-DMA在400、450、500和550 ℃下焙燒的樣品分別被命名為Mn(4)Ce(2)/Ca-DMA400、Mn(4)Ce(2)/Ca-DMA450、Mn(4)Ce(2)/Ca-DMA500、Mn(4)Ce(2)/Ca-DMA550)所示。
圖10 焙燒溫度對(duì)吸附劑的脫硝效率的影響Fig.10 Influence of roasting temperatureson denitrification efficiency of adsorbents
表8 焙燒溫度對(duì)吸附劑硝容和穿透時(shí)間的影響
結(jié)果顯示,焙燒溫度對(duì)吸附劑脫硝性能的影響呈先上升后下降的趨勢(shì),焙燒溫度500 ℃時(shí)的吸附劑Mn(4)Ce(2)/Ca-DMA500的脫硝性能最佳,穿透時(shí)間和硝容分別為26 min和823 μg/g。焙燒溫度對(duì)吸附劑孔隙結(jié)構(gòu)的影響見表9,可知Mn(4)Ce(2)/Ca-DMA500的比表面積和孔體積相對(duì)較大,孔隙結(jié)構(gòu)豐富;焙燒溫度為550 ℃時(shí),脫硝能力急劇下降,可能是過高的焙燒溫度使吸附劑出現(xiàn)嚴(yán)重的燒結(jié)團(tuán)聚現(xiàn)象,孔洞減少,吸附劑孔隙結(jié)構(gòu)惡化。
表9 焙燒溫度對(duì)吸附劑孔隙結(jié)構(gòu)的影響
不同焙燒溫度下吸附劑的SEM圖如圖11所示,可知隨焙燒溫度升高,吸附劑呈現(xiàn)不同的表觀形貌。400 ℃下焙燒的吸附劑中球形小顆粒和片狀顆粒相互黏連,堆積成密實(shí)的聚集體;焙燒溫度為450 ℃時(shí),吸附劑中球形小顆粒減少,出現(xiàn)不規(guī)則塊狀顆粒,不同顆粒之間的黏連度降低,聚集體分散形成發(fā)達(dá)的多孔結(jié)構(gòu);焙燒溫度500 ℃制備的吸附劑孔洞分布均勻,顆粒粒度大小一致,孔隙度較大;當(dāng)焙燒溫度升至550 ℃時(shí),吸附劑表面的孔道消失,孔結(jié)構(gòu)塌陷,出現(xiàn)嚴(yán)重的燒結(jié)團(tuán)聚現(xiàn)象,這與BET表征結(jié)果一致。
圖11 不同焙燒溫度下吸附劑的SEM圖Fig.11 SEM images of the adsorbents calcined at differentcalcination temperatures
圖12為不同焙燒溫度的吸附劑XRD圖譜。
圖12 不同焙燒溫度吸附劑的XRD圖譜Fig.12 XRD patterns of adsorbents at differentcalcination temperatures
由圖12可知,Mn(4)Ce(2)/Ca-DMA500中CaMnSi2O6衍射峰較為明顯,說明CaMnSi2O6的晶化程度更高,晶體結(jié)構(gòu)更為完整。溫度超過500 ℃時(shí),峰位置發(fā)生了偏移,說明隨著焙燒溫度的增加,CaMnSi2O6的晶體被破壞;焙燒溫度低于500 ℃時(shí)吸附劑表面結(jié)晶度也較低,吸附劑表面可能存在雜質(zhì)(如硅酸鹽、硝酸鹽等),導(dǎo)致吸附劑活性降低。
1)Mn-Ce高鐵灰吸附劑的最佳制備條件為:30 g DMA,6 g CaO,0.1 mol Mn(NO3)2,0.02 mol Ce(NO3)3·6H2O,95 ℃恒溫?cái)嚢? h,500 ℃下焙燒2 h,獲得最優(yōu)吸附劑Mn(4)Ce(2)/Ca-DMA500的硝容為823 μg/g。
2)機(jī)械研磨可破壞粉煤灰中玻璃體結(jié)構(gòu),暴露內(nèi)部的FeOx,濕式磁選可使FeOx大量富集;水合改性高鐵灰過程中CaO和Si、Al反應(yīng)生成水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣等,加劇高鐵粉煤灰表面玻璃體的破壞,增加了內(nèi)部FeOx的暴露,F(xiàn)e質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加有助于提升吸附劑脫硝性能。
3)適量的Mn(NO3)2能夠優(yōu)化吸附劑的孔隙結(jié)構(gòu),為吸附劑在脫硝反應(yīng)中的傳質(zhì)過程提供豐富的孔道;添加適量Ce有助于Ca、Mn及Fe形成Ca2Fe2O5和CaMnSi2O6,Mn與Fe和Ce形成鐵錳和錳鈰固溶體,增強(qiáng)脫硝性能。
4)焙燒溫度是制備Mn-Ce高鐵灰吸附劑的關(guān)鍵因素。焙燒溫度較低時(shí)(400、450 ℃)吸附劑表面結(jié)晶度較低,其表面可能存在雜質(zhì),活性位被覆蓋;溫度較高時(shí)(550 ℃),孔結(jié)構(gòu)塌陷,出現(xiàn)嚴(yán)重的燒結(jié)團(tuán)聚現(xiàn)象;焙燒溫度500 ℃,比表面積和孔體積相對(duì)較大,孔隙結(jié)構(gòu)豐富,CaMnSi2O6的晶化程度更高,其表面雜質(zhì)被分解或脫附,吸附劑活性較高。