焦炭吸附含氧气和水蒸气的NOX烟气技术研究.docx

焦炭吸附含氧气和水蒸气的NOX烟气技术研究Y. KONG和C. Y. CHA*化学和石油工程系，怀俄明大学，拉勒米，WY82071，美国（1995年8月14日收到；修订后于1996年4月4号收录）摘要——从次烟煤中产生的焦炭是一种廉价有效的用于脱除烟气中NOX的吸附剂。本文介绍了当烟气中同时存在水蒸气和氧气时焦炭吸附含氧气和水蒸气的NOX烟气技术。本研究的实验结果显示了NO在焦炭表面被氧化成NO2。当进料口烟气中氧气浓度高于5%以及水蒸气含量少于1%时，每100mol碳脱除的进料口烟气中NO的摩尔数几乎不受进气烟气中氧气浓度和水蒸气含量的影响。当氧气浓度增加时，NO的穿透时间增加，NO2的穿透时间略有下降。当有水蒸汽存在时，一部分被吸附的NO2进一步转化为硝酸，吸附在焦炭内部。当进料口烟气中氧气和水蒸汽含量增加时，NOX以HNO3的形式被吸附在焦炭里的数量相应的增加。NOX的脱除几乎是进料口烟气中水蒸气含量单独决定的（体积比为0.23-0.95%）原因可能是水蒸汽对NO吸附的促进作用是通过抑制效果平衡达到的。关键词——含氮气体，烟气，吸附，焦炭，氧气和水蒸气简介氮氧化物烟气减排已成为日益关注的全球性问题。SCR技术已广泛应用于化工厂和固定式发电站脱除NOX[1-3]。在SCR技术脱硝过程中，氨作为还原剂使用。焦炭脱除烟气中的NOX也引起了大量的研究关注[4-7]。怀俄明大学也在不断地改进NOX减排技术[8-9]，焦炭用作吸附脱除烟气中的NOX，微波能量则用于加快NOX的还原反应。为了商业化这个进程，必须探究确定焦炭吸附含氧气和水蒸气的NOX烟气这一反应机制。尽管氧气能促进焦炭中NOX的还原吸附是众所周知的[10-12]，但吸附物质和氧的影响形式需要进一步研究。除此之外，残留在烟气中的水蒸气的影响情况也不明确。Richter等人[13]和Mochida等人[14]发现相对湿度高时抑制吸附过程以及NO的催化氧化。然而，Rubel等人[15]指出，水蒸气和二氧化碳不会干扰NOX在焦炭中的吸附过程。因此，为了探究明白氧气和水蒸汽的存在在NOX吸附过程中有什么影响，我们进行了一系列进气含量约为1000ppm NOX以及伴随着不同含量氧气和水蒸气的吸附实验研究。实验部分实验所用的焦炭生产于怀俄明凯默勒的FMC焦化厂。煅烧的焦炭是次烟煤在770℃的温度下通过脱挥发制成。在NOX减排进程中选择这样的焦炭作为NOX脱除吸附剂不仅因为它是很好的NOX吸附剂，同时也能作为微波吸收器。在之前文章[8]中介绍过的微波反应器是用于脱挥发制焦炭。325g焦炭需要在微波反应器中放置一个小时以进一步地去除挥发物和吸附的水分。首先将用于脱挥发的微波发生器设定在480W，313.5g样品经微波发生器处理后储存在密封的瓶子里，通过液氮吸附法测得其BET比表面积为163m2/g。接着在吸附实验中，将36.1g焦炭填充到内径为13.8mm的石英管内，其炭床的高度为50.8cm。最后将石英管放置在一个连接着电脑的数字平衡仪上，达到连续记录样品重量变化的目的，并准备量程为1000ppm的NO检测仪和量程为500ppm的NO2检测仪检测出口烟气中NO和NO2的浓度。进料口烟气是由纯NO、N2和含0.95% H2O的空气混合而成，以得到不同含量氧气和水蒸气的混合气体（如图1所示）。由于氧气的存在，部分NO被均匀氧化成NO2。混合进料口烟气的管子不透明，长2m，内径为0.0035m。实际上，几种混合管子的长度从0.5m到2m不等但输送出口NO和NO2浓度却相同的。因此，可以假定进料口气体混合后，NO和NO2之间的气相转化在进入炭床前的混合管子中已经达到平衡。进料口烟气流量控制为974 cm3/min,对应停留时间2.3s。我们尽量将纯NO流量保持在0.974 cm3/min，以保证NOX的浓度为1000ppm。然而，将纯NO流量保持在0.974 cm3/min是非常困难的，进料口烟气中NOX总浓度也并不能完全保持在1000ppm。因为NO和NO2的浓度变化取决于烟气中所含O2浓度，因此，每次实验进料口烟气中NO和NO2的浓度都是变化不一的。表1中给出了每个吸附实验运行时O2浓度、水蒸气含量、进料口NO和NO2的浓度。所有实验在室温下进行（24℃）。表1.各个吸附实验运行时进料口烟气组成图1.吸附实验流程图实验结果与讨论由于NO在室温环境温度下是超临界气体，只有很少的NO会吸附在多孔吸附剂上[16]。然而，氧气组成为5%、水蒸气为0.23%（均为气体体积含量）的第一组实验的突破曲线显示，在实验开始的4.7个小时内，出口烟气中既没有检测到NO，也没有检测出NO2。换而言之，气相中的NO转化成了某些在焦炭中容易被吸附的化合物。Rubel等人[10-15]发现，这种容易被吸附的化合