저온 SCR 탈질 촉매 연구 진행

Aug 29, 2022
1. 서문
에너지 절약 및 배출 감소와 같은 국가 전략의 지속적인 추진으로 석탄 화력 발전소의 배기 가스 탈질 기술은 점차 성숙해졌습니다. 대기처리 분야에서 비전력산업의 비중이 점차 증가하고 있으며, 그 중 일부는 코크스, 시멘트, 유리, 산업용 보일러, 폐기물 소각 등 저온의 연도가스를 배출하고 있다. 온도 탈질 기술은 현재 탈질 공정의 중요한 방향입니다. 현재 상용 촉매는 주로 V2O5-WO3, MoO3/TiO2이며 담체로 TiO2, 활성 성분으로 V2O5, 활성 첨가제로 WO3 또는 MoO3가 있습니다. 활성 첨가제의 첨가는 촉매의 고온 및 저온 활성을 향상시키고 부반응의 발생을 효과적으로 억제한다. 그러나, 촉매는 300-400°C의 활성 온도 창을 갖는 중-고온 촉매이다. 이 온도 범위보다 낮거나 높으면 촉매의 탈질소 활성이 감소하기 시작하고 가역적/비가역적 중독 비활성화가 발생하여 배가스 배출 온도가 300°C 미만인 산업의 요구를 충족할 수 없습니다. 연도 가스 재가열 후 탈질소 공정을 사용하면 에너지 소비가 증가합니다. 저온 SCR 탈질을 사용하면 먼지 제거 또는 탈황 공정 후에 탈질 공정을 배치하여 촉매에 대한 그을음의 마모 및 중독 효과를 줄이고 연도 가스 재가열을 피할 수 있습니다. 따라서 에너지 효율성을 개선하고 운영 비용을 절감할 수 있습니다. 따라서 저온 탈질 산업에서 효율적인 저온 탈질 촉매의 성능을 연구하는 것은 매우 중요하다.

2. 저온 촉매 R&D 방향
저온 탈질 촉매의 어려움.
(1) 낮은 탈질소 활성: 일반적으로 배기가스 온도가 낮아짐에 따라 탈질소 촉매 활성이 감소하며, 온도가 200℃ 미만일 경우 기존 저온 촉매 활성이 낮아 탈질 효율이 불량하게 될 뿐만 아니라 표준을 초과하는 암모니아 배출과 같은 2차 오염 문제;
(2) 열악한 항황 피독 성능: 연도 가스의 SO2 및 SO3는 촉매의 활성 비트와 반응하여 활성 비트 수가 감소하고 탈질 성능이 저하됩니다.
(3) 심각한 막힘 중독: SO3의 산화에 의해 형성된 연도 가스의 SO2는 NH3와 반응하여 황 암모늄 염을 생성하고 촉매 표면에 부착되어 촉매 활성 부위를 덮고 황 암모늄 염은 추가로 연도 가스에서 비산회를 흡착하여 막힘을 악화시키고 촉매를 빠르게 비활성화시킵니다.
(4) 열악한 수증기 내성: 저온 SCR 탈질 동안, 연도 가스에 존재하는 수증기는 물리적 경쟁 흡착 및 화학 흡착 간섭 반응을 통해 촉매의 탈질 효율에 영향을 미칠 수 있습니다.
저온 SCR 탈질 촉매 선택적 촉매, 서비스 수명, 성능 안정성 및 촉매 효과 측면에서 아직 연구 단계에 있습니다. 연구 중에 SO2 및 수증기는 촉매에 특정 독성 영향을 미치며 촉매 제조 방법을 개선하고 적합한 촉매 활성 성분 및 담체를 선택하여 촉매의 SO2 및 수증기 내성을 개선할 수 있습니다. 따라서 수증기 및 SO2 저항성에 대한 저온 SCR 탈질 촉매에 대한 심도 있는 연구가 필요하다.

3. 국가에너지그룹 베이징저탄소청정에너지연구소(저탄소연구소) 환경보호기술센터팀 저온촉매 연구 진행
저탄소 연구소 연구원들은 활성 성분의 산화 환원 성능에 대한 분자체의 산성 효과를 처음 발견하고 활성 및 산성 부위의 "이중 활성 중심"을 포함하는 저온 반응의 메커니즘을 밝혀 네이처 저널에 게재 커뮤니케이션 화학. 이 연구 결과는 네이처 저널 커뮤니케이션 케미스트리(Nature subjournal Communications Chemistry)에 게재됐다.

현재 중국의 석탄 화력 발전소의 60% 이상이 저부하 상태이며, VW-Ti 촉매의 탈질소 활성이 좋지 않은 연도 가스 온도는 종종 300°C 미만입니다. 따라서 석탄화력발전소가 신에너지의 딥피킹(deep peaking)으로 전부하 탈질소를 달성하기 위해서는 저온(<300℃)에서 활성이 높은 탈질소 촉매의 개발이 중요하다. 또한 저온 탈질화 기술은 비전기 분야의 연소가스 세정에 큰 수요가 있습니다.


망간 산화물은 저온 탈질 촉매의 일반적으로 사용되는 활성 성분입니다. 일반적으로 MnO2는 저온 탈질 활성이 높고 Mn2O3는 N2 선택성이 가장 좋은 것으로 알려져 있습니다. 어떻게 탈질 활성과 선택성의 균형을 동시에 맞추는가는 망간 기반 탈질 촉매의 분자 설계에 있어 가장 큰 과제가 됩니다. 한편, 높은 비표면적과 풍부한 기공 구조를 가진 순수한 실리콘 메조포러스 분자체 담체는 낮은 산도로 인해 탈질 촉매에서의 적용을 제한합니다.

이러한 문제에 대응하여 저탄소연구소 탈질소팀 연구원들은 호주 그리피스대학교 청정환경에너지센터 연구원들과 공동으로 밀도에 따른 촉매 활성성분의 열역학 계산을 수행했습니다. 범람 이론(DFT) 및 현장 적외선 특성화, 분자 시뮬레이션 소프트웨어 VASP를 사용하여 촉매 표면의 반응물 흡착 과정을 조사하고 분자체의 산성도가 활성에 상당한 영향을 미친다는 것을 처음으로 발견했습니다. 활성 및 산성 부위의 "이중 활성 중심"을 포함하는 저온 반응도 밝혀졌습니다.


이 반응 메커니즘에 따라 연구원들은 석탄 기반 고형 폐기물 비산회에서 Si 및 Al 원소를 사용하여 다양한 골격 Si/Al 비율을 갖는 Al-SBA-15 메조다공성 분자체를 제어 가능하게 합성했으며 Py-IR의 결과는 다양한 NMR 분석은 Al의 도핑이 분자체의 산성도를 상당히 향상시키는 것으로 나타났습니다. L과 B 산의 시너지 효과는 활성 성분 MnO의 성장을 효과적으로 조절하여 MnO2와 Mn2O3 함량의 가장 적절한 비율을 얻었다.


Al의 도입은 활성 성분 MnOx의 결정 변형을 유도할 뿐만 아니라 XRD, XPS, NH3-TPD, HAADF-STEM 및 기타 분석 시험 특성화 방법에 의해 결정립 크기 및 결정 성장 위치를 ​​유도하는 것으로 밝혀졌습니다. 실험 결과 Fe-Mn/Al-SBA-15 촉매에서 망간의 비산 상태가 NH3-SCR 반응에 더 유리하다는 것을 보여주었다.

촉매의 NH3-SCR 탈질 활성을 시험한 결과, Low Carbon Institute에서 제조한 탈질 촉매는 저온(150-300℃)에서 높은 NOx 전환율(≥90%)과 우수한 선택성(≥86%)을 모두 갖는 것으로 나타났습니다. °C).






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