朱二濤

（河北大河邯鋼設(shè)計(jì)院有限公司）

摘要：燒結(jié)煙氣是鋼鐵領(lǐng)域污染負(fù)荷最為嚴(yán)重的環(huán)節(jié)。目前，研究者在顆粒物、SOx、NOx 治理方面已取得了很大的成效，但燒結(jié)煙氣中還含有一定的COx （3.5%～4.5%的CO₂、0. 4%～1%的CO），其對(duì)人類健康和社會(huì)環(huán)境具有嚴(yán)重的影響，也是未來燒結(jié)煙氣治理的關(guān)注點(diǎn)，因此，燒結(jié)煙氣中CO的減排收到越來越多的重視。通過中試試驗(yàn)研究某CO催化劑在燒結(jié)煙氣工況條件下的性能效果。試驗(yàn)結(jié)果表明，該催化劑在溫度220～250℃，空速8000h^-1的條件下，CO脫除效率可達(dá)75%以上，且能夠持續(xù)穩(wěn)定一段時(shí)間。

關(guān)鍵詞：燒結(jié)煙氣；CO；催化劑

0  引言

近年來，隨著我國(guó)大氣污染防治工作的不斷深入，常規(guī)大氣污染物都得到了有效治理，環(huán)境質(zhì)量得以改善。與此同時(shí)，一些非常規(guī)污染物的排放，如CO在極低濃度時(shí)能使人或動(dòng)物遭到缺氧性傷害，輕者眩暈、頭疼，重者腦細(xì)胞受到永久性損傷，甚至窒息死亡等危害，因此成為重點(diǎn)關(guān)注的對(duì)象。2012年國(guó)家出臺(tái)了空氣質(zhì)量指數(shù)AQI，參與空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)的主要污染物包括一氧化碳、細(xì)顆粒物、可吸入顆粒物、二氧化硫、二氧化氮、臭氧等6項(xiàng)。2018年1月1日《環(huán)境保護(hù)稅法》施行，該法規(guī)開始將廢氣中的CO污染物納入征稅對(duì)象，同時(shí)各個(gè)地方政府也逐步將CO列入常規(guī)減排污染物行列。在減污降碳大背景下，伴隨著大氣治理走向深入，CO減排勢(shì)在必行^[1-3]。

燒結(jié)煙氣是鋼鐵企業(yè)污染物排放重點(diǎn)工序，CO濃度8000~12000mg/m³，約占其污染物總量的85%以上，因此有效控制燒結(jié)煙氣CO的排放對(duì)持續(xù)改善大氣環(huán)境質(zhì)量至關(guān)重要。本文從末端治理的角度出發(fā)^[4-5]，研究CO催化氧化技術(shù)，測(cè)試某CO催化劑的性能效果，為實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用提供依據(jù)。

1   CO催化氧化機(jī)理

CO催化氧化的化學(xué)反應(yīng)方程式為CO＋1/2 O₂→CO₂。CO和O₂分子結(jié)合到催化劑的吸附位點(diǎn)并分別轉(zhuǎn)化為吸附的CO和吸附的O₂。這兩種被吸附的物質(zhì)會(huì)相互反應(yīng)，形成被吸附的CO₂和被吸附的O₂氧原子。吸附的氧原子與吸附的CO反應(yīng)形成吸附的CO₂，并暴露出催化劑表面的吸附位點(diǎn)。最后，吸附的CO₂從催化劑表面分離，暴露出表面的吸附位點(diǎn)，完成CO催化氧化過程^[6]。

2  實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)所用CO催化劑為自主研發(fā)。從脫硫除塵后、脫硝前引入部分燒結(jié)煙氣進(jìn)入實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，測(cè)得脫硫除塵后的燒結(jié)煙氣主要成分為：14～16%O₂、18～25mg/m³SO₂、200～300mg/m³NOx、2～5mg/m³粉塵、3.5%～4.5% CO₂、15%～20% H₂O。由于進(jìn)入實(shí)驗(yàn)裝置的燒結(jié)煙氣溫度較低，無法自主完成催化反應(yīng)過程，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置中，需對(duì)反應(yīng)器及整個(gè)管路進(jìn)行保溫，減少散熱，同時(shí)在風(fēng)機(jī)后、反應(yīng)器前設(shè)置電加熱器對(duì)煙氣進(jìn)行加熱，以此來控制實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)溫度，在加熱器前設(shè)置轉(zhuǎn)子流量計(jì)，通過調(diào)節(jié)流量計(jì)，實(shí)現(xiàn)不同空速下的催化反應(yīng)^[7]。反應(yīng)器前后設(shè)置取樣孔，通過手持煙氣分析儀檢測(cè)CO濃度。

CO 催化效率計(jì)算公式見（1）

      （1）

式中，[CO]_入——反應(yīng)器入口CO濃度，mg/m³；

[CO]_出——反應(yīng)器出口CO濃度，mg/m³。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)易圖

3結(jié)果與討論

3.1催化劑溫度測(cè)試

在14～16%O₂、18～25mg/m³SO₂、200～300mg/m³NOx、2～5mg/m³粉塵、3.5%～4.5% CO₂、15%～20% H₂O、空速8000h^-1的試驗(yàn)條件下，通過改變溫度，測(cè)得CO催化效率和溫升的變化。其結(jié)果如圖2所示。

隨溫度升高，催化效率和溫升呈上升趨勢(shì)。在溫度較低時(shí)，CO的催化效率比較低，催化效果不明顯。當(dāng)溫度超過200℃，催化效率可達(dá)到55%以上，溫升達(dá)到20℃以上，催化效果明顯。當(dāng)溫度繼續(xù)升高到260℃時(shí)，催化效率達(dá)90%，溫升35℃。試驗(yàn)結(jié)果表明，溫度越高，催化劑反應(yīng)越劇烈，催化效率也就越高。

圖2  CO催化效率—溫度曲線

試驗(yàn)表明，溫度越高，CO催化效率越高，反應(yīng)釋放的熱量越多。若將CO催化氧化與SCR脫硝工藝耦合起來，溫度在240℃時(shí)，催化效率可以達(dá)到70%以上，溫升在25℃左右，滿足生產(chǎn)要求。溫度高有利于活性氧物種的形成和反應(yīng)^[8-10]。

3.2催化劑空速測(cè)試

在14～16%O₂、18～25mg/m³SO₂、200～300mg/m³NOx、2～5mg/m³粉塵、3.5%～4.5% CO₂、15%～20% H₂O、溫度240℃的試驗(yàn)條件下，通過改變空速，測(cè)得CO催化效率和溫升的變化。其結(jié)果如圖3所示。

隨著空速增加，催化效率和溫升呈緩慢趨勢(shì)下降?？账僭?000h^-1時(shí)，CO催化效率在90%以上，溫升在40℃以上。當(dāng)空速增加到8000h^-1時(shí)，CO催化效率在80%左右，溫升25℃。當(dāng)空速增加到12000h^-1時(shí)，CO的催化效率在65%左右，溫升在13℃。

圖3  CO催化效率—空速曲線

試驗(yàn)表明，空速越大，停留在催化劑時(shí)間短，反應(yīng)時(shí)間短，煙氣中CO與催化劑。短時(shí)間內(nèi)能夠保持較高的活性。

3.3催化劑壽命測(cè)試

在14～16%O₂、18～25mg/m³SO₂、200～300mg/m³NOx、2～5mg/m³粉塵、3.5%～4.5% CO₂、15%～20% H₂O、溫度240℃，空速8000h^-1的試驗(yàn)條件下，測(cè)得CO催化效率隨時(shí)間的變化，其結(jié)果如圖4所示。

催化效率隨時(shí)間的變化緩慢降低，經(jīng)過120h后，催化效率由98%降低到88%，催化劑有衰減，但衰減較慢，催化效果較穩(wěn)定。

圖4  CO催化效率—時(shí)間曲線

3.4催化劑抗硫性測(cè)試

在14～16%O₂、200～300mg/m³NOx、2～5mg/m³粉塵、3.5%～4.5% CO₂、15%～20% H₂O、溫度240℃，空速8000h^-1的試驗(yàn)條件下，通過改變SO₂濃度，測(cè)得CO催化效率隨時(shí)間的變化，其結(jié)果如圖5所示。

從圖5中可以看出，開始時(shí)，兩者的催化效率都比較高，催化效率在97%左右，隨著時(shí)間延長(zhǎng)，高濃度的下降比較明顯。經(jīng)過120h后，CO催化效率下降至70%。而低濃度的經(jīng)歷120h后，CO催化效率比較穩(wěn)定，維持在90%以上。

圖5  CO催化效率—SO₂曲線

當(dāng)SO₂對(duì)催化劑表面覆蓋程度高時(shí)，其表面會(huì)形成亞硫酸鹽和硫酸鹽。亞硫酸鹽和硫酸鹽會(huì)覆蓋活性位點(diǎn)，破壞載體表面結(jié)構(gòu)，降低表面氧活動(dòng)度，使催化劑失活^[11-12]。

4結(jié)論

1）該催化劑在溫度240℃，空速8000h^-1的條件下能夠保持較高的催化效率，因此可以與SCR脫硝工藝進(jìn)行耦合，能夠提高煙氣溫度30～50℃，大幅降低煙氣換熱器（GGH）燃?xì)庀牧?，從而降低煙氣脫硝運(yùn)行成本，實(shí)現(xiàn)CO和NOx等多污染物協(xié)同減排。

2）CO催化氧化的關(guān)鍵技術(shù)在于催化劑的研發(fā)，國(guó)內(nèi)外研究表明，貴金屬和非貴金屬催化劑^[13]對(duì)CO氧化性能可以滿足燒結(jié)煙氣的需求，但在抗中毒、穩(wěn)定性和制備成本等方面需要進(jìn)一步優(yōu)化。

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