活性炭國家專精特新“小巨人”企業活性炭產學研合作

　　目前，柴油機廣泛用于大型載具的主要動力單元和發電機組。柴油發動機通常使用高硫重質燃料油。除了會產生CO 2促進了溫室效應，廢氣中還含有大量的SOx，NOx，顆粒物，和其他污染物的。釩基催化劑主要用于柴油機尾氣脫硝。當然它的缺點是在低溫下的低催化能力和耐硫性差，以及擁有高毒性和成本高。所以我們需要尋找可替代的吸附劑材料，活性炭由于其高比表面積和化學活性，表現出良好的吸附能力、脫硝能力和催化能力。本期采用活性炭模擬不同條件下的柴油機尾氣的脫硝。

　　活性炭不僅便宜且具有多種來源途徑，而且由于高比表面積和化學活性，還具有良好的吸附能力和催化能力。一些金屬氧化物可以浸漬在活性炭表面上，以進一步提高高溫下的脫硝效率。因此，它在未來具有很大的應用前景。影響活性炭脫硝效率的因素很多，包括活性炭的類型，比表面積(主要與物理吸附有關)和表面官能團(主要與化學吸附和催化有關)，NOx濃度，O2濃度，廢氣溫度，加入NH 3與否等。

　　目前，有三種主要類型的活性炭，即煤質，椰殼和木質材料制成的活性炭。木質活性炭主要用于水處理，因為它需要消耗木材而不被認為是環保的。椰殼活性炭的價格大約是煤質活性炭的兩倍。因此，這次選擇煤質活性炭作為研究對象。由于船舶柴油發動機可以使用不同含硫量的燃料，脫硫裝置也不同，這導致在脫硝期間廢氣的溫度不同。本文主要研究了活性炭催化NO氧化成NO 2的性能在低溫下作為選擇性催化還原催化劑在高溫下，探討了活性炭在船舶脫硝領域的應用前景。

　　為了研究不同氣體組成，濃度和溫度對活性炭脫硝能力的影響，采用模擬氣體供應系統模擬真實柴油機廢氣。實驗系統如圖1所示。它主要包括供氣裝置，石英反應器，溫度控制裝置，煙氣分析儀和廢氣吸收裝置。供氣裝置主要包括氣瓶，減壓閥，質量流量控制器，混合室等。溫控裝置包括管式加熱爐和溫度控制器。N 2和O 2是高純度標準氣體。NO是含有N 2作為載氣的10%標準氣體，NO 2和NH 3也是如此。混合氣體中每種氣體組分的濃度由質量流量控制器控制。將石英反應器，內徑26mm，壁厚2mm，長300mm的空心圓筒放入管式加熱爐中。實驗溫度由溫度控制器控制，精度為±1°C。煙氣分析儀可以連續監測溫度和NO，NO 2的濃度采用電化學方法，采樣周期為1s的混合氣體和CO。為了防止廢氣污染空氣，通過煙氣分析儀的氣體被送到廢氣吸收裝置進行處理。

　　圖1：活性炭脫硝的實驗系統。

　　活性炭對單組分NO的影響

　　活性炭表面的NO吸附是活性炭脫硝的前提。溫度對活性炭脫硝能力有很大影響。因此，本文首先研究了活性炭對單組分NO在15-300℃范圍內的去除能力。如圖2所示，根據溫度分為四個階段，分別為15°C，15-100°C，100-200°C和200-300°C，進氣量為1000μL/L NO/N 2。出口NO在15°C下10分鐘內達到970μL/L。改性活性炭纖維用于研究活性炭纖維在40℃下的脫硝能力。當入口氣體為900μL/L NO/N 2時，出口NO在5 min內達到800μL/L，然后緩慢增加。我們的結果與他的相似。我們知道低溫有助于活性炭的物理吸附，并且通常活性炭纖維具有比活性炭更大的比表面積。因此活性炭纖維的物理吸附能力強于活性炭。然而，活性炭纖維和活性炭的NO吸附量在低溫下仍然受到限制。隨著溫度的升高，活性炭的物理吸附能力逐漸降低，化學吸附能力和催化能力逐漸提高。因此，為了提高活性炭的脫硝能力，還需要優化其催化能力。

　　圖2：活性炭在NO / N 2系統中的影響。

　　在加熱過程中，由于吸附的NO的部分解吸，出口NO將略微增加。然而，隨著溫度的升高，活性炭的化學吸附能力增加，化學吸附吸收更多的NO。因此，出口NO減少。當溫度保持恒定時，活性炭表面上的吸附活化位點隨時間逐漸降低，導致出口處NO濃度增加。然而，隨著溫度從15℃逐漸升高到300℃，活性炭的催化能力增加，脫硝效率也增加。

　　活性炭對NO + NH 3的影響

　　當溫度低于300℃時，作為還原劑的活性炭的脫硝能力差。為了進一步提高活性炭的脫硝能力，NH 3通常加入作為還原劑。如圖3所示，當入口氣體為1000μL/ L NO +1000μL/ L NH 3時，研究了活性炭在不同溫度下的脫硝能力。本文使用的煤質活性炭是酸性的，含酚羥基的官能團相對較高，促進了脫硝。它可以從之間的比較可以看出圖2和圖3中，加入NH后的趨勢和CO的濃度3基本上相同，而不NH 3，表明NH 3對含氧官能團的分解沒有效果。

　　圖3：活性炭在NO/NH 3/N 2系統中的作用，在活性炭表面上NO還原與NH 3的反應機理。

　　活性炭在柴油機廢氣脫硝中的應用前景

　　當船舶使用低硫燃料油時，進入選擇性催化還原脫硝反應器的廢氣溫度通常為200-300℃。從上述實驗結果可以看出，在活性炭作用下穩定脫硝效率是分別為12.1%，70.8%和31.6%。增加NO 2的比例在廢氣中可以提高活性炭的脫硝效率。此外，活性炭可以用其他金屬氧化物改性或負載，以進一步提高脫硝效率。當柴油機使用高硫燃料時，從上述實驗結果可知，濕式洗滌器脫硫后冷卻至約50℃的廢氣可以進入活性炭氧化劑，將NO氧化成NO 2。作為NO 2如果易溶于水，可將氣體再次引入洗滌塔進行脫硝處理。因此，不需要熱交換器來重新加熱廢氣。而且，不再需要氨基和釩基催化劑。活性炭更便宜并且具有廣泛的來源。未來，基于油價的變化，無論是使用低硫燃料油還是高硫燃料油和濕式洗滌器來滿足船舶的硫排放要求，選擇性催化還原都將是一種有效的船舶脫硝方法。活性炭可用作低溫廢氣中的氧化催化劑和高溫廢氣中的選擇性催化還原脫硝催化劑。在未來的柴油機廢氣脫硝領域具有良好的應用前景。

　　以上關于活性炭在不同條件下脫硝能力的實驗得出以下結論：

　　(1)活性炭對NO的去除主要取決于吸附，并且近乎穩定的脫硝效率低。當入口氣體為NO 2/ N 2時，NO 2最終轉化為NO并從活性炭表面解吸。然而，當添加NH 3并且溫度高于200℃時，NO 2/N 2系統中的NOx去除效率高達95%。

　　(2)活性炭在10℃和50℃下的飽和吸附時間分別為660分鐘和500分鐘。然而，隨著溫度的升高，吸附飽和時間急劇下降。當溫度高于200℃時，吸附飽和時間小于10分鐘。當溫度低于100℃時，活性炭可以催化NO氧化成NO 2。當溫度高于100℃時，活性炭催化氧化NO的能力最小。

　　(3)在100℃，200℃和300℃下研究了不同入口氣體活性炭的穩定脫硝效率。當入口氣體為NO/NH 3/N 2時，對應于三個溫度的NOx去除效率分別為34.6%，16%和31.6%。

　　(4)活性炭在船用柴油機廢氣脫硝中的應用主要有兩種方法。當船舶使用高硫燃料油時，濕式洗滌器脫硫后冷卻的廢氣可以進入活性炭中，將NO氧化成NO 2，后者更易溶于水。然后將氣體通入濕式洗滌器進行脫硝。當船舶使用低硫燃料油時，高溫廢氣可以進入活性炭催化反應器。然后可以將NH 3注入反應器中進行選擇性催化還原脫硝處理。

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