朱二涛

（河北大河邯钢设计院有限公司）

摘要：烧结烟气是钢铁领域污染负荷最为严重的环节。目前，研究者在颗粒物、SOx、NOx 治理方面已取得了很大的成效，但烧结烟气中还含有一定的COx （3.5%～4.5%的CO₂、0. 4%～1%的CO），其对人类健康和社会环境具有严重的影响，也是未来烧结烟气治理的关注点，因此，烧结烟气中CO的减排收到越来越多的重视。通过中试试验研究某CO催化剂在烧结烟气工况条件下的性能效果。试验结果表明，该催化剂在温度220～250℃，空速8000h^-1的条件下，CO脱除效率可达75%以上，且能够持续稳定一段时间。

关键词：烧结烟气；CO；催化剂

0  引言

近年来，随着我国大气污染防治工作的不断深入，常规大气污染物都得到了有效治理，环境质量得以改善。与此同时，一些非常规污染物的排放，如CO在极低浓度时能使人或动物遭到缺氧性伤害，轻者眩晕、头疼，重者脑细胞受到永久性损伤，甚至窒息死亡等危害，因此成为重点关注的对象。2012年国家出台了空气质量指数AQI，参与空气质量评价的主要污染物包括一氧化碳、细颗粒物、可吸入颗粒物、二氧化硫、二氧化氮、臭氧等6项。2018年1月1日《环境保护税法》施行，该法规开始将废气中的CO污染物纳入征税对象，同时各个地方政府也逐步将CO列入常规减排污染物行列。在减污降碳大背景下，伴随着大气治理走向深入，CO减排势在必行^[1-3]。

烧结烟气是钢铁企业污染物排放重点工序，CO浓度8000~12000mg/m³，约占其污染物总量的85%以上，因此有效控制烧结烟气CO的排放对持续改善大气环境质量至关重要。本文从末端治理的角度出发^[4-5]，研究CO催化氧化技术，测试某CO催化剂的性能效果，为实现工业化应用提供依据。

1   CO催化氧化机理

CO催化氧化的化学反应方程式为CO＋1/2 O₂→CO₂。CO和O₂分子结合到催化剂的吸附位点并分别转化为吸附的CO和吸附的O₂。这两种被吸附的物质会相互反应，形成被吸附的CO₂和被吸附的O₂氧原子。吸附的氧原子与吸附的CO反应形成吸附的CO₂，并暴露出催化剂表面的吸附位点。最后，吸附的CO₂从催化剂表面分离，暴露出表面的吸附位点，完成CO催化氧化过程^[6]。

2  实验方法

实验所用CO催化剂为自主研发。从脱硫除尘后、脱硝前引入部分烧结烟气进入实验系统，测得脱硫除尘后的烧结烟气主要成分为：14～16%O₂、18～25mg/m³SO₂、200～300mg/m³NOx、2～5mg/m³粉尘、3.5%～4.5% CO₂、15%～20% H₂O。由于进入实验装置的烧结烟气温度较低，无法自主完成催化反应过程，在整个实验装置中，需对反应器及整个管路进行保温，减少散热，同时在风机后、反应器前设置电加热器对烟气进行加热，以此来控制实验的反应温度，在加热器前设置转子流量计，通过调节流量计，实现不同空速下的催化反应^[7]。反应器前后设置取样孔，通过手持烟气分析仪检测CO浓度。

CO 催化效率计算公式见（1）

      （1）

式中，[CO]_入——反应器入口CO浓度，mg/m³；

[CO]_出——反应器出口CO浓度，mg/m³。

图1 实验装置简易图

3结果与讨论

3.1催化剂温度测试

在14～16%O₂、18～25mg/m³SO₂、200～300mg/m³NOx、2～5mg/m³粉尘、3.5%～4.5% CO₂、15%～20% H₂O、空速8000h^-1的试验条件下，通过改变温度，测得CO催化效率和温升的变化。其结果如图2所示。

随温度升高，催化效率和温升呈上升趋势。在温度较低时，CO的催化效率比较低，催化效果不明显。当温度超过200℃，催化效率可达到55%以上，温升达到20℃以上，催化效果明显。当温度继续升高到260℃时，催化效率达90%，温升35℃。试验结果表明，温度越高，催化剂反应越剧烈，催化效率也就越高。

图2  CO催化效率—温度曲线

试验表明，温度越高，CO催化效率越高，反应释放的热量越多。若将CO催化氧化与SCR脱硝工艺耦合起来，温度在240℃时，催化效率可以达到70%以上，温升在25℃左右，满足生产要求。温度高有利于活性氧物种的形成和反应^[8-10]。

3.2催化剂空速测试

在14～16%O₂、18～25mg/m³SO₂、200～300mg/m³NOx、2～5mg/m³粉尘、3.5%～4.5% CO₂、15%～20% H₂O、温度240℃的试验条件下，通过改变空速，测得CO催化效率和温升的变化。其结果如图3所示。

随着空速增加，催化效率和温升呈缓慢趋势下降。空速在2000h^-1时，CO催化效率在90%以上，温升在40℃以上。当空速增加到8000h^-1时，CO催化效率在80%左右，温升25℃。当空速增加到12000h^-1时，CO的催化效率在65%左右，温升在13℃。

图3  CO催化效率—空速曲线

试验表明，空速越大，停留在催化剂时间短，反应时间短，烟气中CO与催化剂。短时间内能够保持较高的活性。

3.3催化剂寿命测试

在14～16%O₂、18～25mg/m³SO₂、200～300mg/m³NOx、2～5mg/m³粉尘、3.5%～4.5% CO₂、15%～20% H₂O、温度240℃，空速8000h^-1的试验条件下，测得CO催化效率随时间的变化，其结果如图4所示。

催化效率随时间的变化缓慢降低，经过120h后，催化效率由98%降低到88%，催化剂有衰减，但衰减较慢，催化效果较稳定。

图4  CO催化效率—时间曲线

3.4催化剂抗硫性测试

在14～16%O₂、200～300mg/m³NOx、2～5mg/m³粉尘、3.5%～4.5% CO₂、15%～20% H₂O、温度240℃，空速8000h^-1的试验条件下，通过改变SO₂浓度，测得CO催化效率随时间的变化，其结果如图5所示。

从图5中可以看出，开始时，两者的催化效率都比较高，催化效率在97%左右，随着时间延长，高浓度的下降比较明显。经过120h后，CO催化效率下降至70%。而低浓度的经历120h后，CO催化效率比较稳定，维持在90%以上。

图5  CO催化效率—SO₂曲线

当SO₂对催化剂表面覆盖程度高时，其表面会形成亚硫酸盐和硫酸盐。亚硫酸盐和硫酸盐会覆盖活性位点，破坏载体表面结构，降低表面氧活动度，使催化剂失活^[11-12]。

4结论

1）该催化剂在温度240℃，空速8000h^-1的条件下能够保持较高的催化效率，因此可以与SCR脱硝工艺进行耦合，能够提高烟气温度30～50℃，大幅降低烟气换热器（GGH）燃气消耗量，从而降低烟气脱硝运行成本，实现CO和NOx等多污染物协同减排。

2）CO催化氧化的关键技术在于催化剂的研发，国内外研究表明，贵金属和非贵金属催化剂^[13]对CO氧化性能可以满足烧结烟气的需求，但在抗中毒、稳定性和制备成本等方面需要进一步优化。

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