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隨著大氣污染防治工作的不斷深入，環(huán)境空氣質(zhì)量不斷好轉(zhuǎn)，國家對一氧化碳（CO）的排放要求也隨之提高。自2018年以來，河北、山西多地發(fā)布關(guān)于鋼鐵行業(yè)一氧化碳排放的治理要求。CO治理與管控內(nèi)容主要包括三部分：一氧化碳回收治理設(shè)施、安裝一氧化碳在線監(jiān)測系統(tǒng)，把一氧化碳控制納入日?？己?。開展鋼鐵行業(yè)一氧化碳綜合治理，有效控制一氧化碳排放，對持續(xù)改善大氣環(huán)境質(zhì)量非常重要。
針對一氧化碳治理，北科環(huán)境采用催化燃燒技術(shù)，將煙氣中的一氧化碳在催化劑表面進(jìn)行完全氧化反應(yīng)。該技術(shù)具有起燃溫度低、燃燒完全、出口一氧化碳濃度低的優(yōu)點(diǎn)。此外，在催化過程中釋放大量反應(yīng)熱，可代替熱風(fēng)爐提供SCR脫硝催化所需的熱能和溫度，減少企業(yè)的能源消耗。
催化劑的高活性和穩(wěn)定性以及工藝過程的開發(fā)是實(shí)現(xiàn)這一技術(shù)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵。自2020年開始，北科環(huán)境研發(fā)團(tuán)隊通過對催化劑載體類型、載體成型工藝、活性組分、涂覆工藝等多項研究，并通過實(shí)驗室實(shí)驗、中試試驗、加速老化實(shí)驗，獲得高活性、高穩(wěn)定性、耐雜原子的一氧化碳耐硫催化劑，打通了煙氣一氧化碳治理的難關(guān)，真正實(shí)現(xiàn)了高效治污、節(jié)能減排的綠色發(fā)展理念。
燒結(jié)煙氣主要成分為：N2、O2、CO2、CO，煙氣中CO濃度為6000～10000 mg/Nm3。CO在催化劑的作用下，實(shí)現(xiàn)低溫條件下將CO氧化為CO2，同時反應(yīng)釋放大量熱能。反應(yīng)產(chǎn)生的熱能通過換熱器提供給脫硫凈化后的煙氣，實(shí)現(xiàn)了脫硫煙氣升溫，達(dá)到脫硝SCR反應(yīng)所需的溫度，不再需要熱風(fēng)爐補(bǔ)熱，降低了能源消耗。
催化氧化原理：
CO在催化劑作用下，CO分子吸附在催化劑金屬氧化物表面發(fā)生催化反應(yīng)，被氧化為CO2，并釋放出大量熱能。催化劑產(chǎn)生氧空位被還原，再被解離吸附的氧補(bǔ)充氧缺位而重新氧化，得以再生。CO（g） + 1/2 O2（g） = CO2 ΔH298 = -282.98 kJ/mol
催化性活性和穩(wěn)定性曲線
從應(yīng)用的角度，催化劑的耐硫穩(wěn)定性問題是催化劑在煙氣治理領(lǐng)域的一塊短板，北科環(huán)境研發(fā)團(tuán)隊進(jìn)行了耐硫燃燒催化劑的開發(fā)，完成了 1000 小時以上耐硫性能測試。在高 SO2 和水蒸氣含量下，催化劑效率仍穩(wěn)定在95%以上，完全可以滿足工業(yè)應(yīng)用需求。
煙氣升溫原理：
一氧化碳燃燒反應(yīng)為放熱過程，根據(jù)反應(yīng)熱力學(xué)參數(shù)進(jìn)行計算，8000mg/Nm3的CO 完全氧化生成 CO2 所釋放能量為80 .8kJ/Nm3(1molCO完全轉(zhuǎn)化釋放熱能282.98 kJ/mol）。根據(jù)煙氣組成計算，煙氣密度為：ρ=1.328 kg/Nm3，煙氣比熱容：C=998 J/（kg·℃），尾氣溫升(理論計算)約60℃。通過換熱器，將催化反應(yīng)釋放的熱能提供給脫硫后的煙氣，達(dá)到脫硝反應(yīng)所需溫度，節(jié)省能耗成本4.00～5.32元/噸礦。
工藝流程
以某燒結(jié)機(jī)單塔的煙氣治理改造為例：
改造前：
改造后：
技術(shù)優(yōu)勢
出口CO低：催化劑具有較高活性和溫度適用區(qū)間，在220℃～580℃之間，CO脫除效率≥98%，CO達(dá)標(biāo)排放無壓力。
高穩(wěn)定性：通過對催化劑載體選擇和改性、特殊活性組分配方的改進(jìn)，催化劑產(chǎn)品耐硫性能優(yōu)異，抗水熱老化能力強(qiáng)，加速老化試驗條件下，催化活性表現(xiàn)出較高穩(wěn)定性。
壓降小：由于催化活性高，催化劑可以20000h-1～40000h-1高空速使用，裝劑量少，床層壓降小；
運(yùn)行成本低：裝劑量少，降低催化劑投資，減小運(yùn)行成本。
工藝簡單：催化劑安裝要求低，設(shè)備簡單，投資小；
節(jié)約能源：充分利用煙氣中CO的反應(yīng)熱，代替熱風(fēng)爐提供SCR脫硝催化所需的熱能和溫度，節(jié)省能耗成本4.00～5.32元/噸礦。