煤是我國(guó)最主要的能源,約占整個(gè)能源消耗的75%,遠(yuǎn)大于石油、天然氣和水電。我國(guó)又是高硫煤儲(chǔ)量較多的國(guó)家,據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)煤炭資源中大約有30%的煤含硫量在2%以上,西南地區(qū)個(gè)別煤田含硫高達(dá)10%。目前我國(guó)所采煤炭中約1/6為高硫煤。煤的直接燃燒給全球帶來(lái)嚴(yán)重的環(huán)境污染,它與酸雨和臭氧層破壞直接相關(guān),并成為制約煤炭開(kāi)發(fā)和利用的經(jīng)濟(jì)可行的重要因素。隨著全球變暖、氣溫上升、臭氧層破壞和區(qū)域性酸雨等問(wèn)題日益惡化,控制污染,保持生態(tài)平衡,已成為國(guó)際社會(huì)普遍關(guān)注的熱點(diǎn)。因此,開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)有效的煤炭脫硫技術(shù)已成為緊迫的課題。筆者在研究分子篩的吸附性能上把蜂窩陶瓷結(jié)合起來(lái),研制成功了新型的二氧化硫脫除的分子篩蜂窩陶瓷催化劑。
分子篩吸附SO2的機(jī)理是利用分子篩篩分吸附二氧化硫的性能,通過(guò)對(duì)分子篩的改性,使分子篩具有一定的孔徑來(lái)吸附二氧化硫的氣體分子。通過(guò)Fe3+、Fe2+、Mg2+、Mn2+、Sr2+5種金屬離子交換后進(jìn)行SO2的脫除試驗(yàn),得到5種樣品SO2的脫除率,以Fe3+改性制備的樣品SO2脫除率最好。Fe3+的交換率對(duì)材料的脫硫性能,當(dāng)Fe3+離子交換率為50%時(shí),改性樣品的SO2脫除率較高,而且樣品的活性最好,因此,可以推測(cè)Fe3+對(duì)吸附的SO2起催化作用,表面Fe3+的催化作用使SO2轉(zhuǎn)化成SO3或SO42-,提高了SO2的脫除率。用稀堿液洗滌經(jīng)過(guò)SO2吸附實(shí)驗(yàn)樣品時(shí),在洗滌廢液中檢測(cè)出SO42-,進(jìn)一步證明了Fe3+起到了催化脫除作用。經(jīng)過(guò)堿洗和水洗的實(shí)驗(yàn)比較,認(rèn)為水洗滌是一種簡(jiǎn)單適用的再生方法,制備的二氧化硫脫除可以循環(huán)使用到15次以上,因此,脫除簡(jiǎn)單易行,據(jù)實(shí)驗(yàn)證明,分子篩脫硫效率達(dá)到90%以上,如果再添加活性碳吸附,基本上可以達(dá)到98%以上。這種干式脫硫與目前的水蒸汽和石灰乳脫硫相比,可以節(jié)省大量的水資源,還不會(huì)造成二次污染,因此成本相當(dāng)?shù)汀?
分子篩的催化粒度為20-40目,難以應(yīng)用在固定床中反應(yīng)器上面,根據(jù)蜂窩陶瓷的優(yōu)點(diǎn),我們把分子篩催化劑制作成蜂窩陶瓷形狀。分子篩附載在載體上做成實(shí)用的吸附催化劑。載體的基質(zhì)SiO2-Al2O3。在外觀上可以做成圓柱形、方形和三角形,高0.2m,寬0.4m,每平方厘米20孔左右網(wǎng)狀的蜂窩狀陶瓷,這種分子篩蜂窩陶瓷吸水率最高可達(dá)到20%,熱膨脹系數(shù)在225-1000℃≤1.0×10-6℃-1?箟簭(qiáng)度6MP~8MP,容重0.5~1.15g/cm3,耐高溫300-700℃。由于多孔薄壁的特點(diǎn),大大增加了載體的幾何表面積和改善了抗熱沖擊性能,同時(shí)蜂窩陶瓷和分子篩緊密相連結(jié)成一個(gè)整體,蜂窩陶瓷的作用不單純是一個(gè)活性組分的承載者,載體有一定活性,它同活性組分可以發(fā)生相當(dāng)強(qiáng)的相互作用,克服了分子篩比表面積小、抗壓強(qiáng)度低、不易回收復(fù)用、耗用量大且價(jià)格昂貴等缺陷。由于蜂窩陶瓷比表面積大、直形孔道的特點(diǎn),大大提高了工作效率,再加上可以反復(fù)回收復(fù)用達(dá)4-5次,成本低價(jià)格廉,企業(yè)利用這種產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)效益也大大提高。
經(jīng)分子篩蜂窩陶瓷脫硫試驗(yàn),在固定床反應(yīng)器中,SO2吸附性能良好,在10min內(nèi),SO2脫硫達(dá)80%以上。
分子篩蜂窩陶瓷的制作工藝比較復(fù)雜,主要是成型開(kāi)裂的難題,由于分子篩蜂窩陶瓷不能燒結(jié)只能活化,燒結(jié)就沒(méi)有活性,的確在工藝和配方上值得研究。筆者根據(jù)國(guó)外分子篩催化劑蜂窩陶瓷的樣品,會(huì)同江西萍鄉(xiāng)有關(guān)蜂窩陶瓷生產(chǎn)廠家進(jìn)行了合作研制。從目前來(lái)看,如國(guó)外那樣高0.8m,寬0.4m,每平方厘米20孔,網(wǎng)狀三角形蜂窩陶瓷的大尺寸因無(wú)專用設(shè)備做不出來(lái),但小尺寸高0.2m,寬0.2m,每平方厘米20孔,網(wǎng)狀三角形的蜂窩陶瓷已經(jīng)成功研制出來(lái)了。從目前研制來(lái)看,與國(guó)外同類型產(chǎn)品相比,價(jià)格成本更低,材料易得,制作簡(jiǎn)單,機(jī)械強(qiáng)度大大提高,抗磨損、抗沖擊和穩(wěn)定性能有大幅度提高。這種蜂窩陶瓷與傳統(tǒng)的陶瓷有根本區(qū)別,主要是不燒結(jié)只有活化,從某種意義上來(lái)說(shuō)還不是陶瓷產(chǎn)品。但在脫硫方面卻有特殊性能的吸附催化作用,尤其在使用方面相當(dāng)簡(jiǎn)便,只需安裝在固定床反應(yīng)器就可以了。待一定時(shí)間吸附量達(dá)到后進(jìn)行水洗烘干再反復(fù)使用4-5次。吸附后的分子篩蜂窩陶瓷沒(méi)有任何污染,可以粉碎作陶瓷材料,因此脫硫運(yùn)行的成本非常低。所以開(kāi)展分子篩蜂窩陶瓷催化劑研究很有價(jià)值。