基于活性氧化鋁負(fù)載催化劑的等離子體催化合成氨研究.pdf

1、合成氨工業(yè)是化學(xué)工業(yè)的支柱產(chǎn)業(yè)，對(duì)農(nóng)業(yè)及國(guó)計(jì)民生穩(wěn)定發(fā)展有直接關(guān)系。氨不僅是氮肥的主要來(lái)源，對(duì)農(nóng)業(yè)發(fā)展起著十分重要的作用，還是一種潛在的新能源載體。介質(zhì)阻擋放電（DBD）等離子體耦合催化可在常壓下合成氨，因而可降低能耗，同時(shí)也為分布式模式合成氨提供了新思路。DBD諧振特性直接影響DBD反應(yīng)器內(nèi)的氨產(chǎn)率，而有關(guān)DBD等離子體催化合成氨與諧振相關(guān)性的研究鮮有報(bào)道。合成氨所用催化劑載體γ-Al2O3顯酸性會(huì)吸附氨氣，需要降低表面酸性來(lái)提高催化

2、劑的活性。另外，采用循環(huán)模式進(jìn)行氨的合成可以消除外擴(kuò)散，進(jìn)一步提高氨產(chǎn)率。本文采用新型等離子體反應(yīng)器在常壓下開(kāi)展合成氨研究工作，包括諧振特性研究、催化劑改性和設(shè)備循環(huán)操作，主要研究?jī)?nèi)容及取得的成果和結(jié)論如下：
　?。?）在DBD等離子體反應(yīng)器內(nèi)，分別考察了操作參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)氨產(chǎn)率和DBD系統(tǒng)諧振特性的影響，進(jìn)一步闡述DBD等離子體催化合成氨與諧振的相關(guān)性。結(jié)果表明：DBD諧振頻率處氨產(chǎn)率最高，輸入電壓和放電區(qū)寬度增加，DBD諧振

3、頻率減小，而DBD諧振頻率的減小有利于氨產(chǎn)率的提高。氣體總流量、N2/H2體積比、有無(wú)催化劑填充、催化劑粒徑和放電位置對(duì)DBD諧振特性影響不大，但提高氣體總流量、增加N2/H2體積比、填充催化劑、減小催化劑粒徑和放電位置在中下或中間位置有利于氨產(chǎn)率的提高。
　?。?）分別使用CaO和MgO改性Al2O3催化劑(CaO-Al2O3、MgO-Al2O3)，進(jìn)一步浸漬得到釕基催化劑(Ru/CaO-Al2O3、Ru/MgO-Al2O3)，

4、通過(guò)BET、TEM、NH3-TPD對(duì)改性催化劑進(jìn)行表征，考察改性催化劑在DBD等離子體反應(yīng)器中的合成氨活性。結(jié)果表明：催化劑活性受催化劑比表面積和表面酸堿性的影響，隨著堿土金屬氧化物CaO、MgO含量的增加，催化劑比表面積增加，表面酸性降低，催化劑的活性提高，而CaO和MgO增加到一定量時(shí)催化劑比表面積開(kāi)始減小，催化劑活性變化不明顯。浸漬Ru有利于催化劑合成氨活性進(jìn)一步提高，其中Ru/5％CaO-Al2O3的催化效果最好，其氨產(chǎn)率和能量

5、產(chǎn)率在240℃附近達(dá)到最大。
　　（3）反應(yīng)器改進(jìn)裝置包括吸附系統(tǒng)和循環(huán)系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上對(duì)合成氨工藝參數(shù)（N2/H2體積比、輸入電壓和氣體循環(huán)流量）進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明：當(dāng)DBD反應(yīng)器在循環(huán)與不循環(huán)下進(jìn)行合成氨反應(yīng)時(shí)，最佳N2/H2體積比均為2:1，氫氣的單程轉(zhuǎn)化率隨著N2/H2體積比的增加而增加，但氮?dú)獾膯纬剔D(zhuǎn)化率隨著N2/H2體積比的增加而減小。增加輸入電壓會(huì)使氨產(chǎn)率和能量產(chǎn)率提高。氣體循環(huán)流量的增加可以使合成的氨及時(shí)從催化劑