鐵基催化劑低溫SCR脫硝特性及磁場(chǎng)強(qiáng)化作用研究.pdf

1、氮氧化物(NOx)的排放造成惡劣的環(huán)境問題，對(duì)人類健康產(chǎn)生嚴(yán)重影響。低溫選擇性催化還原(SCR)脫硝技術(shù)由于具有明顯的節(jié)能、環(huán)保和很高的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值而受到越來越多的重視，尤其是低溫SCR催化劑的研究與開發(fā)已成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者所面對(duì)的重要課題。但從國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀來看，催化劑的低溫催化活性還不夠高、活性溫度的窗口不夠?qū)捄统杀据^高等問題仍然是限制低溫SCR脫硝技術(shù)工業(yè)應(yīng)用的主要障礙。本文針對(duì)以上問題，采用低成本、低污染的鐵基催化劑進(jìn)行低溫SCR

2、脫硝的研究，取得的主要研究成果如下:
　　(1)采用浸漬法制備負(fù)載型鐵基催化劑并考察其低溫催化活性，研究不同助劑(Cu、Cr、Ni、Mn)添加對(duì)催化劑低溫脫硝性能的促進(jìn)作用;同時(shí)，采用BET、XRD、M(o)ssbauer、FT-IR和H2-TPR等技術(shù)對(duì)催化劑進(jìn)行分析表征。結(jié)果表明，催化劑8Fe+8Mn/Al2O3的低溫脫硝性能最佳，當(dāng)煅燒溫度為450℃、氧氣含量為3％、空速為12000h-1、氨氮摩爾比為1.0時(shí)，催化劑8Fe

3、+8Mn/Al2O3在90℃～210℃脫硝效率都超過92.6％; Mn的負(fù)載有助于活性成分在載體上的分散，從而增強(qiáng)催化劑低溫脫硝性能。
　　(2)對(duì)催化劑8Fe+8Mn/Al2O3建立了本征動(dòng)力學(xué)方程和涉及外擴(kuò)散、內(nèi)擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)在內(nèi)的動(dòng)力學(xué)模型;比較了催化劑8Fe/Al2O3和8Fe+8Mn/Al2O3不同溫度下的反應(yīng)速率常數(shù)和活化能;對(duì)模型的理論計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行了比較，吻合性較好，可以有效地指導(dǎo)和優(yōu)化催化劑的設(shè)計(jì)。
　

4、　(3) Fe2O3顆粒在停留時(shí)間為0.42s～0.48s、氨氮摩爾比為1.0～1.2、氧氣含量為3％時(shí)催化脫硝效率最佳，在210℃下的脫硝效率達(dá)98.5％; Fe2O3顆粒催化脫硝反應(yīng)活化能為28.8kJ/mol，比其他已報(bào)道的催化劑的反應(yīng)活化能低。這是因?yàn)镕e2O3顆粒的成分主要是α-Fe2O3和γ-Fe2O3，以γ-Fe2O3為主。γ-Fe2O3中的Fe具有反尖晶石結(jié)構(gòu)，具有較強(qiáng)的化學(xué)吸附能力;同時(shí)在其八面體配位上存在空位，空位的

5、存在對(duì)于其表面的電子傳遞過程非常有利，可以進(jìn)一步促進(jìn)其化學(xué)吸附能力的提高，從而提高了低溫催化反應(yīng)的效率。
　　(4)鐵礦石Ma550℃和鐵礦石Bao450℃在氨氮摩爾比為1.0～1.2、停留時(shí)間為0.36s、顆粒度為35～65目時(shí)，實(shí)現(xiàn)較好的脫硝活性，可分別在210℃和180℃達(dá)到75％和73.8％的脫硝效率。這是因?yàn)?，鐵礦石Ma550℃和鐵礦石Bao450℃同樣含有γ-Fe2O3和α-Fe2O3，而且還含有MnOx，存在富氧和缺

6、氧空穴，可以在反應(yīng)中有效地產(chǎn)生活性中心，從而促進(jìn)催化反應(yīng)的進(jìn)行。
　　(5)為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)鐵礦石的低溫高效脫硝，在流化床脫硝試驗(yàn)平臺(tái)上采用鐵礦石催化劑進(jìn)行脫硝研究。鐵礦石Ma550℃與Fe2O3（4∶1配比）、鐵礦石Bao450℃與Fe2O3(4∶1配比)在0.008T的磁場(chǎng)下，在低溫180℃，效率分別達(dá)到92％和90％，可見磁場(chǎng)有效地促進(jìn)了脫硝效率的提高。這是由于磁場(chǎng)可以抑制和消除流化床中的“氣泡”，實(shí)現(xiàn)床層中良好的氣固接觸，改善

7、傳熱傳質(zhì)特性，促進(jìn)催化反應(yīng)過程中氣態(tài)反應(yīng)物以及產(chǎn)物與催化劑顆粒之間的吸附、脫附等物理傳遞過程;同時(shí)，磁場(chǎng)使得鐵基催化劑在形成中間活化自由基過程中的電子轉(zhuǎn)移能力增強(qiáng)，強(qiáng)化活化過程的發(fā)生，從而促進(jìn)催化劑低溫催化活性的發(fā)揮。所以，磁場(chǎng)有效地降低了鐵基催化劑在催化反應(yīng)中的活化能和增大了反應(yīng)速率，增強(qiáng)了鐵基催化劑的低溫催化性能。
　　(6)采用BET、XRD、TG、FT-IR等分析表征手段對(duì)鐵基催化劑失活機(jī)制進(jìn)行了研究。催化劑的失活，一方面

8、是反應(yīng)中生成的硫酸銨鹽沉積在催化劑表面，造成催化劑比表面積的減小，降低了反應(yīng)過程中氣固接觸;另一方面，SO2吸附到催化劑表面，不僅可以將催化劑載體硫酸化，還會(huì)與活性成分形成金屬硫酸鹽，從而造成脫硝效率下降。
　　總之，本文通過對(duì)鐵基催化劑低溫脫硝的系統(tǒng)研究，得到了針對(duì)不同鐵基催化劑低溫脫硝的優(yōu)化操作參數(shù)，建立了合理可靠的優(yōu)選催化劑的動(dòng)力學(xué)模型，并將磁場(chǎng)引入到流化床中實(shí)現(xiàn)低溫SCR脫硝，強(qiáng)化了低溫SCR脫硝的效果，為實(shí)現(xiàn)低溫、環(huán)保、