磁場作用下鐵基催化劑的SCR脫硝技術(shù)及機(jī)理研究.pdf

1、污染物Nox的排放嚴(yán)重影響著大氣環(huán)境質(zhì)量與人類健康,伴隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)和環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的提升,如何有效減少與控制Nox的排放成為能源環(huán)保領(lǐng)域研究的重要課題。選擇性催化還原法(Selective Catalytic Reduction,SCR)煙氣脫硝技術(shù)由于脫硝效率較高越來越受到重視。一定程度上,由于中溫催化劑價(jià)格較高,致使SCR煙氣脫硝工藝運(yùn)行溫度及費(fèi)用較高,影響了該技術(shù)的推廣應(yīng)用。因此,研究開發(fā)以低溫高效的SCR脫硝催化劑為核心的新

2、型催化脫硝技術(shù),對(duì)推進(jìn)大氣污染防治具有十分重要的意義。
　　 本文自制以A1203為載體的負(fù)載型鐵基催化劑、鐵礦石和鐵氧化物等作為催化劑;通過XRD、TPD、mossbauer等方法,表征鐵基催化劑的結(jié)構(gòu),分析鐵基SCR脫硝反應(yīng)機(jī)理;通過自制的SCR脫硝小型實(shí)驗(yàn)臺(tái)和中型實(shí)驗(yàn)臺(tái),分別研究了鐵基催化劑的催化脫硝性能和外加磁場對(duì)鐵基催化劑的SCR催化脫硝性能。本文主要完成的工作及取得的成果如下:
　　 采用Zr、Mn、Fe三種

3、不同元素的氧化物,通過改變負(fù)載順序與負(fù)載配比,用三種不同的方法制備以Al2O3為載體的負(fù)載型鐵基催化劑。利用靜態(tài)氮物理化學(xué)吸附法(BET)、掃描電鏡(SEM)、程序升溫還原(TPD)和X-射線衍射技術(shù)(XRD)等表征方法,研究所制得的負(fù)載型鐵基催化劑的活性組分、助劑組分的物相形態(tài)及表面形貌。在自制的SCR脫硝小型實(shí)驗(yàn)臺(tái)上研究負(fù)載型鐵基催化劑各元素的配比、元素的負(fù)載順序、粒徑及氨氮比等因素對(duì)SCR脫硝性能的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:負(fù)載型鐵基氧

4、化劑各元素的配比與順序?yàn)閆r:Mn:Fe為5:5:10時(shí),得到的催化劑5Zr/5Mn/10Fe/γ-Al2O3具有最佳的催化脫硝效率:催化劑粒徑在35目～60目,且氨氮比大于1小于1.2時(shí),脫硝效率最佳。
　　 采用EDAX、TPD、XRD及Mossbauer等多種表征方法,確定鐵礦石與鐵氧化物的主要物相為n-Fe2O3、γ-Fe2O3及FeOOH。搭建小型實(shí)驗(yàn)臺(tái),并對(duì)鐵基催化劑的SCR催化脫硝性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:γ

5、-Fe2O3在低溫下(小于180℃)對(duì)Nox有較好的催化脫硝性能,α-Fe2O3在較高的溫度下(大于180℃)對(duì)Nox有經(jīng)較好的催化脫硝性能;鐵礦石催化劑的煅燒溫度對(duì)催化劑的晶相、煙氣脫硝效果都具有較明顯的影響。其中,450℃時(shí)煅燒得到的鐵礦石作為催化劑,此時(shí),脫硝效率最高可達(dá)87％,與未煅燒的鐵礦石作為催化劑相比,脫硝效率提高了約20%;氧含量對(duì)鐵基催化劑的脫硝性能有較明顯的影響,當(dāng)溫度低于200℃時(shí),與O2體積含量為0.5%時(shí)相比,

6、O2體積含量為3%時(shí)的脫硝效率較高,當(dāng)溫度高于200℃時(shí),脫硝趨勢則相反。
　　 利用SCR脫硝中型實(shí)驗(yàn)臺(tái),研究了不同磁場強(qiáng)度強(qiáng)化下、不同體積比率的鐵磁性催化劑的表觀流化特性。研究結(jié)果表明:不同比例鐵磁性催化劑的流化曲線不同;當(dāng)鐵礦石與鐵粉的體積比率為3:1時(shí),鐵磁性催化劑呈現(xiàn)良好的流動(dòng)性能,磁穩(wěn)區(qū)間較寬;當(dāng)鐵礦石與鐵粉的體積比率為6:1時(shí),鐵磁性催化劑在相同磁場強(qiáng)度下獲得的磁穩(wěn)區(qū)間較窄;隨著鐵磁性物質(zhì)的體積比率增大,磁場作用下

7、床料的流化性能越好,處于散式流態(tài)化的流化速度區(qū)間越寬。
　　 利用SCR脫硝中型實(shí)驗(yàn)臺(tái),研究了不同磁場強(qiáng)度強(qiáng)化下、不同體積比率的鐵磁性催化劑的催化脫硝特性、溫度、流速等因素對(duì)SCR催化脫硝的影響。研究結(jié)果表明:在0.15m/s,0.005T,300℃條件下,與未加磁場前相比,脫硝效率可提高15%左右;磁場對(duì)SCR脫硝反應(yīng)的活化能及反應(yīng)速率常數(shù)產(chǎn)生了積極影響。其中,在0.005T,300℃條件下,與未加磁場相比,反應(yīng)活化能降低3/

8、4,化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)提高1.5倍;磁場影響了Nox、NH3中電子的自旋狀態(tài),形成了新的配位鍵,導(dǎo)致反應(yīng)速率常數(shù)提高和活化能降低,改變了熱力學(xué)焓值與熵值,從而影響化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行。
　　 綜上所述,本文采用自制的以Al2O3為載體的負(fù)載型鐵基催化劑、鐵礦石和鐵氧化物等作為脫硝反應(yīng)催化劑,并將磁場引入SCR脫硝反應(yīng),構(gòu)建出一種新型的低溫脫硝技術(shù),獲得了較高的脫硝效率,為實(shí)現(xiàn)低溫、廉價(jià)、高效的新型SCR脫硝技術(shù)的成功開發(fā)打下良好的基礎(chǔ)。