Al2O3-TiO2-ZrO2复合氧化物为载体的SCR脱硝催化剂的研究

摘要

SCR脱硝技术的核心是催化剂,载体是催化剂的重要组成部分,决定催化剂的性能与寿命,是催化剂研究的一个关键。工业用的脱硝催化剂载体多为单一成分载体,其在实际应用中仍存在一些缺陷,而复合氧化物的可调控性能够弥补这些不足,进一步完善脱硝催化剂的研究内容。Al2O3-TiO2-ZrO2复合氧化物具有较大比表面积、较强的表面酸性、较宽的酸度分布和优良的稳定性等特点,可作为理想的催化剂载体材料。
　　本课题选择Al2O3-TiO2-ZrO2复合氧化物整体作为催化剂载体,以其制备催化剂并探索其在燃煤电厂烟气脱硝应用中的可能性,研究分为载体和催化剂的制备、载体和催化剂的表征和催化剂的本征动力学研究三个部分。
　　在自制SCR催化活性评价装置上测试活性,结合XRD、BET、NH3-TPD等表征技术,对复合氧化物载体和催化剂的晶相结构和制备工艺、活性物质V2O5的含量、SO2毒性的影响等进行研究,得到了适用于燃煤烟气脱硝催化剂的最佳制备工艺和配方,并得到了催化剂粉体的本征动力学参数,建立了与实验工况条件相吻合的动力学模型。通过以上研究主要取得了以下成果:
　　1)通过对2种不同工艺制备的复合氧化物载体进行研究,确定了以共沉淀法制备的Al2O3-TiO2-ZrO2复合氧化物非常适合作为SCR催化剂的载体,而机械混合法制备的Al2O3-TiO2-ZrO2复合氧化物就是三种单一氧化物的混合体,活性组分V2O5不能在其表面均匀分布而不适合作为SCR催化剂载体。
　　2)通过对催化剂配方进行研究,得到了SCR催化剂的最优配方为5％V2O5/87％Al2O3-10％TiO2-3％ZrO2(重量比)。
　　3)在―干净烟气‖条件下,对5％V2O5/87％Al2O3-10％TiO2-3％ZrO2催化剂的催化性能进行测试,发现该催化剂在空速比为10000h-1、氨氮比为1、温度在300~450℃范围内的NO脱除率较高(最高可达99％)和SO2氧化率较低,能够达到工业应用要求;而在―肮脏烟气‖条件下,低含量SO2(低于2％)对NO脱除率影响不大,且这种影响可逆。
　　4)建立了粉末状催化剂的数学模型,预测结果与实验值相吻合,能够指导粉末状催化剂的设计运行。
　　5)对5％V2O5/87％Al2O3-10％TiO2-3％ZrO2催化剂进行动力学分析,得到实验条件下SCR反应与NO为一级反应,SCR反应遵循Elay-Rideal机理,即强烈吸附在催化剂活性中心位上的NH3与气态或微弱吸附的NO之间的反应,该反应的活化能Ea=17287.3J/mol,指前因子A=0.5086cm3·g-1·s-1。
　　本课题通过对复合氧化物载体进行系统的研究,初步得到了适宜燃煤电厂SCR催化剂的配方,建立了合适的动力学模型,为SCR催化剂的开发和运行奠定了良好的基础。