活性碳纤维负载的新型低温SCR脱硝催化剂制备及其性能研究

摘要

氮氧化物(NOx)是主要的大气污染物之一,也是形成光化学烟雾的主要前驱物,控制和治理氮氧化物的污染一直是国际环保领域的研究热点。对于火电厂、工业锅炉等固定源排放的氮氧化物的净化,最具有实际应用价值的方法是氨选择性催化还原(SCR)技术,目前普遍使用的商用催化剂体系为钒系催化剂,如V2O5/TiO2、V2O5-WO3/TiO2,其工作温度范围为300-400℃,在温度低于200℃时,则不具备良好的催化活性；而另一方面,对于现有的火电厂和工业锅炉而言,烟气在经过除尘和脱硫装置后,其温度下降到150℃左右,如果仍选用目前的商用催化剂来还原脱除烟气中的氮氧化物,则需将烟气重新加热至反应温度,这将造成极大的能耗,并使得SCR工艺成本高昂,因而,低温SCR技术的研究开发已倍受关注,成为烟气氮氧化物脱除的重要发展方向。 本论文对活性碳纤维(ACF)分别负载V2Os、MnOx和CeO2催化剂的低温选择性催化还原NO性能及其结构进行了研究。 首先制备了新型的催化剂。分别采用介质阻挡放电(DBD)的低温氧等离子体技术和硝酸对活性碳纤维进行表面改性,探索一条通过简易、无污染的改性方法使催化剂获取优越低温SCR脱氮效果的技术路径。 对改性后的ACF进行了表征:SEM和BET表明改性后的ACF变得比较干净和光滑,ACF的孔体积变化不大:FT-IR结果表明在ACF上引入了羟基和羧基。以改性后的ACF为载体,采用等体积浸渍法制备了V2O5/ACFN、MnOx/ACFN、CeO2/ACFN和V2O5/ACFP、MnOx/ACFP、CeO2/ACFP催化剂。SEM、BET和XRD分析结果表明,活性组分V2O5、MnOx和CeO2较均匀的负载在载体上。 采用连续流动固定床反应器,对催化剂进行了SCR活性评价,考察了改性条件和负载量等制备条件对催化剂性能的影响。结果表明：存在最佳活性组分负载量,使得SCR活性最高；硝酸改性后的活性碳纤维(ACFN)作为催化剂的载体,其对应的催化剂的SCR活性越高。最佳制备条件为：以ACFN为载体,负载9％CeO2,这种条件制备的催化剂在180℃对NO的转率达到93.96％。 对NO低温SCR反应工艺条件进行了评价,考察了反应温度和反应时间对催化剂性能的影响。结果表明：对于钒催化剂在240℃存在最佳的NO转化率为84.64％、锰催化剂在210℃达到最高的NO转化率为84.87％,而铈催化剂在180℃的催化活性为93.96％；反应时间的增加对催化剂的活性变化不大。 最后进一步研究了CeO2/ACFN催化剂的反应动力学特性,分析结果表明,当NH3/NO小于1.0时,NH3的反应级数为0.6402,当NH3/NO大于1.0时,其反应级数为0;当O2的浓度大于5％时,O2的反应级数为0,建立的动力学公式为：rNO=-dYNO/dt=0.1635exp(7664.0099/RT)[NH3]0.6402[O2]0.3425

目录

文摘

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声明

第一章绪论

1.1课题背景

1.1.1氮氧化物(NOx)的危害和产生

1.1.2国内NOx污染现状和控制

1.1.3国外NOx污染控制

1.2烟气中氮氧化物污染控制技术

1.2.1烟气氮氧化物污染控制技术概述

1.2.2选择性催化还原(SCR)概述

1.3本论文研究目的和内容

1.3.1研究目的

1.3.2研究内容

第二章低温SCR催化剂的制备及其结构表征

2.1催化剂制备基本试验装置

2.2催化剂载体材料

2.3催化剂载体的表面修饰

2.3.1硝酸预处理

2.3.2低温等离子体预处理

2.4催化剂制备方法

2.5催化剂制备试验

2.6催化剂制备

2.6.1以ACF为载体的催化剂制备

2.6.2以ACFN(硝酸改性)为载体的催化剂制备

2.6.3以ACFP(等离子体改性)为载体的催化剂制备

2.7催化剂结构表征

2.7.1扫描电子显微境(SEM)表征

2.7.2 X射线衍射(XRD)测试

2.7.3催化剂比表面积和孔结构表征

2.8讨论

2.8.1改性对ACF结构的影响

2.8.2改性对催化剂结构的影响

2.9本章小结

第三章催化剂的低温SCR脱硝性能试验及讨论

3.1催化剂活性测试实验

3.1.1待测催化剂

3.1.2实验流程和装置

3.1.3实验方法

3.2催化剂的活性测试结果及分析

3.2.1以ACFN为载体的催化剂活性测试结果及分析

3.2.2以ACFP为载体的催化剂活性试验结果及分析

3.3讨论

3.3.1催化剂制备条件对催化剂活性的影响

3.3.2反应工艺条件对催化剂活性的影响

3.4程序升温脱附(TPD)实验

3.5傅立叶变换的透射红外光谱(FT-IR)分析

3.6本章小结

第四章催化剂低温SCR反应动力学研究

4.1气固相催化反应本征动力学概述

4.2催化还原反应动力学分析

4.2.1NH3浓度对反应速率的影响

4.2.2氧浓度对反应速率的影响

4.2.3反应活化能

4.3本章小结

结论与展望

本论文工作总结

本论文创新之处

本研究的进一步设想和展望

参考文献

攻读学位期间发表的与论文内容相关的学术论文

致谢