铁矿石催化剂SCR烟气低温脱硝及组分影响分析

摘要

选择性催化还原法（Selective Catalytic Reduction，SCR）是目前烟气脱硝技术中应用最广的一种技术，但目前应用广泛的SCR脱硝工艺中，催化剂活性窗口温度较高，催化剂价格昂贵，致使SCR烟气脱硝工艺运行温度及费用较高，影响了该技术的进一步推广应用。因此，研究开发廉价、低温、高效的脱硝催化剂对SCR催化脱硝技术的发展具有重要意义。
　　本文以赤铁矿、褐铁矿、钛铁矿、铬铁矿、锰铁矿、硬锰矿和菱锰矿等七种含铁矿石为原材料制备催化剂进行脱硝实验，探究不同含铁矿石的脱硝性能。并选择其中具有良好脱硝性能的赤铁矿和锰铁矿开展进一步的研究。通过XRD、BET、XRF等方法，分析催化剂的活性组分和晶型结构。通过自制的SCR脱硝实验装置，研究制备过程中煅烧温度、催化剂的活性组分和不同实验工况参数对催化剂脱硝效率的影响，以及这两种矿石的抗硫特性。取得的主要研究成果如下:
　　锰铁矿和赤铁矿催化剂的脱硝效率与其主要活性成分密切相关，赤铁矿的主要物相为α-Fe2O3和α-FeOOH，锰铁矿的主要物相为Mn203和Fe2O3，而Mn的存在有助于增强催化剂的低温脱硝性能;此外，矿石成分中不同金属(Mn、Fe、Al等)氧化物之间的协同作用使其脱硝活性优于单一的活性成分催化剂，锰铁矿活性成分中还含有无定型晶态锰铁氧化物(Mn0.983Fe0.017)2O3，可有效增加反应活性位。故锰铁矿催化剂具备比赤铁矿更低的活性窗口温度。
　　煅烧处理中温度对催化剂的表面结构和活性成分的晶型有显著的影响，350℃煅烧赤铁矿和450℃煅烧锰铁矿得到具有最佳催化脱硝效率的催化剂。煅烧温度为350℃时，赤铁矿催化剂在反应温度240℃～300℃之间的催化脱硝效率超过90％，煅烧温度为450℃时，锰铁矿催化剂在90℃～270℃温度区间均保持97％以上的催化脱硝效率。所对应的实验条件是，催化剂颗粒粒径在35～65目，氨氮比为1.2，氧气含量为3％，空速比为7500h-l。
　　催化剂的SO2中毒的主要原因是反应中生成硫酸铵类物质沉积在催化剂表面。较高反应温度可促进已生成硫酸铵的分解，锰铁矿和赤铁矿催化剂在高温(270℃)条件下，催化剂抗SO2中毒特性明显优于低温条件。另外，两种催化剂中活性成分形成的物化特性对催化剂的抗SO2中毒有一定的影响，其中350℃煅烧赤铁矿制备催化剂的抗SO2中毒特性优于450℃煅烧锰铁矿制备催化剂。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 NOx的来源及危害

1．3 NOx生成机理

1．4 NOx排放控制技术

1．4．1 低NOx燃烧控制技术

1．4．2 烟气脱硝技术

1．5 低温SCR脱硝技术

1．5．1 低温SCR脱硝技术现状

1．5．2 负载型催化剂的研究

1．5．3 金属氧化物催化剂的研究

1．6 本课题的研究目的和内容

1．6．1 研究目的

1．6．2 研究内容

第二章 铁矿石催化剂SCR脱硝实验研究方法

2．1 SCR脱硝实验系统

2．1．1 配气系统

2．1．2 加热系统

2．1．3 反应系统

2．1．4 烟气分析系统

2．2 催化剂的制备

2．2．1 铁矿石催化剂的制备

2．2．2 纯铁氧化物和锰氧化物催化剂的制备

2．3 催化剂的表征分析

2．3．1 催化剂的比表面(BET)分析

2．3．2 催化剂晶体形态(XRD)分

2．3．3 X-射线荧光(XRF)分析

2．3．4 热重(TG)分析

2．4 催化剂的活性评价

2．5 实验内容

2．5．1 铁矿石及铁、锰氧化物催化剂的SCR脱硝实验

2．5．2 铁矿石催化剂抗硫性实验

第三章 赤铁矿催化剂的SCR脱硝性能

3．1 铁矿石的分类及物理性质

3．1．1 铁矿石的分类

3．1．2 铁矿石的元素分析

3．2 铁矿石催化剂脱硝性能的实验研究

3．2．1 不同含铁矿石催化剂的脱硝性能对比

3．2．2 不同含锰铁矿石催化剂的脱硝性能对比

3．3 赤铁矿的中低温SCR烟气脱硝

3．3．1 煅烧温度对脱硝性能的影响

3．3．2 α-Fe2O3、α-FeOOH和赤铁矿催化剂脱硝实验

3．3．3 颗粒粒径对脱硝性能的影响

3．3．4 氨氮比对脱硝性能的影响

3．3．5 氧气含量对脱硝效率的影响

3．3．6 空速比对脱硝效率的影响

3．4 赤铁矿催化剂的抗硫中毒性能

3．4．1 SO2对赤铁矿脱硝效率的影响

3．4．2 SO2对催化剂物化特性的影响

3．5 总结

第四章 锰铁矿催化剂的低温SCR脱硝性能

4．1 锰铁矿催化剂低温脱硝性能的实验研究

4．1．1 煅烧温度对锰铁矿脱硝性能的影响

4．1．2 Mn2O3和锰铁矿催化剂脱硝实验

4．1．3 氨氮比对锰铁矿脱硝性能的影响

4．1．4 氢气含量对锰铁矿脱硝性麓的影响

4．1．5 空速比对锰铁矿脱硝性能的影响

4．1．6 氨的瞬态响应实验

4．2 锰铁矿催化剂的抗SO2中毒性能

4．2．1 SO2对锰铁矿脱硝效率的影响

4．2．2 SO2对催化剂物化特性的影响

4．3 锰铁矿与赤铁矿催化剂特性对比

4．3．1 锰铁矿与赤铁矿催化剂脱硝性能

4．3．2 锰铁矿与赤铁矿催化剂抗硫性能

4．4 结论

第五章 结论与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文