基于钛矿石的SCR脱硝催化剂制备及脱硝系统数值模拟

摘要

氮氧化物(NOx)是主要的大气污染物之一，给人类的生存环境带来了极大的危害，现已成为继粉尘和二氧化硫(SO2)之后燃煤电厂污染物治理的重点。以NH3为还原剂的选择性催化还原(SCR)脱硝工艺是目前烟气脱硝的主流技术之一，催化剂是SCR脱硝系统的核心，研究高效能低成本的SCR催化剂具有非常重要的意义。 本文以钛矿石为原料，通过固相酸解法制备钛液，探索适合制备优质催化剂载体TiO2的钛液水解工艺。以优化的TiO2粉体为载体，将其负载活性组分后制备成催化剂，再对其进行脱硝性能测试。最后，利用CHEMKIN软件模拟探究SCR脱硝过程的机理，并耦合CHEMKIN与CFD软件模拟SCR脱硝装置内的流动和反应过程，以及对燃煤锅炉SCR烟气脱硝系统进行结构的优化设计。 由钛矿石制备TiO2的试验研究表明:固相酸解试验的最佳条件为酸预热温度140℃，硫酸浓度90％;在最佳酸解条件下，钛液的酸度值和稳定性均已达到工业化生产的要求;钛液的酸解率和总钛含量均随着温度的上升和硫酸浓度的提高而增加。在钛液的水解过程中，添加一定量的EDTA有利于促进钛铁分离，缩短流程，提高TiO2的纯度。超声波的机械作用和空化效应有助于进一步除去微量的杂质离子，且能有效提升载体TiO2的性能。与α-氧化铝、二氧化硅相比，以硼酸为成型剂制备的蜂窝状催化剂具有更高的机械强度，并且可以显著地减少催化剂在使用过程中发生的变形、开裂等现象。同时，以硼酸为成型剂制备的蜂窝状催化剂具有更宽的脱硝温度窗口和更高的脱硝率。 对SCR脱硝装置内化学反应过程的数值模拟研究表明:高空速比会导致脱硝效率下降，NO脱除率的高低与空速比大小成反比。在NH3/NO小于1时，NO脱除率随着NH3/NO的提高而显著上升;而当NH3/NO大于1时，NO脱除率基本趋于稳定。在低温条件下，随着温度的上升，NO脱除率稳步提高，在进入温度窗口之后，NO脱除率随温度变化甚微。相对高空速比而言，低空速比条件下催化剂在低温段表现出较高的脱硝活性，且温度窗口更宽。NO、H2O和O2浓度的骤变出现在蜂窝状催化剂轴向的前三分之一处，之后平缓变化并趋于稳定。催化剂表面活性位的覆盖率变化与NO脱除率有密切的关系，其中V=O(S)、V5+-OH(S)的影响尤为关键。通过敏感性分析可知，与NO脱除率密切相关的基元反应为NH3的吸附（脱附）和脱氢活化反应。详细的化学反应动力学耦合CFD模拟更加精准和清晰地呈现出蜂窝状催化剂内的SCR脱硝反应过。 对SCR脱硝装置内流动过程的数值模拟研究表明:SCR系统内部的流场分布对于脱硝率有较大的影响。NH3/NO分布的相对标准偏差系数在5％范围之内对脱硝率影响较小，当其高于20％时，脱硝率降低了6％。速度场分布对于脱硝率的影响在速度分布的相对标准偏差系数小于20％范围内可以忽略，但超过20％时也会使催化剂的脱硝率大大下降。通过添加导流板及优化喷氨及氨混合装置的结构，SCR脱硝系统内部的流场均匀性得到了显著的改善。

目录

声明

摘要

主要符号表

第一章 绪论

1．1 课题背景

1．2 由钛矿石制备TiO2的研究

1．3 SCR催化剂制备的国内外研究现状

1．4 SCR系统的数值模拟

1．4．1 SCR系统的化学动力学研究

1．4．2 SCR系统的流场模拟

1．4．3 耦合化学反应的SCR系统模拟

1．5 本文主要研究目的和研究路线

1．5．1 研究目的

1．5．2 研究路线

第二章 试验系统与方法

2．1 试验试剂和药品

2．2 试验主要仪器和设备

2．3 载体及催化剂的制备方法

2．3．1 由钛矿石制备载体TiO2

2．3．2 试验方法

2．3．3 钛液的分析测定方法

2．3．4 颗粒状及成型催化剂的制备方法

2．4 催化剂活性评价系统和方法

2．5 载体及催化剂的表征

2．5．1 X射线荧光光谱分析(XRF)

2．5．2 粒度分析

2．5．3 扫描电镜(SEM)

2．5．4 比表面积(BET)和孔结构测量

2．5．5 X射线衍射(XRD)

2．6 本章小结

第三章 载体及催化剂的制备研究

3．1 引言

3．2 由钛矿石制备载体TiO2的研究

3．2．1 钛矿石的酸解

3．2．2 钛液水解制备载体TiO2的研究

3．3 钒钨钛系催化剂的制备

3．3．1 活性组分的负载

3．3．2 颗粒状催化剂的制备

3．3．3 成型催化剂的研究

3．4 催化剂脱硝活性测试

3．4．1 颗粒状催化剂的脱硝性能测试

3．4．2 成型催化剂的脱硝性能测试

3．5 本章小结

第四章 SCR机理及CHEMKIN耦合CFD的数值模拟

4．1 引言

4．2 SCR机理模拟

4．2．1 CHEMKIN软件介绍

4．2．2 模拟机理的介绍

4．2．3反应器参数

4．2．4 反应机理

4．2．5 模拟结果与分析

4．3 CHEMKIN耦合CFD的SCR脱硝数值模拟

4．3．1 CHEMKIN耦合CFD模拟的研究现状

4．3．2 计算条件及研究方法

4．3．3 模拟结果与分析

4．4 本章小结

第五章 SCR脱硝系统的流场数值模拟

5．1 引言

5．2 流场优化的评价指标

5．3 SCR系统流场分布对脱硝的影响

5．3．1 氨氮比分布对脱硝的影响

5．3．2 速度场对脱硝的影响

5．4 SCR脱硝系统的CFD模拟

5．5 FLUENT模拟的理论基础

5．6 模拟结果与分析

5．6．1 原模型流场模拟的结果与分析

5．6．2 流场优化的方案

5．6．3 流场优化后的模拟结果与分析

5．7 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 论文总结

6．2 课题展望

参考文献

攻读硕士学位期间的科研成果

致谢