燃烧合成低温SCR催化剂的研究

摘要

选择性催化还原（SCR）技术是控制柴油机氮氧化物（NOx）排放的主要技术之一。目前商用的V2O5/TiO2催化剂在中高温下（300-400℃）有较高NOx还原效率。随着法规的日益严格，也需要 SCR系统能够在低温下高效运行，如重型柴油车运行在怠速和冷启动的工况和船舶低速机的SCR系统安置于增压器后面，以及电厂把SCR反应器布置在烟气除尘和脱硫装置后面。因此，开发低温 SCR催化剂成为环境催化领域的重要研究方向。溶液燃烧合成法和火焰合成法能够合成纳米材料，有利于改善催化剂的物理化学结构，提高催化剂的低温活性。本文主要围绕催化剂配方和制备方法开展研究，开发在低温下（<250℃）具有高活性的NH3-SCR催化剂。
　　（1）以Cu元素为活性元素，采用溶液燃烧合成法制备了低温性能良好的Ti0.75Ce0.15Cu0.05W0.05O2-δ催化剂，并对Ti0.75Ce0.15Cu0.05W0.05O2-δ催化剂进行了反应动力学实验，得出该催化剂反应速率常数和表观活化能。采用原位漫反射红外傅立叶变换光谱（in situ DRIFTS）研究了该催化剂的反应机理，认为该催化剂上的SCR反应遵循Eley-Rideal反应进行，且Lewis酸性位上吸附的NH3具有较强的活性。
　　（2）对Ti0.75Ce0.15Cu0.05W0.05O2-δ催化剂进行优化设计，全面研究了制备因素对催化剂性能和结构的影响，实验结果表明以甘氨酸为燃料制备的催化剂孔结构较多，颗粒小，低温性能较高，且燃料与氧化剂的比例（F/O）越高，合成的催化剂的低温性能越好。根据结果优化了合成的催化剂并进行了SO2耐久测试，发现该催化剂在尾气中50 ppm SO2条件下具有良好的抗硫性能。
　　（3）发展了预混火焰合成SCR催化剂技术，从制备方法上对钒基催化剂进行改进，采用火焰合成法制备了纳米级别的TiVO催化剂。全面研究了钒负载量、载气流量和种类、转盘转速、前驱物浓度以及转盘距燃烧器出口的距离对催化剂结构和性能的影响，并结合Chemkin计算讨论了催化剂颗粒的形成规律，得出前驱物浓度越大，颗粒碰撞率增大，形成的颗粒粒径较大，以及较低火焰温度和较长的停留时间也会使合成催化剂颗粒较大。因此以转速300rpm，载气Ar流量17L/min，前驱物浓度304ppm，转盘至燃烧器出口距离20mm，优化合成了钒负载量6.35wt.%的Ti0.9V0.1O2-δ催化剂，该催化剂在200℃-400℃的宽温度窗口内，NO转化效率一直保持在90%以上。
　　（4）将预混火焰合成技术与溶液燃烧合成技术进行了对比研究，通过TEM、BET、XRD、Raman、XPS、H2-TPR、NH3-TPD等表征方法对比分析了溶液燃烧合成法和火焰合成法制备的Ti0.9V0.1O2-δ催化剂，发现虽然火焰合成法制备的催化剂比表面积相对较低，但其表面V富集、表面VOx物种聚合链较长、表面Br?nsted酸量占优势，使该催化剂中低温性能优秀。此外，火焰合成法下制备的催化剂抗硫性能良好。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1课题背景

1.2低温催化剂概述及其研究进展

1.3燃烧合成技术

1.4本文的研究目标及主要研究内容

第二章 实验台架及制备分析测试方法

2.1引言

2.2溶液燃烧合成法制备催化剂

2.3火焰合成法制备催化剂

2.4催化剂性能评价及表征方法

2.5本章小结

第三章 溶液燃烧合成法制备Ti-Ce-Cu-W催化剂

3.1引言

3.2活性组分的研究

3.3制备因素对Ti-Ce-Cu-W催化剂的影响

3.4 Ti-Ce-Cu-W催化剂的抗硫性能

3.5动力学实验

3.6反应机理研究

3.7 反应机理

3.8本章小结

第四章 火焰合成法制备TiVO催化剂

4.1引言

4.2火焰结构

4.3钒负载量的影响

4.4合成条件对催化剂的性能及结构的影响

4.5 SCS与FS制备方法的对比

4.6 TiVO催化剂的抗硫性能

4.7 TiVO催化剂表面反应过程的研究

4.8本章小结

第五章 全文总结与工作展望

5.1全文总结

5.2工作展望

创新点说明

参考文献

符号与缩写

攻读博士学位期间发表的学术论文

参加的科研项目

致谢