铁基纳米催化剂低温选择性催化还原(SCR)脱硝过程研究

摘要

选择性催化还原技术(SCR)是目前最有效的控制火电厂NOx排放的技术，该技术在发达国家已得到了广泛应用，但国内这方面研究还需进一步拓展。本文将铈引入Fe/TiO2催化剂，进一步加强了催化剂的稳定性、拓宽了催化剂活性的操作窗口、提高了催化剂的SCR性能。采用溶胶凝胶法制备Ce(x)-Fe/TiO2系列催化剂，并应用BET、XRD、TEM、XPS、H2-TPR、NH3-TPD、In situ DRIFT等表征手段对催化剂的理化性能和反应机理进行了深入研究。另外，采用柠檬酸法-静电纺丝技术制备的中空FeMn纳米纤维催化剂在低温范围内均展现出优良的SCR性能。本研究工作的成果对今后进一步烟气中NOx，具有重要的理论意义和潜在的实际价值。主要结论如下:
　　(1) Ce(0.2)-Fe/TiO2催化剂在225-300℃展现出优异的低温SCR性能，NOx去除率接近100％，明显优于Fe/TiO2催化剂。
　　(2) Ce(0.2)-Fe/TiO2样品有最高的Oα/Oα+Oβ比，铈的添加提高了化学吸附氧的浓度，主要是铈可以改变催化剂表面的电荷平衡、电子空缺和不饱和化学键。化学吸附氧是最活跃的氧，在氧化还原反应中起到很重要的作用。
　　(3)催化剂的还原性质在NOx的NH3-SCR过程中具有重要的作用。从H2-TPR结果看出，铈引入后，峰向低温方向移动且峰的强度增加，提高了Fe/TiO2催化剂的低温还原能力，促进了低温SCR性能。
　　(4)原位红外揭示了催化剂Ce(0.2)-Fe/TiO2的NH3-SCR反应按E-R机理进行。在低温SCR反应条件下，B酸比L酸更重要。当NH3+NO+O2共吸附时，氨物种占据了催化剂Ce(0.2)-Fe/TiO2上的多数活性位，氨物种主要以NH4+（低温下）的形式存在，在NH3-SCR反应过程中起至关重要的作用。催化剂表面吸附的N4+经氧化脱氢作用生成氨基(NH2)，氨基(NH2)与气态的NO反应生成中间物种NH2NO，NH2NO的热稳定性差，会快速分解生成N2和H2O。
　　(5)采用柠檬酸法结合静电纺丝技术制备了中空FeMn纳米纤维催化剂，并通过XRD、BET、IR、SEM、TEM、XPS、H2-TPR及DRIFT等对催化剂进行表征，对中空纳米材料的结构特征进行分析。
　　(6)中空FeMn(0.15)催化剂的活性最为突出，在200-300℃宽的温度范围内NOx转化率接近100％。与Fe2O3相比，FeMn系列催化剂的活性窗口向低温方向移动，活性窗口逐渐展宽，明显优于Fe2O3催化剂。

目录

声明

摘要

第一章 引言

第一节 课题背景

1．1．1 氮氧化物的来源及危害

1．1．2 氮氧化物的主要控制措施

1．1．3 SCR脱硝工艺及其研究现状

第二节 低温SCR催化剂研究现状

1．2．1 低温SCR催化机理研究

1．2．2 低温SCR催化剂脱硝活性研究

1．2．3 低温SCR催化剂抗中毒性能研究

第三节 静电纺丝方法研究进展

1．3．1 静电纺丝的发展现状

1．3．2 静电纺丝的基本过程及原理

1．3．3 静电纺丝纤维形貌的影响因素

第四节 课题研究意义、主要内容及创新点

1．4．1 本课题的研究意义

1．4．2 本课题的主要内容

1．4．3 本课题的创新点

第二章 试验材料、装置及分析测试方法

第一节 试验材料及设备

2．1．1 试验材料

2．1．2 试验设备

第二节 催化剂活性测试

2．2．1 配气系统

2．2．2 测试系统

2．2．3 分析系统

2．2．4 测试方法

第三节 催化剂表征分析

2．3．1 扫描电子显微镜分析(SEM)

2．3．2 透射电子显微镜分析(TEM)

2．3．3 热重分析(TG)

2．3．4 傅里叶红外光谱分析(FT-IR)

2．3．5 比表面积分析(BET)

2．3．6 X射线衍射分析(XRD)

2．3．7 X射线光电子能谱(XPS)

2．3．8 H2程序升温还原(H2-TPR)

2．3．9 NH3程序升温脱附(NH3-TPD)

2．3．10 原位漫反射红外光谱分析(DRIFT)

第三章 介孔CeO2-Fe2O3／TiO2纳米催化剂的制备及其性能的研究

第一节 催化剂的制备及表征分析

3．1．1 催化剂的制备

3．1．2 催化剂的表征分析

第二节 催化剂的活性研究

3．2．1 负载量对催化剂活性的影响

3．2．2 氧气浓度对催化剂活性的影响

3．2．3 空速对催化剂活性的影响

3．2．4 NH3／NO对催化剂活性的影响

3．2．5 SO2对催化剂活性的影响

第三节 实验结果与讨论

3．3．1 反应物NH3、NO和O2在催化剂表面的吸附研究

3．3．2 原位瞬态反应的结果与分析

3．3．3 原位稳态反应的结果与分析

3．3．4 催化剂CeO2-Fe2O3／TiO2上反应机理推测

第四节 本章小结

第四章 中空Fe2O3-MnO2纳米纤维催化剂制备及性能研究

第一节 催化剂的制备

第二节 中空Fe2O3-MnO2纳米纤维催化剂脱硝活性研究

第三节 实验结果与讨论

4．3．1 中空Fe2O3-MnO2纳米纤维的SEM分析

4．3．2 中空Fe2O3-MnO2纳米纤维的TEM分析

4．3．3 中空Fe2O3-MnO2纳米纤维的FT-IR分析

4．3．4 中空Fe2O3-MnO2纳米纤维的XRD分析

4．3．5 中空Fe2O3-MnO2纳米纤维的BET分析

4．3．6 中空Fe2O3-MnO2纳米纤维的XPS分析

4．3．7 中空Fe2O3-MnO2纳米纤维的TPR分析

4．3．8 中空Fe2O3-MnO2纳米纤维的DRIFT分析

第四节 本章小结

第五章 结论与展望

第一节 主要结论

第二节 本论文的创新点

第三节 进一步的工作建议

参考文献

致谢

个人简历