流化床内Fe2O3催化脱除N2O的实验与机理分析

摘要

流化床燃烧技术能够控制O2和NO的排放，但其N2O排放浓度(30～360mg/Nm3)，是传统电站锅炉(0～30mg/Nm3)排放浓度的数倍。N2O是一种对大气环境有严重破坏的温室气体。因此，有必要对N2O问题进行深入研究，找到抑制N2O生成的有效方法。
　　本文提出制备一种高活性的催化分解N2O催化剂，降低N2O的排放，此催化剂成本低、不会产生二次污染。选用催化活性较优的活性组分，采用共沉淀法制备以Al2O3为载体的Fe2O3/Al2O3金属氧化物型催化剂，在设计的小型流化床实验台上测试不同制备条件对催化活性的影响，筛选出较高活性催化剂，并对其进行表征，对活性变化的原因提出了合理的解释。
　　基于量子化学理论，通过密度泛函理论(DFT)方法和Material Studio5.0软件的DMol3模块模拟反应路径，结构优化采用广义梯度近似(GGA)，密度泛函选取PBE形式，探讨了在催化剂表面活性位点上N2O分解的机理。N2O分子在催化剂表面的活性位点通过两步反应最终分解成O2和N2，开始为一个N2O分子吸附在活性位点并且获得能量，化学键断裂产生一个吸附在催化剂表面的氧原子和一个N2分子，第二步为表面吸附的氧原子与另一个到达催化剂表面的N2O分子反应产生一个O2和N2分子。催化剂表面与N2O在铁和氧位点第一步反应能垒为0.300eV和2.069eV，第二步的反应能垒为2.672eV和2.649eV。反应势能面表明Fe2O3/Al2O3催化剂对N2O的分解催化反应具有很高的效率，证明了对催化反应路径猜测的正确性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景及研究的目的和意义

1．2 N2O的主要来源

1．3 流化床内N2O的排放及其影响因素

1．3．1 温度的影响

1．3．2 过量空气系数的影响

1．3．3 脱硫剂的影响

1．3．4 燃料性质的影响

1．3．5 还原剂NH3的影响

1．4 催化脱除N2O的国内外研究现状

1．4．1 贵金属催化剂

1．4．2 金属氧化物催化剂

1．4．3 沸石类催化剂

1．4．4 其它种类催化剂

1．4．5 催化剂理论研究

1．5 催化脱除N2O存在的问题

1．6 本文研究目的及内容

第2章 实验方案和理论研究方法

2．1 引言

2．2 共沉淀法制备Fe2O3／Al2O3催化剂

2．2．1 共沉淀法简介

2．2．2 Fe2O3／Al2O3催化剂的制备

2．3 搭建小型流化床实验台

2．4 催化剂的表征

2．4．1 比表面积分析BET

2．4．2 XRD表征

2．4．3 微观形貌分析SEM

2．4．4 程序升温还原分析TPR

2．5 催化剂的催化活性指标

2．5．1 催化活性

2．5．2 其它性能指标

2．6 理论研究方法

2．7 本章小结

第3章 Fe2O3／Al2O3催化剂性能研究

3．1 引言

3．2 实验结果与分析

3．2．1 Fe2O3催化剂的物理化学性质

3．2．2 Fe2O3／Al2O3催化剂的制备

3．2．3 催化剂的还原性能

3．2．4 催化剂活性评价

3．3 本章小结

第4章 N2O在Fe2O3／Al2O3表面催化反应的研究

4．1 N2O和Fe2O3(1-1 2)表面的相互作用

4．1．1 计算模型和参数设置

4．1．2 结果与分析

4．2 N2O和Fe2O3／Al2O3(001)表面的相互作用

4．2．1 计算模型和参数的设置

4．2．2 N2O在Fe2O3／Al2O3表面的反应

4．2．3 N2O-O在Fe2O3／Al2O3表面的反应

4．3 本章小结

第5章 结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

致谢