选择性催化还原脱硝催化剂的研究.docx

1、选择性催化还原脱硝催化剂的研究摘 要催化剂是选择性催化还原脱硝技术的核心，而NOx的脱除效果受催化剂的低温活性、选择性和稳定性的影响。SCR脱硝催化剂性能也主要取决于催化剂活性组分和催化剂的载体。本文主要是对SCR技术及其催化剂进行了综述，并采用自行研制开发的V2O5-WO3/TiO2-Al2O3催化剂，通过考察温度、NH3与NO摩尔比、NO初始浓度、氧浓度等对这种催化剂脱硝性能的影响，为选择性催化还原(SCR)脱硝催化剂的应用提供了科学、有效的实验数据。并指出我国脱硝催化剂的发展应以提高催化剂寿命、开发新型催化剂及新工艺为主要方向，进行更加深入的研究与生产。关键词：选择性催化还原；脱硝催化剂

2、；影响；应用AbstractCatalystisthekeytotheselectivecatalyticreductiondenitrationtechnology,catalystactivity,selectivityandstabilityoflowtemperaturedirectlyaffectstheremovalefficiencyofNOx.SCRdenitrationcatalystperformancemainlydependsontheactivecomponentofthecatalystandcatalystcarrier.Thispaperismainlyabou

3、ttheSCRtechnologyanditscatalystwerereviewed,andthedevelopmentofV2O5-WO3/TiO2-Al2O3catalystdevelopedbyourselves,theeffectsoftemperature,NH3andNOmolarratio,NOconcentration,oxygenconcentrationonthedenitrificationperformanceofthecatalystforselectivecatalyticreductioneffect,(SCR)andprovideexperimentaldat

4、aforthescientificapplicationofdenitrationcatalyst.Finally,itispointedoutthatthedevelopmentofdenitrationcatalystinourcountryshouldbetoimprovethecatalystlife,forthedirectionofthedevelopmentofnewcatalystandnewprocess.Key words: selective catalytic reduction；denitration catalyst；influence；application摘 要

5、 Abstract 第1章 文献综述 1第1节SCR技术概述 1第2节SCR催化剂的概述 2第2章 实验部分 4第1节 实验材料与方法 4第2节 实验过程 4第3章 实验结果与讨论 6第1节 实验结果与讨论 6第2节 影响催化剂脱硝率的分析 11结 论 12参考文献 13致 谢 14第1章 文献综述第1节 SCR技术概述1.1 SCR技术研究背景1959年美国Eegelhard公司开发了SCR技术并申请了专利，而在20世纪70年日本率先对该方法实现了工业化。选择性催化还原烟气脱硝工艺是用SCR烟气脱硝装置进行的，在320420 和特定催化剂作用下，吹入NH3使其NOx还原为N2和H2O，以达到

6、脱除NOx的目的。根据汽车工业发达国家的发展经验，当前SCR技术主要有两种技术路线包括美国的EGR+DPF/DOC路线和欧洲的优化燃烧+SCR路线1。技术路线 美国的DPF/DOC+ EGR 欧洲的优化燃烧+SCR油耗量系统的增加系统成本的增加使用成本的增加燃油含硫量的控制设备设施其他问题有害物转化情况油耗量增加 尿素油耗均减少到4%以上OBD+冷却EGR OBD+喷射尿素系统 比较低 整车成本的4%左右 尿素消耗 集热再生能源燃料酸含量的控制 含硫量的需求高 含硫量的需求低为减少在石油炼制工业油含量设备 增加尿素的站点温度低时启动不容易 尿素加热系统可能需要尿素冻结 颗粒物捕集率90% NO

7、x转化率65% 表1-1两条技术路线比较1随着大量燃料的燃烧、工业废气和汽车尾气的排放，氮氧化物已经成为我国污染减排的重点2。由上表可知，目前脱硝效率最高、最为成熟的技术是SCR技术3。1.2 SCR技术的基本原理SCR脱硝机理是指在SCR脱硝过程中，利用还原剂可以把NOx转化为空气中天然含有的N2和H2O，其反应方程式如下4：4NH3+2NO+2O23N2+6H2O4NH3+4NO+O24N2+6H2O8NH3+6NO7N2+12H2O4NH3+6NO5N2+6H2O副反应方程式：4NH3+3O22N2+6H2O4NH3+5O24NO+6H2O2NH3N2+3H2NH3+SO3+H2ONH4

8、HSO42SO2+O22SO32NH3+SO3+H2O(NH4)2SO4当烟气通过反应器时，NOx、O2和还原剂气体自烟气扩散到催化剂外表面，再进一步向催化剂中的微孔表面扩散；还原性气体吸附在催化剂表面的活性中心，接着与气相的氮氧化物和氧气作用生成 N2和 H2O；催化剂表面上的N2和 H2O被脱附到微孔内，接着从微孔内被向外扩散，扩散到催化剂的外表面，最后N2和 H2O被在主流气体中带走。采用不同的还原剂，应选择不同类型的催化剂。氨、尿素、碳氢化合物(如甲烷、丙烯)等可以被作为还原剂5。第2节SCR催化剂的概述2.1 SCR催化剂发展简史催化剂是选择性催化还原脱硝技术的核心部分，决定了SCR

9、系统的脱销效率和经济性。近年来，美国、日本、德国等发达国家不断投入了大量的人力、物力和资金，研究开发高效率、低成本的烟气脱销催化剂，重点在于催化剂专利技术、技术转让、生产许可过程中的知识产权保护工作6-9。起初都是Pt-Rh和Pt等金属催化剂，它们均具有活性较高和反应温度较低的特点。但是因为价格昂贵，因此限制了它们的使用。所以在20世纪60年代末开始，日本日立、三菱、武田化工三家公司通过不断的研发，研制了TiO2基材的催化剂并逐渐取代Pt-Rh和Pt等金属催化剂。目前成为了SCR脱硝工程应用的主流催化剂产品。2.2 SCR组成介绍目前SCR商用催化剂的基材基本都是TiO2，并且是以V2O5为主

10、要活性成份，以WO3、MoO3为抗氧化、抗毒化辅助成份。催化剂主要含有有板式、蜂窝式和波纹板式三种型式10-12。板式催化剂基材是把TiO2、V2O5等粘连在不锈钢网上，并且经过混合、锻烧因而将催化剂板组装成催化剂模块。这主要是以不锈钢金属板压入金属网为基体材料的。蜂窝式催化剂是通过一种陶瓷挤出机器，将TiO2、V2O5、WO3等一些混合物制成截面为150mmX150mm，长度不等的小型催化剂元件，然后将其元件组装成为截面约为2m´1m的标准模块。波纹板式催化剂为了达到提高催化剂活性、降低SO2氧化率的目的将WO3、V2O5等活性成份浸渍到催化剂的表面，它的制造工艺的基材一般都是用

11、用玻璃纤维加强的TiO2。第2章 实验部分第1节实验材料与方法1.1 催化剂本实验用自己研究制造的催化剂V2O5-WO3/TiO2-Al2O3，通过控制变量的方法研究催化剂对脱硝性能的影响。首先令V2O5-WO3/TiO2-Al2O3催化剂的组成质量比为一定的值使其不变。1.2实验装置图2-1 实验装置流程图该装置主要由微量注射器、温度控制仪、烟气分析仪、高压气瓶、转子流量计和催化反应器等结构组成。可以用来对催化剂脱硝性能变化的测量。整个装置由三部分组成分别是气体发生、催化反应和烟气分析部分。该实验主要是通过考察温度等对这种催化剂脱硝性能的影响，为选择性催化还原(SCR)脱硝催化剂的应用提供科

12、学、有效的实验数据。第2节 实验过程2.1 实验步骤1、检查装置是否好用。插上电源，看运转是否正常。待一切正常后开始试验。2、首先控制变量，使n(NO) / n(NH3) =l、空速值14000 h-1、O2体积分数为6%、NO的初始浓度为1000p pm不变，改变反应温度记录不同温度下的脱硝率变化值。分别测试在同一温度下五组脱硝率数值，并计算出平均值。3、控制变量使m(NO) / m(NH3) =l、空速值14000 h-1、NO初始浓度为 1000 ppm反应温度为350 不变，在实验中通过改变混合气的氧含量，记录脱销率的变化值以便考察烟气中不同氧含量对催化剂脱硝性能的影响。分别测试在同一

13、含氧量下五组脱硝率数值，并计算出平均值。4、控制变量使空速值14000 h-1、O2浓度为6%、反应温度为350 、NO初始浓度为1000 ppm不变，在实验中通过改变进口混合气体中m(NO) / m(NH3)，记录脱硝率的变化值。分别测试在同一氨氮摩尔比下五组脱硝率数值，并计算出平均值。5、控制变量使m(NO) / m(NH3) =l、空速值为14000 h-1、反应温度为350 、O2浓度为6%的烟气条件下，改变实验中进口混合气体中NO的初始浓度，记录脱硝率变化。分别测试在同一NO初始浓度下五组脱硝率数值，并计算出平均值。第3章 实验结果与讨论第1节 实验结果与讨论1.1 反应温度对催化剂

14、脱硝性能的影响表3-1显示了不同反应温度对催化剂脱硝性能的影响表3-1不同温度下脱销率的变化值温度（） 脱硝率（%） 平均值25030035040045049 48.7 47.6 50.5 48.3 48.8279.2 78.7 78.5 79 78.7 78.8290 88.5 88.75 90.5 91 89.7581.5 80 80.8 79.9 81 80.64 78.7 76.5 77.9 76.8 77 77.38 根据表3-1制出反应温度对脱销率的影响如图3-2图 3-2 温度对催化剂脱硝性能影响由图3-2分析得知：反应温度对NO脱除率的影响较大。1、反应温度在250350 之间

15、，转化率随着温度的增加而增加。2、反应温度为350 时，催化活性最大，转化率可达89.75%。3、反应温度在350450 之间，转化率随着温度的增加而下降。据此得出结论：催化剂的最佳活性温度为350 。3.2 氧气的含量对催化剂脱硝性能的影响表3-2显示了不同含氧量对催化剂脱硝性能的影响表3-2不同含氧量下的脱销率变化值含氧量（%） 脱硝率（%） 平均值0 12345631 31 31 31 31 3159.82 60.72 60.72 61.54 60.15 60.5980.93 83.26 81.05 83.33 83.33 82.3891.05 90.84 89.63 90.17 88.

16、31 90.0088.65 86 .36 84.93 84.93 83,14 85.6069.45 70.87 70.87 71.02 70.00 70.44 62.26 61.07 60.53 60.53 60.53 60.98 根据表3-2制出含氧量对脱销率的影响图如图3-3 图3-3氧气对催化剂脱硝性能影响由图2-3可以得出：氧含量对 NO 脱除率的影响效果很明显。1、当氧气没有进入到烟气中时，脱硝率为31%。2、当含氧量在03%之间时，随着烟气中氧含量的不断增加，转化率迅速增加。3、当氧含量为3 %时，脱硝率最高为91 %。4、当氧含量在大于3 %时，随着烟气中氧含量不断继续增加，转化

17、率减小。根据以上分析表明：当氧含量为3 %时，氧气对催化剂的脱销效果最大5。2.3 氨氮比对催化剂脱硝性能的影响表3-3显示了不同氨氮比对催化剂脱硝性能的影响表3-3不同氨氮比的情况下脱销率的变化氨氮比脱硝率（%） 平均值0.7 0.869.26 68.48 68.32 69.10 68.32 68.7075.89 76.57 76.57 76.98 74.73 76.15 0.9 1.0 1.1 1.2 1.385.53 84.97 86.74 86.74 86.74 86.1490.01 89.65 89.98 88.45 91.48 89.93 89.94 90.00 90.03 90.

18、00 89.65 89.92 88.73 89.32 89.53 89.91 90.02 89.50 89.90 90.03 90.73 89.90 89.41 89.99 根据表3-3制出氨氮比对脱销率的影响图如图3-4。 图3-4 氨氮比对催化剂脱硝性能的影响由图3-4可以得出：氨氮比对NO脱除率的影响效果很明显。（1）当m(NO) / m(NH3)小于1时，转化率随着m(NO) / m(NH3的增加而上升。（2）当m(NO) / m(NH3)为1时，转化率为89 %左右。（3）当m(NO) / m(NH3)大于1时，转化率稳定在89 %左右几乎不再改变。这说明增加m(NO) / m(NH

19、3)，它可以提高NH3在催化剂表面的吸附，从而提高催化剂的转化。根据以上分析表明：当m(NO) / m(NH3)为1时，催化剂的脱销效果最大。2.4 NO进口浓度对催化剂脱硝性能的影响表3-4显示了不同氨氮比对催化剂脱硝性能的影响表3-4不同NO进口浓度对脱销率的变化值NO进口浓度脱硝率（%） 平均值4006008001000120064.00 64.00 64.00 64.00 64.00 64.0070.42 71.75 71.82 71.82 73.00 71.7682.15 82.12 81.12 82.00 81.92 81.8690.05 90.05 89.15 90.65 90.

20、65 90.11 89.13 89.13 90.00 88.65 87.95 88.97根据表3-4制出NO进口浓度对脱销率的影响图如图2-5。图3-5 NO进口浓度对催化剂脱硝性能影响由图3-5可以得出：NO进口浓度对NO脱除率的影响。（1） 当NO进口浓度为400 ppm时，脱硝率为64 %；（2） 当NO进口浓度在4001000ppm之间时，转化率随着NO进口初始浓度的增加而增加；（3） 当NO进口浓度为1000 ppm时，脱硝率最大，转化率可达90%；（4） 当NO进口浓度超过1000 ppm时，脱硝率几乎不再改变；据此得出结论：NO进口浓度为1000 ppm时，脱硝率最大7。第2节

21、影响催化剂脱硝率因素的分析对催化剂脱硝率的影响是多种多样的，其中最主要的因素是实验过程中的反应温度、NO初始浓度、氧浓度、NH3与NO摩尔比等因素，但一些外在因素的影响也是不容忽视的。例如SCR催化剂的组成、烟气温度等。烟气温度是影响催化剂脱硝率的重要因素，烟气温度不仅决定反应物的反应速率，而且也决定催化剂的反应活性。当烟气温度低于催化剂的适用温度时，在催化剂上会发生副反应；当烟气温度高于催化剂适用温度时，催化剂通道和微孔会发生变形，导致有效通道和面积减少从而使催化剂失活，温度越高会出现催化剂活性微晶高温烧结的现象，催化剂失活越快。结 论该实验主要是通过考察温度、NH3与NO摩尔比、NO初始浓

22、度、氧浓度等对这种催化剂脱硝性能的影响，为选择性催化还原(SCR)脱硝催化剂的应用提供了科学、有效的实验数据。得到的研制开发的V2O5-WO3/TiO2-Al2O3催化剂的最佳活性温度位于 300400 之间，350 具有最高活性，反应气中氧含量应在03%之间，氨氮摩尔比应为1，NO进口浓度在4001000ppm之间。这样才能达到催化剂脱硝的最大效果。但是现在研究的催化剂漏洞还是很多，今后的催化剂研究必须进一步提高催化剂的低温活性、选择性、稳定性和抗SO2，H2O性，同时降低对SO2的氧化率。SCR脱硝技术脱硝率较高，二次污染少，可行性强，低成本、高效率、长寿命的SCR催化剂，降低脱硝成本，应

23、该是我国烟气脱硝技术研究、开发和应用的主要方向。参考文献1 严刚，蒋春来,“十二五”氮氧化物减排思路与技术路线 J，2011,5(12)2 黄辉，姜学东，邱瑞昌等，新型流光放电等离子体烟气脱硫脱硝一体化技术 J,北京交通大学学报，2005，29(2):31-343 赵毅，朱洪涛，安晓玲等，燃煤电厂SCR烟气脱硝技术的研究4 曹迁迁，曹寄迁，城市建设理论研究 J， 2013，23(3)：5-105 程昊，稀燃发动机尾气 NOx存储-还原催化剂研究 J，大连化物所博士论文，20046 宣小平，姚强，选择性催化还原法脱硝研究进展 J，煤炭转化，2002，25(3)：26-317 赵毅，朱洪涛，安晓玲

24、等.，燃煤电厂SCR烟气脱硝技术的研究 J，电力环境保护，2009，25(1)：7-108 潘光，烟气脱硝技术及在我国的应用 J，中国环境管理干部学院学报，2008，18(1)：90-939 顾卫荣，化工进展 J，2011，5：52-56.10 闫志勇，胡建飞，徐鸿等，SCR 烟气脱硝催化剂V2O5-WO3/TiO2-Al2O3性能研究 J，中国计量学院学报，2011，22(1)：68-7211 谭青，冯雅晨，我国烟气脱硝行业现状与前景及SCR脱硝催化剂的研究进 J，化工进展，2011，30(1)：709-71312 朱林，吴碧君，段玖祥等.，SCR烟气脱硝催化剂生产与应用现状 J，中国电力，

25、2011，42(8)：61-64致 谢四年的大学生活即将结束，作为收尾的毕业论文终于按进度完成，在论文的写作过程中遇到了无数的困难和障碍，都在同学和老师的帮助下度过了。本论文是在刘利军老师的悉心指导和严格要求下完成的，从课题选择，方案论证到具体设计和调试，无不凝聚着刘利军老师的心血和汗水，在四年的本科学习和生活期间，也始终感受着导师的精心指导和无私的关怀，我受益匪浅，在此向刘利军老师表示深深的感谢和崇高的敬意，她对我进行了无私的指导和帮助，在此向刘利军老师表示最忠心的感谢。感谢这篇论文所涉及到的各位学者，本文引用了数位学者的研究文献，如果没有各位学者的研究成果的帮助和启发，我将很难完成本篇论文的写作。最后，还要感谢我的同学，在我写论文的过程中给予我很多素材，还在论文的撰写和排版过程中提供热情的帮助。四年来，我们一起学习，共同成长，和你们相处的日子是我无悔的青春，我们彼此建立起来的纯洁的友谊必将是我一生中宝贵的财富。