氨选择性催化还原(SCR)氮氧化物的V2O5/TiO2基催化剂活性及动力学研究

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中国的氮氧化物(NOx)污染问题日益严重,对NOx进行控制是大势所趋。本课题采用氨法选择性催化还原(SCR)技术,以自制V2O5/TiO2基催化剂为研究对象,在自制催化活性测试反应器中测试制备催化剂的活性,结合多种催化剂表征技术,研究催化剂组成和操作条件对催化剂活性的影响,优化催化剂组成和操作条件。此外对SCR催化剂进行了动力学研究,建立了数学模型。试验中先后以锐钛型的工业级TiO2和两个不同厂家提供的纳米级TiO2为催化剂载体,通过浸渍法在表面负载V2O5、WO3和MoO3等物质制备得到V2O5-WO3(MoO3)/TiO2型催化剂。活性实验采用NO,SO2,O2,N2模拟烟气,NH3为还原气体在自制反应器中测试催化剂的活性。实验发现A企业提供的纳米TiO2为载体的催化剂活性最差,工业级TiO2次之,B企业提供的纳米TiO2活性最好,其活性甚至优于商业催化剂。究其原因是A企业提供的纳米TiO2在制备中与V2O5发生了反应,工业级TiO2制备的催化剂比表面较小。所以本课题主要研究了以B企业提供的纳米级TiO2为载体制备的V2O5-WO3(MoO3)/TiO2型催化剂的活性和动力学。催化剂活性随着V2O5负载量的上升而上升,但负载量大于1%(重量比)时NOx脱除的活性上升有限,而N2O会大量生成,所以V2O5含量选择1%比较合适;催化剂在300~400℃转化率较高,达到95~99%,反应峰值温度为390℃;在NH3/NOx<1时,NOx脱除率随之线性增加,NH3/NOx>1时,脱除率上升趋缓;氧气浓度在大于2%时对NO脱硝率几乎无影响。所以在电厂省煤器和空预器之间的300~400℃温度和较高的氧含量,V2O5-WO3(MoO3)/TiO2型催化剂具有较好的SCR活性。对1%V2O5-10%WO3-TiO2(B,纳米)催化剂进行动力学分析,得到在试验条件下SCR反应与NO为一级反应,与NH3成零级反应,反应本征活化能为73.29kJ/mol;符合Eley-Ridea机理,即反应发生在活性位上强烈吸附的NH3与气相或微弱吸附的NO之间;在该催化剂中,外扩散现象不明显,但内扩散不可忽略。建立了NOx转化的数学模型并获得单一的解析解。试验结果与模型预测比较一致,模型能够较好的预测NOx的转化率,为催化剂的设计和SCR工艺运行提供指导。
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