WO3改性CeO2-TiO2催化剂的低温NH3-NO/NO2 SCR活性和机理研究

在铈钛基NH3-SCR催化材料中,改性元素对催化材料的酸性位和氧化还原性能的影响较大.本文采用过量浸渍法分别制备了CeO2-TiO2(CeTi)和CeO2/WO3-TiO2(CeWTi)催化剂,研究了CeWTi催化材料结构、酸性位及氧化还原性能对NH3-NO/NO2 SCR反应性能的影响.结果发现,CeTi和CeWTi样品均有较优异的NH3-NO/NO2 SCR催化性能,后者略高.WO3的加入增加了催化材料的表面酸性,对其氧化还原性能影响不大.通过对反应中间物种NH4NO3的研究,发现NH4NO3的分解主要与氧化还原性能相关,而NO还原NH4NO3的反应需要氧化还原能力和酸性位共同作用,即在氧化还原性能差异不大的条件下,酸性对该反应起到重要作用.而该反应也是NH3-NO/NO2 SCR的限速步骤,这是CeWTi催化材料活性高于CeTi催化材料的原因.同时,为了获得NH3-NO/NO2 SCR反应的高活性,NO2:NO比例宜为1:1.然而现实情况中,预氧化催化材料的氧化活性、NOx浓度、温度等变量使得准确控制NO2的比例较难,因此,深入了解NO2浓度对NH3–NO/NO2 SCR反应的影响至关重要.本文探讨NO2:NO的比例、O2浓度等对NH3-NO/NO2 SCR反应性能的影响;并研究了不同NO2含量条件下NH3-NO/NO2 SCR反应网络.通过分析CeWTi材料上NH3-NO/NO2 SCR反应网络可知,当NO与NO2比例为1:1时,NH3-SCR催化活性最高,并以快速SCR形式进行;当NO与NO2比例为1:1消耗完全之后,剩余的NO或NO2各自独立以标准或慢速SCR进行,不影响其本来的反应活性.催化材料的标准SCR、快速SCR和慢速SCR均取决于材料表面酸度和氧化还原性能,但快速SCR和慢速SCR对材料这两方面性能的要求相对较低.同时O2并不参与快速和慢速SCR,而NO2可以取代O2作为SCR反应中主要的氧化剂,氧化Ce4+为Ce3+,甚至比O2和NO再氧化活性位的能力更强,保持催化材料的高催化活性.低温条件时,慢速SCR和快速SCR反应均在材料表面生成硝酸铵中间物种,但由于慢速SCR气氛中缺乏NO将硝酸铵还原,进而引发快速SCR反应,因此材料表面快速SCR的NOx转化率要高于慢速SCR反应;高温条件下,由于硝酸铵容易热分解,导致硝酸铵的抑制效应不太明显.NH4NO3分解是NO2含量升高后N2O的形成的主要途径.     

无烟煤燃料氮的热解析出规律

采用固定床反应器，在氩气氛围下，对我国四种不同产地的无烟煤从400 ℃到1 200 ℃进行热解试验，研究了燃料氮中Tar-N,HCN,NH3,Char-N的析出规律，以及燃料氮中N的分布特性。研究结果发现HCN-N的析出量随热解温度的升高而增加，NH3-N的析出量在1 000 ℃左右达到最大值而后略有降低，Char-N的含量呈现反趋势下降。1 000 ℃以上，NH3-N的析出量及HCN-N+NH3-N的析出量随挥发分增加而降低。Tar-N的含量在整个温度范围内都比较少，基本不随温度而变化。     

氢部分选择性催化还原NO反应研究

在低钯含量活性非均布Pd/Al2O3催化剂上，实现了富氧条件下，氢部分选择性催化还原NO过程，低温、富氧条件下NO的转化率高达80％－100％。NO直接分解实验表明，600℃，NO分解转化率在无氧时为17．3％，有0．5％氧存在时接近于0。氢非选择性还原NO条件下，100℃以下，NO转化率为100％。根据实验结果及文献，推测了氢部分选择性还原NO过程中可能存在的反应，不同的反应温度下，NO脱除反应有所不同。在115℃以下，NO还原产物为NH3；115℃－155℃，NO还原产物为NH3、N2O和N2；155℃以上，NO还原产物中无NH3存在。NO还原反应与氢氧反应是平行的竞争反应。     

MnZSM-5催化剂上NH3-SCR反应机理的研究

通过密度泛函理论（DFT）对Mn/ZSM-5催化剂上NH3-SCR反应机理进行了理论研究。一种为气态NO直接参与反应的E-R机理,NO分子与[NH2]反应生成中间体[NH2NO],该反应路径的能垒为43.35 kcal/mol;另一种为吸附态NO参与反应的L-H机理,[NO]与[NH3]反应生成[NH2NO],该反应路径的能垒为44.73 kcal/mol。因两种机理的反应能垒相差不大,因此在一定温度下遵循两种机理的反应皆能进行。     

煤热解过程中生成氮化物的研究

使用管式反应器在600℃-900℃范围内考察了温度和煤种等对煤中氮热解转化成HCN和NH3的影响。实验结果表明：热解的温度越高，气相产物中的HCN和NH3的生成量越大；煤化程度越高，煤中氮转化为HCN的量越少；惰质组含量较高的煤样，热解生成的NH3较多。在这些实验的基础上，对煤种和惰质组含量对氮氧化物前驱体生成的影响进行了初步的探讨。     

Cu-Mn-Ce/γ-Al2O3汽车尾气净化催化材料的合成及性能的研究

采用固定床反应装置，模拟汽车尾气的组成成分，以CO氧化和NH3选择还原NO为探针反应，研究了焙烧温度和焙烧时间等因素对复合金属氧化物催化材料Cu-Mn-Ce-O／γ-Al2O3的催化活性的影响，并考察了该催化剂的抗硫化中毒性能。在本研究条件下，焙烧温度在700℃左右，焙烧时间为2．5h时，催化剂对NO-CO体系中CO的氧化率在76％，以上，对NH3-NO体系中的NO的最佳催化还原率在80％以上。催化剂在3．O％S02／空气气氛中强制中毒后，其在NH3-NO气氛中的最佳反应温度．450℃，同样条件下未中毒催化剂的最佳反应温度为350℃左右，并且催化剂中毒后对NO—NH3的最大转化率没有下降，但是对NO-CO体系的反应活性明显下降，说明该催化剂具有良好的高温活性和抗硫中毒性能。     

Rh-CeO2催化剂表面CO还原NO反应中羟基介导NH3生成问题的探讨

CO催化还原NO是发生在汽车尾气净化催化剂中的一个重要化学反应.CeO2容易发生氧化还原反应CeO2?CeO2?x+(x/2)O2而具有氧储存/释放作用,可以有效地促进CO氧化,因而CeO2作为储氧材料和催化助剂被广泛应用于汽车催化剂中.在过渡金属元素中,铑对NO的解离活性最高,是目前汽车三效催化剂中最为重要的还原性活性组分.目前,有关Rh-CeO2基催化剂表面CO还原NO的文献仅关注催化反应活性和N2O选择性,对CO还原NO反应机理的理解还不够深入准确,无法为轻型汽油车NH3排放控制提供正确有用的理论基础.NH3排放至大气中会以NH4+形式与SO42?和NO3?离子结合,导致二次颗粒物污染,因此,研究CO还原NO反应中NH3生成机理对轻型汽油车NH3排放控制具有非常重要的理论意义.我们研究组强调了CO催化还原NO反应的表面羟基介导NH3生成问题,并通过原位漫反射傅里叶变换红外光谱(in-situ DRIFTS),傅里叶变换红外光谱(FT-IR),程序升温还原/氧化(TPR/TPO)等现代分析表征技术深入研究了CO还原NO反应机理,并首次提出了催化剂表面"羟基脱氢"反应的NH3生成机理.研究发现,Rh-CeO2催化剂表面CO还原NO反应的NH3选择性最高可达9.7%,其反应表观活化能仅为36 kJ/mol,in-situ DRIFTS,FT-IR和NO-TPO测试结果表明,NH3的生成可归因于催化剂表面"羟基脱氢"反应,即CO与催化剂表面端位羟基和桥式羟基发生"水煤气转化"反应生成H2,反应产生的H2还原NO生成NH3;CeO2中非骨架铈双羟基化形成的类氢氧化铈物种则会直接与NO发生脱氢反应生成NH3,但需要更高的反应温度.值得注意的是,当反应气中额外通入5%水蒸气时,其反应表观活化能提高了21 kJ/mol(同比增加58.3%),更重要的是NH3选择性明显提高,最高可达25.3%(同比增加160.8%),FT-IR测试结果表明,这是由于水蒸气作用促使催化剂表面羟基化,表面活性氢源得以不断补充.这从动力学角度促进了端位羟基和桥式羟基的"水煤气转化"反应而提高NH3选择性.同时,对比NO/H2,CO/NO和CO/NO/H2O反应的NH3生成浓度,我们还发现,H2O分子与NO的竞争吸附会抑制未解离吸附的NH3进一步还原NO,减少反应生成NH3的消耗,促使更多生成的NH3从催化剂表面脱附至气相中,这也是水蒸气导致NH3选择性明显增加的重要原因.以上结果清晰地表明了催化剂表面"羟基脱氢"作用和水蒸气分子与NO的竞争吸附行为对CO还原NO反应中NH3生成的重要影响.     

V-Ce/TiO2脱硝催化剂的SO2中毒机理研究

通过表相、体相硫组分的表征分析,结合不同温度下含硫气氛下的活性演变及原位红外研究,获得了VCe(0.1)/TiO2催化剂在180、240和300℃下含硫氛围的NH3-SCR反应中毒机理. 180℃下催化剂上沉积了大量的硫酸氢铵和少量的金属硫酸盐,共同导致在8 h内活性从77.8%降至51.2%,热再生后的活性测试结果表明硫酸氢铵的沉积导致了催化剂活性降低8.3%,金属硫酸盐的沉积导致了催化剂活性降低18.3%.原位红外结果表明中毒后催化剂在180℃下的NH3-SCR反应遵循L-H反应路径.随着温度升高至240、300℃,催化剂上沉积的硫酸氢铵逐渐减少,金属硫酸盐含量增加.不同温度下的抗硫活性结果表明,低温NH3-SCR反应需要较高的氧化还原性能,中高温NH3-SCR反应则需要较高的酸性,金属硫酸盐的生成导致了氧化还原性能降低、酸性增加,因此低温NH3-SCR活性大幅降低,中高温活性则能保持在100%.     

宽工作温度烟气脱硝催化剂制备及反应机理研究

以溶胶-凝胶法制备介孔TiO2载体,采用分步浸渍法制备了V2O5-WO3/TiO2催化剂,借助BET、NH3-TPD、H2-TPR、SEM、活性评价、In-situ FT-IR等手段,考察了催化剂的结构、酸性、还原性、脱硝活性及反应机理等。介孔TiO2载体比表面积为158.6 m2/g,制成催化剂后比表面积略有降低,约为136.7 m2/g。针对模拟烟气在φNH3/φNO=0.8的条件下测试催化剂的脱硝活性温度窗口为250~400℃,脱硝转化率达到80%。NH3-TPD和H2-TPR表征结果表明,催化剂在活性温度范围内具有典型的表面酸性位,载体TiO2与V2O5之间存在的相互作用使得V2O5还原温度降低。利用In-situ FT-IR研究NH3和NO在V2O5-WO3/TiO2催化剂表面吸附和氧化的反应过程发现,NH3可同时吸附在L酸位和B酸位,NH3在活性位上氧化脱氢形成NH2物种是SCR脱硝反应的控制步骤。研究NO+O2+NH3反应时发现,吸附NH3的催化剂引入NO和O2后,共价吸附的NH3首先消失。选择性催化还原反应发生在吸附态NH3和气态或弱吸附态的NO之间,该反应遵从Eley-Rideal反应机理。     

预硫化处理对Ce-TiO2催化剂NH3-SCR反应活性影响及其反应机理研究

通过对Ce-TiO2催化剂进行SO2+O2气氛下的不同时间的预硫化处理并用于NH3-SCR反应,研究了Ce-TiO2催化剂物化特性随预硫化时间的演变规律,以及预硫化对中低温活性及NH3-SCR反应路径的影响。结果表明Ce-TiO2催化剂表面氧化铈的硫酸化相当迅速,在预硫化处理0.5h后,几乎所有的表面氧化铈都被硫酸盐化形成硫酸铈,随着硫酸化时间的增加到1h和1.5h,Ce-TiO2催化剂上沉积的硫缓慢增加。活性测试表明预硫化后的催化剂对SCR活性的抑制作用随着反应温度的提高而减弱,结合NO-DRIFT、NH3-DRIFT等多种原位表征,结果表明预硫化后低温NH3-SCR活性大幅降低是由于生成硫酸铈后催化剂氧化还原能力大幅削弱,E-R反应路径严重受阻。随着反应温度的升高,SCR活性逐渐不受硫酸铈沉积的影响,一方面,氧化还原性能的提高导致E-R反应路径逐渐恢复;另一方面,硫酸铈的生成促进了NO的活化,增强了L-H反应路径,两者共同导致了预硫化后较高的中温NH3-SCR活性。     

煤燃烧过程生成氮氧化物前驱体的研究

对煤中氮在燃烧条件下生成NOx前驱体（HCN、NH3）进行了研究。实验采用石英玻璃管流化床反应系统，测定了神木煤、澳大利亚烟煤、澳大利亚褐煤在400 ℃～900 ℃HCN、NH3的生成，用离子色谱测定了HCN、NH3的生成量，用差热分析测定了三种煤的燃烧峰温及起始燃烧温度。实验结果表明，在燃烧条件下煤中氮转化为HCN、NH3的比例很高，这一释出过程伴随着煤燃烧过程而发生; 在400 ℃～500 ℃燃烧时HCN、NH3的生成量占煤中总氮质量分数的50%～70%,无论是煤挥发分还是半焦中的氮都在此条件下转化生成了HCN、NH3, 这一实验规律与热解条件的实验结果不同。煤样在更高的温度下燃烧（>700 ℃）时，气体产物中的HCN、NH3的质量分数很少，这是HCN、NH3进一步氧化生成了NOx的缘故。     

同时脱除烟气中硫和硝的V2O5/AC催化剂研究

通过在固定床微反应器上对同时脱硫脱硝催化剂的研究,发现将V2O5担载在活性焦(AC)上制得的V2O5/AC催化剂可在200 ℃同时脱除烟气中的SO2和NO,其活性明显高于纯AC。V2O5/AC催化剂的脱硫脱硝活性与催化剂中钒的质量分数有关,随着V2O5质量分数从0.5%增至9%,硫容从3%增加到12%,脱硝率在V2O5质量分数为0.5%到3%时脱硝率稳定在60%左右,继续增加V2O5质量分数,脱硝率降低。程序升温脱附 (TPD) 和红外光谱 (FTIR) 表征结果显示在脱硫脱硝过程中,催化剂表面有H2SO4, 铵盐和VOSO4生成, VOSO4的质量分数随催化剂中V2O5质量分数的提高而升高。使用后的催化剂可通过5%NH3在300 ℃再生,再生后催化剂的脱硝活性明显增加,NO转化率从新鲜样的67%提高到接近100%,对SO2的吸附也比新鲜样有所增加。     

高级再燃气体脱硝特性的研究

煤燃烧排放出大量有毒气体,2000年燃煤发电厂NOx排放为2.9×107 t ,预计2010年加上燃油产生的NOx,中国的NOx总排放量可能超过1×108 t[1].中国酸雨污染也正在由过去的硫酸型向硫硝酸混合型转变[2],这引起了政府部门的高度关注.目前,已经采取了诸如低NOx燃烧器、分级配风、火上风 (Over Fire Air) 、再燃等技术措施降低NOx排放,取得了一定的效果.其中,再燃技术是降低NOx排放最有效的措施之一.它将炉膛分为主燃区、再燃区和燃尽区.燃料分级送入炉膛,在主燃区火焰上方喷入碳氢燃料,以建立贫氧富燃料区促使主燃区生成的NOx还原为无害的N2 [3,4],最后送入燃尽风以进一步燃尽燃料.国内外研究者围绕再燃脱硝运行参数、同相和异相还原机理做了大量研究[4～8],而国外90年代中后期兴起的高级再燃技术,是再燃技术与氮催化射入技术的结合,是一种更有效的NOx控制技术[7,9],脱硝率可达85%以上,受到了世界各国的普遍关注[10～13],目前,中国对高级再燃技术的研究刚刚起步.     

新型铁锰复合氧化物催化低温脱除NOx

采用溶胶-凝胶法合成了一系列铁锰复合氧化物催化剂, 利用X射线衍射(XRD)对催化剂的活性相态进行研究, 并考察了铁锰摩尔比及焙烧温度对催化性能的影响. 结果表明, 该催化剂体系在低温(80-220 ℃)下选择性催化氨还原NOx反应中显示出优异的活性. 其中Fe(0.4)-MnOx(500)(即摩尔比n(Fe)/(n(Fe)+n(Mn))=0.4, 焙烧温度500 ℃)催化剂具有最佳低温催化活性, 在空速30000 h-1, 温度80 ℃的条件下, NOx转化效率达到90.6%, N2选择性达100%. Fe-MnOx复合氧化物催化剂中形成的Fe3Mn3O8晶相有利于促进NO氧化成NO2, 从而提高低温选择性催化还原的活性.     

乙烷在金属铁表面还原NO的实验研究

温度300~1 100 ℃时,由程序控温电加热水平陶瓷管反应器在N₂气氛和模拟气氛下,对乙烷在金属铁表面还原NO的特性进行了实验研究。结果表明,乙烷在金属铁表面能够高效地还原NO。在N₂气氛中,温度高于900 ℃时,乙烷在金属铁表面的脱硝效率超过95%。在模拟烟气条件下,当温度超过900 ℃,且过量空气系数小于1.0时,乙烷在金属铁表面还原NO的效率能够达到90%以上。相同条件下,乙烷在金属铁表面脱硝效率高于甲烷的脱硝效率。SO₂对乙烷在金属铁表面还原NO的效率影响可以忽略。对反应后的铁样品的组分进行了XRD表征,在此基础上对反应机理进行了分析。结果表明,在模拟烟气条件下NO的还原通过乙烷的再燃脱硝和金属铁直接还原两个机理完成。金属铁直接还原NO时生成的氧化铁则被乙烷还原为金属铁,从而使得金属铁能够持续对NO进行直接还原。乙烷再燃还原NO的中间产物HCN被氧化铁氧化为N₂,同时氧化铁也被HCN还原为金属铁。这一过程增强了NO的持续还原反应,同时避免了在燃尽时HCN二次氧化重新生成NO,从而保证了较高的NO还原效率。     

碳酸钠对选择性非催化还原反应影响的研究

在管式石英反应器中研究了Na₂CO₃对氨水-SNCR以及尿素-SNCR的影响。结果表明,添加少量的Na₂CO₃可以明显提高低温区域的脱硝效率,同时使NH₃泄漏曲线明显往低温方向偏移,尿素-SNCR过程尾部HNCO泄漏明显降低;添加少量的Na₂CO₃可以明显降低N₂O排放,这在尿素-SNCR过程中尤为明显;Na₂CO₃的添加明显提高了尿素热解气中HNCO向NH₃的转化率,这是尿素-SNCR过程中HNCO泄漏可以显著降低,N₂O排放得以大量减少的主要原因;Na₂CO₃添加量相同时,较低氨氮比工况的脱硝效率促进作用相对更为明显,较高氨氮比工况脱硝温度窗口宽度的扩展作用相对更为有效,而较低氧含量工况的脱硝效率促进效果也相对更为显著。     

板状镍催化剂上氨分解和氨部分氧化制氮氢气的研究

研制了一种 Ni/Al₂O₃多孔板状催化剂.该催化剂在反应温度高于750℃,氨分解率高于99.5%时,允许反应空速达10000—40000h^-1.用该催化板组装的反应器可采用内加热形式,和一般的外加热反应器相比可节约能耗约30%.在催化板上氨分解的经验动力学方程是γ=kp²NH₃,表观活化能为153.0kJ/mol.将该催化剂用于氨部分氧化时,在空气和氨比为1.0—1.7,680—750℃,氨空速10000—40000h^-1条件下,在氨点火后无外加能源情况下,能制得含氢30～43%,残氧小于0.1%的氮氢混合气,氨的转化率>99.5%,连续250小时反应表明,催化剂活性稳定.宏观动力学研究得出,反应对氨呈零级,表观活化能为37.2kJ/mol.     

热处理条件对煤中硒释放行为的影响

利用固定床热解反应装置,研究了平朔、兖州、神华、黑代沟、义马、霍林河和曲靖七种煤中硒在氮气气氛下,200℃～1000℃的热稳定性,考察了加热速率、终温停留时间、气氛（氮气、空气与氢气）对黑代沟和霍林河煤中硒释放规律的影响。结果表明,热解条件下煤中硒主要在700℃以下释放,700℃时的释放率为34%～63%。烟煤中硒的释放峰温在500℃左右,而褐煤中硒的释放峰温在400℃左右。500℃以上,加热速率对煤中硒的释放有一定的影响,较低的加热速率可获得较高释放率;终温1000℃时,停留时间从0延长至15min可明显提高硒的释放率,继续延长停留时间,硒的释放率没有进一步提高。与氮气气氛相比,空气气氛明显促进硒的释放,氢气气氛次之。在热解实验条件下,七种煤中的硒均没有在半焦中富集。     

垃圾衍生燃料流化床燃烧过程中HCl和NOx的排放研究

在床总高为4040mm的变截面流化床中试规模装置内，研究垃圾衍生燃料(RDF)在气化和燃烧不同阶段中NOx和HCl的生成特性。含NaCl的垃圾衍生燃料在流化床内燃烧，燃烧低于640℃时，Ca(OH)2的脱氯效果比较好;但随着温度升高，烟气中HCl的体积分数迅速增长，但脱氯效果明显受到CaCl2化学反应平衡的限制。燃烧状况特别是氧的体积分数对NOx的生成影响比较大。含氮量高的RDF燃烧产生NOx的体积分数明显高于低含氮燃料所产生的。     

Catalytic Performance of Spherical MCM-41 Modified with Copper and Iron as Catalysts of NH3-SCR Process

Spherical MCM-41 with various copper and iron loadings was prepared by surfactant directed co-condensation method. The obtained samples were characterized with respect to their structure (X-ray diffraction, XRD), texture (N₂ sorption), morphology (scanning electron microscopy, SEM), chemical composition (inductively coupled plasma optical emission spectrometry, ICP-OES), surface acidity (temperature programmed desorption of ammonia, NH₃-TPD), form, and aggregation of iron and copper species (diffuse reflectance UV-Vis spectroscopy, UV-Vis DRS) as well as their reducibility (temperature programmed reduction with hydrogen, H₂-TPR). The spherical MCM-41 samples modified with transition metals were tested as catalysts of selective catalytic reduction of NO with ammonia (NH₃-SCR). Copper containing catalysts presented high catalytic activity at low-temperature NH₃-SCR with a very high selectivity to nitrogen, which is desired reaction products. Similar results were obtained for iron containing catalysts, however in this case the loadings and forms of iron incorporated into silica samples very strongly influenced catalytic performance of the studied samples. The efficiency of the NH₃-SCR process at higher temperatures was significantly limited by the side reaction of direct ammonia oxidation. The reactivity of ammonia molecules chemisorbed on the catalysts surface in NO reduction (NH₃-SCR) and their selective oxidation (NH₃-SCO) was verified by temperature-programmed surface reactions.