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        鈦包裹鐵錳鈦復(fù)合氧化物催化劑SCR脫硝及抗SO2中毒性能優(yōu)化研究

        2021-03-11 02:54:46袁建麗戴碧艷熊志波
        節(jié)能技術(shù) 2021年1期
        關(guān)鍵詞:氧化物摩爾中毒

        殷 俊,白 鵬,袁建麗,戴碧艷,徐 泰,熊志波

        (1.國家電投集團廣東電力有限公司,廣東 廣州 510130;2.上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計研究院有限責(zé)任公司,上海 200040;3.上海理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院,上海 200093;4.國家電投集團電站運營技術(shù)(北京)有限公司,北京 102209)

        化石燃料燃燒所產(chǎn)生的氮氧化物(NOx)是主要大氣污染物之一,其大量排放會造成嚴重的環(huán)境污染和健康問題[1-6]。選擇性催化還原脫硝(Selective Catalytic Reduction,簡稱SCR)被認為是脫除火電廠等固定源NOx最有效的技術(shù)之一,其核心是催化劑[7-8]。目前,商業(yè)V2O5-WO3(MoO3)/TiO2為應(yīng)用最為廣泛的SCR脫硝催化劑[9-10];但其存在釩有毒、易揮發(fā)、脫硝溫度窗口窄等問題,需將脫硝反應(yīng)器布置于除塵器和脫硫裝置之前,催化劑易受煙氣粉塵及SO2毒化作用失活;因此,需開發(fā)新型中低溫脫硝性能良好的催化劑[11]。錳元素d層軌道電子處于半充滿狀態(tài),能形成多種價態(tài)的錳氧化物,其氧化物表現(xiàn)出良好的中低溫SCR脫硝活性[12-13]。Kapteijn[14]等研究發(fā)現(xiàn):錳價態(tài)及氧化物結(jié)晶度會影響其SCR脫硝性能;價態(tài)越高,錳氧化物表面氧鍵強度越弱,可增強其表面NH3分子的吸附,降低了氮氧化物脫除反應(yīng)活化能,提高了其脫硝活性;但煙氣中SO2易導(dǎo)致錳氧化物中低溫脫硝活性失活。目前,過渡金屬、稀土金屬等助劑已廣泛用于優(yōu)化錳氧化物的中低溫SCR脫硝性能及抗SO2中毒性能[15-17]。Yang等[18]研究表明:利用共沉淀法摻雜鐵可提高錳氧化物低溫SCR脫硝性能及抗SO2中毒失活,鐵錳復(fù)合氧化物催化劑150 000/h空速比下,150~200 ℃溫度區(qū)間內(nèi)取得了高于90%的脫硝效率。

        因良好的熱穩(wěn)定性、機械性能、大比表面積和強表面酸位,TiO2常作為載體或助劑用于制備催化劑,為SCR脫硝提供豐富的Lewis酸位點,增強其表面NH3的吸附及活化,從而提高其催化脫硝活性[19];且TiO2能降低催化劑表面硫酸鹽熱穩(wěn)定性,抑制硫酸鹽沉積對其SCR脫硝活性的影響[20]。CeO2存在典型的Ce3+/Ce4+離子對,表現(xiàn)出優(yōu)異的儲氧能力,已被廣泛應(yīng)用于SCR脫硝催化劑的研究[21-22]。與其它金屬氧化物相比,CeO2表面氧空位形成所需的結(jié)合能更低,可用于優(yōu)化、提高過渡金屬催化劑的抗水抗硫及中低溫脫硝性能。Qi等[23-24]研究表明:摻雜鈰能改善錳氧化物低溫SCR脫硝反應(yīng)活性,MnOx-CeO2催化劑100~150 ℃溫度區(qū)間內(nèi)可獲得100%氮氧化物脫除效率;且Ce摻雜增強了錳氧化物催化氧化NO為NO2性能,誘導(dǎo)了快速SCR反應(yīng),提高了其脫硝活性。因具有較強的酸性,WO3助劑摻雜可顯著增強催化劑表面酸性和熱穩(wěn)定性,從而促進催化劑表面NH3的吸附,拓寬了其反應(yīng)溫度窗口[25-26]。因此,本文利用共沉淀法構(gòu)筑鐵錳/鈦復(fù)合氧化物催化劑核,借助溶膠-凝膠法包裹鈦優(yōu)化其中低溫SCR脫硝性能及抗SO2中毒性能;并利用鈰/鎢摻雜對鈦殼層進行改性,以進一步提高核殼結(jié)構(gòu)催化劑的SCR脫硝性能及抗SO2中毒性能。

        1 實驗系統(tǒng)與方法

        1.1 催化劑制備

        利用共沉淀-溶膠凝膠兩步法構(gòu)筑鈦包裹核殼結(jié)構(gòu)錳基復(fù)合氧化物SCR脫硝催化劑,制備步驟如下:按摩爾比45∶45∶10準確稱取Fe(NO3)3·9H2O、Mn(NO3)2、Ti(SO4)2前驅(qū)體,溶于250 mL去離子水中,用磁力攪拌器勻速攪拌30 min得到前驅(qū)體溶液;在機械攪拌條件下將得到的前驅(qū)體溶液以一定的速率(約6 mL/min)反向滴加到氨水溶液中,直至溶液pH值達到9~10;將上述滴定得到的懸浮液用布氏漏斗進行抽濾,同時用去離子水沖洗,直至前驅(qū)體沉淀pH值達到7左右,得到濾餅,然后將濾餅放置于微波爐內(nèi)以P30功率(額定功率700 W,一個工作周期22 s,其中微波輻射8 s,停歇14 s)微波加熱處理5 min,快速得到塊狀干燥沉淀物;將上述沉淀物置于50 mL無水乙醇中,磁力攪拌10 min使塊狀沉淀溶解,后將其置于超聲清洗器中以額定功率超聲震蕩20 min,使前驅(qū)體沉淀均勻分散于乙醇溶液中;量取一定體積鈦酸四正丁酯、無水乙醇、乙酸配置成混合溶液,用磁力攪拌器勻速攪拌20 min后,將混合溶液快速加入上述超聲后溶液中形成溶膠;用磁力攪拌器持續(xù)勻速攪拌,量取20 mL去離子水慢速(約0.7 mL/min)滴入到溶膠中(殼層鈰/鎢摻雜在該步驟加入到滴加去離子水中),滴定完全后,將溶膠30 ℃水浴加熱并保持勻速攪拌,直至形成干凝膠;將干凝膠置于烘箱中105 ℃干燥8 h,取出后置于馬弗爐中空氣氛圍下煅燒,煅燒溫度為400 ℃,煅燒時間為5 h,升溫速率約3 ℃/min;將煅燒后催化劑破碎、篩分,取250~380 μm催化劑顆粒進行脫硝活性測試。

        1.2 催化劑活性測試系統(tǒng)

        催化劑脫硝活性測試實驗采用一維石英管固定床脫硝實驗臺進行,利用石英棉兩端固定催化劑于石英管內(nèi)。模擬煙氣氣體濃度為:0.05 vol.% NO、0.05 vol.% NH3、3.0 vol.% O2,0.01 vol.% SO2(如需)、N2為平衡氣體。實驗過程使用1 mL催化劑進行脫硝活性測試,煙氣流量為2 000 mL/min,空速比(Gas Hourly Space Velocity,GHSV)為120 000/h,反應(yīng)溫度為100~300 ℃可調(diào)。為了排除內(nèi)外擴散的影響,第一個溫度點測試時間為2 h,后緩慢升溫并穩(wěn)定30 min后,利用德國MRU公司Delta 2000CD-IV型煙氣分析儀測量后續(xù)溫度點反應(yīng)段進、出口煙氣中O2及NOx濃度,脫硝效率由以下公式計算

        (1)

        式中 NOx——煙氣中氮氧化物濃度;

        φ(NOx)in和φ(NOx)out——穩(wěn)定狀態(tài)下催化劑反應(yīng)段進、出口煙氣中的氮氧化物濃度。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 鐵錳復(fù)合氧化物催化劑SCR脫硝性能的優(yōu)化

        2.1.1 鈦包裹對催化劑SCR脫硝性能的影響

        圖1(a)給出了鈦包裹、摻雜對鐵錳復(fù)合氧化物SCR脫硝性能的影響。由圖可知:Mn45Fe45Ti10Oz180 ℃SCR脫硝效率可達到90%,250 ℃時其獲得最大脫硝效率,約為98%;與另外兩組催化劑相比,Mn45Fe45Ti10Oz具有最寬的完全轉(zhuǎn)化溫度窗口。Ti100@Mn45Fe45Ti10Oz起活溫度(T50)約為115 ℃,比Mn45Fe45Ti10Oz高10 ℃左右,且其100~325 ℃脫硝效率比Mn45Fe45Ti10Oz存在一定程度的降低,150~250 ℃低溫區(qū)域內(nèi)其脫硝效率比Mn45Fe45Ti10Oz平均降低10%。可見,包裹等摩爾比鈦會導(dǎo)致Mn45Fe45Ti10OzSCR脫硝性能降低;這可能是鈦包裹會導(dǎo)致Mn45Fe45Ti10Oz鐵、錳活性組分被覆蓋,且鈦包裹增加了反應(yīng)物分子向催化劑活性組分的內(nèi)擴散阻力。對比Ti100@Mn50Fe50Oz和Ti100@Mn45Fe45Ti10Oz脫硝活性可知:共沉淀摻雜鈦助劑可提高Ti100@Mn50Fe50Oz中低溫SCR脫硝性能,100~250 ℃溫度區(qū)間內(nèi)Ti100@Mn45Fe45Ti10Oz脫硝效率比較Ti100@Mn50Fe50Oz高5%~10%。過渡金屬Mn、Fe具有特殊的電子層結(jié)構(gòu),易與鄰近的其他過渡金屬元素相互作用,促使它們電子云受到誘導(dǎo)產(chǎn)生偏差。前人研究表明:共沉淀制備的鐵鈦復(fù)合氧化物表面會形成含氧Fe-Ti晶格結(jié)構(gòu),增強了其表面氧濃度,提高了其SCR脫硝性能[27]。因此,共沉淀摻雜鈦會導(dǎo)致鐵、錳電子發(fā)生遷移,促使催化劑形成含氧Mn/Fe-Ti晶格結(jié)構(gòu),增加鐵錳復(fù)合氧化物核的表面吸附氧,從而增強了Ti100@Mn50Fe50Oz脫硝活性。

        圖1(b)給出了鈦包裹量對Mn45Fe45Ti10OzSCR脫硝性能的影響規(guī)律。隨著鈦包裹摩爾比由50∶100逐步增加至200:100,催化劑中低溫SCR脫硝效率逐漸降低??梢姡琈n45Fe45Ti10Oz催化劑表面包裹鈦會導(dǎo)致其SCR脫硝性能降低,鈦包裹比例越高,其脫硝效率下降幅度越大。但后面研究表明:Ti100@Mn45Fe45Ti10Oz具有最好的抗SO2中毒性能。因此,下面的研究主要針對Ti100@Mn45Fe45Ti10Oz展開。

        圖1 鈦包裹對復(fù)合氧化物催化劑SCR脫硝的影響反應(yīng)條件:[NH3]=550 ppm,[NO]=500 ppm,[O2]=3 vol.%,平衡氣N2,GHSV=120 000 h-1

        2.1.2 鈰、鎢摻雜對催化劑SCR脫硝性能的影響

        Ce元素貯氧能力強,摻雜鈰會增強催化劑氧化還原能力,有利于NO催化氧化為NO2,促進“快速SCR”反應(yīng)發(fā)生[21-22];另外,Ce摻雜還可減弱催化劑表面硫酸鹽的穩(wěn)定性,降低催化劑表面硫酸銨鹽的沉積[28]。圖2(a)為鈦層鈰摻雜對Ti100@Mn45Fe45Ti10Oz催化脫硝性能的影響。當(dāng)催化劑殼層包覆元素總摩爾比控制不變時,隨著Ce摻雜摩爾比(x)由2.5逐漸增加至10,Ti100-xCex@Mn45Fe45Ti10Oz的脫硝活性先增加后減少,合適的Ce摻雜摩爾比為5。當(dāng)Ce摻雜摩爾比為2.5和5時,催化劑100~250 ℃脫硝活性優(yōu)于Ti100@Mn45Fe45Ti10Oz,且Ti95Ce5@Mn45Fe45Ti10Oz起活溫度(T50)為100 ℃,其160 ℃時脫硝效率可達到90%,完全轉(zhuǎn)化溫度窗口最寬;其100~200 ℃脫硝效率比Ti100@Mn45Fe45Ti10Oz高20%~30%。前人研究表明:Ce摻雜可能會促使催化劑表面形成Ce4+/Ce3+氧化還原電子對,有助于提高催化劑表面吸附氧濃度,提高其催化脫硝性能[10,21]。但鈰摻雜量過高,可能會導(dǎo)致催化劑表面鈰氧化物結(jié)晶度增大,增大其表面氨的氧化,降低其SCR脫硝性能。

        圖2 鈰/鎢摻雜對鈦包裹復(fù)合氧化物催化劑SCR脫硝的影響反應(yīng)條件:[NH3]=550 ppm, [NO]=500 ppm, [O2]=3 vol.%, 平衡氣N2, GHSV=120 000 h-1

        在上述鈰摻雜基礎(chǔ)上,利用鎢替換部分鈦,研究了鈰、鎢共摻雜對鈦包裹復(fù)合氧化物SCR脫硝性能的影響,結(jié)果如圖2(b)所示??刂艭e摻雜摩爾比不變,W摻雜摩爾比(y)由2.5逐漸增加至10時,Ti95-yCe5Wy@Mn45Fe45Ti10Oz催化脫硝活性先增加后減少,合適的W摻雜摩爾比為5;Ti90Ce5W5@Mn45Fe45Ti10Oz起活溫度低,100 ℃脫硝效率已達到57%,其150~300 ℃內(nèi)脫硝效率一直保持在90%,表現(xiàn)出良好的低溫和中溫脫硝活性??梢?,摻雜鎢可提高Ti95Ce5@Mn45Fe45Ti10Oz中溫催化脫硝性能[25-26]。

        2.2 鐵錳復(fù)合氧化物催化劑抗SO2中毒的優(yōu)化

        2.2.1 鈦包裹對催化劑抗SO2中毒的影響

        圖3給出了鈦包裹對Mn45Fe45Ti10Oz抗二氧化硫中毒的影響。對比圖1和圖4可知:通入100 ppm SO2會導(dǎo)致Mn45Fe45Ti10Oz催化脫硝效率迅速降低,促使其100~250 ℃脫硝效率均低于50%,其硫中毒失活嚴重;但鈦包裹可提高其抗SO2中毒性能,SO2作用下,Ti100@Mn45Fe45Ti10Oz表現(xiàn)出最佳的SCR脫硝性能;可見,鈦包裹摩爾比100∶100時,Ti100@Mn45Fe45Ti10Oz能獲得最佳的抗SO2中毒性能;SO2作用下,其起活溫度為100 ℃左右,且200 ℃以上仍具有高于80%氮氧化物脫除效率。

        圖3 鈦包裹對鐵錳鈦復(fù)合氧化物抗SO2中毒的影響反應(yīng)條件:[NH3]=550 ppm, [NO]=500 ppm, [SO2]=100 ppm, [O2]=3 vol.%, 平衡氣N2, GHSV=120,000 h-1

        2.2.2 鈰、鎢摻雜對催化劑抗SO2中毒的影響

        圖4給出了Ce/W摻雜對Ti100@Mn45Fe45Ti10Oz催化劑抗SO2中毒能力的影響。由圖4(a)可知:隨著Ce摻雜摩爾比(x)由2.5逐漸增加至10,Ti100-xCex@Mn45Fe45Ti10Oz催化脫硝活性先升高后降低;SO2作用下,Ti95Ce5@Mn45Fe45Ti10Oz表現(xiàn)出最好的脫硝活性,其160 ℃脫硝效率也達到了90%;與不通SO2相比,該條件下Ti95Ce5@Mn45Fe45Ti10Oz整體保持了較高的脫硝活性,具有良好的抗SO2中毒能力。這可能是Ce摻雜促使催化劑內(nèi)Mn/Fe/Ti氧化物發(fā)生了一定的相互作用,活化了其表面部分生成或沉積的硫酸鹽和硫酸銨鹽;被活化的硫酸鹽類物質(zhì)可提升催化劑表面的酸性,加強催化劑表面NH3的吸附,提高了Ti100@Mn45Fe45Ti10Oz抗SO2中毒性能。由圖4(b)可知:隨著W摻雜摩爾比(y)逐漸增加,Ti95Ce5@Mn45Fe45Ti10Oz催化脫硝活性先增加后減小;Ti90Ce5W5@Mn45Fe45Ti10Oz表現(xiàn)出最佳的抗SO2中毒能力;其起活溫度為100 ℃,且175 ℃左右脫硝效率達到90%。

        圖4 鈰/鎢摻雜對鈦包裹鐵錳復(fù)合氧化物催化劑抗SO2中毒的影響反應(yīng)條件:[NH3]=550 ppm, [NO]=500 ppm, [SO2]=100 ppm, [O2]=3 vol.%,平衡氣N2, GHSV=120 000 h-1

        3 結(jié)論

        利用溶膠凝膠法包裹鈦優(yōu)化鐵錳鈦復(fù)合氧化物核催化脫硝性能及抗SO2中毒性能;探討了鈦殼層鈰、鎢摻雜對鈦包裹鐵錳復(fù)合氧化物催化劑SCR脫硝和抗SO2中毒的影響。主要結(jié)論如下:

        (1)摻雜鈦可提高鐵錳復(fù)合氧化物核催化脫硝性能;而包裹鈦可能會降低鐵錳鈦復(fù)合氧化物脫硝效率,但可提高其抗SO2中毒性能,合適的鈦包裹摩爾比為100∶100。

        (2)鈰/鎢摻雜對鈦殼層進行修飾會影響Ti100@Mn45Fe45Ti10Oz催化脫硝性能,且可提高其抗SO2中毒性能,合適的鈰/鎢摻雜摩爾比為90∶5∶5(Ti∶Ce∶W);SO2作用條件下,Ti90Ce5W5@Mn45Fe45Ti10Oz脫硝效率高于Ti100@Mn45Fe45Ti10Oz,其起活溫度為100 ℃,且175 ℃左右脫硝效率達到90%。

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