金属分子筛复合催化剂研制及其NO分解脱硝性能研究

作     者：段云飞 

作者单位：大连海事大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王丽

授予年度：2021年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 081705[工学-工业催化] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：船舶废气脱硝 NO分解 金属分子筛复合催化剂 

摘      要：海洋运输承担全球贸易运输总量90%,船舶废气NO排放污染严重且严峻。国际海事组织(IMO)规定于2016年1月1日起实施部分领域上船舶废气NO排放需达IMO Tier III标准,但目前海运船舶尚未有成熟的脱硝技术。因此,试验筛选优势脱硝技术用于船舶废气脱硝已迫在眉睫。基于船舶废气中NO约占NO总量90%,本论文提出以直接催化NO分解为N和O作为船舶废气脱硝方法,该方法有工艺简单、不使用还原剂、不产生二次污染等优点被视为是一种理想的船舶废气脱硝方法。催化剂是催化NO分解脱硝的关键因素,本论文重点研制金属分子筛复合催化剂,并在模拟船舶废气高硫、高氧复杂工况下(NO 1000 ppm、SO 500 ppm、10 vol.%O、N为平衡气、总气速60 L/h),评价催化剂的NO分解脱硝性能,取得以下结果和结论:1、选用HZSM-5分子筛,采用离子交换方法研制了系列金属-HZSM-5复合催化剂并评价其脱硝性能,研究发现:(1)过渡金属种类(Cu、Fe、Co、Ni)显著影响催化剂活性,Fe-HZSM-5最优;(2)助剂碱金属(Li、K、Na、Cs)、碱土金属(Mg、Ca、Ba)和镧系金属(La、Ce、Sm)改性能提高Fe-HZSM-5活性,Cs、K、Ba和Na较优;(3)分步离子交换方法制备的助剂-Fe催化剂活性优于共交换方法;(4)选用较优的Cs-Fe-HZSM-5,优化出Cs与Fe最佳摩尔比是1:4;(5)结合表征结果和反应结果发现,Fe-HZSM-5中独立Fe(III)对NO分解有利,Cs改性提高Fe(III)浓度和降低SO在催化剂表面的吸附量;(6)在350℃时,Cs-Fe-HZSM-5在连续10 h实验中表现出较高稳定性和活性,对应的NO脱除率为45-50%,而Fe-HZSM-5的NO脱除率仅为20-25%。2、优选Fe-HZSM-5催化剂,采用过量浸渍法研制了系列催化剂并评价其脱硝性能,研究发现:(1)Fe负载量(0.3-12.5wt%)显著影响催化剂活性,7.5 wt%最佳;(2)Fe的相态(氧化态、氮化态、金属态)显著影响催化剂活性,氮化态氧化态金属态;(3)结合表征结果和反应结果发现,独立Fe(III)物种是NO分解活性中心;(4)在150℃时,7.5 wt%Fe N-HZSM-5的NO脱除率高达78%,但其稳定性差。3、优选催化剂活性组分Cs-Fe,初步探索了分子筛酸性和类型对催化剂脱硝活性影响,研究发现:(1)HZSM-5酸性(Si O/AlO=25、30、80、150)显著影响催化剂活性,低硅铝比Cs-Fe-HZSM-5-25最优,在350℃时其NO脱除率高达52%,结合表征发现,低硅铝提高Fe中心交换量是催化剂活性高的原因之一;(2)分子筛类型(HZSM-5、β、SSZ-13、MOR、13X)也显著影响催化剂活性;除了酸性外,分子筛孔径可能是影响催化剂脱硝活性的另一因素。