一氧化氮氧化概述.docx

从SCR到SCO-NO低温催化氧化的必要性和可行性 2010年8月25日1 从SCR到SCO-NO催化氧化的必要性和可行性1.1 前言：氮氧化物(NOx)是大气的主要污染物之一，可导致光化学烟雾、酸雨、温室效应等危害。脱除氮氧化物的主要方法有：催化还原、催化分解、催化氧化-吸收等。NO氧化在本文中特指氧化为NO2的反应。1.2 SCR中的SCO以NH3或尿素为还原剂的选择性催化还原(Selective Catalytic Reduction，以下简称SCR)是目前工业(如硝酸、硝盐尾气净化、柴油机尾气净化及火电行业尾气脱硝等)应用最多的NOx脱除技术。快速SCR反应中NO的氧化效率明显影响整个脱硝效率，主要发生反应如下2NO+O22NO2(1)2NH3+NO+NO22N2+3H2O(2)研究表明，当n(NO2)/n(NOx)=0.5时，快速SCR的还原效率最高。由于火电行业NOx尾气中NO的含量一般为90%以上，因此要求SCR催化剂必须具备一定的NO催化氧化活性，但由于SCR反应温度一般在350，过强的氧化性能有可能导致NH3氧化形成二次污染。1.3 SCO-吸收目前，选择性催化氧化技术(selective catalytic oxidation, SCO)在火电脱硝行业广受关注。由于火电行业NOx尾气中NO的比例一般在NO以上，而通过SCR催化剂易受粉尘、SO2的影响，同时对NO的选择还原活性不高。因此，首先需要NO在一定程度上转化为NO2从而再通过SCR或吸收的方法除去。氧化方法主要有使用强氧化剂法(如：ClO2、O3、KMnO4、H2O2和K2Cr2O7等)、催化氧化法、等离子体法等。其中最具工业应用潜力的是催化氧化法。SCO是在催化剂的作用下，先将NO部分地氧化为NO2，再用湿法脱硫的吸收剂(如石灰、NaOH、Na2CO3和氨水等)吸收，可实现湿法一步同时脱硫脱氮。根据文献报道，NO的氧化率(NO2/NOx)达50%60%时，NOx的液体吸收反应将按NO和NO2等分子吸收，相当于是吸收N2O3，这时的吸收速率和吸收效率最高。因此，在氧化吸收过程和快速SCR中都不需要追求过高的氧化率，较低的氧化率有望在较低的反应温度下实现，有利于催化剂的成功研制。1.4 SCO催化剂概况单一金属氧化物结构简单，难以实际应用。载体对活性组分起支承作用，能够提高活性组分的分散度，使之具有较大的比表面积。TiO2、SiO2载体具有抗硫性能，能够提高整个催化剂的抗硫性。介孔二氧化硅(mesoporous silica, MPS)是一种孔径介于微孔与大孔之间的具有巨大表面积和三维孔道结构的新型材料。大多数金属氧化物在温度高于250时对NO催化氧化都有一定的活性，但此时转化率通常受热力学的限制.作为P型半导体过渡金属氧化物的MnO对催化氧化NO具有较强的活性。P2型半导体过渡金属氧化物(如MNO2，Cr2O3和Co3O4等)较N2型半导体过渡金属氧化物(如TiO2和ZnO)具有更高的催化氧化活性，是因为P2型半导体的氧吸附量比N2型半导体大，且吸附的O会离解为O-，更有利于深度氧化。大量研究表明，用Mn氧化物作活性组分的催化剂催化氧化NO活性较好。将活性组分负载于不同的载体上得到的催化剂的活性有明显的差异。Al2O3由于具有较高的热稳定性，且其比表面积较大，因而有利于含氮物种的吸附，是催化氧化催化剂采用较多的载体。-Al2O3负载的过渡金属氧化物催化剂，在300下的活性顺序为MnCrCoCuFeNiZn；在空速3000h-1、NO体积分数5.4010-4、O2体积分数4%、其余为N2的条件下，Mn/-Al2O3催化剂在250时的NO转化率约为50%，300时约为74%。不同研究者的研究结果有一定的差异，但总的来说，在Al2O3上负载的各过渡金属氧化物中，用Mn、Co等的氧化物作活性组分的催化剂活性较好。硅胶上负载Co、Mn、Cr金属氧化物的催化剂，其活性顺序为：CoMnCr。在NO体积分数5.3010-4、O2体积分数4%、空速6000h-1的条件下，300时Co催化剂上的NO转化率可达80%，这与硅胶载体的高比表面积(374m/g)不无关系。SCO催化剂的研究至今，经过对目前研究的分析，可以得出以下几个结论：(1)不宜追求过高的NOx氧化度，能稳定达到60%左右即可。(2)在保证上述NOx氧化度要求的前提下，降低催化反应的反应温度和提高催化剂的抗毒性及抗水中毒性仍是今后研究的主攻方向。1.5 我组现有基础研究数据CeO具有良好的氧化还原特性，被广泛用作催化剂或催化剂载体，CeO2负载氧化钒可催化消除NOx。CeO2还具备储氧功能，能增加催化剂的吸附氧量，促进NO向NO2转化，改变MN2O3还原特性，表明CeO2和MN2O3之间存在相互作用。V2O5也有氧化NO为NO2的作用。活性焦担载V2O5后催化剂的活性明显增加，催化活性在V2O5担载量1%时随V2O5担载量的增加而升高，当V2O5担载量为0.2%8%，NO转化率增大的趋势减慢。根据以上分析，选用醋酸锰、偏钒酸铵、硝酸铈作为活性组分前驱体，纳米TiO2作载体，采用浸渍法制备了Mn-V-Ce/TiO2催化剂，用其进行了催化氧化实验。实验中NO取510-4(体积分数，下同)、O210%、空速8000h-1、200或空速5000h-1、175的条件下，