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火电厂燃煤产生的烟气是大气中氮氧化物的重要来源,对火电厂氮氧化物排放的控制已受到很多国家的重视。选择性催化还原脱硝法(SCR)是控制火电厂氮氧化物排放的一个重要方法,该方法的核心技术是SCR脱硝催化剂。目前,商业催化剂主要由活性组分和纳米级钛白粉载体两部分组成,然而由于载体昂贵的价格,导致催化剂成本居高不下,从而限制了SCR技术在我国大面积的推广应用。因此,开发低成本且具有良好性能的催化剂载体至关重要。 实验前期从降低载体成本的角度出发,以工业级的氢氧化铝、钛白粉、高岭土为主要原料,采用挤压成型技术成功制备了价格低廉的新型催化剂载体,但仍有许多需要改进的方面。因此,本实验以wt%(Al(OH)3)∶wt%(高岭土)∶wt%(钛白粉)=11∶6∶3为固定配比,从原料粒径、添加剂以及煅烧温度等方面对载体的性能作了进一步的研究和优化,主要内容如下。 研究了氢氧化铝、高岭土以及钛白粉的粒径对载体性能的影响,实验结果表明,Al(OH)3的粒径对载体的影响较大,其粒径越小,载体的收缩率越大,比表面积和孔容越大,平均孔径越小,载体涂覆催化剂后的脱硝效率越高,最高可达93%。粒径越小的高岭土能够改善坯体的成型性能,提高载体的生坯强度和机械强度,而对载体的气孔率和吸水率影响不大。在钛白粉粒径研究中,钛白粉粒径越小,载体的气孔率和吸水率越低,抗折强度越高。实验最终确定Al(OH)3、高岭土和钛白粉的粒径分别为1μm、18μm、1μm。此时载体的气孔率和吸水率为60.61%、49.23%,比表面积、孔容和平均孔径分别为69.09 m2/g、0.152cm3/g、6.51nm,干坯强度、抗折强度和抗压强度分别为4.3MPa、3.7MPa和8.8MPa。 研究了添加剂对载体性能的影响。添加剂主要有羟丙基甲基纤维素(HPMC,粘结剂)、木质炭粉(造孔剂)、水以及桐油(润滑剂)。实验结果表明,HPMC使载体具有良好的成型性能,能够提高载体的生坯强度和煅烧后的机械强度,而对载体的气孔率和吸水率影响较小。实验确定HPMC的添加量为2%,此时载体的生坯强度为13.75MPa,煅烧后的抗折和抗压强度分别为5.4MPa、9.1MPa,载体涂覆活性组分后的催化活性在250℃~380℃范围内均在90%以上。采用木质炭粉作为载体造孔剂的实验表明,木质炭粉的加入虽然可以提高载体的气孔率和吸水率,但是并未提高催化剂的活性,催化剂的活性随着炭粉含量的增加而降低。当水的添加量为36%时,坯体具有较好的成型性能;将桐油作为润滑剂均匀的涂抹于模具上,可以降低挤出成型压力,且脱模时更加容易。 由于添加造孔剂未能如愿的提高催化剂的催化活性,实验通过降低煅烧温度来改善载体的比表面积和孔结构,以提高催化剂的催化活性。结果表明,降低煅烧温度可以明显提高载体的比表面积,改善载体的孔结构,从而提高了催化剂的催化活性。实验确定载体的煅烧温度为750℃,此时载体的比表面积、孔容以及平均孔径分别为90.39m2/g、0.175cm3/g、5.62nm,涂覆活性组分后的催化活性在250℃~380℃均在93%以上,最高可达96%。载体的抗折强度和抗压强度虽然降低到3.6MPa、6.5MPa,但仍然满足工业的基本要求。 本文最后对载体作了简单的经济可行性分析,发现该载体的原料成本较低,约为7100元/吨。载体的市场预估价格为8000元/立方米,只有市售催化剂载体的1/2。此外,实验室载体的制备工艺简单易操作,便于实现工业化生产,具有良好的发展前景。