催化转化法

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(2)催化剂载体 氧化铝小球: 耐热性能较差、孔隙率低、阻力大，易对 发动机的性能造成不良影响而逐渐被蜂窝陶瓷所取代。 蜂窝陶瓷载体: 具有低膨胀、高强度、耐热性能好、吸 附性强、耐磨损等优点。 蜂窝陶瓷载体多用堇青石作原料，堇青石（铝硅酸镁） 不但有低的膨胀系数、良好的耐化学腐蚀性及良好的耐 热性（安全使用温度1400℃），而且本身的气孔率较高。
改变汽车的动力(最根本的途径) 改善现有的汽车动力装置和燃油质量。 机外净化技术
10 催化
机外净化在催化剂存在的条件下，利用排气自身的温度 和组成将有害物质（CO、NOx、HC）转化为无害的 H2O、CO2、和N2。 根据化学反应类型: 催化氧化法 催化氧化还原法 根据反应中除去的有害物质多少: 二元净化 三元净化
大气污染控制工程
李广超
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教学内容 §10.1 催化反应 §10.2 催化剂 §10.3 催化反应器 §10.4 催化还原法净化废气中的氮氧化物 §10.5 汽车尾气的催化净化 §10.6 催化燃烧法
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1.教学要求 理解净化气态污染物方法的基本原理。 了解各净化方法的常用设备和特点。 了解各净化方法所用的试剂。
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选择性催化还原法(Selective Catalytic Reduction,SCR) 通常用NH3作为还原剂，在Pt或非重金属催化剂的作用 下，在较低温度条件下，NH3有选择地将废气中的NOx 还原为N2，而基本上不与氧发生反应。 不仅使用的催化剂易得，选择余地大，而且还原剂的起 燃温度低，床温低，有利于延长催化剂寿命和降低反应 器对材料的要求。 选择性催化还原法主要用于硝酸生产、硝化过程、金属 表面的硝酸处理、催化剂制造等非燃烧过程产生的NOx 废气，国外也有用于净化燃烧烟气中的NOx。
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（4）催化剂的制备方法

制备催化剂的方法是将活性组分负载于载体上。目前常 用的负载方法大致可以分为三种，即浸渍法、混捏法和 共沉淀法，其中最常用的是浸渍法。 将活性组分制成溶液，浸渍已成型的载体，再经过干燥 和灼烧制得催化剂的方法称为浸渍法。混捏法是将活性 组分原材料与载体的原材料采用物理的方法混捏在一起， 处理成型后再制得催化剂的方法。共沉淀法是采用化学 共沉淀的方法获得载体材料和活性组分的混合物，再制 成催化剂的方法。
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催化氧化法 2HC + 5/2O2 ＝ 2CO2 + H2O 2CO + O2 ＝ 2CO2

催化氧化还原反应是以CO和HC作还原剂，将NOx还原 为N2. HC + NOx ＝ CO2 + H2O + N2 CO + NOx ＝ CO2 + N2
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§10.4 催化还原法净化废气中的氮氧化物

催化还原法是在催化剂作用下，利用还原剂将氮氧化物 还原为氮气。 依据还原剂是否与O2发生反应，将催化还原法分为选择 性催化还原法和非选择性催化还原法。 非选择性催化还原法 在一定的温度下，在Pt、Pd等贵金属催化剂的作用下， 废气中的NO2和NO被还原剂（H2、CO、CH4等）还原 为N2。同时还原剂还与废气中的O2发生反应生成H2O和 CO2，并放出大量的热。该法还原剂使用量大，需要贵 金属作催化剂，还需要热回收装置，投资大，运行费用 高，逐渐被淘汰，多采用选择性催化还原法。
81084
钒锰催化剂 190～250 160～190 5000 ≥95
8013
铜盐催化剂 190～230 160～180 10000 ≥95
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(2)工艺流程
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SCR净化 NOx反应器
§10.5 汽车尾气的催化净化
控制治理汽车尾气主要有三条途径:
CuO、Cr2O3、 Mn2O3
稀土金属氧化物 碱土、稀土和过 渡金属氧化物
Al2O3
Al2O3 Al2O3
碳氢化合物的净化
汽车尾气净化
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几种常用的NOx 催化剂及性能
催化剂型号
催化剂成分 反应温度/℃ 进气温度/℃ 空间速度/h-1 转化率/﹪
75-014
25﹪Cu2Cr2O5 250～350 220～240 5000 ≥90
8209
10﹪ Cu2Cr2O5 230～330 210～220 10000～14000 ≈95
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（3）催化剂的选择 通常对催化剂的要求: ①具有极高的净化效率，使用过程中不产生二次污染； ②具有较高的机械强度； ③具有较高的耐热性和热稳定性； ④抗毒性强，具有尽可能长的寿命； ⑤化学稳定性好、选择性高。



一般来说，贵金属催化剂的活性较高，选择性高，不易中毒，但价 格昂贵。 非贵金属催化剂的较低，有一定的选择性，价格便宜，但易中毒， 热稳定性也差。 在大气污染控制中，目前使用较多的是铂、钯等贵金属，其次是含 锰、铜、铬、钴、镍等技术氧化物，以及稀土元素。
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§10.6 催化燃烧法

催化燃烧（Catalytic Incineration）是指在催化剂存在 的条件下，废气中可燃组分能在较低的温度下进行燃烧。 目前，催化燃烧法已应用于金属印刷、绝缘材料、漆包 线、炼焦、油漆、化工等多种行业中有机废气的净化。 催化燃烧的特点 ①需要预热，温度控制在200～400℃，为无火焰燃烧， 安全性好； ②燃烧温度低，辅助燃料消耗少； ③对可燃性组分的浓度和热值限制较小，但组分中不能 含有尘粒、雾滴和易使催化剂中毒的气体。

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（1）催化燃烧的催化剂 以Al2O3为载体的催化剂 蜂窝陶瓷钯催化剂 蜂窝陶瓷铂催化剂 γ-Al2O3粒状催化剂 γ-Al2O3稀土催化剂
以金属为载体的催化剂 镍铬丝蓬体球钯催化剂 铂钯/镍铬带状催化剂 不锈钢丝网钯催化剂
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（2）催化燃烧工艺流程和设备
§10.5.2 汽车尾气净化催化剂
(1)活性物质 第一代催化剂: 普通金属（Cu、Cr、Ni）氧化物，其原料 来源丰富、成本低，但催化活性差、起燃温度高、易中 毒，属于二元催化剂，现已基本不用。 第二代催化剂主要以贵金属铂(Pt)、钯 (Pd)、铹（Rh）和 铱(Ir)为主要催化活性组分。贵金属中的Pt或Pd催化氧 化HC、CO，Rh或Ir催化还原NOx，属于三元催化剂。 具有活性高、寿命长、净化效果好等优点。缺点是成本 高、高温性能不理想、易中毒、对空燃比要求苛刻等。

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§10.3 催化反应器
流化床反应器 固定床反应器
固定床反应器的主要优点：
①反应速度较快； ②催化剂用量较少； ③操作方便(流体停留时间可以严格控制，温度分布可以适当调节)； ④催化剂不易磨损。固定床反应器的主要缺点是传热性能差。
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按照反应器的结构可将固定床反应器的可分为： 管式固定床反应器 搁板式固定床反应器 径向固定床反应器
Pd
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（2）催化剂的性能 ①催化剂的活性 活性大小的表示方法分为两类： 一类是工业上用来衡量催化剂生产能力的大小； 另一类是实验室里用来筛选催化剂活性物质。 工业催化剂的活性是用在一定条件下单位体积催化剂在 单位时间内所得到的产品的产量来表示。 在实验室里，通常采用催化剂的比活性来表示。比活性 是催化剂单位面积上所呈现的催化活性。
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(1)反应原理 在温度较低时，在反应器中NH3与废气中的NO2和NO在 催化剂的作用下发生反应： 4NH3 + 6NO ＝ 5N2 + 6H2O 8NH3 + 6NO2 ＝ 7N2 + 12H2O 选择合适的催化剂，可以使降低副反应的速率 4NH3 + 3O2 ＝ 2H2 + 6H2O 在一般的选择性催化还原工艺中，反应温度常控制在 300℃以下，因为温度超过350℃，会发生下列副反应： 2NH3 ＝N2 + 3H2 4NH3 + 5O2 ＝ 4NO + 6H2O
按反应器的温度条件和传热方式可分为： 等温式反应器 绝热式反应器（单段式、多段式） 非绝热式反应器
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催化在管内
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适用于气体中 污染物浓度低， 反应热效应小 。
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将多个单层绝热 床串连起来，热 量由两个相邻床 层之间引入或引 出，使各单个绝 热床的反应能控 制在比较合适的 温度范围内。
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第三代和第四代催化剂: 主要是稀土金属铈（Ce）和镧 （La）的氧化物，其特点是价格低、热稳定性好、活性 较高、使用寿命长。 在贵金属催化剂中添加少量稀土元素制成的催化剂称为 贵金属—稀土催化剂。加入稀土元素的目的是提高催化 剂的催化活性和热稳定性。如在Pt-Pd-Rh三元催化剂的 活化涂层中加入CeO2不仅可以使γ-Al2O3在高温下表面 积保持稳定，而且能使贵金属微粒的弥散度保持稳定， 避免活性受损。
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蜂窝陶瓷载体
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(3)转换效率
净化器出口浓度 转化效率（%）（ 1 ） 100 % 净化器入口浓度
入口浓度分别代表有害气体HC、CO、NOx的浓度
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§10.5.3

三元催化净化器
三元催化净化器是装有三元催化剂能够同时净化汽车排 气中的HC、CO和NOx的汽车尾气净化器。
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②催化剂的选择性 如果化学反应可能同时向几个平行方向发生，催化剂只 对其中的某一个反应起加速作用的性能，称为催化剂的 选择性。 ③催化剂的稳定性 催化剂在化学反应过程中保持活性的能力称为催化剂的 稳定性。稳定性应包括热稳定性、机械稳定性和抗毒性， 通常用使用寿命来表示催化剂的稳定性。
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活性物质 V 2O5 含量6%~12% 载体 用途 SiO2 有色金属冶炼烟气制酸；硫酸 （助催化剂K2O或 厂尾气回收制酸。 NaO）
Pt、Pd （含量0.5%）
CuCrO2 Pt、Pd、Rh
Al2O3-SiO2
Al2O3-MgO Al2O3、Ni、NiO
硝酸工业及化工生产尾气中NOx 的净化
2.教学重点
3.教学难点 原理和设备。
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§10.1 催化反应
催化作用加快反应速度的原理是由于催化剂的参与， 改变了原来的反应途径。降低了反应的活化能，从而大 大加快了化学反应速度。 催化反应分类:
均相催化 (常用液相催化反应体)
非均相（多相催化）(气固相催化体系)
催化氧化
催化还原
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§10.2 催化剂
§10.2.1催化剂组成
活性物质 (能单独对化学反应起催化作用)。 助催化剂 (单独存在时并没有催化活性，少量加入，却 能明显提高活性组分的催化性能)。
载体 (承载活性组分和助催化剂，提供大的比表面积，
提高活性组分和助催化剂的分散度。常见的催化剂载体 有硅胶、硅藻土、分子筛、氧化铝等）。
催化燃烧工艺流程图
1-预处理；2-鼓风机；3-预热器；4-反应器；5-换热器
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催化燃烧炉示意图 （a）催化燃烧炉 （b）立式催化燃烧炉