基于活性氧化鋁負載催化劑的等離子體催化合成氨研究.pdf

1、合成氨工業(yè)是化學工業(yè)的支柱產(chǎn)業(yè)，對農(nóng)業(yè)及國計民生穩(wěn)定發(fā)展有直接關系。氨不僅是氮肥的主要來源，對農(nóng)業(yè)發(fā)展起著十分重要的作用，還是一種潛在的新能源載體。介質(zhì)阻擋放電（DBD）等離子體耦合催化可在常壓下合成氨，因而可降低能耗，同時也為分布式模式合成氨提供了新思路。DBD諧振特性直接影響DBD反應器內(nèi)的氨產(chǎn)率，而有關DBD等離子體催化合成氨與諧振相關性的研究鮮有報道。合成氨所用催化劑載體γ-Al2O3顯酸性會吸附氨氣，需要降低表面酸性來提高催化

2、劑的活性。另外，采用循環(huán)模式進行氨的合成可以消除外擴散，進一步提高氨產(chǎn)率。本文采用新型等離子體反應器在常壓下開展合成氨研究工作，包括諧振特性研究、催化劑改性和設備循環(huán)操作，主要研究內(nèi)容及取得的成果和結論如下：
　　（1）在DBD等離子體反應器內(nèi)，分別考察了操作參數(shù)和結構參數(shù)對氨產(chǎn)率和DBD系統(tǒng)諧振特性的影響，進一步闡述DBD等離子體催化合成氨與諧振的相關性。結果表明：DBD諧振頻率處氨產(chǎn)率最高，輸入電壓和放電區(qū)寬度增加，DBD諧振

3、頻率減小，而DBD諧振頻率的減小有利于氨產(chǎn)率的提高。氣體總流量、N2/H2體積比、有無催化劑填充、催化劑粒徑和放電位置對DBD諧振特性影響不大，但提高氣體總流量、增加N2/H2體積比、填充催化劑、減小催化劑粒徑和放電位置在中下或中間位置有利于氨產(chǎn)率的提高。
　?。?）分別使用CaO和MgO改性Al2O3催化劑(CaO-Al2O3、MgO-Al2O3)，進一步浸漬得到釕基催化劑(Ru/CaO-Al2O3、Ru/MgO-Al2O3)，

4、通過BET、TEM、NH3-TPD對改性催化劑進行表征，考察改性催化劑在DBD等離子體反應器中的合成氨活性。結果表明：催化劑活性受催化劑比表面積和表面酸堿性的影響，隨著堿土金屬氧化物CaO、MgO含量的增加，催化劑比表面積增加，表面酸性降低，催化劑的活性提高，而CaO和MgO增加到一定量時催化劑比表面積開始減小，催化劑活性變化不明顯。浸漬Ru有利于催化劑合成氨活性進一步提高，其中Ru/5％CaO-Al2O3的催化效果最好，其氨產(chǎn)率和能量

5、產(chǎn)率在240℃附近達到最大。
　?。?）反應器改進裝置包括吸附系統(tǒng)和循環(huán)系統(tǒng)，并在此基礎上對合成氨工藝參數(shù)（N2/H2體積比、輸入電壓和氣體循環(huán)流量）進行優(yōu)化。結果表明：當DBD反應器在循環(huán)與不循環(huán)下進行合成氨反應時，最佳N2/H2體積比均為2:1，氫氣的單程轉化率隨著N2/H2體積比的增加而增加，但氮氣的單程轉化率隨著N2/H2體積比的增加而減小。增加輸入電壓會使氨產(chǎn)率和能量產(chǎn)率提高。氣體循環(huán)流量的增加可以使合成的氨及時從催化劑