釩鎢鈦脫硝催化劑的性能研究

摘 要：SCR技術(shù)是目前運(yùn)用較為廣泛的煙氣脫硝技術(shù)，脫硝效率較高。SCR脫硝技術(shù)的核心是催化劑，催化活性對(duì)SCR的整體脫硝效果影響重大，因此，本文對(duì)V-W-Ti體系催化劑的性能進(jìn)行了研究，探討了不同釩、鎢組分、煙氣組分對(duì)催化劑脫硝性能的影響。

關(guān)鍵詞：釩鎢鈦催化劑；SCR技術(shù)；性能研究

1不同釩含量對(duì)釩鎢鈦催化劑脫硝性能的影響

V2O5是目前商品SCR催化劑中的主要活性組分，在選擇性催化還原反應(yīng)中具有良好的脫除NOx性能，但由于V2O5催化氧化的能力很強(qiáng)，在氧氣存在時(shí)，會(huì)將煙氣中的SO2氧化生成SO3，SO3進(jìn)而會(huì)與SCR系統(tǒng)中未發(fā)生反應(yīng)的NH3結(jié)合，生成NH4HSO4等造成催化劑以及系統(tǒng)管路的阻塞。SCR催化劑中不同含量的V2O5會(huì)出現(xiàn)不同的形態(tài)，在較小負(fù)載量的催化劑表面，V2O5會(huì)以不飽和的單體或等軸聚合體的形態(tài)分散，該形態(tài)的V2O5是SCR催化劑的主要活性中心（見(jiàn)圖1），Koebel等[1]發(fā)現(xiàn)，聚合體形態(tài)的V2O5相比單體具有更好的催化劑活性；當(dāng)V2O5的負(fù)載量較大時(shí)，會(huì)形成結(jié)晶并在載體表面不均勻的堆積，不利于SCR反應(yīng)的發(fā)生，且過(guò)多的V2O5會(huì)加劇SO3的生成。

由表1及圖2可知，當(dāng)催化劑中無(wú)釩氧化物時(shí)，催化劑的最高活性僅為49.7%（400℃）；當(dāng)催化劑中添加釩氧化物時(shí)，催化劑的活性在250℃時(shí)，均可達(dá)到70%以上。當(dāng)釩含量為0.4%時(shí)，催化劑在350℃～400℃時(shí)的最大脫硝率約達(dá)98%，得到非常高的脫硝率。另外，當(dāng)釩含量在0.4%和0.8%時(shí)，催化劑有最大的活性窗口：250℃～450℃。然而，從圖2中可知，當(dāng)釩含量大于1.0%時(shí)，催化劑的活性開(kāi)始呈下降趨勢(shì)，當(dāng)釩含量達(dá)2.4%時(shí)，最高活性降到約85%（350℃）。這主要是由于催化劑載體的比表面積較小，較大的釩含量在其表面不能較好的分散，導(dǎo)致催化劑表面V2O5的聚集、結(jié)晶。而結(jié)晶態(tài)的形成及在載體表面的不均勻堆積，不利于SCR反應(yīng)的發(fā)生，因此，當(dāng)釩含量過(guò)高時(shí)，催化劑的活性逐漸降低。

2不同鎢含量對(duì)釩鎢鈦催化劑脫硝性能的影響

WO3的主要作用是增加催化劑的催化活性及熱穩(wěn)定性，故在催化劑中的含量通常很大，約占催化劑總質(zhì)量的10%。一些學(xué)者認(rèn)為WO3增加了催化劑的Brφnsted酸位，從而增強(qiáng)了催化劑的吸附能力，促進(jìn)了反應(yīng)進(jìn)行也有學(xué)者認(rèn)為SCR反應(yīng)需要兩個(gè)活性位，WO3提供了第二個(gè)活性位。

SCR催化劑的工業(yè)應(yīng)用中，起催化作用的主要成分為V2O5，在沒(méi)有WO3存在時(shí)，V2O5/TiO2催化劑也可達(dá)到脫硝的效果，添加WO3的主要作用是減少的V2O5用量，從而降低對(duì)SO2氧化成SO3的催化作用，同時(shí)提高催化劑的抗SO2性能。由于煙氣中還存在一定量的水蒸氣（6～10%），而SCR反應(yīng)也會(huì)產(chǎn)生部分H2O，添加WO3還可提高催化劑的抗水性能。

從圖3中可知，隨著WO3含量的增加，V0.4WyTi催化劑的活性逐漸增加，當(dāng)V0.4Wy Ti催化劑的中WO3含量大于8%時(shí)，催化劑的活性在300～400℃均可達(dá)90%以上，且活性的增加幅度幾乎為零，在兼顧經(jīng)濟(jì)與催化活性的情況下，實(shí)驗(yàn)選擇催化劑中WO3的最佳添加量為8%。

3煙氣組成對(duì)釩鎢鈦催化劑脫硝性能的影響

為了研究各種煙氣組成對(duì)催化劑活性的影響，研究了各因素對(duì)于催化劑脫硝活性的影響。NH3/NO摩爾比、NO入口濃度、氧濃度和空速與催化劑的脫硝率有直接的影響，SO2和粉塵中CaO含量與工程應(yīng)用當(dāng)中催化劑活性密切相關(guān)，故上述五個(gè)因素是選擇實(shí)驗(yàn)的依據(jù)，對(duì)催化劑性能的評(píng)估有著確切的實(shí)際意義。

3.1 氨氮摩爾比（NH3/NO）值對(duì)催化劑脫硝活性的影響

圖4為不同對(duì)NH3/NO對(duì) V0.4W8Ti催化劑活性的影響。由圖4可知，在NH3/NO<1.0時(shí)，該V0.4W8Ti催化劑的催化活性隨NH3/NO的增加而提高；當(dāng)NH3/NO>1.0時(shí)，活性基本達(dá)到穩(wěn)定，穩(wěn)定到90%左右。與脫硝反應(yīng)的氨氮化學(xué)計(jì)量比為1的事實(shí)相同，并沒(méi)有像想象的那樣，隨著NH3的濃度提高，反應(yīng)活性也提高，而是一直保持穩(wěn)定。

3.2 NO初始濃度對(duì)催化劑脫硝活性的影響

當(dāng)NO的初始濃度增大時(shí)，反應(yīng)速率也隨之增大，在空速一定的條件下，催化劑的NO脫除率也隨之增大。但是，當(dāng)NO初始濃度超過(guò)了催化劑承載NO的最大能力時(shí)，催化劑表面的活性位已達(dá)到飽和，脫硝率也會(huì)有所降低。

圖5為NH3/NO=1時(shí)，NO入口濃度對(duì)V0.4W8Ti催化劑活性的影響。從圖5可知，NO濃度500～1000ppm的范圍內(nèi)，催化劑的NO脫除效率有所增加，但增幅較小，這表明該催化劑對(duì)于不同的NO初始濃度能夠較好的適應(yīng)。

3.3 O2濃度對(duì)催化劑脫硝活性的影響

圖6為NH3/NO=1、NO入口濃度500 ppm時(shí)，O2濃度對(duì)V0.4W8Ti催化劑活性的影響。由圖6可知，當(dāng)體系中無(wú)氧氣或氧氣濃度很低的情況下，催化劑的活性較低，即使不同的溫度下，一氧化氮的脫除率也是幾乎相同，約50%；此時(shí)在SCR體系中，氧氣是反應(yīng)的控制因素，當(dāng)添加少量的氧氣后，催化劑活性均迅速提高，400℃時(shí)，催化活性可達(dá)90%以上；當(dāng)氧氣濃度達(dá)到2%之后，隨著氧氣濃度的增加，催化劑的NO脫除率不再有明顯變化，故可得出這樣的結(jié)論，在氧氣含量低于2%的情況下，氧氣對(duì)選擇性催化還原脫硝反應(yīng)有著很大的影響，是選擇性催化還原脫硝體系反應(yīng)的控速步驟。

4結(jié)論

①活性組分V2O5含量的增加可以提高催化劑的脫硝活性，但含量過(guò)高反而會(huì)起抑制作用，通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定，V2O5含量為0.4wt.%的V2O5-WO3/TiO2催化劑脫硝性能最好，在300～400℃之間，NO的脫除率高達(dá)90%以上。

②當(dāng)VWTi催化劑中V2O5負(fù)載量在0.4～1wt.%內(nèi)，WO3含量為8wt.%時(shí)，在300～400℃的溫度區(qū)間和O2濃度大于1%、NH3/NO為0.8～1、空速在10000h-1時(shí)，脫硝率均可達(dá)85%以上，且對(duì)不同NO初始濃度有較好的適應(yīng)能力。

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作者簡(jiǎn)介：

李鏞（1976- ），男，漢族，四川德陽(yáng)人，1998年畢業(yè)于四川大學(xué)化工系，本科，工程師，注冊(cè)化工工程師。現(xiàn)工作于四川成都東東凱特瑞環(huán)保催化劑有限責(zé)任公司，從事技術(shù)實(shí)驗(yàn)工作。