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选择性催化还原(SCR)烟气脱硝系统是目前燃煤电厂脱除氮氧化物以及氧化单质汞的主要装置。SCR催化剂作为SCR装置的核心,它能否正常工作关系到整个燃煤电厂的整体脱硝和脱汞效果。目前,许多电厂在燃煤锅炉中掺烧一定比例的生物质代替部分煤的使用,但是对于掺烧生物质的电厂,其SCR催化剂更容易失活,这主要是由于锅炉排烟中的KCl和K2SO4引起的。研究KCl和K2SO4沉积在催化剂表面对单质汞氧化的影响,对于研究抗K中毒的催化剂以及SCR催化剂在燃煤电厂的布置具有重要指导意义。基于此,本文针对商业V2O5/WO3-TiO2催化剂,就KCl和K2SO4对其氧化单质汞的作用机制和效果进行了探究。此外,还针对钾中毒催化剂进行了再生实验,并探究了再生过程对催化剂的脱硝活性和脱汞活性的影响和作用机制。具体研究内容如下:
首先,分别将K+浓度为1%、3%、5%的KCl和K2SO4溶液浸渍于V2O5/WO3-TiO2催化剂上。用X射线荧光光谱测试(XRF)、比表面积测试(BET)、X射线衍射测量(XRD)、扫描电镜(SEM)、X射线能谱分析(XPS)、NH3程序升温脱附(NH3-TPD)、H2程序升温还原(H2-TPR)对中毒催化剂进行表征。结果表明,当KCl和K2SO4沉积在催化剂表面后对催化剂的表面形貌、孔道结构和晶体结构均不会产生明显的影响;XPS测试表明KCl和K2SO4会促进表面的V5+转化为V4+;NH3-TPD测试表明K会占据催化剂表面的Br?nsted酸性位点和Lewis酸性位点,使得催化剂表面的酸量减少,而SO42-在催化剂表面也会形成强酸性位点;H2-TPR测试表明当K沉积在催化剂表面时会导致催化剂氧化还原能力下降;催化剂表面的SO42-会表现出较强的氧化还原特性。
随后在小型固定床反应器上测试了中毒催化剂的脱汞性能。结果表明,当催化剂发生KCl中毒时,随着中毒程度加深,汞氧化效率不断下降;催化剂发生轻微的K2SO4中毒时(<3%),对汞氧化效率有一定的促进,但随着中毒程度的进一步加深,汞氧化效率下降。对汞氧化机理研究发现,K+会占据催化剂表面活性位点,降低催化剂吸附氧化Hg0能力;Cl-可以在催化剂表面形成氧化Hg0的中间产物V2O3(OH)2Cl2,同时还能促进表面活性氧Oɑ的形成;SO42-会在催化剂表面形成新的酸性位点,促进Hg0的吸附和化学吸附氧Oɑ的形成。
最后,对KCl和K2SO4中毒的催化剂进行了水洗和酸洗(1%、2%)再生。对再生后的催化剂进行BET、XRF和XPS测试,结果表明,水洗只能洗去催化剂表面少量的K,而酸洗可以洗去催化剂表面绝大多数K,但同时还会洗去催化剂表面部分活性成分。再生催化剂的脱硝活性和脱汞活性测试结果表明,1%H2SO4酸洗再生的K2SO4中毒的催化剂和2%H2SO4酸洗再生的KCl中毒的催化剂脱除NO和Hg0的效率最高,但都低于新鲜催化剂。此外,对汞氧化机理研究发现,洗液中的SO42-负载在催化剂表面可以形成新的酸性位点,促进Hg0的吸附以及Oɑ的形成。
首先,分别将K+浓度为1%、3%、5%的KCl和K2SO4溶液浸渍于V2O5/WO3-TiO2催化剂上。用X射线荧光光谱测试(XRF)、比表面积测试(BET)、X射线衍射测量(XRD)、扫描电镜(SEM)、X射线能谱分析(XPS)、NH3程序升温脱附(NH3-TPD)、H2程序升温还原(H2-TPR)对中毒催化剂进行表征。结果表明,当KCl和K2SO4沉积在催化剂表面后对催化剂的表面形貌、孔道结构和晶体结构均不会产生明显的影响;XPS测试表明KCl和K2SO4会促进表面的V5+转化为V4+;NH3-TPD测试表明K会占据催化剂表面的Br?nsted酸性位点和Lewis酸性位点,使得催化剂表面的酸量减少,而SO42-在催化剂表面也会形成强酸性位点;H2-TPR测试表明当K沉积在催化剂表面时会导致催化剂氧化还原能力下降;催化剂表面的SO42-会表现出较强的氧化还原特性。
随后在小型固定床反应器上测试了中毒催化剂的脱汞性能。结果表明,当催化剂发生KCl中毒时,随着中毒程度加深,汞氧化效率不断下降;催化剂发生轻微的K2SO4中毒时(<3%),对汞氧化效率有一定的促进,但随着中毒程度的进一步加深,汞氧化效率下降。对汞氧化机理研究发现,K+会占据催化剂表面活性位点,降低催化剂吸附氧化Hg0能力;Cl-可以在催化剂表面形成氧化Hg0的中间产物V2O3(OH)2Cl2,同时还能促进表面活性氧Oɑ的形成;SO42-会在催化剂表面形成新的酸性位点,促进Hg0的吸附和化学吸附氧Oɑ的形成。
最后,对KCl和K2SO4中毒的催化剂进行了水洗和酸洗(1%、2%)再生。对再生后的催化剂进行BET、XRF和XPS测试,结果表明,水洗只能洗去催化剂表面少量的K,而酸洗可以洗去催化剂表面绝大多数K,但同时还会洗去催化剂表面部分活性成分。再生催化剂的脱硝活性和脱汞活性测试结果表明,1%H2SO4酸洗再生的K2SO4中毒的催化剂和2%H2SO4酸洗再生的KCl中毒的催化剂脱除NO和Hg0的效率最高,但都低于新鲜催化剂。此外,对汞氧化机理研究发现,洗液中的SO42-负载在催化剂表面可以形成新的酸性位点,促进Hg0的吸附以及Oɑ的形成。