【摘 要】
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选择性催化还原技术(SCR技术)是目前工业上减少固定源烟气氮氧化物排放的主流技术,钒钨钛催化剂(V2O5-WO3/TiO2)由于其高脱硝活性和氮气选择性等优点成为目前应用广泛的商用脱硝催化剂。由于钒钨钛催化剂的最优运行温度区间为300-450℃,且为了避免SO2在低温下的负面影响,SCR脱硝设备常采用高尘布置方式,这使得钒钨钛催化剂面临粉煤灰堵塞等失活问题,而高含碱能源的燃烧所带来的碱金属中毒问题
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选择性催化还原技术(SCR技术)是目前工业上减少固定源烟气氮氧化物排放的主流技术,钒钨钛催化剂(V2O5-WO3/TiO2)由于其高脱硝活性和氮气选择性等优点成为目前应用广泛的商用脱硝催化剂。由于钒钨钛催化剂的最优运行温度区间为300-450℃,且为了避免SO2在低温下的负面影响,SCR脱硝设备常采用高尘布置方式,这使得钒钨钛催化剂面临粉煤灰堵塞等失活问题,而高含碱能源的燃烧所带来的碱金属中毒问题是造成脱硝催化剂活性丧失的主要原因之一。因此,对商用钒钨钛催化剂上碱金属的沉积特性展开研究并进一步开发出行之有效的提高催化剂抗碱金属性能的方法对于SCR脱硝系统的稳定运行具有重大意义。本文以商用钒钨钛催化剂为研究对象,以KCl为目标碱金属,对KCl在催化剂上沉积迁移的温度相关性展开研究,借此对催化剂的结构加以改性,并灵活进行增强型SCR反应气氛调控,提出有效应对钒钨钛催化剂碱金属中毒的新方法。本研究首先对钒钨钛催化剂上碱金属的沉积特性和温度相关性展开研究,分别采用湿浸渍法和固体扩散法两种碱金属中毒方式将KCl负载于催化剂上并研究其对催化剂脱硝效率的影响,发现湿浸渍法比固体扩散法中毒处理后的活性下降更明显;进一步采用不同温度对催化剂进行碱金属中毒处理,发现固体扩散法和湿浸渍法处理后催化剂的脱硝活性均表现出明显的温度相关性,催化剂的脱硝活性随中毒温度的提升而降低,表明温度越高,进入催化剂中的K就越多。针对钒钨钛催化剂上碱金属沉积的低温特性,本研究提出了两种抗中毒方法。一方面,在商用钒钨钛催化剂表面涂敷一层纳米TiO2复合抗碱金属涂层,利用涂层本身的弱碱性阻隔碱金属K离子与催化剂上活性位点的结合,从而提升催化剂的抗碱金属性能,采用SEM-EDS、ICP-OES、H2-TPR及NH3-TPD等表征手段对涂层处理后样品的抗K性能进行评价,结果表明,涂层处理后样品中沉积的K元素较处理前降低了75%,且KCl中毒处理后脱硝活性仍可达60%~80%,提升耐碱性的同时催化剂本身的抗水抗硫性能不受涂层的影响。另一方面,对于已经有碱金属沉积的催化剂样品,我们提出在反应气氛中通入NO2气体,构建增强型SCR反应气氛,从而使碱金属中毒催化剂仍旧保持在较高的活性下运行,对NO/NO2的比例进行调控研究碱金属中毒催化剂脱硝活性与NO2浓度的关系,提出对于新鲜催化剂在低温窗口(<300℃)下,采用快速SCR气氛,在标准温度窗口(300-450℃)下采用低NO2气氛为最佳;对于碱金属中毒催化剂,当中毒程度较低时,采用NO2/NOx=0.5的快速SCR气氛即可大幅恢复脱硝性能,当中毒较为严重时,则需采用NO2/NOx>0.5的配气气氛。本文提出的这两种抗碱金属中毒方法均可以依据工业烟气组分的实际情况进行动态调整,且纳米TiO2复合抗碱金属涂层技术与增强型SCR反应气氛调控二者间存在复合作用。涂层法能够使催化剂保持在较低程度的中毒状态从而节约NO2的通入量,而增强型SCR反应气氛则能够弥补涂层法所造成的初始活性损失,两种抗碱金属技术的配合使用能够更有效的使催化剂的抗碱金属性能得到提升,这为解决商用SCR催化剂因碱金属中毒而带来的使用寿命大幅下降问题提供较为可行的解决途径。
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