燃煤烟气中汞砷与钾对V2O5-WO3/TiO2脱硝催化剂协同作用失活机制研究
煤炭是我国重要的一次能源，煤燃烧产生的 NOx是主要的大气污染物之一。以 NH3为还原剂的选择性催化还原(NH3-SCR)脱硝技术是脱除 NOx的主要方法，催化剂的性能是SCR脱硝系统的关键。目前广泛使用的V2O5-WO3/TiO2催化剂受烟气中的粉尘、碱金属及重金属作用而造成催化剂失活。本文系统研究了燃煤烟气中不同形态汞、砷及钾对 V2O5-WO3/TiO2脱硝催化剂性能的影响，分析了汞、砷与钾对催化剂的协同作用机理，为开发抗汞、砷和碱金属中毒催化剂提供理论依据。 本文研究分析了燃煤烟气中汞形态分布的热力学特征及其在催化剂上的吸附行为。结果发现，燃煤烟气中的汞在催化剂工作温度区间内主要以单质汞(Hg0)和氯化汞(HgCl2)形态存在；研究了单质汞和氯化汞对催化剂性能的影响，Hg0对催化剂活性的影响随汞吸附量的增加以及温度的升高而增强，Hg0会使催化剂表面酸性位减少，表面化学吸附氨量降低，活性V=O键数量减少，从而造成脱硝活性下降；催化剂吸附HgCl2会减少催化剂的酸性位、晶格氧以及V=O键数量，并在催化剂上形成新的Cl-V-O-H酸性位，因此，催化剂上吸附的HgCl2越多，脱硝活性降低越明显；烟气温度越高，HgCl2对催化剂活性的影响越小。 烟气中砷的形态及其吸附行为研究表明，砷在燃煤烟气中主要以As2O3的形式吸附在催化剂上。采用气相沉积和湿法浸渍模拟研究了砷对催化剂性能的影响，对比分析了两种作用方式下的砷对催化剂性能的影响规律。研究结果表明，两种条件下砷可以被氧化成五价砷，催化剂氧化还原能力增强；砷的吸附会破坏催化剂的V-OH酸性位，并生成低活性的As-OH酸性位，致使催化剂活性降低；当砷以气相沉积形式吸附在催化剂上时，易于在催化剂表面形成致密As2O5覆盖膜，堵塞催化剂孔隙，阻碍脱硝反应的进行，因此，气相沉积法吸附的砷对催化剂的活性影响远大于浸渍法吸附砷的影响。 研究分析了燃煤烟气中三种主要钾物种形态(KCl、K2SO4、K2O)对催化剂的性能影响。结果表明，钾离子使催化剂表面 Br?nsted酸及 Lewis 酸的酸量和稳定性降低，催化剂还原能力减弱，同时表面化学吸附氧减少，催化剂脱硝活性下降；不同钾物种对催化剂活性的影响顺序为：K2SO4<K2O<KCl；氧化钾对催化剂活性的影响主要受钾离子作用；硫酸钾对催化剂活性的影响除了受钾离子作用，SO42-的引入对催化剂活性具有促进作用，因此，K2SO4造成催化剂失活的程度最弱；而氯化钾中的钾离子与氯离子均会使催化剂活性下降，因此，氯化钾造成催化剂失活的程度最强。 研究了砷与钾对催化剂的协同作用，研究表明，当砷与钾共存时，催化剂的失活程度表现出“增强效应”，这是因为两者共存时不仅催化剂表面的化学吸附氧和酸性位比砷、钾单独存在时有所下降，同时催化剂的氮选择性和还原能力降低，且钾离子还会中和砷在催化剂表面生成的As-OH酸性位。 单质汞与氯化钾对催化剂的协同作用机理研究表明，单质汞会减弱氯化钾对催化剂失活的影响程度。这是因为烟气中单质汞与氯化钾共存时，氯化钾会使催化剂中形成Cl-V-O-H和V-O-K，导致V=O键数量减少，催化剂活性降低；但是，由于Hg0的存在，催化剂上吸附的Hg0会与-Cl结合生成HgCl，并取代钒活性位上的钾离子形成V-O-Hg-Cl，同时，由于NH3与HgCl存在竞争吸附，NH3在催化剂上的吸附能力大于 HgCl，抑制了催化剂上 HgCl 和氯化钾的吸附量，从而提高了催化剂的活性。
V2O5-WO3/TiO2催化剂;汞元素;砷元素;钾元素;协同失活机制
重庆大学
博士
冶金工程
刘清才
2018
中文
O643.36
140
2018-12-18（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）