钒钨钛脱硝催化剂的性能研究

摘 要：SCR技术是目前运用较为广泛的烟气脱硝技术，脱硝效率较高。SCR脱硝技术的核心是催化剂，催化活性对SCR的整体脱硝效果影响重大，因此，本文对V-W-Ti体系催化剂的性能进行了研究，探讨了不同钒、钨组分、烟气组分对催化剂脱硝性能的影响。

关键词：钒钨钛催化剂；SCR技术；性能研究

1不同钒含量对钒钨钛催化剂脱硝性能的影响

V2O5是目前商品SCR催化剂中的主要活性组分，在选择性催化还原反应中具有良好的脱除NOx性能，但由于V2O5催化氧化的能力很强，在氧气存在时，会将烟气中的SO2氧化生成SO3，SO3进而会与SCR系统中未发生反应的NH3结合，生成NH4HSO4等造成催化剂以及系统管路的阻塞。SCR催化剂中不同含量的V2O5会出现不同的形态，在较小负载量的催化剂表面，V2O5会以不饱和的单体或等轴聚合体的形态分散，该形态的V2O5是SCR催化剂的主要活性中心（见图1），Koebel等[1]发现，聚合体形态的V2O5相比单体具有更好的催化剂活性；当V2O5的负载量较大时，会形成结晶并在载体表面不均匀的堆积，不利于SCR反应的发生，且过多的V2O5会加剧SO3的生成。

由表1及图2可知，当催化剂中无钒氧化物时，催化剂的最高活性仅为49.7%（400℃）；当催化剂中添加钒氧化物时，催化剂的活性在250℃时，均可达到70%以上。当钒含量为0.4%时，催化剂在350℃～400℃时的最大脱硝率约达98%，得到非常高的脱硝率。另外，当钒含量在0.4%和0.8%时，催化剂有最大的活性窗口：250℃～450℃。然而，从图2中可知，当钒含量大于1.0%时，催化剂的活性开始呈下降趋势，当钒含量达2.4%时，最高活性降到约85%（350℃）。这主要是由于催化剂载体的比表面积较小，较大的钒含量在其表面不能较好的分散，导致催化剂表面V2O5的聚集、结晶。而结晶态的形成及在载体表面的不均匀堆积，不利于SCR反应的发生，因此，当钒含量过高时，催化剂的活性逐渐降低。

2不同钨含量对钒钨钛催化剂脱硝性能的影响

WO3的主要作用是增加催化剂的催化活性及热稳定性，故在催化剂中的含量通常很大，约占催化剂总质量的10%。一些学者认为WO3增加了催化剂的Brφnsted酸位，从而增强了催化剂的吸附能力，促进了反应进行也有学者认为SCR反应需要两个活性位，WO3提供了第二个活性位。

SCR催化剂的工业应用中，起催化作用的主要成分为V2O5，在没有WO3存在时，V2O5/TiO2催化剂也可达到脱硝的效果，添加WO3的主要作用是减少的V2O5用量，从而降低对SO2氧化成SO3的催化作用，同时提高催化剂的抗SO2性能。由于烟气中还存在一定量的水蒸气（6～10%），而SCR反应也会产生部分H2O，添加WO3还可提高催化剂的抗水性能。

从图3中可知，随着WO3含量的增加，V0.4WyTi催化剂的活性逐渐增加，当V0.4Wy Ti催化剂的中WO3含量大于8%时，催化剂的活性在300～400℃均可达90%以上，且活性的增加幅度几乎为零，在兼顾经济与催化活性的情况下，实验选择催化剂中WO3的最佳添加量为8%。

3烟气组成对钒钨钛催化剂脱硝性能的影响

为了研究各种烟气组成对催化剂活性的影响，研究了各因素对于催化剂脱硝活性的影响。NH3/NO摩尔比、NO入口浓度、氧浓度和空速与催化剂的脱硝率有直接的影响，SO2和粉尘中CaO含量与工程应用当中催化剂活性密切相关，故上述五个因素是选择实验的依据，对催化剂性能的评估有着确切的实际意义。

3.1 氨氮摩尔比（NH3/NO）值对催化剂脱硝活性的影响

图4为不同对NH3/NO对 V0.4W8Ti催化剂活性的影响。由图4可知，在NH3/NO<1.0时，该V0.4W8Ti催化剂的催化活性随NH3/NO的增加而提高；当NH3/NO>1.0时，活性基本达到稳定，稳定到90%左右。与脱硝反应的氨氮化学计量比为1的事实相同，并没有像想象的那样，随着NH3的浓度提高，反应活性也提高，而是一直保持稳定。

3.2 NO初始浓度对催化剂脱硝活性的影响

当NO的初始浓度增大时，反应速率也随之增大，在空速一定的条件下，催化剂的NO脱除率也随之增大。但是，当NO初始浓度超过了催化剂承载NO的最大能力時，催化剂表面的活性位已达到饱和，脱硝率也会有所降低。

图5为NH3/NO=1时，NO入口浓度对V0.4W8Ti催化剂活性的影响。从图5可知，NO浓度500～1000ppm的范围内，催化剂的NO脱除效率有所增加，但增幅较小，这表明该催化剂对于不同的NO初始浓度能够较好的适应。

3.3 O2浓度对催化剂脱硝活性的影响

图6为NH3/NO=1、NO入口浓度500 ppm时，O2浓度对V0.4W8Ti催化剂活性的影响。由图6可知，当体系中无氧气或氧气浓度很低的情况下，催化剂的活性较低，即使不同的温度下，一氧化氮的脱除率也是几乎相同，约50%；此时在SCR体系中，氧气是反应的控制因素，当添加少量的氧气后，催化剂活性均迅速提高，400℃时，催化活性可达90%以上；当氧气浓度达到2%之后，随着氧气浓度的增加，催化剂的NO脱除率不再有明显变化，故可得出这样的结论，在氧气含量低于2%的情况下，氧气对选择性催化还原脱硝反应有着很大的影响，是选择性催化还原脱硝体系反应的控速步骤。

4结论

①活性组分V2O5含量的增加可以提高催化剂的脱硝活性，但含量过高反而会起抑制作用，通过实验确定，V2O5含量为0.4wt.%的V2O5-WO3/TiO2催化剂脱硝性能最好，在300～400℃之间，NO的脱除率高达90%以上。

②当VWTi催化剂中V2O5负载量在0.4～1wt.%内，WO3含量为8wt.%时，在300～400℃的温度区间和O2浓度大于1%、NH3/NO为0.8～1、空速在10000h-1时，脱硝率均可达85%以上，且对不同NO初始浓度有较好的适应能力。

参考文献：

[1]Madia G.，Elsener M.，Koebel M..Thermal stability of vanadia-tungsta-titania catalysts in the SCR process[J].Applied Catalysis B：Environmental，2002，39：181-190.

[2]闫志勇，高翔，吴杰.V2O5—WO3—MoO3/TiO2催化剂制备及NH3选择性还原NOx的试验研究[J].动力工程学报，2007，27（2）：282-287.

[3]肖琨.SCR脱硝技术用催化剂性能试验与成型研究[D].济南：山东大学，2008.

[4]郭凤，余剑，李长明，许光文.溶胶-凝胶原位合成钒钨钛催化剂及NH3-SCR性能研究[J].化工学报，2014（6）..

[5]張雄飞.粘土蜂窝状催化剂的制备及其脱硝性能评价[D].湘潭：湘潭大学，2012.

作者简介：

李镛（1976- ），男，汉族，四川德阳人，1998年毕业于四川大学化工系，本科，工程师，注册化工工程师。现工作于四川成都东东凯特瑞环保催化剂有限责任公司，从事技术实验工作。