现代化工

现代化工 ›› 2025, Vol. 45 ›› Issue (S1) : 29-35. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2025.S1.007

技术进展

燃煤烟气NH₃-SCR催化剂研究进展

吴荫南 ^*

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Research progress in NH₃-SCR catalysts for coal-fired flue gas

Yin-nan WU ^*

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摘要

从NH₃-SCR催化剂设计和性能调控角度出发,讨论了不同种类的NH₃-SCR催化剂的研究成果,阐述了NH₃-SCR催化剂的中毒失活机制,介绍了高性能NH₃-SCR催化剂的改性和回收方法,并对未来NH₃-SCR催化剂的研究和应用提出展望。

Abstract

Based on the perspective of material design and performance regulation of NH₃-SCR catalysts,this review summarizes the latest research progress in various kinds of NH₃-SCR catalysts,expounds their poisoning and deactivation mechanism,introduces the activity regulation and recovery methods for high performance NH₃-SCR catalysts,and gives prospects on the research and applications of NH₃-SCR catalysts in the future.

Graphical abstract

关键词

燃煤烟气 / 回收 / 改性 / 稳定性 / 催化剂 / NH₃-SCR

Key words

coal-fired flue gas / recovery / modification / stability / catalyst / NH₃-SCR

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我国能源结构以煤为主,且短期内不会发生根本性改变,2022年煤炭消耗量占能源消费总量的56.2%,相比钢铁、水泥、建材等非电行业,电力行业煤炭消耗量高达52%,电力行业燃煤烟气是常规污染物氮氧化物(NO_x)的主要来源,会引发光化学烟雾、区域性雾霾等潜在环境问题^[1]。以NH₃为还原剂的选择性催化还原(SCR)技术是电力行业脱硝的最有效途径,而脱硝催化剂是SCR工艺的关键所在。

近年来,电力行业NO_x治理效果显著,研发的核心SCR催化剂已达到或接近国际先进水平,最常见的是钒钨(钼)钛[V₂O₅-WO₃(MoO₃)/TiO₂]催化剂,该系列催化剂在高温下(300~400℃)具有较高的催化活性,在烟气脱硝工艺中多采用高温高尘或高温低尘布置形式。但电力行业烟气排放工况复杂多变、污染物种类多,高温高尘布置方式下,SCR催化剂面临重金属/碱金属中毒、催化剂磨损以及孔道堵塞的难题;而高温低尘布置方式下,虽然粉尘对催化剂的影响降低,但由于烟气温度降低约100℃,导致SCR催化剂面临活性低、硫中毒等难题^[2-3]。随着国家对生态环境质量日益重视与电力行业超低排放的持续推进,开发宽温窗、高活性、高强度和抗中毒的SCR催化剂已是当务之急。

现有研究表明,Fe₂O₃催化剂具有优良的中高温活性、N₂选择性和热稳定性;MnO_x催化剂的低温SCR活性高,但抗硫性能差、高温N₂选择性低;CeO₂催化剂的氧化还原能力强,但表面酸性差、活性低^[4]。通过对SCR催化剂活性组分以及载体进行筛选复配,并通过优化制备方法调控催化剂结构和表面物化性质,可将单一活性位点的优势有机结合,实现高性能SCR催化剂的开发。因此,明晰SCR催化剂种类、催化反应机理以及活性稳定性调控机制,对高效SCR技术和电力行业高效能发展具有重大研究价值和指导意义。本文以金属基NH₃-SCR催化剂种类入手,讨论不同SCR催化剂的活性、稳定性和抗中毒机制,进一步对SCR催化剂的改性方法和回收方法进行探讨,并对未来SCR催化剂的研究和应用提出展望。

1 NH₃-SCR催化剂种类

NH₃-SCR反应遵循Langmuir-Hinshelwood和Eley-Rideal机制,反应性能取决于核心催化剂的活性位点、表面酸位点强度、活性中间物种以及反应物与催化剂活性位点的相互作用,固体酸催化剂具有丰富的酸活性位,在NH₃-SCR反应中展现出较高的催化活性^[5]。如图1所示,主要的固体酸SCR催化剂包括:贵金属(Pt、Pd、Ag)、金属氧化物(V₂O₅、MnO_x等)以及金属基(Cu、Fe)沸石类材料^[6],上述催化剂最佳活性对应的温度区间分别为:125~175、150~400以及350~550℃。贵金属SCR催化剂多以Al₂O₃、SiO₂、TiO₂为载体,虽然低温活性高,但易SO₂中毒、成本高,且工作温窗与烟气温度不匹配^[7]。V₂O₅催化剂虽然活性低于贵金属和MnO_x,但其工作温窗为250~400℃,与电厂脱硝烟气温度一致,电厂多采用钒基催化剂,而MnO_x和金属基(Cu、Fe)沸石类分别具有高的低温活性和抗中毒性。因此,燃煤电厂NH₃-SCR催化剂研究主要集中在金属氧化物(V₂O₅、MnO_x等)、金属基(Cu、Fe)沸石类催化剂开发及其复合改性调控,下面将围绕上述催化剂展开叙述。

1.1 金属氧化物类

1.1.1 钒基

钼、钨掺杂钒基催化剂是目前主流的商用SCR催化剂,如V₂O₅-WO₃(MoO₃)/TiO₂,对燃煤电厂烟气NO_x具有较高的脱除效果,主要缺点为钒毒性高、工作温窗窄,现有研究多集中于掺杂其他活性元素(Fe、Ce、Sr等)以此提高钒基催化剂活性,掺杂金属的活性排序为:Ce>Cu>Fe>Mn>Ni。其中Ce掺杂催化剂主要依托Ce⁴⁺与V⁴⁺的氧化还原反应,可以明显提升催化剂的氧储存与释放能力,提高SCR活性,相关研究的催化剂包括FeVO₄、CeVO₄、Zr/CeVO₄、W/FeVO₄、MnO_x/V₂O₅/TiO₂、Sr/Cu₃V₂O₈/TiO₂、Cu/V₂O₅/WO₃/TiO₂^[8-9]。此外,研究者还通过优化载体,如TiO₂、Al₂O₃、SiO₂以及碳材料,开发了高活性的V₂O₅/TiO₂-SiO₂、V₂O₅/Ce_1-xTi_xO₂、MoO₃-V₂O₅/Al₂O₃、V₂O₅/AC、V₂O₅/CNTs催化剂,其中TiO₂可以增强钒物种的氧化还原能力,且由于Ti(SO₄)₂或TiOSO₄在300℃以上不稳定,使TiO₂载体具有较强的抗硫特性^[10]。上述改性钒基催化剂可在350℃、5% O₂、500 mg/L SO₂、500 mg/L NH₃以及500 mg/L NO条件下实现95%以上的NO_x去除效率。由于V₂O₅的高毒性、热稳定性差的难题尚未解决,目前金属氧化物基SCR催化剂研究逐渐转向非钒基催化剂。

1.1.2 锰基

MnO_x由于Mn的多价态特性具有较强的氧化还原能力,具有良好的NH₃-SCR潜力。研究者通过调控MnO_x晶型和结构,开发了一系列高活性的α-MnO₂、β-MnO₂、γ-MnO₂、δ-MnO₂以及MnO₂纳米管、MnO₂纳米棒、MnO₂纳米片、MnO₂纳米颗粒、空心MnO₂等,其中α-MnO₂以及MnO₂纳米棒具有较优的SCR催化活性。但由于Mn对SO₂较为敏感,其强氧化性极易将SO₂氧化为SO₃并形成硫酸锰,从而中毒失活,通过以TiO₂、CeO₂、Al₂O₃为载体,并掺杂Ce、W、Mo、Co、Fe、Sn、Cu、Cr、Zr等过渡金属元素可提高MnO_x催化剂的抗硫性能,相关催化剂包括MnO_x/SiO₂、MnO_x/TiO₂、MnO_x/Al₂O₃、MnO_x/CeO₂-ZrO₂-Al₂O₃以及MnO_x/FeO_x改性的多孔SCR催化剂^[11]。虽然锰基SCR催化剂的催化活性已得到提升,但其宽温窗以及抗SO₂能力还有待改善,催化剂结构与性能间的构效关系还要深入研究^[12]。

1.1.3 铈基

CeO₂由于Ce³⁺/Ce⁴⁺电子不饱和特性,具有较高的氧化还原活性和氧吸附活化特性,CeO₂不仅可以作为钒基、锰基以及沸石材料的SCR活性中心,也可以作为载体,是制备NH₃-SCR催化剂良好的前驱体^[13]。CeO₂低温活性高,但易SO₂中毒,因此,现有铈基催化剂多以CeO₂为活性中心、金属氧化物以及沸石类材料为载体,如CeZrTiO_x、WO₃/CeO_x-TiO₂、CeO₂-Al₂O₃、MnCeO_x-Al₂O₃、CeO₂-ZrO₂、CeO₂-SiO₂、Mn-Ce/CeSAPO-34等^[14],其中,以TiO₂为载体的SCR活性要优于Al₂O₃和SiO₂载体,且由于M-O-Ce结构单元中其他过渡金属与Ce的协同作用,该类材料具有较强的Lewis酸位点和氧吸附能力,250~400℃的NO去除率高于90%。与锰基SCR类似,铈基材料由于其SO₂敏感性,其工业化应用潜力还需要进一步研究。

1.2 沸石类

沸石是由SiO₄和AlO₄四面体组成的硅铝酸盐,比表面积大、孔隙率高,且由于低价态Al元素对三位骨架电负性的调控,使沸石表面具有丰富的补偿阳离子(Na⁺、H⁺等),有助于保障沸石表面酸性以及离子交换能力,可负载其他活性金属位点,以沸石为基础的SCR催化剂载体主要有ZSM-5、β-沸石、Y型沸石、SAPO-34、SSZ-13、LTA和MOR等,现有研究表明,通过离子交换改性的方式制备的Cu和Fe基沸石催化剂具备宽温窗、高抗硫性以及水热稳定性,在NH₃-SCR反应中展现出较高的活性^[15-16]。

1.2.1 铜基沸石

铜基沸石中铜物种以孤立Cu²⁺、二聚Cu以及CuO形式存在,Cu²⁺为主要的SCR活性位,由于Cu基沸石催化剂SCR性能受Cu负载量、沸石载体Si/Al比以及Si源的影响,现有催化剂多以Cu-SSZ-13、Cu-SAPO-34、Cu-ZSM-5为主,Si/Al比约为 20~25,Cu最佳负载量为质量分数2%~4%,在 350~450℃可实现90%以上的NO去除率^[17]。但单一Cu基沸石材料中Cu活性位点对SO₂较为敏感,易中毒产生高稳定硫酸铜,通过掺杂其他金属改性不仅可抑制孤立Cu²⁺向CuO转变,且可以调控沸石骨架的中弱酸位点和结构,提升Cu基沸石SCR反应活性、水热稳定性和抗硫性。研究表明,通过掺杂其他元素(如Mn、Zn、Ni、Co、P等)制备的Cu&Zn-SSZ-13、Cu-Ce/SAPO-34、Ce-Cu-SSZ-39催化剂具有优良的SCR活性^[18-20]。

1.2.2 铁基沸石

与铜基沸石相比,Fe基沸石具有较高的SCR反应活性,但Fe活性物种在高还原温度和高水热条件下会快速失活。铁基沸石材料主要有Fe/ZSM-5、Fe/Beta、Fe/SSZ-13、Fe/SAPO-34、Fe-SSZ-39、Fe-MCM-22、Fe/UZM-35等,在350~550℃可实现较高的N₂选择率以及90%以上的NO去除率^[21]。此外,研究表明,沸石结构的介孔结构可以缓解水热老化过程中的催化剂脱盐以及烃中毒,通过调控Fe基沸石的孔道结构,制备的小孔沸石(如SSZ-13和SAPO-34)通常比大孔沸石(ZSM-5和Beta)具有更高的水热稳定性和耐烃特性^[22]。考虑到掺杂改性元素的协同作用,以Fe为活性中心、SSZ-13和SAPO-34为载体,并掺杂改性元素可制备性能优越的铁基沸石NH₃-SCR催化剂。

1.3 其他类

除金属氧化物外,水滑石(层状双氢氧化物,LDHs)及金属有机框架(MOFs)衍生物也可以作为NH₃-SCR催化剂。LDHs为带正电的阳离子层(Cu²⁺、Mg²⁺、Co²⁺、Zn²⁺、Fe³⁺、Mn³⁺、Ga³⁺等)与层间阴离子(Cl^-、

N O 3 -

、

C O 3 2 -

、CH₃COO^-)堆叠组成的层状结构,具有可调节的表面酸碱性质,通过金属离子与层间阴离子交换,可掺杂特定的多个金属活性中心,扩大SCR反应温窗,且高度分散的金属活性中心以及层结构特性不仅有助于活性位点的高度暴露和使催化剂表面呈强酸性,还有利于反应物的扩散和提高反应效率。此外,LDHs表面含有可抑制其他毒性组分(如SO₂、HCl、碱金属等)的辅助成分,具有较强的抗水性和抗中毒能力^[23]。目前LDHs衍生的SCR催化剂主要包含MnO_x/Co-Al、MnFeAlO_x、NiMnFe、NiMnTi以及Cu₄Al₁O_x等。MOFs为金属与有机配体通过有机结合的方式形成高比表面积和孔隙率的多空材料,有助于负载或封装具有高SCR活性的金属位点,且MOFs中金属活性位点不饱和程度高、Lewis酸性强,但未处理的前驱体MOFs的热稳定性和耐水性较差,因此,MOFs一般作为前驱体,通过后处理(煅烧、改性等)制备NH₃-SCR催化剂^[24]。目前MOFs衍生的SCR催化剂主要包含:MIL-100(Fe)、MIL-100(Mn)、MIL-100(Fe-Mn)、CeO₂/MIL-100(Fe)、Co-MOF-74、Mn-MOF-74、Co/Mn-MOF-74、Cu-BTC、Mn@Cu-BTC、Ce-UIO-66等,可在~300℃实现~95%的SCR活性,且SO₂抗性高于90%。MOFs衍生的SCR催化剂主要缺点在于成本高,开发低成本、高稳定性、可工业化MOFs衍生SCR催化剂是未来的研究重点。

2 NH₃-SCR催化剂失活机制

SCR反应器位于污染物处理工艺前端,SCR催化剂长期暴露在烟气、水汽、SO₂以及尘环境中,导致催化剂寿命缩减,NH₃-SCR催化剂失活(图2)主要包括:高温烧结、磨损、堵塞、水热老化和中毒(硫中毒、碱/碱土金属中毒以及重金属中毒等)。下面将围绕催化剂水热老化和中毒展开叙述^[25-26]。

2.1 NH₃-SCR催化剂水热老化

燃煤烟气中水含量约为5%~20%,在SCR反应过程中,H₂O的存在会抑制N₂O副反应的发生,但H₂O同样也会在活性位点处发生竞争性吸附和化学解离,分别导致SCR催化剂可逆失活和不可逆失活。研究人员考察了H₂O对MnO_x-γ-Al₂O₃、Cu-ZSM5、VO_x/TiO₂、V₂O₅/WO₃-TiO₂等SCR催化剂的影响,结果发现,在110~425℃条件下,H₂O会与NH₃、NO、O₂发生竞争吸附,由于NH₃具有较强的碱性,H₂O吸附在金属位点以及氧空穴位置后,NH₃在材料表面Lewis酸位点处的吸附占主导地位,导致O₂和NO的吸附位点减少,活性物种形成减少,SCR活性降低^[27]。

SCR反应中大部分水会因为竞争吸附导致催化剂活性降低,通常催化剂水失活是可逆的,但部分H₂O会在催化剂表面解离,导致SCR催化剂不可逆失活。由于SCR催化剂酸活性位是主要的活性中心,当H₂O在催化剂表面发生解离时,形成的—OH物种会中和酸位点,不可逆地阻断NH₃与催化剂的接触,在SO₂共存的条件下,中毒效应更为明显,研究人员探究了H₂O、SO₂共存条件下WO₃/CeZr_xO_y的SCR性能,发现H₂O会促进SO₂和NH₃在催化剂表面的沉积,形成(NH₄)₂SO₄和 Ce₂(SO₄)₃物种,导致催化剂活性位点被覆盖^[28]。此外,沸石材料的水热老化失活除水竞争吸附引发的可逆失活,还包括由高温水条件下结构坍塌导致晶格密度增加引发的不可逆失活。由于沸石中Al位点对H₂O的强亲和力,在高温下H₂O攻击Al位点导致沸石材料脱Al,脱掉的Al原子与材料表面阳离子发生交换,导致沸石Si/Al比提升以及低活性金属氧化物(如 Cu-Al酸盐配合物)的生成,从而降低材料酸性位浓度和SCR活性。

在燃煤烟气SCR过程中,H₂O不可避免地会对催化剂产生影响,提高SCR催化剂的耐水性是关键,目前的主要措施包括:疏水改性、孔隙结构调整以及活性位点优化。疏水改性包括开发疏水层以及疏水催化剂载体,可以明显降低材料对H₂O的吸附能力;孔隙结构调整和活性位点优化主要是设计高孔隙率的介孔催化剂,避免毛细管效应对水的吸附和富集,同时依托高的比表面积,尽可能暴露活性位点,缓解水对活性位点的影响。以Cu/Fe基沸石SCR催化剂为例,在沸石表面接枝聚二甲基硅氧烷疏水基团,可以明显改善SCR催化剂的抗水性,此外,Cu/Fe元素改性会在一定程度上限制H₂O与Al位点的接触,但过量Cu/Fe也会和Al反应促进沸石脱Al,因此,调控Cu/Fe元素负载量也是改善沸石材料水热稳定性和SCR活性的关键。

2.2 NH₃-SCR催化剂中毒

2.2.1 硫中毒

金属氧化物基SCR催化剂硫中毒体现在3个方面^[29-30]:①酸性SO₂与NO和NH₃竞争,在活性位点处发生硫酸化,降低反应物在活性金属位点处的吸附和反应;②SO₂氧化为SO₃,并与NH₃反应生成(NH₄)₂SO₄导致活性位点被覆盖;③H₂O存在条件下加速硫酸盐沉积,抑制SCR反应。沸石材料硫中毒主要是由于SO₂与活性Cu/Fe金属位点结合形成硫酸盐化合物以及(NH₄)₂SO₄沉积引起的,但由于沸石的工作温度一般在350~550℃,(NH₄)₂SO₄在350℃以上的稳定性较差,形成的高稳定性硫酸铜/铁产物是Cu/Fe沸石类SCR催化剂硫中毒的主要原因。提高SCR催化剂抗硫中毒的方式主要包括提高催化剂表面酸性和构建牺牲位点。其中,牺牲位点的缺点在于当其SO₂饱和后,将无法保护活性位点,SCR催化剂的抗硫性将降低,因此,提高SCR催化剂表面酸性是目前最为有效的抗硫中毒手段。

2.2.2 碱/碱土金属中毒

SCR催化剂碱(Na、K)/碱土金属(Ca)中毒主要是由于碱离子与催化剂表面酸性位点反应并堵塞孔道结构引起的^[31],提高表面酸性位是强化SCR催化剂抗碱能力的有效策略,如在MnO_x/TiO₂、Cu-SSZ-13掺杂Ce元素,可以增强表面Lewis酸性。但目前提升SCR催化剂的抗碱性能多以在催化剂上负载碱金属,偏离实际应用,还需要深度研究。

2.2.3 重金属中毒

烟气中夹带的重金属主要有砷(As)、汞(Hg)、铅(Pb)、硒(Se)、锡(Sn)等,SCR催化剂重金属中毒分为物理失活和化学失活。其中物理失活主要是由重金属氧化物在催化剂孔道内沉积导致SCR催化剂比表面积和反应物吸附能力下降;而化学失活是在氯化物存在下,由于重金属元素与表面活性位点作用,破坏活性位点的氧化还原能力。重金属引发的化学失活占主要地位^[32]。钒基催化剂受As、Hg、Pb影响,重金属会在表面Lewis酸性位点形成M-V-O-H(M为As、Hg、Pb等),减少催化剂表面酸性,不利于NH₃吸附。而锰/铈基催化剂主要受As、Pb影响,As与Pb会改变催化剂结构,导致比表面积和孔容减少,表面酸性和吸附氧含量降低,从而失活。现有研究主要通过掺杂其他元素(Mo、Ca、W、Co等)、金属氧化物(Al₂O₃、ZrO₂、CuO、CoO_x等)以及非金属组分(如

S O 4 2 -

)来提高SCR催化剂的抗重金属中毒能力,并采用酸洗、碱洗以及金属盐溶液洗涤的方法去除重金属从而再生SCR催化剂^[33]。

3 NH₃-SCR催化剂改性方法

上述研究明晰了SCR催化剂理化特性以及各种毒性组分存在下的中毒机制,表明SCR催化剂的结构和活性组分在催化性能和抗中毒方面起着重要作用,目前主要通过不同的改性方法(改进合成方法;调控结构、形貌、晶面;掺杂改性元素;调控酸位丰度)来强化SCR催化剂的活性、选择性以及抗中毒性能(图3)。

3.1 改进合成方法

现有金属氧化物或沸石类SCR催化剂多以负载型为主,催化剂的活性和稳定性主要取决于活性组分的分散性以及与载体的相互作用。目前的SCR催化剂合成方法主要有浸渍法、共沉淀法、溶胶-凝胶法等。其中,钒基类催化剂制备时采用草酸氧钒和偏钒酸铵为钒源,在载体表面钒以单体钒基和聚合V_xO_y形式存在。相比干式浸渍法,采用湿式浸渍法可以获得更多的聚合V_xO_y物种,制备的SCR催化剂活性更高。对于其他如锰基SCR催化剂,采用溶胶-凝胶法制备的催化剂中活性组分分散性较好,且载体与活性组分的结合力更强。此外,制备低温活性高的SCR催化剂可采用共沉淀法,这主要是由于该制备过程可以促进无定形金属氧化物的生成^[34]。

3.2 调控结构、形貌、晶面

催化剂的结构、形貌以及暴露晶面直接关系到活性位点性能及其与反应物的可接触性^[35-36]。对于Mn基催化剂来说,由于不饱和配位

M n n +

可以衍生高含量的Lewis活性位,其SCR活性遵循以下顺序:γ-MnO₂>α-MnO₂>δ-MnO₂>β-MnO₂。其中,截断八面体α-MnO₂具有暴露的(001)晶面,存在更多的吸附反应位点,其SCR活性优于八面体α-MnO₂。此外,对于V₂O₅/TiO₂以及V₂O₅/CeO₂催化剂来说,TiO₂的(001)晶面以及CeO₂的(111)晶面具有较高的氧化还原性能和表面酸位点^[37]。

3.3 掺杂改性元素

由前述NH₃-SCR催化剂介绍可知,单一MnO_x、FeO_x易中毒,而单一CeO₂、V₂O₅活性差,结合催化剂活性、酸性、氧空位、抗硫性的需求,耦合单一元素的优势,对SCR催化剂掺杂改性可制备高性能催化剂。例如,在Mn基催化剂中掺杂Sm、Co可以提升Mn⁴⁺含量从而强化表面吸附氧和酸性,Ce可以增强钒基催化剂的氧吸附和释放,Nb可以增加钒基催化剂的表面—OH,从而提高酸性^[38]。

3.4 调控酸位丰度

提升催化剂表面酸性位不仅有助于强化SCR反应活性,还可以提高催化剂的抗硫中毒能力。提高酸位丰度的方法主要包括:酸性过渡金属氧化物(MoO₃、WO₃)掺杂、酸性官能团(

S O 4 2 -

、

P O 4 3 -

)改性以及调控酸性载体。其中,掺杂酸性更强的过渡金属氧化物不仅可以提升Brønsted酸位,还可以诱导氧空位产生。酸性官能团改性可采用浸渍法以及在SO₂氛围下煅烧硫化的方式,引入的

S O 4 2 -

位点可改善NH₃在金属活性位点的吸附,预防对NH₃的过度氧化,从而提高N₂选择性^[39]。

4 NH₃-SCR催化剂回收

现有催化剂多以V₂O₅-WO₃(MoO₃)/TiO₂体系为主,合理回收失活SCR催化剂是资源循环利用的关键,还可以避免环境污染。NH₃-SCR催化剂回收途径如图4所示,主要包括湿法冶金、热法冶金以及二者的有机耦合^[40]。其中,湿法冶金通过酸/碱等刻蚀剂刻蚀回收V、W、Ti元素,操作简单、能耗低、成本低,主要的刻蚀剂有H₂SO₄、H₂SO₄+Na₂SO₃、H₂C₂O₄、NaOH、Na₂CO₃等,由于W、Ti在酸中的溶解度较差,酸性刻蚀剂可直接提取SCR催化剂的V组分。而与酸性刻蚀剂相比,碱性NaOH在SCR催化剂酸性表面具有较强的吸附性,吸附后与V、W形成多面体结构,削弱V、W与催化剂载体的相互作用,从而有效提取V和W组分。当使用Na₂CO₃作为刻蚀剂时,由于Na₂CO₃在50~70℃时溶解度低,且高浓度Na₂CO₃会降低W的溶解度,所以要在加压条件下使用。热法冶金主要是通过焙烧方法进行,对于传统V₂O₅-WO₃(MoO₃)/TiO₂催化剂,焙烧过程中V和W会在惰性TiO₂锐钛矿晶格中形成固溶体,TiO₂包覆导致V和W浸出效果差,为此,现有研究表明,在焙烧过程中加入Na₂CO₃和NaOH可有助于V₂O₅和WO₃转化为水溶性NaVO₃和Na₂WO₄,而TiO₂转化为不溶于水的钛酸盐,分别通过水洗和酸洗即可提取V、W以及Ti元素。CaO与W的结合能力更强,一般在焙烧过程中加入CaO并结合盐酸洗涤可以实现W的高效回收。与湿法冶金相比,热法冶金反应速率快、效率高,是目前SCR催化剂回收的主要方式。此外,通过将湿法冶金和热法冶金有机耦合,如通过焙烧过程先将Ti物种转化为Ti₂CO,再通过湿法冶金工艺进行油酸捕集纯化,即可制备高纯Ti。因此,结合多种工艺的协同处理是实现SCR催化剂高效回收的有效策略。

5 总结和展望

燃煤烟气成分复杂、运行工况多变,催化剂需具备宽温窗、高活性、高选择性以及稳定性,从而在各种烟气参数条件下有效工作,催化剂的结构和组分是实现烟气高效SCR脱硝的关键。本文总结了NH₃-SCR催化剂的研究进展、稳定性以及活性调控方法。研究指出,催化剂的组成对其SCR性能有显著影响,过渡金属氧化物、沸石和MOFs催化剂各有优势和局限性,需通过调整催化剂组成、孔结构和表面特性来优化反应物和中间体的扩散和反应,从而提高催化效率。SCR催化剂中毒失活是实际应用中的一个重要难题,设计催化剂时需考虑烟气中的不同成分(如HCl、SO₂、H₂O、碱金属和重金属等)的相互作用和对催化剂性能的影响,深入理解SCR催化剂的作用机理和失活原因,开发具有抗中毒能力的催化剂或通过添加特定组分来提高催化剂的抗中毒性能,并开发有效的催化剂回收再生技术以保持长期运行效率。

关于NH₃-SCR催化剂的发展,未来的研究可以集中在以下几个方面:①多功能催化剂设计,烟气中含有多种污染物,如NO_x、SO₂、挥发性有机污染物、重金属和氨等,开发具有抗中毒特性的多功能SCR催化剂可以促进对不同污染物控制技术的整合,简化操作流程和对多个独立处理系统的需求,在实现多污染去除的同时降低操作成本,对电力行业减污降碳具有重要意义;②脱硝除尘一体化滤料研究,电力行业除尘、脱硝为分体式长流程工艺,运行能耗高,开发催化滤料可实现除尘脱硝一体化,高温高尘烟气经滤料后直接与SCR催化剂接触,高温低尘运行环境缓解了SCR催化剂的重金属、碱中毒风险,可以大幅度提升SCR催化剂运行寿命,降低能耗。

总体而言,构建具有宽温窗、高稳定性、高抗中毒性和多功能性的SCR催化剂对于高效低耗的SCR技术非常具有前景和挑战性,持续改善SCR催化剂低温活性和功能性是SCR催化剂开发的重要研究方向,有望推动SCR技术在多污染物控制领域的进步,从而实现电力行业清洁可持续发展。

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Received	Accepted	Published
2024-05-28
Issue Date
2025-05-23

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