能源是现代经济社会发展的基础,现阶段化石燃料的燃烧仍是我国能源最主要的来源方式。氮氧化物（NOx）是化石燃料燃烧过程中产生的主要大气污染物之一,其排放会导致酸雨、光化学烟雾、雾霾等环境污染问题。我国政府高度重视工业源NOx的排放控制,自2011年以来,我国氮氧化物排放量下降明显。以氨气为还原剂的选择性催化还原脱硝技术（NH3-SCR）是目前最为成熟、高效的NOx脱除技术,其在电站锅炉超低排放改造中起到了至关重要的作用。近年来,随着电力行业超低排放改造的基本完成以及国家NOx减排要求的进一步提高,我国工业固定源氮氧化物的减排重点由电力行业逐步转向非电力行业。由于非电力行业锅炉烟气温度普遍较低,目前应用在电站锅炉上的中高温SCR脱硝系统在非电行业锅炉上不能稳定高效运行。低温SCR系统应用的一大障碍是SCR催化剂在低温含水含硫烟气条件下的硫中毒失活问题。本文研究主要针对低温NH3-SCR脱硝系统的工业应用难题,从解决SCR催化剂表面硫酸氢铵沉积问题出发,借助“快速SCR”反应提升现有商用钒基催化剂低温脱硝效率的同时高效分解催化剂表面沉积的硫酸氢铵,得到了一种适用于低温含硫含水烟气条件下的高效稳定脱硝方法。此外,针对快速SCR的反应机理以及SCR过程中普遍受关注的N2O生成、水的影响等问题进行了深入研究。全文得到的主要结论如下:一、研究了硫酸氢铵在钒基催化剂表面的生成、沉积、反应特性及机理。发现硫酸氢铵可以在SCR装置中通过NH3,H2O以及SO3间的气相反应生成,随后紧密地沉积在催化剂表面,因此很难仅通过催化剂配方的优化来阻止催化剂表面的硫酸氢铵沉积问题,加速催化剂表面硫酸氢铵的分解是解决硫酸氢铵沉积失活问题的关键。钒基催化剂表面沉积硫酸氢铵中的NH4+可以在活性组分钒的作用下与烟气中的NO进行反应,而剩余的硫酸盐物种会以金属硫酸盐的方式留在催化剂表面。该反应可以加速硫酸氢铵在催化剂表面的分解。然而钒基催化剂上硫酸氢铵与NO的反应仅在300℃以上时快速发生,其低温下的反应受到催化剂重氧化步骤速度的限制。通过对硫酸氢铵反应机理的研究,提出添加NO2可以快速重氧化催化剂表面钒位点,从而显著加速了催化剂表面硫酸氢铵的反应分解速率。在NO与NO2比例为1:1的“快速SCR气氛中”,催化剂表面硫酸氢铵与NOx间的分解反应温度可降低至200℃以下。二、基于上述研究得到的催化剂表面硫酸氢铵高效分解方法,研究了不同反应气氛处理对硫酸氢铵沉积中毒失活催化剂的再生效果,并且进一步对基于催化剂表面硫酸氢铵快速分解的低温含硫烟气下高效稳定脱硝方法进行了研究。发现“快速SCR气氛”可以在250℃的低温下有效地再生硫酸氢铵轻微沉积（5 wt%沉积量）的钒基催化剂。而当催化剂表面硫酸氢铵沉积量过多（30 wt%）时,由于硫酸氢铵对催化剂孔道结构中小孔的堵塞,此时催化剂的活性很难通过化学反应方法再生,这说明避免硫酸氢铵在催化剂表面过量沉积是低温SCR系统运行过程中的关键。在商用V2O5-WO3/TiO2配方催化剂250℃下的硫中毒测试中,催化剂表面硫酸氢铵快速分解方法对催化剂抗硫中毒性能的提升作用被得到验证。实验结果表明,相比在不含NO2气体的标准SCR反应气氛中,V2O5-WO3/TiO2催化剂在添加NO2气体后的反应气氛中表现出更优异的低温抗硫中毒能力。反应气氛中的NO2可以通过加速催化剂表面硫酸氢铵分解反应的作用避免催化剂受硫酸氢铵沉积中毒的影响,此外NO2加入后构成的快速SCR反应气氛显著提升了催化剂在低温下的脱硝反应活性。三、利用DFT理论模拟计算结合实验的方法,研究了钒钛催化剂表面NO2吸附特性,基于此得到了钒钛催化剂上的快速SCR反应机理。理论模拟计算发现,对于新鲜的钒钛催化剂,NO2倾向于吸附在其TiO2载体表面而不是钒活性位点上。NO2-TPD实验证明在钒钛催化剂上NO2的吸附量与钒氧化物的负载量成反比。对于被还原后的钒钛催化剂,模拟计算、设计实验、以及XPS表征等手段均证明了NO2可以与表面被还原的V4+Ox物种发生强烈的相互作用并将其氧化为高价态的V5+Ox。根据钒钛催化剂表面NO2不同的吸附特性分析得到NO2在钒钛催化剂上快速SCR反应中有两种不同的作用机制:一是NO2对被还原钒活性位点的加速重氧化作用,另一种是NO2首先在TiO2表面吸附,然后与催化剂表面吸附NH3反应生成硝酸铵盐继而与气相NO反应的硝酸铵盐路径。四、对钒钛催化剂上标准及快速SCR反应中主要副反应产物N2O的生成特性及机理进行了研究。通过不同温度、钒负载量、反应气氛条件下N2O生成量的测试得到了SCR反应过程中N2O两种不同的生成特性。在快速SCR反应中,N2O通常在低温下生成,催化剂表面吸附的NO2与NH3反应后生成的硝酸铵盐的热分解是低温下N2O释放的主要途径;而在标准SCR反应中,N2O主要在高温下生成,通过NH3-TPD,H2-TPR,以及相关动力学实验发现高温N2O生成量与NH3浓度和催化剂的氧化性正相关,进一步分析发现钒Lewis酸性位点上吸附的NH3可以在活性位点氧化性的作用下通过两步脱氢步骤生成NH,继而与NO气体反应生成N2O。五、研究了水蒸气对钒基催化剂上标准及快速SCR反应的影响。发现快速SCR反应比标准SCR反应有更强的抗水性能。通过一系列的动力学实验结合理论计算的研究,得到H2O和NH3在催化剂表面的竞争性吸附是H2O抑制SCR反应的重要影响因素之一。而对于快速SCR反应,由于反应气氛中NO2的快速重氧化作用可以使快速SCR反应始终保持较高的反应速率,从而了展现良好的抗H2O影响性能。