SCR催化剂表面硫酸氢铵分解机制及催化剂改性研究

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选择性催化还原(SCR)是燃煤电厂烟气脱硝的主流技术,烟气脱硝时形成的硫酸氢铵(ABS)会粘黏飞灰堵塞催化剂。随着超低排放和全负荷脱硝政策的全面实施,解决ABS堵塞问题迫在眉睫。国内外研究侧重于宏观上ABS对催化剂的影响,关于ABS在催化剂表面的吸附分解机制并未进行深入探讨,现有研究在活性物质对ABS分解的影响存在矛盾,缺乏不同助剂解决ABS堵塞问题能力对比及机理研究。本文通过密度泛函(DFT)结合相关实验研究了ABS在催化剂表面的吸附特性和分解特性。发现ABS在载体表面优先在TiO2(001)表面发生解离吸附,分解产生的SO42-离子与Ti原子发生强键合作用,导致ABS热分解峰温度提高。钒氧化物会抑制ABS的吸附,形成保护层隔离SO42-离子与Ti原子,从而促进ABS分解。结果表明ABS与催化剂表面键合强度越强,分解温度越高,为催化剂改性研究提供理论基础。从微观层面上看,ABS在催化剂表面吸附会产生硫物种和高密度钒氧化物提高催化剂活性;而在宏观层次,ABS含量增高时,会堵塞催化剂孔径导致催化剂活性降低。通过DFT对催化剂进行改性研究,对比W、Mo、Sb和Nb四种助剂,发现W和Mo能够提高催化剂活性的同时,保证其SO2氧化率,其中仅V2O5-MoO3/TiO2具有较强的抗ABS堵塞性能。V2O5-Sb2O5/TiO2无法形成B(Brownsted)酸,且会与SO2反应生成SO3;V2O5-Nb2O5/TiO2的L(Lewis)酸对电子吸引能力弱,SO2氧化率高。通过活性实验、TPDC(程序升温热分解)和TPSR(程序升温表面反应)实验证明V-5Mo/T相比V/T和V-5W/T催化剂,低温反应活性最强,负载ABS后能够在更低温度分解释放出SO2并且低温下与NO反应性最强。通过一系列表征证明,ABS在V-5Mo/T催化剂表面发生解离吸附后,S原子电荷量基本不变,促使其热分解温度大大提前,NH4+主要以L酸吸附形式存在,增强其低温反应活性并促进ABS的分解。
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