車用NH3-SCR催化劑失活研究分析

穆春芳

（長安大學汽車學院，陜西 西安 710064）

前言

車用NH3-SCR催化劑主要分為金屬氧化物V2O5-WO3/TiO2型和銅基/鐵基/銅鐵復合基分子篩型兩類[1]。根據催化劑外型結構主要分為蜂窩式、波紋式、平板式催化劑，蜂窩式具有耐磨損、活性高、機械強度大、壽命長、體積小等優點，約占市場的45%[2]。關于 NH3為還原劑的SCR反應機理目前主要有兩種觀點：Lamgmuir-Hinshelwood機理和Eley-Rideal機理[3]。Topsoe[4-5]采用理論推導的方式研究了NO-NH3的反應機理。上述這些機理的研究都有助于我們更好地了解NH3-SCR催化劑的失活原因。

1 SCR催化劑的失活原因

1.1 熱失活和燒結失活

柴油車NH3-SCR催化劑長時間連續運行在高溫環境下，會引起催化劑化學組分和化學結構的變化，活性組分被載體包埋，活性組分由于生成揮發性物質或可升華的物質而損失等，這些變化稱為熱失活[6]。如NH3-SCR催化劑中活性物質如V205會在一定條件下揮發到空氣中，這就造成脫硝率大幅下降。長期高溫還有可能造成活性組分晶體長大，造成催化劑的比表面積減小。稱為催化劑的燒結。催化劑的燒結不僅僅造成脫硝率降低，還會增加排氣阻力，增加發動機的功耗。所以應盡可能避免是催化劑在長期高溫的環境下工作，降低催化劑的溫度窗口，使其在較低溫度下也可以使用。

1.2 中毒失活

在SCR催化劑中毒失活中，堿金屬的影響最大，它的毒性與其堿性呈正相關，毒性排序依次為：Cs2O＞Rb2O＞K2O＞Na2O＞Li2O7[7]。堿金屬會與催化劑中的活性中心反應，會引起活性基團的團聚導致催化劑失活。大部分的NH3-SCR催化劑都是以V205為活性物質，存在B酸位和L酸位。而堿金屬如鉀、鈉等會與V205反應，使B酸位減少，降低催化劑活性。SCR催化劑中活性組分的B酸位數量減少和穩定性降低這兩個因素使得催化劑對NH3和表面氧吸附量減少，最終使得催化劑的活性降低[8]。

1.3 堵塞失活

由于柴油機燃燒排出的廢氣中有顆粒物，會沉積在催化劑表面，造成催化劑比表面積減少，吸附效率下降，造成催化劑失活。由于我國大部分的柴油中都含有S元素，燃燒后產生的SO2會與催化劑中的CaO在高溫下生成CaSO4沉淀。隨著使用時間的增加，附著在催化劑表面的CaSO4沉淀不斷增加，堵塞催化劑的孔隙，造成催化劑失活。

2 SCR催化劑的再生

2.1 失活催化劑的再生方法

由于柴油燃燒會產生各種廢氣和顆粒物，催化劑長時間使用后就需要定期進行檢查更換，所以催化劑的再生對于節約成本，提高催化劑的使用壽命有重要作用。其中催化劑再生的方法優缺點如下表1所示。

表1 SCR催化劑再生的方法優缺點

當再生獲得的催化劑重新使用后，依然會發生中毒、堵塞等失活現象，所以更好地方法是向其中添加抗毒組分，目前這方面的研究還不明朗。

3 結語

催化劑是NH3-SCR技術手段的重要組成部分，催化劑的隨使用時間的延長而失活是不可避免的。為了盡可能的延長催化劑的使用時間，增加其使用壽命，需要：

1）降低催化劑的溫度窗口，避免催化劑的熱失活和燒結失；

2）向催化劑中添加抗毒組分，避免催化劑的中毒失活；

3）盡量過濾柴油燃燒廢氣中的顆粒物，避免催化劑的堵塞。

催化劑的再生不僅有利于節約成本，還可以減少活潑金屬的使用，避免廢棄催化劑對環境帶來二次污染。