V2O5/（TiO2-SiO2）脫硝催化劑新型制備工藝及性能研究

孫春暉，陳永生，劉 偉，許 巖，張景成，于瑞香

（中海油天津化工研究設計院有限公司，天津300131）

選擇性催化還原（SCR）反應技術是目前火力發(fā)電廠應用較為廣泛的脫硝技術［1］。脫硝技術的核心是脫硝催化劑，它可以有效地將煤炭燃燒釋放的氮氧化物還原成氮氣釋放到大氣，真正降低煤炭燃燒對大氣環(huán)境的污染［2］。V2O5是目前脫硝催化劑應用的主流催化劑活性組分。筆者采用V2O5作為催化劑活性組分，以自制7孔圓柱蜂窩鈦硅復合氧化物為載體，用滴膠涂覆法制備V2O5/（TiO2-SiO2）脫硝催化劑。考察了V2O5在鈦硅復合氧化物載體上的分布、V2O5涂覆量等對催化劑性能的影響，并就反應溫度、反應空速、NH3與NO物質(zhì)的量比等條件對脫硝催化劑活性的影響進行了研究。

1 實驗部分

1.1 原料和儀器

原料：五氧化二釩，偏釩酸銨，羥丙基甲基纖維素（HPMC），二氧化鈦（銳鈦礦型），氧化釔，硅溶膠（自制）。

儀器：SLR型遠紅外電磁加熱板；WIGGENS WB6000 D型高速高扭矩攪拌器；DL-101-2BS型電熱恒溫鼓風干燥箱；SX-G03163型節(jié)能箱式電爐；KW-4AD型滴膠機；ULTRAMAT23型氣體分析儀；GPro 500型氨氣分析儀；D/MAX-2500型X射線衍射儀；AutoChemⅡ型全自動化學吸附儀；ASAP2000型比表面分析儀（BET）。

1.2 脫硝催化劑的制備

稱取適量二氧化鈦與酸性硅溶膠混合，加入少量氧化釔充分捏合、成型，經(jīng)干燥、煅燒制備成TiO2質(zhì)量分數(shù)為85%的7孔圓柱蜂窩鈦硅復合氧化物載體（簡稱載體）。稱取一定量NH4VO3置于去離子水中，加入少量HPMC攪拌，加熱至NH4VO3完全溶解。將膠液倒入滴膠機，使膠液注入載體，壓縮空氣吹掃，120℃干燥固化1 h后重復涂覆1次，再經(jīng)120℃干燥6 h，520℃焙燒4 h，制備成V2O5/（TiO2-SiO2）脫硝催化劑（簡稱脫硝催化劑）。

1.3 脫硝催化劑的評價

脫硝催化劑的評價實驗采用固定床管式反應器進行。管式反應器長為40 cm、內(nèi)徑為1.5 cm，外壁采用溫控電加熱，反應器底部鋪裝惰性瓷環(huán)，脫硝催化劑裝填量為1 g。模擬反應煙氣是NO、N2和O2的混合氣，其中N2作為反應平衡氣，O2設定為固定值過量，穩(wěn)定供給。NO、N2和O2分別采用高壓鋼瓶儲存，實驗前按規(guī)定配比混合后備用。還原氣體NH3采用液氨鋼瓶配送。進出管式反應器的氣體采用氣體分析儀進行分析檢測［3］。

2 結果與討論

2.1 XRD分析

圖1為載體、TiO2、SiO2、Y2O3的XRD譜圖。從圖1可知，載體中的TiO2為銳鈦礦型（標準卡片JCPDS 1-562）；SiO2特征峰寬闊、彌散，類似饅頭狀，是無定型SiO2。制備載體時添加了少量Y2O3作為穩(wěn)定劑。由于Y2O3添加量少，XRD未檢測出，使得載體分析表征只出現(xiàn)TiO2特征峰，但是峰強度有所減弱，推測是SiO2嵌入所致。

圖1 載體、TiO2、SiO2、Y2O3的XRD譜圖Fig.1 XRD patterns of support，TiO2，SiO2 and Y2O3

采用滴膠涂覆法制備不同V2O5涂覆量的脫硝催化劑，活性組分V2O5通過滲透、吸附、擴散、沉積等傳質(zhì)過程負載在載體上。圖2為不同V2O5涂覆量（質(zhì)量分數(shù)）的脫硝催化劑XRD譜圖。從圖2看出，不同V2O5涂覆量脫硝催化劑均未檢測出V2O5特征峰［4］，只檢測出載體特征峰。這說明在V2O5涂覆量較低情況下，活性組分在載體表面呈高度分散狀態(tài)。

圖2 V2O5和不同V2O5涂覆量的脫硝催化劑XRD譜圖Fig.2 XRD patterns of V2O5 and the series SCR catalysts with different V2O5 content

2.2 比表面積分析

表1為不同V2O5涂覆量脫硝催化劑比表面積分析結果。由表1可知，隨著V2O5涂覆量由0增加到1.2%，脫硝催化劑比表面積由135.51 m2/g逐漸減小到119.57 m2/g，但是當V2O5涂覆量增加至1.6%時，催化劑比表面積下降幅度相對較大，為89.36 m2/g。

表1 不同V2O5涂覆量的脫硝催化劑比表面積分析結果Table 1 BET analysis results of the series SCR catalysts with different V2O5 content

2.3 H2-TPR分析

100～800℃脫硝催化劑載體化學性質(zhì)相對穩(wěn)定［5-6］，只有活性組分V2O5在H2-TPR分析中出現(xiàn)明顯還原峰。圖3為不同V2O5涂覆量脫硝催化劑H2-TPR圖。從圖3可知，脫硝催化劑在320、440、540℃均出現(xiàn)H2還原峰，這與BOSCH等［7］認為V5+還原需要經(jīng)歷3個階段變化即V5+→V13/3+→V4+→V3+相吻合。但是，當V2O5涂覆量增加至1.6%時，脫硝催化劑在高溫處（640℃）出現(xiàn)更難被氫氣還原的釩氧化合物。

圖3 不同V2O5涂覆量的脫硝催化劑H2-TPR圖Fig.3 H2-TPR spectra of the series SCR catalysts with different V2O5 content

2.4 V2O5涂覆量、反應溫度對脫硝催化劑脫硝活性的影響

采用NH3作為還原劑進行煙氣脫硝反應，在催化劑作用下反應系統(tǒng)發(fā)生的主要化學反應［8］：

在空速為10 000 h-1、n（NH3）/n（NO）=1.2條件下，考察了V2O5涂覆量、反應溫度對脫硝催化劑活性的影響，結果見圖4。從圖4看出，隨著反應溫度升高，NO轉(zhuǎn)化率呈現(xiàn)先升高后降低趨勢，并且在反應溫度為320℃、V2O5涂覆量為1.2%時NO轉(zhuǎn)化率最高，達到93.0%。在脫硝反應過程中，反應溫度從220℃升高到320℃有利于提高NO轉(zhuǎn)化率，但是反應溫度繼續(xù)提高，會發(fā)生NH3氧化反應［9］，使NO轉(zhuǎn)化率下降；脫硝催化劑中V2O5涂覆量增加有利于提高NO轉(zhuǎn)化率［10］，但是涂覆量過高（超過1.2%），反而降低NO轉(zhuǎn)化率。結合脫硝催化劑是經(jīng)過兩次涂覆制備而成，并且催化劑在V2O5涂覆量為1.6%時比表面積降幅相對較大（89.36 m2/g）和H2-TPR分析檢測出催化劑在640℃的高溫時存在更難被氫氣還原的釩氧化合物，可以充分說明原本分散在載體表面上的活性組分隨著V2O5涂覆量的增加，疊加、團聚生成了更致密的釩氧多聚物甚至V2O5晶體［11］。這些物質(zhì)損失了部分催化劑的活性中心，降低了脫硝催化劑的活性［12-14］。綜合上述分析結果可以得出，V2O5涂覆量為1.2%、反應溫度為320℃時，催化劑脫硝活性最好。

圖4 V2O5涂覆量、反應溫度對脫硝催化劑脫硝活性的影響Fig.4 Influence of the V2O5 content and the reaction temperature on the activity of the series SCR catalysts

2.5 空速對脫硝催化劑脫硝活性的影響

在脫硝反應過程中高空速可以提高催化劑的利用率，降低脫硝成本。使用V2O5涂覆量為1.2%的脫硝催化劑，在反應溫度為320℃、n（NH3）/n（NO）=1.2條件下，考察了空速對脫硝催化劑脫硝活性的影響，結果見圖5。由圖5看出，空速對催化劑脫硝活性的影響較大。當空速為5 000、10 000 h-1時，NO轉(zhuǎn)化率分別為93.3%和93.0%，催化劑的脫硝活性相對平穩(wěn)；空速繼續(xù)增大，NO、NH3通過催化劑床層的時間過短，NO、NH3未能與催化活性中心充分接觸即被吹掃而出，降低了NO轉(zhuǎn)化率。為充分合理利用催化劑，空速選定10 000 h-1為宜。

圖5 空速對脫硝催化劑脫硝活性的影響Fig.5 Influence of the space velocity on the activity of the SCR catalyst

2.6 n（NH3）/n（NO）對脫硝催化劑脫硝活性的影響

在煙氣脫硝過程中，NH3量直接影響NO轉(zhuǎn)化率。首先NH3通過氣相擴散吸附到催化活性中心上，然后NO與吸附態(tài)的NH3進行反應生成N2和H2O釋放出去［15］。使用V2O5涂覆量為1.2%的脫硝催化劑，在反應溫度為320℃、空速為10 000 h-1條件下，考察了n（NH3）/n（NO）對脫硝催化劑脫硝活性的影響，結果見圖6。由圖6可知，隨著n（NH3）/n（NO）增加NO轉(zhuǎn)化率提高，但是當n（NH3）/n（NO）＞1.2以后NO轉(zhuǎn)化率趨于穩(wěn)定。這是因為吸附在催化劑活性中心上的NH3達到飽和，多余的NH3并未參與脫硝反應而是直接被排出反應系統(tǒng)。所以，選擇n（NH3）/n（NO）=1.2為宜。

圖6 n（NH3）/n（NO）對脫硝催化劑脫硝活性的影響Fig.6 Influence of the n（NH3）/n（NO）on the activity of the SCR catalyst

2.7 V2O5/（TiO2-SiO2）與工業(yè)脫硝催化劑脫硝活性對比

綜合上述實驗結果制備出V2O5涂覆量為1.2%的脫硝催化劑，在反應溫度為320℃、空速為10 000 h-1、n（NH3）/n（NO）=1.2條件下進行脫硝活性實驗，并與工業(yè)脫硝催化劑對比，結果見圖7。由圖7看出，分別采用自制脫硝催化劑（V2O5涂覆量為1.2%）、工業(yè)脫硝催化劑Ⅰ（V2O5質(zhì)量分數(shù)為6.7%）、工業(yè)脫硝催化劑Ⅱ（V2O5質(zhì)量分數(shù)為2.2%）進行14 d的脫硝活性實驗，平均每天NO轉(zhuǎn)化率分別為93.0%、92.4%、86.7%。對比實驗結果表明，滴膠涂覆法制備的V2O5/（TiO2-SiO2）催化劑性能穩(wěn)定，脫硝活性優(yōu)于工業(yè)脫硝催化劑Ⅰ和工業(yè)脫硝催化劑Ⅱ。V2O5/（TiO2-SiO2）催化劑降低了釩的使用量，節(jié)約了生產(chǎn)成本，減少了環(huán)境污染。

圖7 V2O5/（TiO2-SiO2）與工業(yè)脫硝催化劑脫硝活性比較Fig.7 Comparison of NOconversion amount the V2O5/（TiO2-SiO2）SCR catalyst and two kind of industrial SCR catalyst

3 結論

通過實驗可以得出，采用滴膠涂覆法以自制的7孔圓柱蜂窩鈦硅復合氧化物載體制備的V2O5/（TiO2-SiO2）脫硝催化劑化學性質(zhì)穩(wěn)定。使用V2O5涂覆量為1.2%的脫硝催化劑，在反應溫度為320℃、空速為10 000 h-1、n（NH3）/n（NO）=1.2條件下進行脫硝活性實驗，NO轉(zhuǎn)化率達到93.0%。與目前工業(yè)脫硝催化劑相比，制備的V2O5/（TiO2-Si O2）脫硝催化劑性能優(yōu)良，釩的使用量明顯降低，節(jié)約了生產(chǎn)成本，減少了環(huán)境污染。