氨气的摩尔质量为什么是17？超低排放改造情景下燃煤电厂脱硝催化剂的表征、活性及其影响因素又是怎样的呢？让我们一起深入。
北极星大气网报道，摘要指出脱硝催化剂活性变化是影响燃煤电厂NOx去除效率的关键因素。为实现稳定的超低排放目标，燃煤电厂调整了喷氨量，这改变了催化剂的运行工况条件，可能会缩短其使用寿命。而目前关于超低排放改造后催化剂失活的研究还比较少。以超低排放改造情景下的脱硝催化剂为研究对象，进行了深入的研究。
关键词涉及脱硝催化剂、超低排放改造和催化剂失活等。氢铵光化学烟雾、雾霾和酸雨等环境问题对人类健康产生严重影响，燃煤电厂排放的 NOx被认为是这些问题的主要原因之一。为了控制 NOx的排放，选择性催化还原脱硝技术（SCR）已被广泛应用于燃煤电厂。其中，具有蜂窝结构的V2O5-WO3/TiO2催化剂因其高活性和高SO2抗性，是SCR催化剂中使用最广泛的一种。节能减排的重点已经从之前的领域转向脱硝领域，而SCR脱硝催化剂是其中的核心部件。在实际运行中，由于催化剂暴露于高浓度SO2以及富含碱金属和重金属的烟气中，其脱硝活性会逐渐降低。研究表明多种因素可能导致催化剂失活。超低排放改造情景下的研究是一个重要且相对新的研究领域。为了达到超低排放目标，燃煤电厂调整了运行策略，增加了喷氨量，这导致了一些新的问题出现，例如氨逃逸问题突出等。在此背景下，研究超低排放改造情景下燃煤电厂脱硝催化剂的表征、活性及其影响因素显得尤为重要。
主要选取安徽省某燃煤火电机组连续运行的不同时间段的V2O5-WO3/TiO2催化剂进行研究。通过实验材料的选择与实验设计，对比分析了新旧催化剂的理化性质和脱硝活性差异。了超低排放改造前后催化剂失活的主要因素及机制差异。也详细阐述了实验方法和步骤。通过对不同运行时间的旧催化剂进行表征和活性测试，我们发现随着运行时间的延长，催化剂的活性和主要组分含量逐渐降低。特别是相较于新催化剂，运行后的催化剂表面颗粒聚集，比表面积下降。过量氨逸出会导致盐在催化剂表面的形成和沉积加剧。这些现象在超低排放改造后尤为明显，可能是导致催化剂失活加快的主要因素。总体来说，超低排放改造后催化剂失活的主要因素包括K、Na、As的沉积、盐的形成和沉积、V价态的改变以及化学吸附氧含量的降低等。这些因素的深入研究将有助于我们更好地理解和解决燃煤电厂超低排放改造后脱硝催化剂失活的问题。这对于提高燃煤电厂的运行效率和环保水平具有重要意义。更多详细内容可通过查阅相关研究报告进行了解。催化剂样品特性分析与活性测定
将收集到的催化剂样品切割成特定的小矩形结构，其长、宽、高分别约为200mm×25mm×25mm，共9个通道。从外观观察，新生产的催化剂孔隙发育正常，然而运行三次后的催化剂表面，孔隙多被飞灰所堵塞。
一、催化剂的物理和化学特性表征
我们采用了多种先进仪器对催化剂进行细致的分析：
1. 使用X射线荧光光谱仪（XRF）对催化剂进行元素分析，该仪器由德国斯派克公司制造，型号为Xepos，配备了Pd靶X射线管。
2. 采用Optima 2100 DV型电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES）和美国珀金埃尔默公司的AFS-930型双通道原子荧光光谱仪进行痕量元素分析。
3. 利用X射线衍射仪（XRD）测定催化剂的结晶相，该仪器产自荷兰飞利浦公司。
4. 通过Tristar II 3020型比表面积分析仪测量催化剂的比表面积、孔容和孔径。
5. 使用Mira 3 Lmh型扫描电子显微镜（SEM）对催化剂的表面形貌进行分析。
6. 采用Nicolet 870型傅立叶变换红外光谱仪（FT-IR）和ESCALAB 250Xi型光电子能谱仪（XPS）分别分析催化剂的特征基团和表面元素化合价。
二、催化剂活性评价与计算
催化剂活性评价装置包括气体供应、气体混合、固定床反应器和烟气分析四个部分。固定床的气体混合器和催化剂活性模拟反应器由波露明公司设计和制造。实验模拟烟气条件设定如下：NO为120μL/L，SO2为200μL/L，氧气体积分数为2%，水体积分数为6%，以N2作为载气，温度为350℃，空速（GHSV）为10000h-1，氨氮摩尔比为0.88。进出口的O2、NO和SO2使用MGA-5型烟气分析仪在线监测。催化剂的NOx转化率（η）和活性（K）根据特定的计算公式进行计算。
三、结果与讨论
1. SCR催化剂表征：SCR催化剂的主要成分为TiO2、V2O5、WO3，并含有其他添加剂如Si、Al、Ca和S。通过XRF测得样品的主要元素含量如表1所示。新催化剂中TiO2的质量分数为84.77%，而在运行后的催化剂中均有所下降。运行后的催化剂中Si元素的质量分数约为新催化剂的两倍，而S元素在超低排放改造后的样品中明显增加。所有催化剂的CaO含量几乎保持不变。
表2展示了通过ICP-OES和AFS测量的痕量元素的质量分数。运行后的催化剂中K、Na、P和As的质量分数明显高于新催化剂。长时间运行的催化剂中微量元素的富集率表现出明显差异，例如Na在某些催化剂中的质量分数比新催化剂高很多倍。As在某些运行后的催化剂中的质量分数也显著增高。研究表明，烟气中的碱金属可能吸附在催化剂的活性位点上，影响催化剂的性能。重金属，特别是砷（As），对SCR催化剂的毒害作用显著。当砷的浓度在1 μg / m3至10 mg / m3之间时，它会以As2O3的形态存在于气相中。As2O3气体分子会吸附在催化剂的孔隙中，占据路易斯酸性位点，导致催化剂失去活性。除此之外，水溶性离子如K、Na、P和As在运行过程中也会占据催化剂活性中心的酸性位点，降低其活性。
值得注意的是，相较于主要成分浓度的变化，痕量元素如K、P、Na、As的浓度随着运行时间的改变幅度更大。这表明痕量元素浓度的变化是催化剂活性降低的主要因素。
通过XRD光谱分析，新旧催化剂都表现出锐钛矿型TiO2的典型衍射峰，但没有检测到其他晶体氧化物的衍射线。锐钛矿型的TiO2是催化活性结构，但在持续高温下，它会转化为没有催化活性的金红石或板钛矿，导致催化剂失活。幸运的是，XRD光谱中并未发现金红石或板钛矿晶相的衍射峰，表明它们可能以少量非晶态存在或低于检测极限。
新催化剂和运行后的催化剂的SEM微形貌特征也有所不同。新催化剂表面颗粒分布均匀，呈现规则的球形。运行后的催化剂表面颗粒则表现出粗糙、聚集和烧结的现象。这表明高温烟气是导致催化剂在运行过程中烧结的主要原因。
随着运行时间的延长，催化剂的表面积有所下降，而孔容和平均孔径却有所增加。新催化剂的中孔丰度高，而在长时间运行后，相对大孔径的丰度增加。所有催化剂的N2吸附等温线都属于IV型吸附/解吸等温线。
红外光谱图显示，新催化剂在975 cm-1处有一个弱吸收峰，对应于V=O键，而在850～ cm-1处的宽吸收峰则对应于锐钛矿TiO2。长时间运行的催化剂在975 cm-1或978 cm-1处存在与新催化剂相似的吸收峰。与新催化剂相比，运行后的催化剂在1100 cm-1附近出现了明显的SO42–吸收峰，表明有硫酸盐形成，硫含量增加可能是催化剂失活的主要原因之一。烟气中的高浓度SO2、NH3和H2O形成的铵盐也会导致空预器表面腐蚀和堵塞，沉积在SCR催化剂孔隙中使其活性下降。
除此之外，催化剂中钒元素含量及其价态的变化也是导致SCR脱硝催化剂活性变化的重要因素之一。当V4+/V5+比值较高时，催化剂的酸性位点增加，表观活化能下降，脱硝活性也随之提高。XPS光电子能谱分析显示，新催化剂与长时间运行后的催化剂在V5+、V4+和V3+的结合能上有明显差异，且随着运行时间的增加，V3+在催化剂中的占比逐渐增大。
重金属如砷的毒害、痕量元素的影响、高温导致的结构变化以及硫酸盐的形成和钒元素价态的变化都是影响SCR催化剂活性的重要因素。经过深入研究，我们发现了一些关于催化剂性能的重要信息。具体来说，新催化剂中V5+和V4+的占比分别为40.8%和59.2%。随着运行时间的延长，Used-1、Used-2和Used-3催化剂中V4+的占比逐渐下降，同时伴随着V4+/V5+比值的降低。这一现象在光电子能谱分析中得到了进一步证实，显示催化剂表面存在不同类型的氧，其中包括晶格氧和化学吸附氧。长时间运行后，催化剂表面的化学吸附氧比例降低。
接下来，我们了SCR催化剂的活性及其影响因素。新催化剂在350℃下的脱硝效率显著高于长时间运行的催化剂。当NH3/NO摩尔比为0.88时，新催化剂的脱硝效率约为82.3%，而其他运行后的催化剂效率有所降低。特别是在超低排放改造后，由于喷氨量增加，控制NH3/NOx摩尔比和氨逃逸率变得更加困难，催化剂活性受到影响。ABS堵塞风险也随之增加。
针对超低排放改造后影响脱硝催化剂活性的因素，我们可以归纳如下：
一、催化剂表面盐的形成和累积是导致其活性降低的关键因素之一。烟气中的高浓度SO2导致硫酸盐在催化剂表面形成。这些盐不仅阻塞催化剂孔隙，降低比表面积，还会覆盖活性部位，导致催化剂活性下降。超低排放改造后，过量氨逸出加剧了这一过程。
二、有害元素（如K、Na、As）的增加也是SCR催化剂失活的另一主要原因。这些元素减少催化剂中的酸性位点数量，导致催化剂失活。XRF分析显示，长时间运行后的催化剂中这些元素的含量明显增加。超低排放改造后，这些元素在催化剂表面的沉积也可能是长时间运行中催化剂失活的主要因素之一。
三、催化剂表面V4+/V5+比值以及化学吸附氧百分含量的降低也可能是导致催化剂失活的关键因素。高V4+/V5+比值有利于提高催化剂活性，而长时间运行后的催化剂这一比值降低。化学吸附氧在反应中具有更高的活性，长时间运行后的催化剂表面化学吸附氧百分含量降低也影响了催化剂的活性。
为了确保SCR催化剂在高排放标准下的持续性能，我们需要关注其表面盐的形成、有害元素的增加以及V4+/V5+比值和化学吸附氧百分含量的变化。针对这些因素采取相应的措施，以延长催化剂的使用寿命并提高其效率。借助一系列物理与化学分析手段，我们对燃煤电厂超低排放改造过程中V2O5-WO3/TiO2催化剂的实时动态特性进行了深入研究。在长时间的连续运行过程中，我们发现催化剂的活性显著降低，这一变化在新旧催化剂之间尤为明显。超低排放改造后的燃煤电厂，由于氨逃逸现象加剧，导致催化剂表面盐分沉积增多。这种沉积现象与改造前相比，加速了催化剂的失活速率。K、Na、As等元素在催化剂表面的聚集和热烧结现象，也进一步促使催化剂中V的价态发生改变，并降低了催化剂表面化学吸附氧的含量。这些元素在催化剂运行中的动态变化，尤其是V4+/V5+比值的调整和表面化学吸附氧的减少，被认为是超低排放改造后催化剂失活的关键因素。
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关于燃煤机组脱硫脱硝中的催化剂问题，它是整个清洁煤电领域中的核心组件之一。对于燃煤脱硝催化剂的检测分析，目前行业内正在进行大量的研究和实践。这些催化剂的性能直接影响到燃煤电厂的排放效果，因此对其性能进行全面准确的检测与分析至关重要。这不仅涉及到催化剂的物理化学性质，还包括其在不同运行条件下的实际表现。通过这些研究，我们可以更好地理解催化剂的活性、选择性和稳定性等关键指标，从而推动燃煤电厂排放控制技术的进步。
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