钒铈协同脱汞催化剂的颗粒物中毒机制研究

Simultaneous removal of elemental mercury (Hg-0) in coal-fired flue gas using selective catalytic reduction (SCR) equipments is an economically and viable option, while the catalysts in SCR unit are exposed to the flue gas with high concentration of particulate matter (PM), causing particulates poisoning to the catalysts. Previous studies on the particulates poisoning mechanism of catalysts in the process of simultaneous NOx and mercury removal are not yet discussed deeply. Some of the key issues such as the effects of different particulate components on the valence state of the mercury catalytic active center, and the coupling effects among PM, Hg-0 and catalytic active species, are still not clear enough, which has become a bottleneck factor that restricts the application of simultaneous NOx and Hg-0 removal catalytic technology. Based on the academic ideas of pre-research and experiments, this research is to analysis of the effects of PM on the simultaneous catalysis process, to study the changes of key active sites and important surface species between catalysts before and after poisoning, to clarify the coupling effects among PM, Hg-0 and catalytic active species, and to reveal the particulates poisoning mechanism of vanadium and cerium based catalysts for simultaneous NOx and mercury removal in coal-fired flue gas. The research is of great significance to enrich the basic catalytic theory of simultaneous NOx reduction and Hg-0 oxidation, and to optimize the application of simultaneous NOx and Hg-0 removal catalytic technology.

利用选择性催化还原（SCR）脱硝催化剂协同脱除燃煤烟气中的汞（主要为元素汞，Hg-0）是一种经济可行的方法，但催化剂长时间暴露在含飞灰颗粒物的烟气环境中，会面临颗粒物中毒的问题。现有的研究对协同脱硝脱汞过程中催化剂颗粒物中毒反应机理的探讨尚不深入，其中的一些关键问题仍不清楚，如不同颗粒物组分对汞催化活性中心价态的影响，颗粒物组分、汞与催化活性物种之间的耦合作用机制等，成为制约协同脱硝脱汞催化技术应用的瓶颈因素。本研究基于预研预判和实证相结合的学术思路，结合汞在催化剂表面发生氧化反应的特征，研究协同脱汞催化剂中毒前后的关键活性位和重要表面物种的变化规律，阐明颗粒物组分、汞与催化活性物种之间的耦合作用，揭示协同脱汞过程中催化剂的颗粒物中毒机制。该研究对于丰富协同脱硝脱汞催化基础理论，优化协同脱硝脱汞催化技术应用具有重要意义。

利用选择性催化还原（SCR）脱硝催化剂协同脱除燃煤烟气中的汞（主要为元素汞，Hg-0）是一种经济可行的方法，但催化剂长时间暴露在含飞灰颗粒物的烟气环境中，会面临颗粒物中毒的问题。本研究针对催化剂颗粒物中毒的几个关键科学问题，如不同颗粒物组分对协同汞催化活性中心价态的影响规律，颗粒物组分与关键中间物种的反应特征，以及颗粒物组分、汞与催化活性物种之间的作用机制等，开展理论与实验研究。对影响规律的研究结果表明：钒、铈催化剂的中毒效果受颗粒物组分，如碱（土）金属Na、K、Mg、Ca，重金属Pb，非金属元素S和P的附着影响明显。附着量越大，引起的中毒效果越明显。对关键中间物种的反应特征研究结果显示：在反应催化剂的表面，碱（土）金属Na、K、Mg、Ca、重金属Pb和非金属S、P呈现分散覆盖、不同程度集聚、形成粒径较小的新物种为主要特征。关键中间物种的形成和覆盖减弱了催化剂对反应物Hg0吸附，降低了催化剂表面活性物种的结晶程度，减缓了催化反应正向发生，是引起催化剂中毒的重要原因。对催化活性物种之间作用机制的研究结果表明：碱（土）金属会优先和催化剂表面的O=V-OH或O=V-OCl基团结合，减弱催化剂表面活性。进而与催化剂表面的活性V组分反应生成无活性的偏矾酸盐，引起催化剂的碱金属中毒。Pb使钒、铈催化剂上的酸性部位严重受损，吸附和活化功能被抑制。Pb容易与催化剂表面活性O结合形成Pb的氧化物种，降低钒铈催化剂的催化活性，引发催化剂中毒。P一方面会取代催化活性中心V和W，生成P-OH基团。另一方面，P在催化剂表面的V=O活性位发生反应，生成VOPO4类物质，减弱催化活性，引发催化剂中毒。