烟气脱硝：SCR催化剂热烧结失活

 

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催化剂的化学成分决定了催化剂的活性，化学成分的改变也会影响催化剂活性。现阶段使用的最广泛的SCR催化剂，即V2O5一WO3/TiO2，钒基作为其活性成分的优越性在实践中得到了验证。同时，催化剂结构的变化也会影响其活性。催化剂的结焦和热失活正是由于高温而造成的催化剂结构和性能的改变导致的。

催化剂在使用过程中，由于温度过高，会出现催化剂微晶尺寸逐渐增大，或原生粒长大的现象(针对高分散金属催化剂)。

1.对于烧结过程，有以下几种机理

（1)蒸发一冷凝机理。

对于挤压成型的催化剂颗粒，由于在凸面上蒸汽压力要比在平面或凹面上高的原因，存在着从构成催化剂的微粒表面向微粒之间的凹陷部位蒸发的趋势。

（2)体积扩散机理。

当金属粒子较小，金属原子和载体表面之间的相互作用弱于金属原子间相互作用时，当温度达到一定数值时，晶体在载体表面迁移，并聚集成较大晶粒。

（3)晶界扩散机理。

2.金属原子经由表面从一个晶粒转移到另一个晶粒包括三步:

（1)金属原子从晶粒转移到载体表面;

（2)金属原子在载体表面上迁移;

（3)迁移的原子和别的晶粒相遇而被俘获，或者由于温度下降，或者由于达到表面能量陷阱部位而定居下来。

载体金属催化剂的烧结是哪种机理起主要作用，要看具体的金属组分和载体的性质及其反应条件才能确定。

3.根据烧结原理可将烧结分为以下两种类型:

（1)比表面积减少。此种情况表现为微晶之间发生黏附，微小颗粒黏附聚结成大颗粒，比表面积急剧下降，细孔直径增大，孔容减少。

（2) 晶格不完整性减少。制备的催化剂一般都存在位错或缺陷等不完整的晶格，在这些晶格不完整部位附近的原子具有较高的能量，形成催化剂的活性中心，而化剂在高温条件下产生新的介稳表面或使不稳定表面消失，并在扩散阶段发生晶型转变，使晶格不完整性减少或消失，结晶长大、结构稳定化，造成催化剂活性部位显著减少。金属的升华热和杂质的存在也会影响烧结。

 

烧结主要发生在作为载体物质的TiO2颗粒之间，这是催化剂失活的重要原因之一。催化剂烧结属于结构发生变化导致的不可再生失效，其变化示意图如图1所示，长时间在高温烟气下运行，分布均匀的细小的TiO2颗粒会发生聚并，催化剂表面的孔隙率和比表面积下降，催化活性下降，从而造成了脱硝效率的下降。一般烟气温度高于400℃时，烧结就开始发生。在实际脱硝工艺运行过程中，催化剂烧结最高可承受温度在420℃左右。烧结后的催化剂由锐钛型转化成金红石型，微孔数量锐减，活性位数量锐减，催化剂脱硝效率下降。在这种情况下，WO3作为稳定成分就发挥了其重要的意义，适当提高催化剂中WO3的含量，可以提高化剂的热稳定性，从而提高其抗烧结能力。

 

将催化剂在实验室中进行活性性能测试，得到上述温度变化对比度。由图2就可看出，当催化剂长时间处于高温(>500℃)时，催化剂性能得到明显减弱。高温除了引起催化剂的烧结外，还会引起其他变化，如化学组成和相组成的变化;活性组分被载体包埋;活性组分的聚集;活性组分生成挥发性物质而损失等，这些变化称为热失活。其中，高温下所引起的γ一Al2O3转变为α-Al2O3,就是相转变的典型例子。另外，相转变和相分离的结果引起催化剂失活除了会引起活性和选择性改变，还会使催化剂强度下降，容易破碎。

 

图 2 烧结失效后脱硝活性随温度变化图

在某些情况下，由烧结引起的催化剂结构状态和性能的变化情况非常复杂，其中也包含热失活的因素，因而二者之间有时又难以明确区分。