烟气条件对V-Ti-W 催化剂催化氯苯氧化性能的影响

赵 博，李浙飞，沈刚峰，詹晓丹，王 阔

（浙江德创环保科技股份有限公司，浙江 绍兴 312000）

0 引言

随着我国城市化进程的不断推进，“垃圾围城”问题日益突出，焚烧处理是目前国内外主流的生活垃圾处理方式，但其带来的二噁英污染问题却不容忽视[1]。催化降解技术被认为是控制二噁英最具前景的技术之一[2]，其核心在于催化剂。V-Ti-W 催化剂具有一定的二噁英催化氧化活性[3]，其中V2O5是第一活性成分，相对Mn、Fe、Cr等的氧化物，其催化氧化二噁英的效果最好[4-6]；WO3是第二活性成分，可以提高催化剂的催化活性[7]。本文以氯苯为探针反应物[8]，研究了蜂窝状V-Ti-W 催化剂在不同烟气条件下的氧化性能，为实际工程应用设计提供参考。

1 催化剂的制备及氯苯氧化性能测试

1.1 催化剂的制备

使用整体式挤出成型法制备V-Ti-W 催化剂，将一定量的锐钛型钛白粉、偏钨酸铵、偏钒酸铵和辅助添加剂混炼成塑性泥料，经过滤预挤出、成型挤出、一次干燥、二次干燥、煅烧和切割后，获得18×18 孔、150×150×400 mm 的蜂窝式V-Ti-W 催化剂，其中V2O5和WO3的含量分别为2.02 wt%和5.07 wt%。

1.2 催化剂催化氯苯氧化性能测试

将制得的V-Ti-W 催化剂切成3×3 孔、300 mm 长度的蜂窝状样品用于催化氯苯氧化性能测试，测试装置如图1 所示。

NO、SO2、O2等气体分别由气瓶经减压阀、质量流量计、混合器和预热炉后进入反应器；NH3则经过质量流量计后单独一路通入预热器；氯苯由氯苯蒸汽发生仪提供，以氮气作为载气进入混合器；H2O 通过液体计量泵，经汽化器汽化进入保温管路后进入混合器。反应器可程序控温，反应后的烟气经尾气处理装置后外排。采用傅里叶红外光谱仪在线同时检测模拟烟气中的NO、H2O、SO2、氯苯等烟气组分含量，每次试验测试前稳定反应1 h 以上后再测试。

图1 催化剂催化氯苯氧化性能测试装置

2 结果与讨论

2.1 H2O 含量的影响

在氯苯浓度为10 μL/L，NO 浓度为200 μL/L，O2含量为12 vol%，n（NH3）/n（NO）为0.25，空速为7500 h-1条件下，H2O 含量对催化剂催化氯苯氧化性能影响如图2 所示。H2O 的加入会抑制氯苯的氧化，随着H2O 含量的增加，氯苯氧化率逐渐降低后趋于稳定。相对于200 ℃，在350 ℃条件下，氯苯氧化率有显著提升，主要原因为温度升高会增加活性组分的反应速率，活化分子百分比也会提升[9]；同时催化剂抗水性也有显著提升，主要原因为水蒸气会附着在催化剂表面，竞争吸附催化剂活性位[10]，故氯苯氧化率降低，当温度提高时，水蒸气吸附能力降低，因而体现出抗水性增加。

图2 H2O 含量对催化剂催化氯苯氧化性能的影响

2.2 SO2含量的影响

在氯苯浓度为10 μL/L，NO 浓度为200 μL/L，O2含量为12 vol%，H2O 含量为10 vol%，n（NH3）/n（NO）为0.25，空速为7500 h-1条件下，SO2含量对催化剂催化氯苯氧化性能影响如图3 所示。于350 ℃时，SO2对氯苯氧化率影响不大；200 ℃时，低浓度的SO2（＜50 mg/Nm3）对氯苯氧化率影响不大，当SO2含量继续提升时，氯苯氧化率会随之降低，主要原因是：在低温条件下SO2会和NH3反应生成硫酸氢铵（ABS），该物质在低温下凝结并附着在催化剂表面，堵塞了催化剂反应通道[11]，从而降低了催化剂催化氯苯氧化活性。

图3 SO2含量对催化剂催化氯苯氧化性能的影响

2.3 氯苯含量的影响

在NO 浓度为200 μL/L，O2含量为12 vol%，H2O 含量为10 vol%，n（NH3）/n（NO）为0.25，空速为7500 h-1条件下，氯苯含量对催化剂催化氯苯氧化性能影响如图4 所示。随着氯苯含量的增加，氯苯氧化率逐渐降低。当氯苯浓度增加时，会加剧其在催化剂表面有限活性位上的竞争，从而导致氯苯氧化率的降低[12]。

2.4 n（NH3）/n（NO）的影响

在氯苯浓度为10 μL/L，NO 浓度为200 μL/L，O2含量为12 vol%，H2O 含量为10 vol%，空速为7500 h-1条件下，n(NH3）/n(NO)含量对催化剂催化氯苯氧化性能影响如图5 所示。随着氨氮摩尔比的提升，氯苯氧化率逐渐降低，在低温下的降幅更为明显。NH3会竞争吸附V 活性位，并与NO反应生成N2和H2O，而NO 浓度的降低会抑制其和O2反应生成NO2，从而降低催化剂的氯苯氧化率[13]。

图4 氯苯含量对催化剂催化氯苯氧化性能的影响

图5 n（NH3）/n（NO）对催化剂催化氯苯氧化性能的影响

2.5 空速的影响

图6 空速对催化剂催化氯苯氧化性能的影响

在氯苯浓度为10 μL/L，NO 浓度为200 μL/L，O2含量为12 vol%，H2O 含量为10 vol%，n（NH3）/n（NO）为0.25 条件下，空速对催化剂催化氯苯氧化性能影响如图6 所示。随着空速的增加，氯苯氧化率逐渐降低。空速增加，导致反应物与催化剂接触时间缩短，从而使氯苯分子与催化剂活性位的有效碰撞减少，最终导致氯苯氧化率的降低。

3 结论

（1）在高温下（350 ℃），V-Ti-W 催化剂具有较好的氯苯氧化效果（＞90%），且具有良好的抗H2O 和抗SO2性，n（NH3）/n（NO）、空速和氯苯浓度增加均会抑制氯苯的催化氧化。但在实际应用条件下，高温烟气中还存在较高的飞灰，而飞灰中会吸附部分二噁英，这部分二噁英能否被催化剂氧化仍需要验证。

（2）在低温下（200 ℃），V-Ti-W 催化剂的氯苯氧化效果并不理想（30%左右），且抗H2O 和抗SO2性较差，n（NH3）/n（NO）、空速和氯苯浓度增加均会抑制氯苯的催化氧化，故需在V-Ti-W 催化剂的基础上，通过调整催化剂配方、添加改性成分、优化生产工艺等方式提升其氧化性、耐H2O和耐SO2性。