超低温脱硝催化剂的抗水/硫/硝铵中毒研究进展

创新点

通过NH₃选择性催化还原（NH₃-SCR）技术实现氮氧化物（NO_x）的深度减排是我国大气环保领域的一项紧迫任务。目前，随着脱硝重心由燃煤电厂向非电行业转移，脱硝催化剂的工作温度也出现低温化发展的转变趋势。本文从温度降低带来的脱硝催化剂性能变化出发，重点从脱硝催化剂结构调变、组合净化工艺选择以及反应气氛调控等角度，对现有抗水/硫/硝铵中毒策略进行归纳总结，并探讨其抗中毒机理。最后，结合实际应用需求，对超低温脱硝催化剂抗中毒研究的未来发展方向进行了展望。

通讯作者简介

汤常金教授

汤常金，南京师范大学环境学院教授，博士生导师。《中国稀土学报》（中、英文版）青年编委，中国化工学会稀土催化与过程专业委员会秘书长。江苏省杰出青年基金获得者，研究兴趣集中在环境催化材料创制及其在大气污染物治理中的应用。在Environmental Science & Technology、Applied Catalysis B、ACS Catalysis等期刊发表论文110余篇，Google学术总引7800余次，H因子50。作为项目负责人先后主持国家自然科学基金项目4项，参与“863”稀土专项1项。获江苏省科学技术一等奖、江苏省环境科学学会“青年科技奖”等荣誉。

孙敬方高级工程师

孙敬方，博士，南京大学现代分析中心，高级工程师。2013年获南京大学化学化工学院理学硕士学位。现为江苏省化学化工学会大气化学与污染治理专业委员会秘书长。研究方向为金属氧化物及稀土基催化功能材料的创制及其在大气分子污染物催化消除（移动源和固定源NO_x、CO等）的应用。在Applied Catalysis B: Environmental，Environment Science & Technology, Journal of Catalysis等国内外知名学术刊物发表科研论文60余篇，申请专利20余项，获授权9项。参与《稀土铈基环境催化材料》科研专著一部。目前，主持国家自然科学基金青年项目一项，作为主要技术人员参与国家基金委重大科学仪器研制专项、国家高技术研究发展计划（863项目）、国家自然科学基金，江苏省工业支撑项目等多项。

第一作者简介

安冬琦博士研究生

安冬琦，南京大学化学化工学院博士研究生。主要研究方向：环境污染物-氮氧化物的催化消除机制。已发表论文：Environmental Science & Technology，The Journal of Physical Chemistry C，Chinese Journal of Chemical Engineering等。

超低温脱硝催化剂的抗水/硫/硝铵中毒研究进展

作者

安冬琦¹，程倩妮²，宋旺¹，赵勇刚³，孙敬方^4,*，汤常金^5,*，董林^1,2

单位

1. 南京大学化学化工学院江苏省机动车尾气污染控制重点实验室

2. 南京大学环境学院

3. 江苏宁天环境科技有限公司

4. 南京大学现代分析中心

5. 南京师范大学环境学院江苏省环境风险防控与应急响应技术工程研究中心

基金项目

1. 江苏省杰出青年基金资助项目（BK20230007）

2. 国家自然科学基金青年科学基金资助项目（22202100）

3. 国家自然科学基金面上资助项目（22276097）

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摘要

氮氧化物（NO_x）的深度减排是我国大气环保领域的一项紧迫任务，以氨为还原剂的选择性催化还原（SCR）是工业烟气NO_x治理的主流技术。随着脱硝重心由燃煤电厂向钢铁、水泥等非电行业转移，脱硝催化剂的工作温度也出现低温化发展的转变趋势，特别是经湿法或半干法脱硫处理后，烟温多低于150℃。在此背景下，如何实现脱硝催化剂的长效稳定运行是SCR技术应用面临的一项严峻挑战。温度降低不仅会加剧水、硫中毒失活，还容易产生新的硝铵盐沉积问题。从温度降低带来的脱硝催化剂性能变化出发，在对不同干扰物种（H₂O、SO₂、NH₄NO₃）诱导催化剂失活及其特征作简要介绍的基础上，重点从脱硝催化剂结构调变、组合净化工艺选择以及反应气氛调控等角度，对现有抗水/硫/硝铵中毒策略进行归纳总结，并探讨其抗中毒机理。最后，结合实际应用需求，对超低温脱硝催化剂抗中毒研究的未来发展方向进行了展望。

研究背景

加大污染防治攻坚力度、持续改善环境空气质量是我国生态文明建设的一项重要任务。得益于“九五”“十五”和“十一五”的多年攻关，我国粉尘和硫氧化物污染问题已得到有效控制，而由于对氮氧化物（NO_x）的防控研究起步晚（从“十二五”开始列入约束性指标）、治理难度大，一直未能得到彻底解决，特别是非电行业脱硝任务异常艰巨，NO_x排放浓度值仍处于200mg/Nm³以上的高位。2019年4月，生态环境部等五部委联合发布《关于推进实施钢铁行业超低排放的意见》，要求钢铁行业全面执行超低排放标准（NO_x<50mg/Nm³），由此拉开了非电行业NO_x深度减排的大幕。

以氨为还原剂的选择性催化还原（Selective Catalytic Reduction, SCR）技术是当前工业烟气脱硝的主流技术。不同于电力行业SCR脱硝单元的中温高尘布置方式，非电行业SCR脱硝往往考虑采用低温低尘的布置方式，即脱硝单元置于除尘器和脱硫塔之后。在此情况下，烟气经脱硫处理后温度降至150℃以下。此外，从脱硝催化剂运行的角度考虑，广泛使用的商业V₂O₅-WO₃/TiO₂催化剂的化学性质决定了其工作温度窗口难以下探至150℃以下。部分行业的排烟温度位于150℃附近及以下，如烧结烟气和水泥生料磨出口处。鉴于此，有必要对目前广为熟知的低温脱硝技术进一步细分，即包括传统的低温脱硝（150~300℃）和超低温脱硝（<150℃）两段温度范围。对于低温段，仍可基于传统的V₂O₅/TiO₂催化剂开展研发工作，而对于超低温脱硝，则需要寻求新的催化剂体系。

超低温运行工况的出现，对脱硝催化剂性能的提升与反应机理研究提出新的挑战，也给毒化分子的行为特征带来诸多变化。现有研究在中高温和低温抗中毒方面已积累了较为丰富的认识，但对温度进一步降低带来的毒化分子的行为变化、失活特征及对应的抗中毒策略，仍缺乏系统性的深入了解。基于该情况，本文从温度降低带来的脱硝催化剂性能变化出发，在对不同干扰物种诱导催化剂失活及其特征作简要介绍的基础上，重点从脱硝催化剂结构调变、组合净化工艺选择以及反应气氛调控等角度，对现有的抗水/硫/硝铵中毒策略进行归纳总结，并探讨了其抗中毒机理。最后，结合实际应用需求，对超低温脱硝催化剂抗中毒研究的未来发展方向进行了展望，以期为相关研究人员提供有益的理论借鉴与参考。

部分图片

图1 温度变化对H₂O在催化剂表面的状态影响

图2 硫酸铵盐的生成和分解

图3 MnO_x超疏水层对脱硝性能的影响^[11]

引文格式

安冬琦, 程倩妮, 宋旺, 赵勇刚, 孙敬方, 汤常金, 董林. 超低温脱硝催化剂的抗水/硫/硝铵中毒研究进展[J/OL]. 能源环境保护: 1-14[2024-06-20]. https://doi.org/10.20078/j.eep.20240605.

AN Dongqi, CHENG Qianni, SONG Wang, ZHAO Yonggang, SUN Jingfang, TANG Changjin, DONG Lin. Research advances in anti-water/sulfur/ammonium nitrate poisoning of ultra-low temperature denitrification catalysts[J/OL]. Energy Environmental Protection: 1-14[2024-06-20]. https://doi.org/10.20078/j.eep.20240605.

　　责任编辑：宫在芹

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