煙氣條件對V-Ti-W 催化劑催化氯苯氧化性能的影響

趙 博，李浙飛，沈剛峰，詹曉丹，王 闊

（浙江德創(chuàng)環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?，浙江 紹興 312000）

0 引言

隨著我國城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，“垃圾圍城”問題日益突出，焚燒處理是目前國內(nèi)外主流的生活垃圾處理方式，但其帶來的二噁英污染問題卻不容忽視[1]。催化降解技術(shù)被認(rèn)為是控制二噁英最具前景的技術(shù)之一[2]，其核心在于催化劑。V-Ti-W 催化劑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，相對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，可以提高催化劑的催化活性[7]。本文以氯苯為探針反應(yīng)物[8]，研究了蜂窩狀V-Ti-W 催化劑在不同煙氣條件下的氧化性能，為實際工程應(yīng)用設(shè)計提供參考。

1 催化劑的制備及氯苯氧化性能測試

1.1 催化劑的制備

使用整體式擠出成型法制備V-Ti-W 催化劑，將一定量的銳鈦型鈦白粉、偏鎢酸銨、偏釩酸銨和輔助添加劑混煉成塑性泥料，經(jīng)過濾預(yù)擠出、成型擠出、一次干燥、二次干燥、煅燒和切割后，獲得18×18 孔、150×150×400 mm 的蜂窩式V-Ti-W 催化劑，其中V2O5和WO3的含量分別為2.02 wt%和5.07 wt%。

1.2 催化劑催化氯苯氧化性能測試

將制得的V-Ti-W 催化劑切成3×3 孔、300 mm 長度的蜂窩狀樣品用于催化氯苯氧化性能測試，測試裝置如圖1 所示。

NO、SO2、O2等氣體分別由氣瓶經(jīng)減壓閥、質(zhì)量流量計、混合器和預(yù)熱爐后進(jìn)入反應(yīng)器；NH3則經(jīng)過質(zhì)量流量計后單獨一路通入預(yù)熱器；氯苯由氯苯蒸汽發(fā)生儀提供，以氮氣作為載氣進(jìn)入混合器；H2O 通過液體計量泵，經(jīng)汽化器汽化進(jìn)入保溫管路后進(jìn)入混合器。反應(yīng)器可程序控溫，反應(yīng)后的煙氣經(jīng)尾氣處理裝置后外排。采用傅里葉紅外光譜儀在線同時檢測模擬煙氣中的NO、H2O、SO2、氯苯等煙氣組分含量，每次試驗測試前穩(wěn)定反應(yīng)1 h 以上后再測試。

圖1 催化劑催化氯苯氧化性能測試裝置

2 結(jié)果與討論

2.1 H2O 含量的影響

在氯苯濃度為10 μL/L，NO 濃度為200 μL/L，O2含量為12 vol%，n（NH3）/n（NO）為0.25，空速為7500 h-1條件下，H2O 含量對催化劑催化氯苯氧化性能影響如圖2 所示。H2O 的加入會抑制氯苯的氧化，隨著H2O 含量的增加，氯苯氧化率逐漸降低后趨于穩(wěn)定。相對于200 ℃，在350 ℃條件下，氯苯氧化率有顯著提升，主要原因為溫度升高會增加活性組分的反應(yīng)速率，活化分子百分比也會提升[9]；同時催化劑抗水性也有顯著提升，主要原因為水蒸氣會附著在催化劑表面，競爭吸附催化劑活性位[10]，故氯苯氧化率降低，當(dāng)溫度提高時，水蒸氣吸附能力降低，因而體現(xiàn)出抗水性增加。

圖2 H2O 含量對催化劑催化氯苯氧化性能的影響

2.2 SO2含量的影響

在氯苯濃度為10 μL/L，NO 濃度為200 μL/L，O2含量為12 vol%，H2O 含量為10 vol%，n（NH3）/n（NO）為0.25，空速為7500 h-1條件下，SO2含量對催化劑催化氯苯氧化性能影響如圖3 所示。于350 ℃時，SO2對氯苯氧化率影響不大；200 ℃時，低濃度的SO2（＜50 mg/Nm3）對氯苯氧化率影響不大，當(dāng)SO2含量繼續(xù)提升時，氯苯氧化率會隨之降低，主要原因是：在低溫條件下SO2會和NH3反應(yīng)生成硫酸氫銨（ABS），該物質(zhì)在低溫下凝結(jié)并附著在催化劑表面，堵塞了催化劑反應(yīng)通道[11]，從而降低了催化劑催化氯苯氧化活性。

圖3 SO2含量對催化劑催化氯苯氧化性能的影響

2.3 氯苯含量的影響

在NO 濃度為200 μL/L，O2含量為12 vol%，H2O 含量為10 vol%，n（NH3）/n（NO）為0.25，空速為7500 h-1條件下，氯苯含量對催化劑催化氯苯氧化性能影響如圖4 所示。隨著氯苯含量的增加，氯苯氧化率逐漸降低。當(dāng)氯苯濃度增加時，會加劇其在催化劑表面有限活性位上的競爭，從而導(dǎo)致氯苯氧化率的降低[12]。

2.4 n（NH3）/n（NO）的影響

在氯苯濃度為10 μL/L，NO 濃度為200 μL/L，O2含量為12 vol%，H2O 含量為10 vol%，空速為7500 h-1條件下，n(NH3）/n(NO)含量對催化劑催化氯苯氧化性能影響如圖5 所示。隨著氨氮摩爾比的提升，氯苯氧化率逐漸降低，在低溫下的降幅更為明顯。NH3會競爭吸附V 活性位，并與NO反應(yīng)生成N2和H2O，而NO 濃度的降低會抑制其和O2反應(yīng)生成NO2，從而降低催化劑的氯苯氧化率[13]。

圖4 氯苯含量對催化劑催化氯苯氧化性能的影響

圖5 n（NH3）/n（NO）對催化劑催化氯苯氧化性能的影響

2.5 空速的影響

圖6 空速對催化劑催化氯苯氧化性能的影響

在氯苯濃度為10 μL/L，NO 濃度為200 μL/L，O2含量為12 vol%，H2O 含量為10 vol%，n（NH3）/n（NO）為0.25 條件下，空速對催化劑催化氯苯氧化性能影響如圖6 所示。隨著空速的增加，氯苯氧化率逐漸降低?？账僭黾?，導(dǎo)致反應(yīng)物與催化劑接觸時間縮短，從而使氯苯分子與催化劑活性位的有效碰撞減少，最終導(dǎo)致氯苯氧化率的降低。

3 結(jié)論

（1）在高溫下（350 ℃），V-Ti-W 催化劑具有較好的氯苯氧化效果（＞90%），且具有良好的抗H2O 和抗SO2性，n（NH3）/n（NO）、空速和氯苯濃度增加均會抑制氯苯的催化氧化。但在實際應(yīng)用條件下，高溫?zé)煔庵羞€存在較高的飛灰，而飛灰中會吸附部分二噁英，這部分二噁英能否被催化劑氧化仍需要驗證。

（2）在低溫下（200 ℃），V-Ti-W 催化劑的氯苯氧化效果并不理想（30%左右），且抗H2O 和抗SO2性較差，n（NH3）/n（NO）、空速和氯苯濃度增加均會抑制氯苯的催化氧化，故需在V-Ti-W 催化劑的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整催化劑配方、添加改性成分、優(yōu)化生產(chǎn)工藝等方式提升其氧化性、耐H2O和耐SO2性。