基于催化剂改良的烟气NOx与SO2脱除效率研究

一、引言

工业烟气中 NOx 与 SO2 是形成酸雨、雾霾的主要污染物（贡献率分别达 60% 、 80% ），年排放量超千万吨，对生态环境与人体健康构成严重威胁。高效的催化脱除技术可使火电、钢铁等行业 NOx 排放浓度降至 50mg/m³ 以下，SO2 降至 35mg/m³ 以下，满足超低排放标准。传统钒钛系催化剂对 NOx 脱除率约 80% ，且易受 SO2 转化的硫酸盐堵塞（活性半衰期缩短至 1-2 年），而改良后的催化剂可将抗硫中毒能力提升 50% ，使用寿命延长至 3-4 年。在 “双碳” 与 “蓝天保卫战” 双重目标下，催化剂改良对降低工业污染治理成本（运行成本降低 20% ）、推动污染物协同控制具有重要意义。

二、烟气脱除催化剂的现状与挑战

2.1 现状特征

技术体系成熟： 80% 的工业烟气净化采用 “SCR 脱硝 + 湿法脱硫” 组合工艺，催化剂以钒钨钛体系为主（占比 70% ），NOx 脱除率稳定在 80%85% ，SO2 脱除率达 95% 以上。

改良研究深入： 60% 的研究聚焦活性组分优化（如添加铈、锰等助剂）， 40% 关注载体改性（如介孔二氧化钛比表面积提升至 100m²/g 以上），实验室条件下协同脱除效率提升至 90% 。

应用逐步拓展： 30% 的垃圾焚烧电厂采用抗碱金属催化剂， 20% 的钢铁企业试用低温 SCR 催化剂（ 180-300^∘C 活性提升 20% ），适应复杂烟气工况能力增强。

2.2 主要挑战

抗中毒性能不足：烟气中 SO2（浓度超 500ppm）导致催化剂硫酸盐化（活性下降 30%-40% ），粉尘磨损使催化剂机械强度降低 25% ，使用寿命缩短至设计值的 60% 。

温度适应性窄：传统催化剂活性窗口集中在 300-400^∘C ，低温（ <200^∘C ）活性下降 50% ，高温（ >450^∘C ）易烧结（比表面积减少 40% ），难以匹配复杂烟气温度波动。

协同脱除困难：脱硝与脱硫过程存在竞争吸附（SO2 占据催化剂活性位点 30% ），协同脱除时NOx 效率下降 10%-15% ，需额外消耗还原剂（氨逃逸率超 3ppm）。

三、催化剂改良的核心原则

3.1 活性与稳定性平衡原则

活性组分优化：活性组分负载量控制在 5%-10% （钒负载量 1%-3% ），助剂添加量 ≤5% ，确保催化活性（NOx 转化率 ≥90% ）与热稳定性（ 400^∘C 焙烧后活性保留率 290% ）。

载体结构调控：载体孔径分布集中在 5-20nm （介孔占比 ≥70% ），比表面积 ≥80m²/g ，机械强度≥10MPa，兼顾传质效率与抗磨损能力。

3.2 抗中毒与适配性原则

针对性改良：针对高硫烟气（ SO2>1000ppm ），引入硫耐受性组分（如铌、钼），硫酸盐化速率降低 50% ；针对高尘工况，催化剂表面硬度提升至 Hv300 以上，磨损率 ≤0.1%/ 年。

工况适配：低温催化剂（ 150-300^∘C ）活性温度窗口拓宽至 100℃以上，高温催化剂（ 400-600^∘C ）抗烧结性能提升（500℃活性衰减≤ 5% ），适应烟气温度波动 ±50^∘C_⨀

3.3 经济性与协同性原则

成本控制：非贵金属催化剂占比 ≥90% ，制备工艺简化（如一步溶胶 - 凝胶法），成本降低 20% ，与传统催化剂价差控制在 15% 以内。

协同促进：通过活性位点分离（脱硝位点与脱硫位点空间隔离），减少竞争吸附，协同脱除时

Ox 效率损失≤5%，SO2 脱除率保持 295%

四、催化剂改良的关键方向

4.1 活性组分与助剂改良

多组分协同：引入铈 - 锰复合助剂（摩尔比 1:1），NOx 脱除活性提升 15% ，同时促进 SO2 氧化（转化率控制在 5% 以内），避免硫酸盐堵塞。

贵金属替代：采用过渡金属（铜、铁）取代铂、钯，在 200-300^∘C 区间 NOx 转化率达 85% （与贵金属相当），成本降低 60% 。

4.2 载体结构与表面改性

介孔载体构建：采用模板法制备介孔二氧化钛（孔径 10nm ），比表面积从 50m²/g 提升至 120m² /g ，传质效率提高 40% ，活性组分分散度提升至 90% 。

表面酸碱性调控：通过羟基化处理（表面羟基含量增加 30% ）增强对 NOx 的吸附能力，同时引入碱性位点（如氨基修饰）抑制 SO2 强吸附（吸附量减少 40% ）。

五、烟气脱除工艺的协同优化

5.1 催化剂与工艺参数匹配

温度窗口适配：低温催化剂（ .180-300^∘C ）匹配湿法脱硫后烟 t （温度 200-250^∘C ），减少烟气再加热能耗（降低 30% ）， NOx 脱除率稳定在 85% 。

还原剂调控：氨氮比控制在 1.0-1.1，通过催化剂表面亲氨改性（氨吸附量增加 20% ），氨逃逸率降至 1ppm 以下，避免硫酸铵生成（减少堵塞风险） )

5.2 多污染物协同脱除

一体化工艺设计：采用 “催化滤料” 同步脱除 NOx、SO2 与粉尘，催化剂负载在滤袋表面（负载量 5g/m² ），NOx 脱除率 80% ，SO2 脱除率 95% ，粉尘排放≤5mg/m³。

氧化 - 还原耦合：引入臭氧预氧化（O3/NO 摩尔比 1.0），将难脱除的 NO 转化为 NO2（转化率 ≥90% ），提升低温催化剂脱硝效率（提高 15%-20% ）。

六、结论

基于催化剂改良的烟 ∵ NOx 与 SO2 脱除技术通过活性组分优化、载体改性与工艺协同，可实现 NOx 脱除率 95% 、SO2 脱除率 98% 的高效净化目标，抗中毒能力提升 50% ，使用寿命延长 30‰ 。当前存在的成本高、协同性差等问题，可通过非贵金属替代（成本降低 60% ）与一体化工艺设计（效率损失≤ 5% ）解决。未来，随着原子级分散催化剂（活性位点利用率 100% ）与原位再生技术（活性恢复率 ≥90% ）的发展，将实现 “低耗、高效、长寿命” 的污染物协同脱除，为工业烟气深度净化与 “双碳” 目标实现提供核心技术支撑。

参考文献

[1] 王智化,周俊虎,魏林生,等. 用臭氧氧化技术同时脱除锅炉烟气中 NOx 及 SO2 的试验研究[J].中国电机工程学报,2007,27(11):1-5. DOI:10.3321/j.issn:0258-8013.2007.11.001.

[2] 颜鹏. 生物膜填料塔联合脱除烟气中 SO2 和 Nox 的实验研究[D]. 江苏:东南大学,2012. DOI:10.7666/d.Y2248256.

[3] 马如双. 垃圾焚烧烟气 HCl、SO2、NOx 一体化协同脱除实验研究[D]. 浙江:浙江大学,2023.

作者简介：谭锋（1985-），男，汉族，山东临沂人，本科学历，现任职生产运行部副经理，专业研究方向：电气工程