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改性SCR催化剂汞氧化性能的试验与机制深度剖析

一、引言

1.1研究背景与意义

随着工业化和城市化进程的加快，能源消耗不断增加，其中煤炭作为主要的能源来源之一，在燃烧过程中会释放出大量的污染物，汞便是其中危害较大的一种。汞是一种对人体和生态环境有害的有毒重金属元素，具有挥发性、持久性和生物富集性，在大气中，90%的汞以汞单质形态存在。燃煤烟气中的汞排放是主要的人为污染源之一。据统计，全球每年排放到大气中的汞总量约为5000吨，其中燃煤过程中汞排放占相当大的比重，全球燃煤电厂每年排放的汞量约为500吨。我国是煤炭消费大国，由于能源以煤炭为主，且每年开采汞矿较多，汞的排放量在亚洲居首。

汞污染对环境和人类健康的危害是多方面的。汞在环境中可以转化为毒性更强的甲基汞，这种形态的汞可以通过食物链累积，最终进入人体。长期暴露于甲基汞环境中，会导致严重的神经系统损害，尤其是对儿童和孕妇的影响更为显著。据世界卫生组织（WHO）统计，全球每年约有1万名儿童因甲基汞中毒而导致智力障碍。日本熊本县水俁市的“水俁病”事件就是由于当地居民长期食用被汞污染的鱼类而引发的慢性汞中毒，给当地居民带来了极大的痛苦和损失。

为了减少汞的排放，降低其对环境和人类健康的危害，各国政府和国际组织都在积极采取措施。2013年，联合国环境规划署（UNEP）通过了《关于汞的水俁公约》，旨在全球范围内控制和减少汞的排放。我国也颁布了一系列相关政策和标准，如2011年7月29日，环境保护部颁布的GB13223—2011《火电厂大气污染物排放标准》，要求燃煤锅炉从2015年1月1日起将汞及其化合物排放量控制在0.03mg/m3以下。这使得燃煤电厂汞排放控制变得刻不容缓。

目前，市场上存在多种燃煤电厂汞排放控制技术，如活性炭脱汞、喷溴脱汞技术等。然而，这些技术普遍存在成本高的问题，据EPA在2006年的测算，采用卤化活性炭脱汞，活性炭的成本约为1MYM/MWh，活性炭的处理成本约为25MYM/t，高昂的成本限制了其在国内的推广应用。部分技术还会对设备造成腐蚀，影响设备的使用寿命和运行稳定性。因此，开发低成本、高效且对设备友好的汞排放控制技术具有重要的现实意义。

选择性催化还原（SCR）技术是目前广泛应用于降低柴油和燃气发电厂NOx排放的方法。SCR催化剂在脱硝过程中对汞有一定的氧化作用，能够将难溶于水、不易被捕集的元素态汞（Hg0）氧化为易溶于水的氧化态汞（Hg2+），从而便于后续的脱汞处理。通过对传统SCR催化剂进行改性，提高其汞氧化性能，有望开发出同时脱硝脱汞的新型催化剂，为燃煤电厂汞排放控制提供新的解决方案。这不仅可以降低单独采用脱汞技术的成本，还能实现多种污染物的协同控制，具有重要的经济和环境效益。因此，开展改性SCR催化剂汞氧化试验研究，对于提高SCR催化剂的性能，降低燃煤电厂汞排放，改善环境质量具有重要的理论和实际意义。

1.2国内外研究现状

国外对SCR催化剂汞氧化性能的研究开展较早。早期研究主要集中在探索SCR催化剂对汞氧化的基本特性以及烟气成分对汞氧化的影响。有研究发现，烟气中的HCl是促进SCR催化剂将Hg0氧化成Hg2+的关键因素，当烟气中存在氢卤酸蒸汽时，Hg0的氧化率可达到40%-80%。同时，温度、氧浓度、氮氧化物浓度等因素也会对汞的氧化和形态转化产生影响。高温条件下，元素态汞更容易氧化为氧化态汞，且在SCR脱硝催化剂上，高温还会加速氧化态汞进一步转化为颗粒态汞；氧浓度越高，越有利于元素态汞的氧化，同时也能影响氧化态汞转化为颗粒态汞的速率；氮氧化物（NOx）与汞有很强的相互作用，可以影响到其形态转化，且催化剂的存在会加剧这种相互作用。

近年来，国外研究重点逐渐转向通过对SCR催化剂进行改性来提高汞氧化性能。例如，采用添加特定金属元素或化合物的方式，改变催化剂的活性位点和表面性质，从而增强对汞的氧化能力。一些研究尝试在SCR催化剂中掺杂贵金属，如Pt、Pd等，取得了较好的汞氧化效果，但由于贵金属成本较高，限制了其大规模应用。也有研究利用过渡金属氧化物，如MnO?、Fe?O?等对催化剂进行改性，在一定程度上提高了汞氧化性能，且成本相对较低。此外，对于催化剂载体的改性研究也有所进展，通过优化载体结构和性质，提高催化剂的活性和稳定性。

国内在SCR催化剂汞氧化性能研究方面起步相对较晚，但发展迅速。早期主要是对国外研究成果的引进和消化，随着研究的深入，逐渐开展了具有自主特色的研究工作。国内研究人员同样关注烟气成分对汞氧化的影响，以及通过改性方法提高催化剂性能。例如，通过实验研究了NH?、SO?等气体组分对催化