一體化高效脫除NOx和粉塵實(shí)驗(yàn)研究

牛國(guó)平，譚增強(qiáng)，邱長(zhǎng)彪，齊 全，周夢(mèng)偉，姚 浩，石 磊

一體化高效脫除NOx和粉塵實(shí)驗(yàn)研究

牛國(guó)平1,2，譚增強(qiáng)1，邱長(zhǎng)彪3，齊 全2，周夢(mèng)偉1，姚 浩1，石 磊1

（1.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054；2.西安西熱鍋爐環(huán)保工程有限公司，陜西 西安 710054；3.華能左權(quán)煤電有限責(zé)任公司，山西 左權(quán) 032600）

為了實(shí)現(xiàn)多種污染物的一體化脫除，縮短煙氣凈化流程，降低系統(tǒng)整體阻力，本文對(duì)陶瓷催化濾管進(jìn)行了X射線光電子能譜（XPS）表征分析、比表面積及孔徑分布分析等，研究了陶瓷催化濾管的物理化學(xué)特性在污染物脫除過(guò)程中的作用規(guī)律和內(nèi)在的污染物脫除機(jī)制。搭建了多種污染物一體化脫除的實(shí)驗(yàn)臺(tái)，實(shí)驗(yàn)研究了各種影響因素對(duì)陶瓷催化濾管一體化脫硝和除塵效率的影響。結(jié)果表明，在一體化脫除塔前噴射氨氣，可實(shí)現(xiàn)粉塵和NOx的一體化高效脫除，陶瓷催化濾管出口粉塵質(zhì)量濃度在5 mg/m3以內(nèi)，出口NOx質(zhì)量濃度低于50 mg/m3。

脫硝；除塵；陶瓷催化濾管；超低排放；一體化脫除；干法

我國(guó)煤炭資源豐富的特點(diǎn)決定了我國(guó)發(fā)電能源以煤為主[1]，但燃煤造成的環(huán)境污染也隨著燃煤量的增加越來(lái)越嚴(yán)重。我國(guó)氣象局基于能見(jiàn)度的觀測(cè)結(jié)果表明：2013年全國(guó)平均霾日數(shù)為35.9天，華北中南部至江南北部的大部分地區(qū)霧霾日數(shù)為50~100天，部分地區(qū)霾日數(shù)超過(guò)100天[2]。

我國(guó)火電廠普遍安裝了污染物脫除裝置，且煙氣脫硫、脫硝和除塵等技術(shù)多為單獨(dú)開(kāi)發(fā)，形成獨(dú)立的工藝流程和技術(shù)裝備。污染物單獨(dú)脫除技術(shù)存在占地面積大、系統(tǒng)復(fù)雜、運(yùn)行和維護(hù)困難、總體阻力大等問(wèn)題[3-5]。

多種污染物聯(lián)合脫除技術(shù)主要分為各種污染物控制技術(shù)的有機(jī)結(jié)合和一體化脫除技術(shù)2大類。第一類各種污染物控制技術(shù)的有機(jī)結(jié)合并未改變各污染物脫除的機(jī)理，而是對(duì)各種污染物單獨(dú)脫除后再進(jìn)行有機(jī)結(jié)合[6-7]。如Public Service公司的IDECSTM技術(shù)[8]，就是綜合利用了現(xiàn)有較成熟的單項(xiàng)污染物脫除技術(shù)：低氮燃燒器、OFA燃盡風(fēng)技術(shù)、選擇性非催化還原（SNCR）脫硝技術(shù)、爐內(nèi)噴鈣尾部增濕聯(lián)合鈉鹽噴射綜合脫除SO和NO。美國(guó)Mobotec公司的MobotecSystemTM[9]同樣綜合利用了旋轉(zhuǎn)燃盡風(fēng)（ROFA）、SNCR和吸收劑噴射系統(tǒng)（Rotamix）、煙道內(nèi)置式選擇性催化還原（SCR）脫硝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)NO和SO2的控制。第二類多種污染物一體化脫除技術(shù)，如高效聯(lián)合脫除SO、NO、Hg的碳基吸附劑吸附法和氧化脫除法。碳基吸附劑吸附法[10-12]利用碳基吸附劑（活性炭、活性炭纖維）的高吸附容量和吸附催化特性吸附污染物，并利用自身的催化特性進(jìn)一步將部分污染物催化轉(zhuǎn)化 加以去除。氧化脫除法主要有化學(xué)氧化法和電催化法[13-14]。化學(xué)氧化法是利用化學(xué)物質(zhì)氧化煙氣中的污染物；電催化法主要有電子束法、脈沖電暈法。電子束法是利用高能電子使煙氣產(chǎn)生多種活性基團(tuán)，氧化煙氣中的SO2和NO，生成硝酸和硫酸等，最后噴射NH3，生成具有利用價(jià)值的副產(chǎn)品—硝酸銨和硫酸銨。

美國(guó)巴威公司[15]在高溫下開(kāi)展了催化布袋一體化脫除多種污染物的5 MW工程示范，發(fā)現(xiàn)426~454 ℃范圍內(nèi)，NH3/NO摩爾比為0.9時(shí)的脫硝效率達(dá)到90%，氨逃逸低于5 μL/L?？账俦葘?duì)脫硝效率有很小的影響，Ca/S摩爾比為2.0、反應(yīng)溫度為426~454 ℃時(shí)Ca(OH)2的脫硫效率為80%，Ca/S摩爾比為2.0，反應(yīng)溫度為426~454 ℃時(shí)Ca(OH)2的脫硫效率為90%，反應(yīng)溫度提高到649 ℃時(shí)鈣基脫硫劑的脫硫效率會(huì)降低。美國(guó)Tri-Mer公司單獨(dú)開(kāi)發(fā)的陶瓷催化過(guò)濾管一體化脫除技術(shù)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于玻璃行業(yè)、工業(yè)廢物焚燒、市政廢物焚燒、污水處理污泥焚燒、生物質(zhì)電廠等，且經(jīng)濟(jì)效益明顯。大量工業(yè)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該技術(shù)可將顆粒物排放質(zhì)量濃度控制在2 mg/m3以內(nèi)，NO的脫除率穩(wěn)定在90%以上，酸性氣體（SO2、HCl、HF）的脫除率在90%以上。

多種污染物一體化高效脫除系統(tǒng)具有占地面積小、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、系統(tǒng)整體阻力低、運(yùn)行和維護(hù)簡(jiǎn)單、無(wú)廢水排放等特點(diǎn)。本文搭建了NO和粉塵的一體化脫除實(shí)驗(yàn)臺(tái)，實(shí)驗(yàn)研究了陶瓷催化濾管一體化脫硝和除塵的影響因素及規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 樣品表征

采用Micrometer公司ASAP-2020型表面及孔徑分析儀，測(cè)試陶瓷催化濾管樣品的比表面積和孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)。采用HITACHI公司SU-8010型的掃描電鏡分析陶瓷催化濾管微觀形貌。采用VG Multilab2000型X射線光電子能譜儀（XPS），掃描模式為FRR，測(cè)試條件為MgK靶。

1.2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)

燃煤煙氣多種污染物一體化脫除實(shí)驗(yàn)臺(tái)示意如圖1所示。脫除塔入口煙道煙氣流速設(shè)計(jì)為 15 m/s，脫酸反應(yīng)劑由脫除塔入口煙道噴入。為保證脫酸劑與煙氣均勻混合，脫酸劑噴射系統(tǒng)與脫除塔入口距離大于15 m。NO和NH3在陶瓷催化濾管中的催化劑層發(fā)生SCR反應(yīng)。煙氣通過(guò)陶瓷催化濾管的速度約為1.3 m/min。陶瓷催化濾管過(guò)濾掉的粉塵及脫硫反應(yīng)生成的Na2SO4等顆粒，通過(guò)壓縮空氣反吹，最終由脫除塔下部集灰裝置收集。

先利用NO標(biāo)準(zhǔn)氣體（1 000 μL/L）、SO2標(biāo)準(zhǔn)氣體（2 800 μL/L）和O2標(biāo)準(zhǔn)氣體（(O2)=6%）以及高純氮?dú)?，?duì)煙氣分析儀進(jìn)行標(biāo)定。煙氣經(jīng)粉塵過(guò)濾裝置和煙氣預(yù)處理裝置除塵、除水，凈化煙氣進(jìn) 入Testo 350煙氣分析儀測(cè)量NO和O2體積分 數(shù)。低質(zhì)量濃度粉塵測(cè)試采用濾膜采集測(cè)試方法，配置低質(zhì)量濃度煙塵采樣槍，該采樣槍具有不失重、采樣時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。先將陶瓷催化濾管的濾膜在105~110 ℃烘箱中放置1 h，取出放入干燥器中冷卻至室溫后稱重。

一體化脫除塔的出口、入口煙道上分別布置K型鎧裝熱電偶（II級(jí)精度），用單點(diǎn)溫度計(jì)測(cè)溫。氨逃逸量采用美國(guó)EPA的CTM-027標(biāo)準(zhǔn)，以化學(xué)溶液法采集，分析采集的樣品溶液中的氨體積分?jǐn)?shù)，結(jié)合所測(cè)的O2體積分?jǐn)?shù)，計(jì)算得到煙氣中的干基NH3體積分?jǐn)?shù)（(O2)=6%）。

實(shí)驗(yàn)采用式(1)計(jì)算NO脫除率

式中：0為NO的初始體積分?jǐn)?shù)，μL/L；out為出口的NO體積分?jǐn)?shù)，μL/L。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 陶瓷催化濾管物理化學(xué)特性

陶瓷催化濾管對(duì)NO的脫除性能，取決于其物理孔隙結(jié)構(gòu)和化學(xué)特性。圖2為陶瓷催化濾管掃描電鏡照片。從圖2可以發(fā)現(xiàn)，陶瓷催化濾管具有松散的纖維結(jié)構(gòu)，故機(jī)械強(qiáng)度非常低，破損風(fēng)險(xiǎn)相應(yīng)較高，陶瓷催化濾管的反吹壓差需要控制在相對(duì)較低的水平。圖2中的針狀物為奈米觸媒粒子，其平均分布于濾管上，可以增加活性表面積、停留時(shí)間及NO脫除效率。陶瓷催化濾管表面有一層均勻的小孔徑薄陶瓷濾膜，可以防止粉塵嵌入陶瓷催化濾管的管壁，延長(zhǎng)其使用壽命。陶瓷催化濾管的BET比表面積為14.73 m2/g，孔容為0.03 cm3/g，孔徑為3.78 nm。

陶瓷催化濾管對(duì)NO的脫除性能取決于陶瓷催化濾管的物理孔隙結(jié)構(gòu)和化學(xué)特性。為了深入研究陶瓷催化濾管的脫硝特性，因此對(duì)其官能團(tuán)種類和含量進(jìn)行了XPS表征分析，結(jié)果如圖3—圖5所示。由圖3—圖5發(fā)現(xiàn)，在517.0、524.5、530.0 eV有強(qiáng)度明顯的峰值，分別為V2p3/2、V2p1/2與O1s軌域。這表明陶瓷催化濾管表面含有V、O電子能譜峰。由于V有價(jià)數(shù)的分別，造成束縛能在V2p3/2 之能量也會(huì)有些許的差異，V5+的V2p3/2之束縛能為517.2 eV，V4+為516 eV，V3+為515.8 eV[16]。隨著V價(jià)數(shù)減少，束縛能也會(huì)隨之降低。

2.2 粉塵特性

為提高實(shí)驗(yàn)煙氣中粉塵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，煙氣中加入的粉塵主要有2種，其礦物組成和粒徑分布的 檢測(cè)結(jié)果分別見(jiàn)表1和圖6。粉塵1的中位徑為 42 μm，峰值粒徑為76 μm，平均粒徑為138 μm；粒徑小于87 μm的顆粒約占80%，小于5 μm的顆粒質(zhì)量約占10%，小于10 μm的顆粒質(zhì)量約占19%。粉塵2的中位徑為3.8 μm，峰值粒徑為3.6 μm，平均粒徑為5.17 μm；粒徑小于5 μm的顆粒質(zhì)量約占64%，小于10 μm的顆粒質(zhì)量約占90%。粉塵2比粉塵1的粒徑細(xì)，粒徑分布集中在10 μm以內(nèi)。

表1 粉塵礦物組成

Tab.1 The mineral composition of dust from flue gas %

2.3 陶瓷催化濾管除塵特性

在入口粉塵質(zhì)量濃度為50 g/m3，煙氣溫度為310 ℃，過(guò)濾速度為1 m/min時(shí)，對(duì)陶瓷催化濾管的除塵性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表2。從表2可以發(fā)現(xiàn)，2種粉塵出口質(zhì)量濃度均低于2 mg/m3，可見(jiàn)陶瓷催化濾管對(duì)2種粉塵的脫除效率都較高。

表2 除塵特性測(cè)試結(jié)果

Tab.2 The result of dust removal characteristics test

陶瓷催化濾管的除塵過(guò)程包括慣性碰撞、直接攔截、擴(kuò)散、重力沉降等多種機(jī)理作用（圖7）[17]。但多數(shù)情況下，僅有1種機(jī)理占主導(dǎo)優(yōu)勢(shì)，如粒 徑≥1 μm的顆粒，慣性碰撞占主導(dǎo)地位，對(duì)粒徑 ＜1 μm的顆粒擴(kuò)散成為主要的除塵機(jī)理。當(dāng)含粉塵顆粒的煙氣通過(guò)陶瓷催化濾管時(shí)，粉塵顆粒被攔截在了過(guò)濾管的管壁外，煙氣通過(guò)并從過(guò)濾管出口排出。粉塵顆粒在陶瓷催化濾管管壁的沉積，逐漸形成一層濾餅，而隨著這層濾餅的不斷增厚，陶瓷催化濾管壓降也隨之增加。陶瓷催化濾管內(nèi)通入壓縮空氣，對(duì)陶瓷催化濾管進(jìn)行反吹，可實(shí)現(xiàn)陶瓷催化濾管再生。

2.4 陶瓷催化濾管脫硝特性

基于陶瓷催化濾管多種污染物一體化脫除技術(shù)的脫硝反應(yīng)原理（式(2)—式(5)[18]）：在一定量催化劑的作用下，通過(guò)在合適溫度下噴入氨氣，與煙氣中的NO進(jìn)行催化還原反應(yīng)生成氮?dú)夂退?，從而脫除煙氣中的NO。

在入口NOx體積分?jǐn)?shù)為130 μL/L，SOx體積分?jǐn)?shù)為1 200 μL/L，粉塵初始質(zhì)量濃度為30 g/m3，過(guò)濾速度為1 m/min下，開(kāi)展了不同溫度下的脫硝實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖8所示。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：260~350 ℃時(shí)陶瓷催化濾管的脫硝效率都在95%以上；350~380 ℃時(shí)脫硝效率最高，可接近100%，此時(shí)氨逃逸僅為2.4 μL/L。

陶瓷催化濾管的脫硝效率較高，主要是由于：催化劑以微觀粒子的形態(tài)嵌在陶瓷催化濾管10~20 mm厚的顆粒層中，陶瓷催化濾管外表面有一層粉塵過(guò)濾膜，可以把粉塵阻擋在催化劑外面；催化劑顆粒具有多孔性、體積小，可以高效地催化氣相反應(yīng)而無(wú)擴(kuò)散限制，催化劑的利用率可以達(dá)到100%。

基于原位紫外測(cè)試結(jié)果，Shimizu K I[18]提出吸附態(tài)氨是引起V5+還原到V4+的原因，催化劑在未參與SCR反應(yīng)之前就有V4+價(jià)態(tài)存在。Lietti L[19]采用電子順磁共振波譜儀（EPR）測(cè)試分析了催化 劑表面V4+的存在狀態(tài)及V2O5-WO3/TiO2的氧化還原特性，發(fā)現(xiàn)WO3穩(wěn)定了催化劑表面V4+。有學(xué)者研究[20-24]發(fā)現(xiàn)：焙燒溫度高于450 ℃時(shí)，V2O5與TiO2的界面處會(huì)有大量的氧空穴的產(chǎn)生，并發(fā)生V5+→V4+的還原反應(yīng)，產(chǎn)生了物相VO2。在 V2O5-WO3/TiO2催化劑體系中，V主要表現(xiàn)為V4+和V5+，V5+的電子構(gòu)型是外層未充滿，易得到電子，且既可以捕獲電子，又可成為空穴的捕獲阱。這使得V的價(jià)態(tài)波動(dòng)，同時(shí)外層電子構(gòu)型會(huì)發(fā)生1→0與0→1的轉(zhuǎn)變。

在一體化脫除過(guò)程中，粉塵顆粒的脫除程度對(duì)脫硝效率的影響非常顯著。粉塵顆粒中含有大量的金屬和非金屬氧化物以及各類酸性物質(zhì)。部分小粒徑的粉塵會(huì)隨煙氣進(jìn)入陶瓷催化濾管內(nèi)部，與陶瓷催化濾管內(nèi)部負(fù)載的催化劑進(jìn)行接觸，一方面堵塞了陶瓷管孔結(jié)構(gòu)，另一方面粉塵顆粒中含有的堿性金屬會(huì)中和催化劑表面上的酸性活性位，致使活性位減少，導(dǎo)致脫硝效率下降。通過(guò)對(duì)陶瓷催化濾管進(jìn)行定期反吹清灰，可以減輕由于粉塵顆粒中有毒元素導(dǎo)致的催化劑中毒現(xiàn)象，延長(zhǎng)催化劑使用壽命，提高脫硝效率。

3 結(jié) 論

1）陶瓷催化濾管由低密度硅酸鋁纖維制成，其催化劑以微觀粒子嵌在陶瓷催化濾管10~20 mm厚的基體中，外表面有一層粉塵過(guò)濾膜，可以把粉塵阻擋在催化劑外面。催化劑顆粒具有多孔性、體積小的特點(diǎn)，可以高效催化氣相反應(yīng)而無(wú)擴(kuò)散限制。

2）在2種不同粒徑的粉塵環(huán)境下開(kāi)展陶瓷催化濾管除塵實(shí)驗(yàn)，粉塵脫除效率均較高，出口的粉塵質(zhì)量濃度均低于2 mg/m3。

3）260~350 ℃下，陶瓷催化濾管脫硝效率均在95%以上；350~380 ℃下脫硝效率最高，可接近100%，此時(shí)氨逃逸僅為2.4 μL/L。

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Experimental study on integrated removal of NOxand dust by ceramic catalytic filter

NIU Guoping1,2, TAN Zengqiang1, QIU Changbiao3, QI Quan2, ZHOU Mengwei1, YAO Hao1, SHI Lei1

(1. Xi’an Thermal Power Research Institute Co., Ltd., Xi’an 710054, China;2. Xi’an West Boiler Environmental Protection Engineering Co., Ltd., Xi’an 710054, China;3. Huaneng Zuoquan Coal-fired Power Generation Co., Ltd., Zuoquan 032600, China)

To realize integrated removal of multiple pollutants and shorten the flue gas purification process and reduce the overall system resistance, the X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) characterization and specific surface area and pore size distribution analysis were performed to study the role of the physical and chemical properties of the ceramic catalytic filter in the pollutants removal and the mechanism of the internal pollutant removal. Moreover, an experimental setup for integrated removal of multiple pollutants was built up, and experiments were conducted to study factors affecting the denitrification and dust removal performance of the ceramic catalytic filter tube integrated removal system. The results show that, injecting ammonia gas in front of the integrated removal tower can realize the integrated and efficient removal of dust and NOx. The mass concentration of dust at outlet of the ceramic catalytic filter is less than 5 mg/m3, and that of NOxat the outlet is less than 50 mg/m3.

denitrification, dedust, ceramic catalytic filter, ultra-low emission, integrated removal, dry method

X773

A

10.19666/j.rlfd.201902021

2018-02-15

中國(guó)華能集團(tuán)有限公司總部科技項(xiàng)目(HNKJ14-H10)

Supported by：Science and Technology Project of China Huaneng Group Co., Ltd. (HNKJ14-H10)

牛國(guó)平(1971)，男，碩士，研究員，主要研究方向?yàn)榛痣姀S大氣污染物脫除，niuguoping@tpri.com.cn。

牛國(guó)平, 譚增強(qiáng), 邱長(zhǎng)彪, 等. 一體化高效脫除NO和粉塵實(shí)驗(yàn)研究[J]. 熱力發(fā)電, 2019, 48(10): 71-76. NIU Guoping, TAN Zengqiang, QIU Changbiao, et al. Experimental study on integrated removal of NOand dust by ceramic catalytic filter[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(10): 71-76.

（責(zé)任編輯 楊嘉蕾）