除塵脫硝一體化玻纖/ P84復合氈 覆膜濾料制備及性能研究

高 政，郭曉蓓，徐 濤，張 振，尹奕玲

（南京玻璃纖維研究設計院有限公司，南京 211112）

0 前言

隨著國民經濟快速發(fā)展，能源消耗日益增長，燃煤電廠、鋼鐵、水泥、垃圾焚燒等行業(yè)煙氣排放造成了嚴重的環(huán)境污染問題，粉塵、SO2、NOx和重金屬汞已被列為我國四種主要大氣污染物［1］。在綠色發(fā)展的大趨勢下，國家、各省市相繼推出了更為嚴格的排放標準，以水泥行業(yè)為例，多地要求粉塵、二氧化硫、氮氧化物排放量分別不高于10 mg/m3、35 mg/m3、50 mg/m3。目前各行業(yè)除塵主要依靠電除塵、袋除塵或電袋復合除塵的方式進行，其中袋除塵捕集效率高是除塵的主流技術［2］，脫硝主要采用還原劑將其還原為氮氣，主要有選擇性非催化還原技術（SNCR）和選擇性催化還原技術（SCR）［3］。SNCR是在爐內燃燒后部的一定溫度區(qū)域內噴入氨水等還原劑將NOx還原為N2及H2O。該技術投資成本較低 ，但脫硝效率低，此外氨水揮發(fā)易造成二次污染。 SCR采用V2O5等催化劑催化NH3等還原劑將NOx還原為N2及H2O，該技術脫硝效率高但其系統(tǒng)復雜、占地面積大、改造工程復雜、投資與運行成本較高［4］。

本文開發(fā)的除塵脫硝一體化濾料技術以現有袋式除塵器作為脫硝反應器，可以同時實現脫除煙氣中的粉塵與NOx，滿足環(huán)保需求，市場應用前景廣闊。

1 實驗部分

1.1 原材料與設備

1.1.1 原材料

玻纖/P84復合氈覆膜濾料：南京玻璃纖維研究設計院有限公司自制；

Mn-Ce催化劑：南京玻璃纖維研究設計院有限公司自制。

1.1.2 實驗儀器

濾料脫硝性能評價系統(tǒng)：清華大學鹽城環(huán)境工程技術研發(fā)中心；

掃描電子顯微鏡：SU8000，日本日立公司；

粉塵過濾效率測試系統(tǒng)：FEMA-1，德國FILTEQ 公司。

1.2 除塵脫硝一體化玻纖/P84復合氈覆膜 濾料結構設計

除塵脫硝一體化是集除塵與脫硝催化功能于一體的技術，將脫硝催化劑負載到除塵濾料上，進行除塵與脫硝協同治理。除催化劑外，載體選擇也至關重要。一方面，催化劑活性成分通過物理或化學方法附著在載體上，載體比表面積大、酸位點多，催化劑負載效果好；另一方面，載體可保護催化劑，對抑制催化劑的中毒具有積極作用［5，6］。對于除塵脫硝濾料，傳統(tǒng)的負載方式主要有以下幾種：一是將催化劑成品粉末分散至溶液中浸漬到濾料上，再通過發(fā)泡或覆膜方式固著；二是原位沉積法，通過氧化還原原理負載催化劑；三是將催化劑負載到PTFE微孔膜上，再將微孔膜覆到濾料表面［7，8］。本文中采用了第一種負載方式，即將催化劑粉末分散后浸漬到濾料上，然后進行覆膜。由于PTFE膜的保護，避免催化劑磨蝕及中毒，同時設計開發(fā)了內部結構存在孔徑連續(xù)變化的漸擴式PTFE膜，點陣式表面異構玻纖/P84復合氈針刺氈，降低了濾料阻力，提高過濾效率。Mn-Ce催化劑低溫下具備更高的活性及脫硝效率，因此該濾料實現了除塵的高效低阻及脫硝功能的有機統(tǒng)一，濾料結構如圖1所示。

圖1 除塵脫硝一體化覆膜濾料結構

1.3 制備工藝路線

圖2 除塵脫硝一體化玻纖/ P84復合氈覆膜濾料工藝流程圖

1.4 性能評價

1.4.1 脫硝性能測試

除塵脫硝一體化玻纖/P84復合氈覆膜濾料的脫硝性能在清華大學鹽城環(huán)境工程技術研發(fā)中心自制脫硝性能評價裝置上進行，結構如圖3所示。試樣直徑為150 mm。試樣放置于反應器中。測試條件：體積分數5×10-4NH3、體積分數5×10-4NO、體積分數5% O2，體積分數5% H2O，體積分數2×10-4SO2，N2為載氣，反應溫度100～275 ℃。反應氣體在混合罐中充分混合后，經過預熱器預熱，最終進入反應器，采用Gasmet分析儀連續(xù)在線監(jiān)測固定床反應器進出口氣體的成分及含量。

圖3 脫硝評價裝置

1.4.2 除塵性能測試

采用德國FILTEQ 公司的粉塵過濾效率測試系統(tǒng)對濾料進行了過濾性能測試，該裝置可視為小型的袋式除塵器，將濾料置于一定粉塵濃度與流量的含塵氣流中，模擬實際工況，通過反復過濾與清灰來測試樣品的過濾性能。測試參照ISO 11057-2011《空氣質量，可清洗過濾介質的過濾特性的試驗方法》標準進行，測試粉塵為Sasol PURAL NF （Spec.-No. 502112）氧化鋁粉末，粉塵濃度5 g/m3，過濾風速2 m/min，濾料面積0.0154 m2，脈沖清灰壓力0.5 MPa，脈沖時間60 ms，溫度29 ℃，濕度＜50%，測試周期，初始30 次過濾循環(huán)，濾料壓差上升至1000 Pa， 脈沖閥自動開啟并清灰； 老化2500次，間隔20 s 強制清灰一次，10次穩(wěn)定期和最后30 次過濾循環(huán)，濾料壓差上升到1000 Pa，脈沖閥自動開啟并清灰。

2 實驗結果與分析

2.1 SEM電鏡分析

由圖4可見，覆膜濾料膜面完整，除了熱壓覆膜造成的印記外，并沒有破損痕跡，催化劑涂層成功附在了濾料表面，且涂層并沒有完全將濾料表面覆蓋，依然能看到纖維排布。

圖4 除塵脫硝一體化玻纖/P84復合氈覆膜濾料外觀及掃描電鏡圖

2.2 除塵脫硝性能分析

將試制樣品進行了除塵脫硝性能評測，由圖5可得知當溫度大于150 ℃時，催化劑活性增加，到 200 ℃時接近40%，225 ℃達到60%，275 ℃達到70%。

圖5 除塵脫硝一體化玻纖/ P84復合氈覆膜濾料脫硝性能

濾料除塵性能采用德國FILTEQ 公司的粉塵過濾效率測試系統(tǒng)進行測試評價。從圖 6可以看出除塵脫硝一體化玻纖/P84復合氈覆膜濾料每次清灰周期均較穩(wěn)定，清灰后的過濾阻力平穩(wěn)上升，測試結果表明，1000 Pa噴吹時，排放濃度為0.03 mg/m3，過濾效率為99.9994%，平均殘余壓差為158.23 Pa，平均清灰周期為581 s，過濾性能良好。

圖6 測量期阻力曲線

2.3 應用性能評測

本文產品應用于某水泥廠旁路放風系統(tǒng)，具體工況為：入口溫度250 ℃，風量3000 m3/h，粉塵濃度200 g/m3，過濾風速0.6 m/min，測試結果如表1、表2所示。

表1 旁路檢測結果

表2 煙氣排放檢測結果

由表1、表2結果可知，該水泥廠顆粒物排放4.36 mg/m3，氮氧化物排放38 mg/m3，結果高于目前國家環(huán)保要求。同時，檢測結果中SO2零排放，說明SO2被粉塵吸附，避免了催化劑硫中毒，確保了一體化濾料的穩(wěn)定使用。

3 總結

本文制備的除塵脫硝一體化玻纖/P84復合氈覆膜濾料，實現了除塵、脫硝性能協同，并得到水泥廠旁路系統(tǒng)的應用證明，該濾料能夠滿足國家環(huán)保要求，但要進一步推廣至其他行業(yè)，針對不同工況，還需要進行催化劑壽命驗證、脫硝效率提升等研究評價，并積極聯系應用廠家建立示范工程，獲得一體化技術工程運行的各項參數，推動行業(yè)變革，響應國家“雙碳”政策的實施。