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展，能源消耗日益增長，燃煤電廠、鋼鐵、水泥、垃圾焚燒等行業煙氣排放造成了嚴重的環境污染問題，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：清華大學鹽城環境工程技術研發中心；

掃描電子顯微鏡：SU8000，日本日立公司；

粉塵過濾效率測試系統：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，同時設計開發了內部結構存在孔徑連續變化的漸擴式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境工程技術研發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分析儀連續在線監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，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次穩定期和最后30 次過濾循環，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定，清灰后的過濾阻力平穩上升，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，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的應用證明，該濾料能夠滿足國家環保要求，但要進一步推廣至其他行業，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，推動行業變革，響應國家“雙碳”政策的實施。