過濾催化元件及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及工業(yè)爐氣的凈化處理，尤其涉及工業(yè)爐氣的除塵和脫硝。其中，術(shù)語“工業(yè)爐氣”是指工業(yè)窯爐所產(chǎn)生的爐氣。此外，本發(fā)明還涉及一種過濾催化元件，即對待過濾物質(zhì)具有過濾和反應(yīng)催化雙重作用的功能元件。
【背景技術(shù)】
[0002]工業(yè)爐氣中常含有大量粉塵和氮氧化物，一個典型的例子即燃煤電廠鍋爐爐氣，其所含的氮氧化物是促成酸雨形成的主要原因，且一般每升燃煤電廠鍋爐爐氣中還含有數(shù)十克的粉塵。針對諸如燃煤電廠鍋爐爐氣等高粉塵及氮氧化物含量的工業(yè)爐氣的凈化采取的通常方法是:首先將爐氣引入SCR反應(yīng)器(在將爐氣引入SCR反應(yīng)器的過程中還需向爐氣中注入還原劑，該還原劑通常為氨水)從而將氮氧化物還原為無害氮氣，實現(xiàn)爐氣脫硝凈化，然后將脫硝后的爐氣引入電除塵器以除去爐氣中的粉塵，再將除塵后的氣體引入脫硫塔脫硫凈化后排放。所說的術(shù)語“SCR”指Selective Catalytic Reduct1n，即選擇性催化還原。
[0003]上述SCR反應(yīng)器中的催化劑是影響SCR系統(tǒng)整體脫硝效果的重要因素。最初開發(fā)的SCR催化劑為顆粒狀，目前則主要采用蜂窩狀或平板狀催化劑。蜂窩狀催化劑和平板狀催化劑上都排布有眾多可供爐氣通過的格孔，這些格孔的大小可根據(jù)爐氣中粉塵的濃度和大小進行選擇，使用時爐氣從催化劑的一側(cè)通過由這些格孔構(gòu)成的通道流向催化劑的另一偵U，其間爐氣與格孔內(nèi)壁上的催化活性物質(zhì)接觸，從而將爐氣中的氮氧化物還原為無害氮氣。上述的蜂窩狀催化劑和平板狀催化劑一般由載體和催化活性層構(gòu)成，其中載體先被制成蜂窩狀或平板狀(一般采用擠壓成型)，然后再在載體上附著由催化活性物質(zhì)構(gòu)成的催化活性層。
[0004]雖然蜂窩狀催化劑和平板狀催化劑的格孔大小可根據(jù)爐氣中粉塵的濃度和大小進行選擇，但在實際使用中仍然存在被粉塵所堵塞的問題。另外，由于SCR催化劑直接與高含塵量的爐氣接觸，因此容易導(dǎo)致催化活性物質(zhì)中毒，使用壽命縮短。此外，上述方法中使用了電除塵器來除去爐氣中的粉塵，然而受電除塵具有選擇性收塵特點等因素影響也經(jīng)常出現(xiàn)電除塵器出口氣體含塵量超標的問題。因此，針對目前諸如燃煤電廠鍋爐爐氣等高粉塵及氮氧化物含量的工業(yè)爐氣的凈化技術(shù)還有待進一步的改善。
[0005]另一方面，本發(fā)明申請的申請人在CN102925206A的中國專利文獻中提供了一種催化重整工藝以及相應(yīng)的用于催化重整的膜過濾元件。該文獻中提出了通過一種膜過濾元件的截留和催化作用同時實現(xiàn)對油氣的過濾和催化重整從而解決重整催化劑流失量大以及重整催化劑容易結(jié)焦的技術(shù)構(gòu)思。但是，該文獻所針對的技術(shù)領(lǐng)域?qū)儆跓N油裂化領(lǐng)域，與本發(fā)明申請所處的工業(yè)爐氣除塵脫硝領(lǐng)域相隔較遠；并且，烴油裂化與工業(yè)爐氣除塵脫硝又分別面臨諸多不同的技術(shù)問題，例如工業(yè)爐氣含塵量大、在脫硝過程中要求高溫條件(SCR催化反應(yīng)溫度一般要求在320?420°C )、脫硝率要求很高等，其中尤其又以脫硝率要求高為工業(yè)爐氣SCR催化脫硝的主要技術(shù)難點。因此，一般的技術(shù)人員不容易意識到將上述文獻中提出的技術(shù)構(gòu)思借鑒到工業(yè)爐氣除塵脫硝中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題首先是提供一種可同時對工業(yè)爐氣進行除塵及脫硝的工業(yè)爐氣除塵脫硝一體化處理方法及專用設(shè)備；本發(fā)明其次還要提供一種包括但不限于可在上述工業(yè)爐氣除塵脫硝一體化處理方法中應(yīng)用的過濾催化元件及其制備方法，從而實現(xiàn)對待過濾物質(zhì)高效過濾凈化及反應(yīng)催化的雙重作用。
[0007]為此，本發(fā)明提出以下的工業(yè)爐氣除塵脫硝一體化處理方法，該方法的步驟包括:
(I)用封閉的管道將工業(yè)爐氣通入除塵脫硝一體化裝置的進氣口，并向被傳送但還未通過除塵脫硝一體化裝置進行除塵脫硝處理的爐氣中注入還原劑；(2)使混合有還原劑的爐氣通過除塵脫硝一體化裝置中的過濾催化元件，從而在過濾催化元件的作用下同時進行爐氣的氣固過濾分離和SCR脫硝；(3)從所述除塵脫硝一體化裝置的排氣口排出由過濾催化元件進行氣固過濾分離和SCR脫硝后的氣體，然后將該氣體通向后續(xù)環(huán)節(jié)；其中，所述的過濾催化元件是一種對工業(yè)爐氣具有過濾和SCR脫硝催化雙重作用的功能元件，其具有平均孔徑為I?200 μm的多孔復(fù)合體，該多孔復(fù)合體包括:多孔基體，所述多孔基體由燒結(jié)金屬多孔材料或燒結(jié)陶瓷多孔材料構(gòu)成，該多孔基體中具有三維立體連通的網(wǎng)絡(luò)孔隙；以及催化活性層，所述催化活性層附著于多孔基體孔表面并由催化活性物質(zhì)構(gòu)成?！捌骄讖健睘楸绢I(lǐng)域表征多孔材料孔結(jié)構(gòu)的通用術(shù)語，一般采用氣泡法測定。多孔復(fù)合體的平均孔徑在I?200 μπι范圍內(nèi)可以根據(jù)具體的工業(yè)爐氣氣固分離過濾需要來進行設(shè)定。上述方法中，由于多孔復(fù)合體的孔表面上附著了由催化活性物質(zhì)構(gòu)成的催化活性層，爐氣在通過過濾催化元件而被氣固過濾分離的過程中又會與催化活性物質(zhì)相接觸，實現(xiàn)對爐氣中氮氧化物的SCR脫硝催化。由于多孔基體由燒結(jié)金屬多孔材料或燒結(jié)陶瓷多孔材料構(gòu)成，因此具有優(yōu)良的耐高溫性能，能夠在SCR催化反應(yīng)溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定的工作；并且多孔基體中具有三維立體連通的網(wǎng)絡(luò)孔隙，這樣就可確保爐氣在通過過孔基體時更為充分的與催化活性物質(zhì)接觸。
[0008]在上述方法基礎(chǔ)上，發(fā)明人進一步發(fā)現(xiàn)，由燒結(jié)金屬多孔材料或燒結(jié)陶瓷多孔材料構(gòu)成的多孔基體的孔表面一般而言比較光滑，影響了多孔基體的比表面積，若直接將催化活性層附著在多孔基體的孔表面，多孔復(fù)合體中催化活性物質(zhì)的含量不高，從而會影響對工業(yè)爐氣的脫硝率。為了解決上述問題，將上述工業(yè)爐氣除塵脫硝一體化處理方法進一步改進為:所述多孔復(fù)合體還包括位于多孔基體與催化活性層之間的中間層，所述中間層由在多孔基體表面堆積的納米顆粒所構(gòu)成，催化活性層通過該中間層附著于多孔基體孔表面。由于中間層是由在多孔基體表面堆積的納米顆粒所構(gòu)成的，因此中間層的表面比多孔基體的孔表面粗糙很多，由此大大提高了多孔基體的比表面積，以使多孔復(fù)合體中催化活性物質(zhì)的含量和設(shè)置的均勻程度均可顯著提高，有效保證了工業(yè)爐氣的脫硝率。
[0009]而作為對上述方法的又一改進，所述過濾催化元件還包括位于多孔復(fù)合體迎風面上并以燒結(jié)金屬多孔材料或燒結(jié)陶瓷多孔材料為基體的膜層，該膜層的平均孔徑為I?100 μπι且小于多孔復(fù)合體的平均孔徑。術(shù)語“迎風面”是指多孔復(fù)合體上先與爐氣接觸的一側(cè)表面。當在多孔復(fù)合體的迎風面上設(shè)置膜層后，由于膜層的存在，爐氣必先與膜層接觸，從而通過膜層對爐氣中的至少一部分灰塵進行攔截，減少甚至消除灰塵與多孔復(fù)合體的接觸機會，有效防止催化活性物質(zhì)中毒。在設(shè)置有膜層的情況下，該膜層的平均孔徑最好以盡可能將爐氣中的灰塵清除干凈為目的來設(shè)定，而多孔復(fù)合體的平均孔徑最好以在保證一定水平的過濾通量的前提下使SCR催化反應(yīng)盡可能充分為目的來設(shè)定。
[0010]上述方法的專用工業(yè)爐氣除塵脫硝一體化裝置，包括設(shè)有進氣口、排氣口和排渣口的氣體過濾裝置，該氣體過濾裝置中安裝有過濾催化元件，所述過濾催化元件是一種對工業(yè)爐氣具有過濾和SCR脫硝催化雙重作用的功能元件，其具有平均孔徑為I?200 μ m的多孔復(fù)合體，該多孔復(fù)合體包括:多孔基體，所述多孔基體由燒結(jié)金屬多孔材料或燒結(jié)陶瓷多孔材料構(gòu)成，該多孔基體中具有三維立體連通的網(wǎng)絡(luò)孔隙；以及催化活性層，所述催化活性層附著于多孔基體的孔表面并由催化活性物質(zhì)所構(gòu)成。作為上述裝置的一種改進，所述多孔復(fù)合體還包括位于多孔基體與催化活性層之間的中間層，所述中間層由在多孔基體上堆積的納米顆粒所構(gòu)成，所述催化活性層通過該中間層附著于多孔基體孔表面。作為上述裝置的又一改進，所述過濾催化元件還包括位于多孔復(fù)合體迎風面上并以燒結(jié)金屬多孔材料或燒結(jié)陶瓷多孔材料為基體的膜層，該膜層的平均孔徑為I?100 μπι且小于多孔復(fù)合體的平均孔徑。
[0011]包括但不限于可在上述工業(yè)爐氣除塵脫硝一體化處理方法中應(yīng)用的過濾催化元件，是一種對待過濾物質(zhì)具有過濾和反應(yīng)催化雙重作用的功能元件，其具有一多孔復(fù)合體，該多孔復(fù)合體包括多孔基體和催化活性層，所述多孔基體由多孔材料構(gòu)成，所述催化活性層附著于多孔基體孔表面并由催化活性物質(zhì)構(gòu)成，所述多孔復(fù)合體還包括中間層，所述中間層由在多孔基體表面堆積的納米顆粒所構(gòu)成，所述催化活性層通過中間層附著于多孔基體孔表面。由于中間層是由在多孔基體表面堆積的納米顆粒所構(gòu)成的，因此中間層的表面比多孔基體的孔表面粗糙很多，由此大大提高了多孔基體的比表面積，以使多孔復(fù)合體中催化活性物質(zhì)的含量和設(shè)置的均勻程度均可顯著提高，提高催化反應(yīng)率。
[0012]該過濾催化元件具體可以是一種對工業(yè)爐氣具有過濾和SCR脫硝催化雙重作用的功能元件，所述多孔復(fù)合體的平均孔徑為I?200 μπι，且所述多孔基體由燒結(jié)金屬多孔材料或燒結(jié)陶瓷多孔材料構(gòu)成，該多孔基體中具有三維立體連通的網(wǎng)絡(luò)孔隙。其中，所述中間層可以由T12納米顆粒、AlO2納米顆粒、ZrO2納米顆?；騍1 2納米顆粒構(gòu)成。所述催化活性層可以由V2O5構(gòu)成或以V 205為主要成分，以WO 3和MoO 3中的至少一種為輔助成分的混