除尘脱硝一体化玻纤/ P84复合毡 覆膜滤料制备及性能研究

高 政，郭晓蓓，徐 涛，张 振，尹奕玲

（南京玻璃纤维研究设计院有限公司，南京 211112）

0 前言

随着国民经济快速发展，能源消耗日益增长，燃煤电厂、钢铁、水泥、垃圾焚烧等行业烟气排放造成了严重的环境污染问题，粉尘、SO2、NOx和重金属汞已被列为我国四种主要大气污染物［1］。在绿色发展的大趋势下，国家、各省市相继推出了更为严格的排放标准，以水泥行业为例，多地要求粉尘、二氧化硫、氮氧化物排放量分别不高于10 mg/m3、35 mg/m3、50 mg/m3。目前各行业除尘主要依靠电除尘、袋除尘或电袋复合除尘的方式进行，其中袋除尘捕集效率高是除尘的主流技术［2］，脱硝主要采用还原剂将其还原为氮气，主要有选择性非催化还原技术（SNCR）和选择性催化还原技术（SCR）［3］。SNCR是在炉内燃烧后部的一定温度区域内喷入氨水等还原剂将NOx还原为N2及H2O。该技术投资成本较低 ，但脱硝效率低，此外氨水挥发易造成二次污染。 SCR采用V2O5等催化剂催化NH3等还原剂将NOx还原为N2及H2O，该技术脱硝效率高但其系统复杂、占地面积大、改造工程复杂、投资与运行成本较高［4］。

本文开发的除尘脱硝一体化滤料技术以现有袋式除尘器作为脱硝反应器，可以同时实现脱除烟气中的粉尘与NOx，满足环保需求，市场应用前景广阔。

1 实验部分

1.1 原材料与设备

1.1.1 原材料

玻纤/P84复合毡覆膜滤料：南京玻璃纤维研究设计院有限公司自制；

Mn-Ce催化剂：南京玻璃纤维研究设计院有限公司自制。

1.1.2 实验仪器

滤料脱硝性能评价系统：清华大学盐城环境工程技术研发中心；

扫描电子显微镜：SU8000，日本日立公司；

粉尘过滤效率测试系统：FEMA-1，德国FILTEQ 公司。

1.2 除尘脱硝一体化玻纤/P84复合毡覆膜 滤料结构设计

除尘脱硝一体化是集除尘与脱硝催化功能于一体的技术，将脱硝催化剂负载到除尘滤料上，进行除尘与脱硝协同治理。除催化剂外，载体选择也至关重要。一方面，催化剂活性成分通过物理或化学方法附着在载体上，载体比表面积大、酸位点多，催化剂负载效果好；另一方面，载体可保护催化剂，对抑制催化剂的中毒具有积极作用［5，6］。对于除尘脱硝滤料，传统的负载方式主要有以下几种：一是将催化剂成品粉末分散至溶液中浸渍到滤料上，再通过发泡或覆膜方式固着；二是原位沉积法，通过氧化还原原理负载催化剂；三是将催化剂负载到PTFE微孔膜上，再将微孔膜覆到滤料表面［7，8］。本文中采用了第一种负载方式，即将催化剂粉末分散后浸渍到滤料上，然后进行覆膜。由于PTFE膜的保护，避免催化剂磨蚀及中毒，同时设计开发了内部结构存在孔径连续变化的渐扩式PTFE膜，点阵式表面异构玻纤/P84复合毡针刺毡，降低了滤料阻力，提高过滤效率。Mn-Ce催化剂低温下具备更高的活性及脱硝效率，因此该滤料实现了除尘的高效低阻及脱硝功能的有机统一，滤料结构如图1所示。

图1 除尘脱硝一体化覆膜滤料结构

1.3 制备工艺路线

图2 除尘脱硝一体化玻纤/ P84复合毡覆膜滤料工艺流程图

1.4 性能评价

1.4.1 脱硝性能测试

除尘脱硝一体化玻纤/P84复合毡覆膜滤料的脱硝性能在清华大学盐城环境工程技术研发中心自制脱硝性能评价装置上进行，结构如图3所示。试样直径为150 mm。试样放置于反应器中。测试条件：体积分数5×10-4NH3、体积分数5×10-4NO、体积分数5% O2，体积分数5% H2O，体积分数2×10-4SO2，N2为载气，反应温度100～275 ℃。反应气体在混合罐中充分混合后，经过预热器预热，最终进入反应器，采用Gasmet分析仪连续在线监测固定床反应器进出口气体的成分及含量。

图3 脱硝评价装置

1.4.2 除尘性能测试

采用德国FILTEQ 公司的粉尘过滤效率测试系统对滤料进行了过滤性能测试，该装置可视为小型的袋式除尘器，将滤料置于一定粉尘浓度与流量的含尘气流中，模拟实际工况，通过反复过滤与清灰来测试样品的过滤性能。测试参照ISO 11057-2011《空气质量，可清洗过滤介质的过滤特性的试验方法》标准进行，测试粉尘为Sasol PURAL NF （Spec.-No. 502112）氧化铝粉末，粉尘浓度5 g/m3，过滤风速2 m/min，滤料面积0.0154 m2，脉冲清灰压力0.5 MPa，脉冲时间60 ms，温度29 ℃，湿度＜50%，测试周期，初始30 次过滤循环，滤料压差上升至1000 Pa， 脉冲阀自动开启并清灰； 老化2500次，间隔20 s 强制清灰一次，10次稳定期和最后30 次过滤循环，滤料压差上升到1000 Pa，脉冲阀自动开启并清灰。

2 实验结果与分析

2.1 SEM电镜分析

由图4可见，覆膜滤料膜面完整，除了热压覆膜造成的印记外，并没有破损痕迹，催化剂涂层成功附在了滤料表面，且涂层并没有完全将滤料表面覆盖，依然能看到纤维排布。

图4 除尘脱硝一体化玻纤/P84复合毡覆膜滤料外观及扫描电镜图

2.2 除尘脱硝性能分析

将试制样品进行了除尘脱硝性能评测，由图5可得知当温度大于150 ℃时，催化剂活性增加，到 200 ℃时接近40%，225 ℃达到60%，275 ℃达到70%。

图5 除尘脱硝一体化玻纤/ P84复合毡覆膜滤料脱硝性能

滤料除尘性能采用德国FILTEQ 公司的粉尘过滤效率测试系统进行测试评价。从图 6可以看出除尘脱硝一体化玻纤/P84复合毡覆膜滤料每次清灰周期均较稳定，清灰后的过滤阻力平稳上升，测试结果表明，1000 Pa喷吹时，排放浓度为0.03 mg/m3，过滤效率为99.9994%，平均残余压差为158.23 Pa，平均清灰周期为581 s，过滤性能良好。

图6 测量期阻力曲线

2.3 应用性能评测

本文产品应用于某水泥厂旁路放风系统，具体工况为：入口温度250 ℃，风量3000 m3/h，粉尘浓度200 g/m3，过滤风速0.6 m/min，测试结果如表1、表2所示。

表1 旁路检测结果

表2 烟气排放检测结果

由表1、表2结果可知，该水泥厂颗粒物排放4.36 mg/m3，氮氧化物排放38 mg/m3，结果高于目前国家环保要求。同时，检测结果中SO2零排放，说明SO2被粉尘吸附，避免了催化剂硫中毒，确保了一体化滤料的稳定使用。

3 总结

本文制备的除尘脱硝一体化玻纤/P84复合毡覆膜滤料，实现了除尘、脱硝性能协同，并得到水泥厂旁路系统的应用证明，该滤料能够满足国家环保要求，但要进一步推广至其他行业，针对不同工况，还需要进行催化剂寿命验证、脱硝效率提升等研究评价，并积极联系应用厂家建立示范工程，获得一体化技术工程运行的各项参数，推动行业变革，响应国家“双碳”政策的实施。