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水泥窑炉用脱硝除尘一体化滤料的性能研究

2018年10月20日 热度:878 ℃

本实验用低温锰系催化剂活性液原液对P84/Nomex复合滤料进行浸轧处理制备出负载锰基低温脱硝催化剂的功能滤料,这种方法操作简单,脱硝除尘效果好,大大节约了设备成本,具有广泛的应用前景和推广意义。为充分掌握该功能性滤料的性能,采用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)对试样进行成分和形貌分析;采用滤料强度测试对试样除尘性能进行研究;通过催化剂活性评价装置对试样进行脱硝活性分析;并与未浸渍催化剂活性液的滤料作对比。

1、前言

近几年,我国经常出现大范围雾霾天气,污染物排放造成严重的环境污染问题,已经成为建设可持续健康发展国家的绊脚石。传统的“高消耗、高排放、高污染、低效率”粗放发展模式还未得到彻底改善,污染物排放远超环境的自我清理能力,已经产生严重的环境危机,污染治理刻不容缓[1]。

大气污染物主要来自燃煤电厂、水泥厂、垃圾焚烧等燃料的燃烧,其中污染产物包括粉尘、NOx、SOx等。传统的大型燃料燃烧装置的尾部烟气净化系统由除尘装置、烟气脱硫装置、和烟气脱硝装置组成[2]。一般这三种装置都只是单独净化一类污染物,而这种由单一功能设备组成的烟气净化系统必然会造成仪器设备复杂、资金投入大、运行维护成本高等缺陷。袋式除尘器是一种高效的除尘技术,在我国水泥行业得到广泛应用,主要用来补集细小、干燥的非纤维性粉尘。低温NH3-SCR技术是一种有潜力的水泥烟气脱硝技术,目前被很多生产企业使用。袋式除尘器如果能够和低温NH3-SCR技术结合,不但能够达到除尘脱硝两用的效果,更重要的是可以节省大量的人力、物力资源[3]。

P84/Nomex高效除尘滤料具有耐腐蚀性优异,耐磨性好,易清灰,过滤精度高等优点,目前广泛适用于大型水泥窑头、窑尾除尘。选用的P84/Nomex高效除尘滤料,最高使用温度不能超过250℃,故不能采用煅烧前驱体的方法制备脱硝催化剂方法;高温滤料实际应用工况温度为130℃-220℃,因此选用负载锰基低温催化剂最为合适。本文通过等体积浸渍,氧化还原法制备出负载锰基低温脱硝催化剂的功能滤料。

2、实验部分

2.1实验原料及药品

Nomex/P84复合滤料、锰系催化剂活性液。

2.2实验仪器

超声波震荡仪、烘箱、催化剂活性评价装置、分析天平、AFC-133滤料测试台、透气量测试仪。

2.3P84/Nomex复合滤料的制备

将P84纤维和Nomex纤维按照3:7的重量比例混合,通过开松、混合、梳理、铺网、并网并加入基布进行针刺等工艺处理后,得到半成品针刺毡;再进行轧光、烧毛、热定型等处理工艺后,得到P84/Nomex复合滤料。

2.4负载锰基低温脱硝催化剂的功能滤料制备

剪取直径为50mm圆饼状耐高温滤布,用一定质量的锰前驱体溶液作为浸渍液,等体积浸渍;按理论负载量分别称取高锰酸钾固体粉末,溶解。然后将高锰酸钾溶液缓慢倒入浸没滤布,轻轻翻面,使其均匀反应,静置3h后取出滤布,用去离子水清洗,直至溶液不再变色,滤料表面水溶液为中性,高锰酸钾洗净为止。放入烘箱中110℃干燥6h待测试用。

2.5试样的性能表征

滤料断裂强力和断裂伸长率测试:将制备好的滤料裁剪成5*20cm形状,测试滤料断裂强力和断裂伸长率改变情况;SEM和XRD表征:负载锰氧化物前/后滤料及催化剂的表面形貌和结构分析;催化剂活性评价:复合滤料的脱硝性能在自制管式SCR反应器中进行评价。模拟烟气的组成为600ppmNH3、600ppmNO和3%O2,总流速为350ml/min,设计反应温度区间为70-220℃。反应器尾管进出口气体浓度由Testo350-XL烟气分析仪进行在线检测。

3、结果与讨论

3.1滤料的常规性能分析

对浸渍前和浸渍后的P84/PTFE复合滤料进行克重、透气等测试,具体结果见表1所述。

通过测试结果可以看出,浸渍前后,除了克重有提升以外,透气量基本保持不变。

将滤料裁剪成5*20cm形状试验,分别测试两种情况滤料断裂强力和断裂伸长率改变情况。

(从左到右依次为5*20cm的Mn10、Mn20负载后实物图;改性滤料断裂强度测试图)结果如下表:

结果表明,随着高锰酸钾用量越多,滤料断裂强力降低,约为1.8%左右;断裂伸长率增加,约为14%左右。从而得出:实际负载量对改性滤料的断裂强力和断裂伸长率不会产生致命性性能影响。

3.2滤料的过滤性能分析

采用AFC-133滤料测试台对浸渍催化剂活性液的P84/PTFE复合滤料进行过滤效率的测试,测试结果见图2、图3及表2所示。

图2

图3

从图2的红线可以看出,随着测试的进程,滤料的压差平稳上升,且最终压差为150Pa。该滤料的过滤效率为99.995%,完全能够满足水泥行业对排放浓度的要求。

3.3扫描电镜表面形貌分析

图4负载锰氧化物前滤料(a)/后滤料(b)SEM图×1000倍

对负载锰氧化物前后滤料扫描电镜分析可以看出,改性滤料经过水洗后,滤料纤维表面负载有纳米级固体颗粒,初步判定为二氧化锰低温催化剂负载在滤料上。并且,改性后滤料纤维未见损伤,判定高锰酸钾未对纤维结构造成破坏。

3.4X射线衍射结构分析

图5滤料负载催化剂和自制催化剂水洗前后XRD谱图

从上图可知,在衍射角2θ为23.8o、29.6o、37.6o、43.3o、57.3o为MnO2衍射峰,那么催化剂活性组分主要为MnO2,但衍射峰都不是高的尖锐峰,结晶度很低,水洗后衍射峰更弱。衍射角2θ在32.6o和34.1o分别为Mn2O3和Mn3O4,而且衍射峰都更弱,它们含量很少,高度分散。或者锰氧化物晶体多被吸附于滤料内部的孔隙中而不能被检测到,所以衍射图上没有出现明显的特征峰.锰氧化物不能被检测出来,进一步说明了催化剂具有良好的物理结构,为催化剂性能的大幅提高提供了条件.金属氧化物在催化剂载体上分散分布,表现为在XRD图谱上不出现明显的特征峰,说明金属氧化物分布较均匀,这与前面扫描电镜观察到的结果也一致。

3.5催化剂活性评价

采用催化剂活性评价装置对浸渍催化剂活性液的P84/PTFE复合滤料进行脱硝效率的测试,测试结果如下表3、图6。

图6脱硝效率测试结果

由图6的测试结果可以看出,随着温度的上升,负载催化剂滤料的脱硝效率不断增大。在200℃保温25min后,脱硝效率能够达到81%。

4、结论

本实验借助X射线衍射、扫描电镜、纤维强度测试、催化剂活性评价等方法,研究了水泥窑炉P84/Nomex高效除尘滤料负载低温脱硝催化剂MnOx前/后的理化性质和脱硝效率。

通过XRD分析所制备低温催化剂,其主要成分为MnO2,还有极少量的Mn2O3和Mn3O4。SEM表面形貌观察可以看出催化剂MnOx均匀分布在纤维表面,且颗粒尺寸较小,从而推断其具有较大的比表面积、较强的催化活性。通过抗拉强度测试,负载催化剂后滤料的断裂强度和断裂伸长率没有明显的变化,负载催化剂不会影响滤料的过滤效果和使用寿命。最后,活性评价发现本实验制备的脱硝除尘功能滤料,具有较高的脱硝效率,在130℃-170℃可达到85%-95%,具有很高的市场价值,有待进一步推广。

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