三維分級陶瓷催化濾管的性能與玻璃爐窯中試研究

單 良，尹榮強，王 彬，周清清，王志強，徐 杰，孟令坤，陳建軍，*，張志剛，李俊華

(1.清華大學鹽城環境工程技術研發中心，江蘇 鹽城 224000； 2.清華大學 煙氣多污染物控制技術與裝備國家工程實驗室，北京 100084； 3.中建材環保研究院(江蘇)有限公司，江蘇 鹽城 224051)

0 引言

由于玻璃行業在生產過程中多采用石油焦粉、天然氣、重油等燃料，燃燒后產生了大量的硫氧化物、氮氧化物以及顆粒污染物等[1]，這些污染物不僅破壞了生態環境系統，也嚴重影響著人類生產及生活活動。隨著國家及地方出臺的環保標準對行業中污染物的排放控制越來越嚴格[2]，為了提標改造，傳統的玻璃爐窯串聯式脫除技術逐漸呈現出一些弊端，如占地面積大、系統龐大復雜、設備成本高、除塵脫硝效率低等[3-5]。因此，開發低成本、短流程、多污染物協同脫除材料和技術，成為非電行業中小型工業燃燒設備煙氣凈化領域發展的新方向。其中，耦合催化脫硝活性組分的過濾材料為核心的煙氣污染物一體化技術成為國內外廣泛關注的應用前景較好的新技術[6-12]。

目前，制備出的三維分級陶瓷催化濾管，不同的催化功能層分級分布于陶瓷濾管梯度內層，具有低過濾阻力，高脫硝效率的顯著優點，特別適合中小鍋爐企業的煙氣脫硫、脫硝及除塵的凈化需求。該技術可廣泛應用于焦化、垃圾焚燒、陶瓷玻璃、生物質鍋爐、耐火材料爐窯、水泥等行業，實現工業煙氣經濟高效深度治理。

1 三維分級陶瓷催化濾管的特性

圖1 三維分級陶瓷催化濾管特性Fig.1 Characteristics of three-dimensionalgraded ceramic catalytic filter tubes

利用真空定向涂覆法將催化功能粒子高度分散并緊密結合于陶瓷纖維表面制備三維分級陶瓷催化濾管，規格參數如表1所示，它可以有效地避免傳統濾管粒子團聚的弊端[13]。如圖1顯示，該技術的核心是可以控制涂覆陶瓷纖維濾管催化層厚度，保留濾管外表面致密層，保證了除塵效率，同時催化功能粒子均勻分散在陶瓷管內壁纖維上，從而免受重金屬及堿金屬毒化，保證了陶瓷纖維濾管上催化劑的使用壽命。因此它具有過濾阻力更低、除塵效率更高、脫硝效率更強等優點。它能夠在同一凈化裝置中同時脫除煙氣中兩種或多種污染物，大大縮短了工藝流程，提高了治理效率，降低了投資與運行成本。

表1 三維分級陶瓷催化濾管規格參數

與傳統的商業陶瓷催化濾管相比，三維分級陶瓷催化濾管具有以下特點：

(1)粉塵過濾精度高：保留了濾管外層致密層，保證了除塵過濾精度在99.9%以上，排放濃度可達到超低排放。

(2)煙塵過濾阻力低：催化活性組分高度分散于陶瓷纖維表面及孔道內，未發生團聚現象，保證了濾管的孔隙率及透氣性能。

(3)脫硝性能更高：催化活性組分高度分散，接觸面積遠大于傳統SCR催化劑，活性組分被充分利用，溫度窗口在230～420 ℃時，脫硝效率可達96%以上，滿足寬溫度范圍的NOx與顆粒物減排需求。

(4)適用壽命更長：功能性催化粒子均勻分布于濾管內層，免受重堿金屬毒化，大大延長了使用壽命，可長達5年以上。

(5)技術適用范圍廣：不改變原有除塵工藝和設備，對工業爐窯不同負荷變化適應性強。

2 中試平臺工藝路線

傳統的爐窯煙氣治理工藝為先脫硝、后除塵脫硫：采用噴水、換熱器或者余熱鍋爐等方法使煙氣溫度低于380 ℃，再通過高溫電除塵器降低粉塵濃度后與氨氣或氨水混合進入SCR脫硝反應器。脫硝后的煙氣進入干法或濕法脫硫系統后經煙囪直排[14]。

本中試平臺工藝路線如圖2(a)所示主要包括干法脫硫噴射裝置、一體化反應器、噴吹裝置、卸灰裝置以及電器控制系統等。一體化反應器結構如圖2(b)所示，一體化技術以三維分級陶瓷催化濾管為核心，現場安裝圖可見圖2(c)，它可高效脫除NOx和顆粒物的同時，通過干法脫硫可以有效去除SO2、SO3及其他非常規污染物HF、HCl等[5]。具體運行包括以下幾個步驟：

(1)玻璃爐窯中高溫煙氣先經換熱器降溫至最佳脫硝溫度(340～380 ℃)，再經過余熱鍋爐處理后引出旁路煙氣用于試驗，入口煙氣溫度可達300～330 ℃。

(2)小蘇打作為脫硫劑通過給料系統送入煙氣管道，在與高溫煙氣中的SO2充分反應后，固態顆粒生成物及煙氣中的顆粒物被阻隔在三維分級陶瓷催化濾管外壁形成濾餅層，達到了脫硫除塵效果。

(3)氨水經壓縮空氣進行霧化，通過噴槍噴入煙氣管道。

(4)混合煙氣進入一體化反應器，經導流板的作用下，煙氣中的NOx和NH3均勻的經過三維分級陶瓷催化濾管內層附著的催化劑進行選擇性催化還原反應，生成的N2和H2O從陶瓷纖維濾管內側脫離體系，從而完成煙氣脫硝過程。

(5)三維分級陶瓷催化濾管固定在除塵器內部，設置有壓差變送器，隨著濾餅層厚度的增加，陶瓷纖維濾管內外壓差相應增大，噴吹裝置啟動定時脈沖清灰，將陶瓷纖維濾管外側灰塵吹落至灰斗，使得系統阻力維持在較低水平。

(6)處理后的達標煙氣經引風機送至煙囪外排，完成整個脫硫脫硝除塵過程。

煙氣污染物脫除一體化技術具有工藝簡單、占地面積小、能耗低、投資少以及經濟效益高等優勢，已成為中小型工業燃燒設備煙氣凈化領域發展的新方向。

圖2 三維分級陶瓷催化濾管中試試驗Fig.2 Pilot test of three-dimensional graded ceramic catalytic filter tube

3 中試平臺試驗參數分析

某平板玻璃生產線采用一體化技術處理爐窯煙氣，使用小蘇打為脫硫反應劑、20%氨水為脫硝還原劑，除塵器設計過濾風速1 m/min，爐窯煙氣進出口參數詳見表2。

中試平臺在出入口處設置了溫度傳感器、壓差變送器等儀表，并采用煙塵測試儀進行現場實時檢測，以便獲得準確的試驗數據。連續運行數月，運行期間一體化反應器系統的過濾阻力穩定在1 100～1 300 Pa之間，同時與傳統工藝如脫硝反應器、除塵器和脫硫塔串聯式工藝相比，一體化技術工藝流程短，在一體化反應器中將硫硝塵等多污染物協同脫除，并且隨著陶瓷催化濾管性能不斷提升，過濾阻力越來越低，運行費用約占傳統工藝的40%～50%，運行成本大大降低。中試試驗過程中三維分級陶瓷催化濾管未出現中毒及堵塞現象，在噴氨量為5.2 kg/h時出口煙氣主要性能指標為SO2<10 mg/m3、顆粒物<3 mg/m3，NOx<23 mg/m3，氨逃逸<5 mg/m3，均達到了工業窯爐超低排放標準。

表2 中試試驗平臺進出口煙氣參數

3.1 出入口NOx濃度變化

中試平臺入口NOx濃度穩定在1 000 mg/m3左右，經過一體化反應器后，煙氣中的NOx與NH3在三維分級陶瓷催化濾管負載的催化劑的作用下，發生氧化還原反應，圖3(a)出口NOx平均排放濃度穩定控制在<23 mg/m3，脫硝效率高達96%以上，圖3(b)運行兩個月后脫硝效率未見明顯下降，因此制備的三維分級陶瓷催化濾管展現出優異脫硝性能及穩定性。

圖3 中試運行兩個月前后NOx濃度變化Fig.3 NOx concentration before and after two-months-operation

3.2 出入口SO2濃度變化

常規干法脫硫工藝Ca/S=1.5～2.0時，脫硫效率一般只能達到65%～80%[15]。然而一體化工藝中，高溫煙氣中的SO2與煙氣管道中小蘇打反應后，脫硫產物及未及時反應的小蘇打附著于陶瓷纖維濾管表層形成濾餅層，進一步增加二氧化

圖4 中試平臺運行兩個月前后SO2濃度變化Fig.4 SO2 concentration before and after two-months-operation

硫與脫硫劑反應，從而提高了系統脫硫效率，最高達到98%左右。中試平臺入口SO2濃度穩定在750 mg/m3，圖4(a)出口SO2平均排放濃度穩定控制在<10 mg/m3，圖4(b)運行兩個月后脫硫效率未見明顯下降，因此該煙氣一體化凈化系統展現出良好的脫硫優勢。

4 結論

通過定向可控涂覆技術將高效催化活性組分錨定于陶瓷纖維濾管內層疏松纖維孔道中，保留外部致密過濾層，從而使得三維分級陶瓷催化濾管具有低過濾阻力，高脫硝效率的特點，同時能夠脫除多污染物，且使用壽命長。

三維分級陶瓷催化濾管中試項目通過在玻璃行業建立一套具有工程參考意義的試驗裝置，運行以來，各項指標穩定(SO2<10 mg/m3、顆粒物<3 mg/m3，NOx<23 mg/m3)，滿足超低排放限值。

通過中試平臺長時間的穩定運行，表明了以三維分級陶瓷催化濾管為核心的多污染協同脫除技術的可行性，使得工業煙氣治理技術更加集成、高效、經濟。為后續的在玻璃行業及其他工業爐窯規模化應用奠定了基礎，值得在各行業推廣。