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技術探析丨脫硝除塵一體化工藝中陶瓷濾管與布袋濾袋應用對比

來源:北極星大氣網


近二十年來,高溫陶瓷濾管技術在煙氣凈化領域得到了快速發展。其與傳統布袋過濾器的除塵機理相似,兩者均是以篩分機理為主,同時存在慣性碰撞、攔截、擴散效用,及特定條件下的靜電效應和重力效應。然而,與傳統布袋濾袋相比,陶瓷濾管具備耐腐蝕性強和耐高溫等特點。因此,隨著陶瓷濾管制造技術的成熟,及近年來火電、垃圾焚燒等行業更為嚴格的煙氣粉塵排放標準的頒布,陶瓷濾管過濾技術得到了快速發展。

近年來,除粉塵外,氮氧化物等污染物的排放標準也更為嚴格,傳統的SNCR脫硝技術難以滿足日益嚴格的氮氧化物排放要求。因此,國內外催化劑附著濾袋與催化劑附著陶瓷濾管工藝越來越受關注,以此為基礎的高溫陶瓷濾管除塵脫硝一體化技術得到迅速發展。

濾袋與催化劑附著濾袋研究

濾袋的過濾形式可分為三種:深層過濾、覆膜過濾和表層過濾。深層過濾是最為傳統的一種過濾方式,指煙氣直接被濾料層過濾。覆膜過濾指在傳統濾料的迎煙面附著一層微孔結構的薄膜,薄膜孔徑直徑較小,一般小于2μm,可有效避免絕大多數的顆粒物進入纖維濾料內部。表層過濾則是在傳統濾料的迎煙面附著一層超細纖維,同樣起到阻止顆粒物進入濾料內部的作用。

布袋除塵器的核心是濾袋材料。目前,濾袋主要材質包括聚苯硫醚(Polyphenylene Sulfide, PPS)、聚亞酰胺(Polyimide, P84)、聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene, PTFE)和玻璃纖維(Fiberglass, GL)等。各種材質的適用溫度與優缺點詳見表1。為了更好融合各種濾袋材質的優點,克服各種濾袋材質的缺點,由兩種或多種材質組成的復合型濾袋也較為常見。

表1 不同濾袋材料的適用溫度和優缺點

表1可看出,總體而言,布袋除塵僅適用于中低溫煙氣,因此,當煙氣溫度較高時,需在煙氣進入布袋除塵器前,對其進行水冷、風冷等降溫處理,以保護濾袋不會破損。

近年來,隨著氮氧化物排放標準的提高,脫硝除塵一體化的布袋除塵器開始受到關注,其關鍵技術在于催化劑附著濾袋的研發。將錳系/釩系等催化劑附著在濾袋表面,并在布袋除塵器中或其進口煙道中噴入氨氣,在催化劑的作用下,噴入的氨氣與煙氣中的氮氧化物反生成氮氣。這與SCR(Selective Catalytic Reduction,選擇性催化還原)反應器對于氮氧化物的去除機理類似,即在催化劑作用下,還原劑NH3在180~400℃下有選擇的將NO和NO2還原成N2,而幾乎不發生NH3與O2的氧化反應,從而提高了主反應選擇性,減少了還原劑的消耗,降低成本,有利于控制氨逃逸。

近年來,眾多專家學者致力于催化劑附著濾料的研發。汪謝通過表面活性劑分散法、徐覆法和抽濾法將二氧化錳/聚化咯催化劑負載到PPS濾料,催化劑負載量約為44g/m2,在實驗室條件下,催化劑附著PPS濾袋在180℃時,脫硝效率可達80%。

鄭偉杰采用相關氧化還原反應的機理將三種不同的催化劑組分Mn-CeOx、Mn-SnOx和Mn-Ce-SnOx原位生長在PPS纖維表面,結果表明,三種不同的催化劑附著濾料在實驗室條件下,當制備條件為KMnO4/PPS質量比為0.6,且脫硝反應溫度為180℃時,脫硝率可以高達100%,甚至附著Mn-Ce-SnOx催化劑的濾料在脫硝反應溫度為120℃時,脫硝率即可高達100%。

鄒海強采用超聲分散法,使得6%MnO2/CNFs催化劑附著于于芳綸濾料表面,經聚多巴胺包覆后,在180℃時,實驗室條件下,其脫硝效率可達80%。

王敏將MnOx附著于布袋除塵器濾袋上,研究了溫度、氧氣含量、入口氣體流量等因素對脫硝效果的影響。研究結果表明,當反應溫度為150℃,且反應氣體中煙氣含量為5%時,氮氧化物的脫除率可以達到75%。

陶瓷濾管與催化劑附著陶瓷濾管研究

陶瓷濾管主要是由碳化硅、二氧化硅、三氧化二鋁、氧化鋁、鈦酸鋁和硅酸鋁等材質制成。它具有良好的微孔性能、耐高溫、耐各種介質腐蝕且耐氧化,其本體具有一定剛度,無需外部支撐,故適用領域非常廣泛。隨著我國對顆粒物排放標準日趨嚴格,其具有很好的推廣使用價值。

陶瓷濾管的孔徑可根據煙氣特性定制,最小可小于1μm,目前常見的孔徑為2~3μm,經其凈化后的煙氣中粉塵含量低,小于5mg/m3,甚至可穩定在1mg/m3以下。

日本旭硝子株式會社利用堇青石制成的均質圓管狀多孔陶瓷管凈化1000℃含塵高溫廢氣。陶瓷濾管的孔徑大小為40~60μm,孔隙率為16%~22%。研究結果表明,該陶瓷濾管對粒徑大于孔徑1/20以上的顆粒物去除率基本可高達100%,在定期反吹沖洗的前提下,其除塵效率高達99.99%。

與催化劑附著濾袋相似,陶瓷濾管表面也可附著錳系/釩系等催化劑,實現脫硝除塵效應的一體化。陶瓷管表面可附著比表面積極大的納米級催化劑顆粒。此外,陶瓷管本身不規則纖維結構,增加了氣體分子通過時與催化劑顆粒碰撞接觸的頻率,因而催化劑附著陶瓷濾管的脫硝效果良好。

陶瓷濾管本身可以耐受1000℃的高溫,其運行溫度主要取決于催化劑的最佳使用溫度和煙氣溫度。當陶瓷濾管附著L-01/02錳鐵/釩鈦系催化劑時,其最佳操作溫度為160~225℃,最高運行溫度為250℃;當陶瓷濾管附著M-02釩鈦系催化劑時,其最佳操作溫度為250~330℃,最高運行溫度為350℃;當陶瓷濾管附著M-01釩鈦鎢系催化劑時,其最佳操作溫度為275~400℃,最高運行溫度420℃。

催化劑附著濾袋與催化劑附著陶瓷濾管對比研究

催化劑附著濾袋與催化劑附著陶瓷濾管在除塵與脫硝方面的原理基本相似:除塵以篩分為主要機制;脫硝皆采用氨氣為還原劑,催化脫硝,且兩者所用催化劑皆以錳鐵/釩鈦系催化劑為主。然而,濾袋的適用溫度約為120~280℃,因而濾袋附著催化劑以中溫和低溫催化劑為主。

而陶瓷濾管的適用溫度范圍更為廣泛,最高可達1000℃,因此可根據具體煙氣特性和行業特點,選擇低溫、中溫或高溫催化劑。由此可避免因煙氣溫度過高必須對其采取降溫措施后才可進入除塵器的現象,有利于降低能耗。

目前,中溫和高溫脫硝催化劑的脫硝效率比低溫催化劑更高,且價格也相對較低。此外,煙氣中三氧化硫會與氨氣反應,生成硫酸氫銨、硫酸銨等硫銨化合物。硫酸氫銨黏性極大,隨著溫度的降低,其黏性呈現增強的趨勢。甚至當反應溫度低于150℃時,其會以液態形式附著在催化劑表面,吸附飛灰,堵塞催化劑孔隙,導致催化劑失活。因此,陶瓷濾管在中高溫下穩定運行的特點有利于提高脫硝效率,延長催化劑的使用壽命。

布袋除塵器和濾管除塵器的在線反吹技術,均可有效延長催化劑的壽命。雖然顆粒物會在濾袋表面沉積,但部分微小粒徑的顆粒物依然可能進入濾料內部。當其與濾袋附著的催化劑接觸時,容易堵塞催化劑表面的孔隙,引起催化劑中毒;此外,煙氣中的堿金屬也會降低催化劑的活性。因此,隨著濾袋運行時間的延長,催化劑的活性會逐步降低。布袋或陶瓷濾管除塵器的定時反吹除灰,可有效減緩微小顆粒物對催化劑的影響,延長附著催化劑的壽命,使脫硝催化劑的使用壽命與濾袋、濾管的使用壽命更為接近,從而有效減少了廢催化劑的產生量。

采用催化劑附著濾袋技術,可在幾乎不改變布袋除塵器占地面積的基礎上,實現脫硝除塵一體化,有效減少煙氣凈化設備的占地面積,對空間受限的新建或改造項目尤為適用。布袋除塵器濾袋的高度一般為6米左右,除塵器本體的高度為20~25米左右。但陶瓷濾管除塵器濾管的尺寸一般最長為3米左右,而濾管除塵器的高度為18~20米左右。因此,陶瓷濾管除塵器的占地面積比布袋除塵器大。

在危險廢棄物焚燒、垃圾焚燒等煙氣中,除常規污染物外,還含有二噁英類物質,附著催化劑的濾袋和陶瓷濾管均對二噁英有一定去除效果。例如:當催化劑附著陶瓷濾管于約250℃溫度下運行時,在釩鈦催化劑的作用下,可通過苯環中的氯鍵打開分離出氯化氫的方式來分解煙氣中的二噁英。

與目前許多行業使用活性炭來吸附二噁英相比,催化分解法具備的明顯優勢是:二噁英被活性炭吸附后,隨活性炭轉入飛灰中,需送至危廢處理廠處置或者穩定化后送入衛生填埋場分區填埋,在此過程中,依然存在二噁英逸出的可能性。而催化劑附著濾袋或陶瓷濾管則是分解二噁英而非轉移,且催化劑附著陶瓷濾管對于二噁英的去除效率可高達99%以上。

采用脫硝催化劑附著濾袋的布袋除塵器目前仍處于實驗室研發階段,目前尚無實際工程應用案例。但高溫陶瓷濾管脫硝除塵一體化設備已在國內外建筑垃圾焚燒、廢污泥焚燒、玻璃窯、有色金屬、生物質電廠、危險廢棄物焚燒、水泥窯等眾多行業實現工程化應用。

日本宮城縣石卷建筑垃圾焚燒廠于2011年開始,使用催化劑附著陶瓷濾管工藝。其原始煙氣中二噁英的濃度為40ng DE/Nm3(干煙氣含氧量為10%),出口煙氣中則<0.06ng ±0.02ng DE/Nm3(干煙氣含氧量為10%),二噁英的去除率為99.85%。

結語

我國鋼鐵、火電、生物質焚燒、生活垃圾焚燒發電和危險廢棄物焚燒等眾多工業領域在近年來均面臨著煙氣排放標準日益嚴格的現狀。新建項目往往采用傳統工藝與其他多種工藝組合的技術路線來滿足更為嚴格的排放標準,但這造成了煙氣凈化工藝路線增長,凈化設施占地面積與投資均大幅度增加的現象。同時,許多原有項目受到場地空間的限制,使用組合工藝進行提標改造較為困難。因而目前煙氣凈化領域對集多種功能于一體的煙氣凈化設備的需求極為迫切。

本文所介紹的催化劑附著濾袋與催化劑附著濾管的工藝,均可實現脫硝除塵一體化,同時還可有效去除煙氣中的二噁英等其他有毒有害成分,實現多種污染物的協同處置,有效降低設備運行維護的難度,同時應用行業廣泛,尤其適用于煙氣處理量較小的項目。因此,脫硝除塵一體化濾袋與陶瓷濾管工藝的應用是煙氣凈化領域未來的發展趨勢之一。



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