CN103418187A

CN103418187A - 一种除尘和低温脱硝过滤材料及用途

Info

Publication number: CN103418187A
Application number: CN2012101508905A
Authority: CN
Inventors: 顾立霞; 兰春艳; 姜锋; 李鑫
Original assignee: China Textile Academy; Toray Fibers and Textiles Research Laboratories China Co Ltd
Current assignee: China Textile Academy; Toray Fibers and Textiles Research Laboratories China Co Ltd
Priority date: 2012-05-16
Filing date: 2012-05-16
Publication date: 2013-12-04

Abstract

本发明公开了一种除尘和低温脱硝过滤材料及用途，该过滤材料是由覆盖层、催化层、织物层构成，所述织物层是由平均直径为5～30μm、强度在3.0CN/dtex以上、伸长率在50%以下的耐热纤维组成，所述催化层是由催化剂颗粒铺设而成。该过滤材料具有除尘和脱硝双效的功能，在温度低于190℃条件下实现85%以上的脱硝效率，而且还具有优良的机械强度，使用寿命长的特点。

Description

一种除尘和低温脱硝过滤材料及用途

技术领域

本发明涉及一种过滤材料，具体涉及一种除尘和低温脱硝过滤材料及其用途。

背景技术

随着我国环保法规的日益严格，控制氮氧化物污染物的排放对我国国民经济可持续发展具有极其重要的意义，NO_X的控制为未来5年的工作重点。工业尾气特别是垃圾焚烧和燃煤电厂排放气体中含有大量的氮氧化物（NO_X）占总氮氧化物排放的42%，这些气体一旦进入大气将成为主要的空气污染源和光化学污染源。目前工业上广泛采用的脱除NO_X的技术，包括低NO_X燃烧技术、非催化选择性还原（SNCR）、选择性催化还原（SCR）和湿法脱硝等技术。在众多的脱氮技术中， SCR是脱氮效率最高、最为成熟的脱氮技术。它是在特定催化剂作用下，用氨或其它还原剂选择性的将NO_X还原为 N₂和 H₂O 的方法。由于其技术成熟、脱硝率高，正得到越来越广泛的应用。

现有常用的催化剂附着方式是将催化剂颗粒制成悬浮液浸渍在滤料上，然后经过长时间的高温处理，这样的处理方式使滤料的物性损失明显影响寿命；或在生产纤维时添加催化剂颗粒，制成含有催化剂颗粒的纤维，再制得过滤材料，由于大量颗粒置于纤维内部，使用时减少与烟气的接触，影响催化效果。

如中国专利CN102145241 A中公开了一种聚苯硫醚滤料上负载脱硝催化剂的制备方法，将聚苯硫醚滤料进行酸化处理形成PPSN，再充分浸渍后，在300℃～500℃的温度下煅烧5～7小时形成负载聚苯硫醚滤料。这样长时间的高温处理会影响滤料的强度，从而降低了过滤材料的使用寿命。

又如中国专利CN101496974中公开了一种将聚四氟乙烯树脂粉末和催化剂粉体均匀混和，再加入液体经过一系列加工方法后制得薄膜再分裂成具有网状结构的聚四氟乙烯纤维催化层，再与其他迎尘层、缓冲层、聚四氟乙烯基布增强层叠合通过针刺加工，制备除尘和二恶英分解双效过滤材料。这样由于大量颗粒置于纤维内部，使用时减少与烟气的接触，影响催化效果。

再如中国专利CN101564622A中公开了一种在聚苯硫醚短纤维织物表面附着聚四氟乙烯微孔膜，实现过滤材料可以在不含有玻璃纤维的条件下，具有较高的捕集效率和使用寿命长的优点，但该过滤材料只能除尘，而对烟气中的NO_X仅有很微量的吸附去除作用。

针对市场需求及环境要求急需开发出一种生产成本低、且既能除尘又能对烟气中的NO_X有大量去除作用的过滤材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种生产成本低、过滤性能好、机械强度高、在低于190℃条件下脱硝效率高、使用寿命长的除尘低温脱硝过滤材料。

本发明的技术解决方案如下：本发明的除尘和低温脱硝过滤材料，该过滤材料是由覆盖层、催化层、织物层构成，所述织物层是由平均直径为5～30μm、强度在3.0cN/dtex以上、伸长率在50%以下的耐热纤维组成，所述催化层是由催化剂颗粒铺设而成。如果构成织物的耐热纤维的平均直径小于5μm的话，在纺纱时很难梳理，这样纤维就会容易受损拉断，难于织造成织物，而且即使织造成的织物得到的基材由于很密，透过膜的粉尘会被基材捕集，使得过滤材料的压力损失迅速提高；如果耐热纤维的平均直径大于30μm的话，这样纤维间的纠缠少，在纺纱时不能很好地形成纱线，机械强度会比较低，同时由它形成的织物由于其纤维间的孔隙大，铺设催化剂颗粒就会从空隙中漏下，而且也不能很好地支撑覆盖层，从而降低了过滤材料的捕集和脱硝效率、缩短了使用寿命。综合考虑，耐热纤维的平均直径优选10～20μm，这里耐热纤维的平均直径是通过扫描电子显微镜所测量的50根纤维直径的平均值。

构成耐热纤维织物层的纤维强度在3.0cN/dtex以上，该强度直接影响过滤材料的强力，如果耐热纤维的强度低于3.0cN/dtex的话，制得的过滤材料的强力达不到要求，影响使用寿命，优选3.4cN/dtex以上。同时耐热纤维的伸长率在50%以下，该耐热纤维的伸长率表示纤维断裂时伸长变形能力的大小，这样制得的过滤材料尺寸稳定性好，延长使用寿命。因为使用滤袋时外面或内部都有一个龙骨（亦称：骨架、支架）来支撑，固定滤袋的位置，在使用过程中，若滤袋尺寸稳定性不佳，随着使用时间的推移，滤袋与龙骨间的距离变宽，经过脉冲反复喷打时，使滤袋反复撞向龙骨的撞击力增加，从而增加滤袋与龙骨间的反复摩擦，最终导致滤袋的使用寿命降低，增加成本。优选耐热纤维的伸长率在40.0%以下。

构成本发明的催化层是由催化剂颗粒铺设而成。这里的催化剂颗粒铺设是指将颗粒直接均匀喷洒在织物层的表面，这样颗粒分布均匀且集中，有利于提高脱硝效率。

构成本发明的覆盖层是由无纺布层、织物层或薄膜中的一种构成。无纺布层和织物层采用平均直径为5～30μm、强度在3.0cN/dtex以上、伸长率在50%以下的耐热纤维组成；薄膜层由树脂薄膜构成，考虑到本发明的过滤材料用于高温烟气较恶劣的环境中，优选聚四氟乙烯膜作为覆盖层，因聚四氟乙烯膜具有超强的耐化学性、耐高温性、难燃性，同时还具有良好的延展性，便于覆盖在催化层上。

本发明的除尘和低温脱硝过滤材料，织物层的织物组织为斜纹或缎纹组织。采用这两种组织制得的织物紧密，铺设到织物层上的催化剂颗粒不容易掉落。在织物的三原组织中，相同的经纬密度下，平纹组织因其组织点多，纱线交织重叠部位多，如果采用平纹组织制得的织物作为织物层的话，导致通气度高、表面积小，这样就不适合进行表面附着。

本发明的除尘和低温脱硝过滤材料，上述催化剂颗粒的附着率达到80%以上。这里的催化剂颗粒的附着率是指实际附着催化剂颗粒的重量与喷洒催化剂颗粒的重量的比值。若催化剂颗粒的附着率高，则说明生产时喷洒的催化剂被大量地附着在织物层上，这样提高了使用率，降低了生产成本；若催化剂颗粒附着率低，则说明喷洒的催化剂颗粒大量地掉落，没有附着在织物层上，这样就会造成生产浪费，成本明显增加。本发明在耐热纤维织物层表面喷洒催化剂后再与覆盖层复合，催化剂颗粒在织物层上的附着率可达到80%以上。催化剂颗粒的附着率高还与上述织物组织有关。

本发明的除尘和低温脱硝过滤材料，所述催化剂在单位面积内的重量CV值在12.0%以下。这里的CV值（离散率）计算方法如下：

CV=

×

×100%

其中：Xi：每次测得催化剂在单位面积（m²）内的附着重量；

：催化剂在单位面积内的附着重量的平均值；

n：测试样本数（n≥5）。

催化剂在单位面积内的重量CV值是表示过滤材料上附着催化剂的均匀程度，对过滤材料的脱硝效率影响很大。如果催化剂在单位面积内的重量CV值过高，则表明催化剂的附着分布不均匀，催化剂在某一处堆积过多，造成浪费，而没有附着到催化剂的地方就不能实现对烟气中氮氧化物（NO_X）的净化，降低脱硝效率；如果催化剂在单位面积内的重量CV值在12.0%以下，则表明催化剂附着分布均匀，则能很好地实现对烟气中氮氧化物（NO_X）的净化，脱硝效率高。

本发明的除尘和低温脱硝过滤材料，上述催化剂颗粒是由锰盐、钴盐、铈盐、铜盐、铁盐、钼盐、锌盐、锡盐中一种或几种组成。由上述一种或几种盐组成的催化剂具有生产成本适中、生产工艺简单、原材料容易获取、脱硝效率高的优点。

本发明的除尘和低温脱硝过滤材料，上述催化层占该过滤材料的5～40重量%。如果催化层的比重小于5重量%，难于实现对氮氧化物的高效净化；如果催化层的比重大于40重量%，生产成本就会大幅增加，同时与覆盖层、耐热纤维织物层复合后，过量的催化剂颗粒易堵塞过滤材料的孔隙，导致透气度减小，从而影响过滤性能。优选催化层占过滤材料的10～30重量%。

本发明的除尘和低温脱硝过滤材料的耐热纤维织物层是由耐热短纤维组成，短纤纱由于其毛羽多，可以提高覆盖层、催化层、织物层间的附着力。

本发明的除尘和低温脱硝过滤材料，上述耐热纤维为聚苯硫醚纤维、间位芳香族聚酰胺纤维、聚酰亚胺、聚四氟乙烯纤维、对位芳香族聚酰胺纤维中的一种或几种。耐热纤维优选聚苯硫醚纤维，该纤维不仅具有优秀的耐化学性能，而且还具有优秀的耐热性。聚苯硫醚纤维熔点高达285℃，常规使用温度可以达到170℃；耐化学性能方面，在200℃或200℃以下，它能对大多数的酸（如：浓盐酸、浓磷酸、稀硫酸等）、碱（如：30%NaOH）、有机溶剂保持稳定的性能；机械强度方面，对滤袋使用过程中接受到的含尘气流的冲刷及脉冲清洗时的冲击都具有极强的抵抗性。除此之外，聚苯硫醚纤维还具有优良的难燃性、耐辐射性、电气性、耐光性等性能，其价格适中，便于推广使用。

本发明的除尘和低温脱硝过滤材料，根据JIS L 1096标准，该过滤材料的克重在200～600g/m²之间，才能满足捕集效率的要求。如果克重超过600g/m²，会使生产成本明显增加，同时过滤材料的通气度变小，起不到降低压损的效果；如果克重低于200g/m²，会因为织物间存在较大的孔隙，不利于支撑覆盖层，使用时容易穿孔而无法满足高捕集效率的作用，而且机械强度无法得到满足，优选过滤材料的克重为300～550g/m²。

本发明的除尘和低温脱硝过滤材料，依据JIS L 1096 标准，该过滤材料的经向和纬向的拉伸强度均为1500N/5cm以上，由于烟气过滤袋经常承受大量入口烟气的冲刷以及清灰时来自高达3kg以上压缩空气的脉冲喷打，所以对其强度和耐摩擦性就有特别的要求，需要的这种材料既具有高强，同时还需具有高耐摩擦性能，否则使用过程中的破损、露底等异常现象会缩短使用寿命。另外过滤材料在使用过程中必须克服自身的重力和附载粉尘的重力，因此过滤材料必须要有一定的强度来满足高温烟气的环境。优选过滤材料的拉伸强度1800N/5cm以上。

本发明的除尘和低温脱硝过滤材料，依据JIS L 1096 标准，该过滤材料的通气度在1.0～15.0cm³/cm².s之间。如果通气度小于1.0cm³/cm².s的话，在实际的使用中压力损失变低，缩短清灰周期，影响使用寿命；如果通气度大于15.0cm³/cm².s的话，由于粉尘易渗入，增加排放浓度，达不到排放标准。优选过滤材料的通气度为1.5～12.0cm³/cm².s。

本发明的除尘和低温脱硝过滤材料，覆盖层、催化层、耐热纤维织物层的结合是通过温度为350～520℃、速度为10～20m/min的条件下进行热粘合的。该过滤材料在高温的环境下使用，同时过程中不断受到脉冲的喷打，所以要求三层间的结合强度高，若膜剥离极易破损，达不到良好的过滤效果。采用热粘合的方法具有结合强度高、不堵塞微孔的优点。

本发明的除尘和低温脱硝过滤材料具有生产成本低、过滤性能好、机械强度高的特点，通过上述方法制得的过滤材料在低于190℃下脱硝效率高、使用寿命长，本发明的过滤材料可应用于烟气过滤袋的制备。

具体实施方式

下面通过实施例更详细地说明本发明，但本发明不受这些实施例的限制，本发明过滤材料各物性的测定方法如下。

【克重】

将过滤材料切成 200×200mm 的正方形，从重量计算出过滤材料的克重。

【单位面积催化剂的附着重量】

将过滤材料切成 200×200mm的正方形，称取该块过滤材料的重量，再分别称取覆盖层和织物层的重量，最后计算出催化剂的附着重量。

【通气度】

根据JISL 1096规定的弗雷泽型织物透气性测试法测定过滤材料的通气量。测定部位是随机选择6点进行测定。

【VDI3926 捕集效率】

根据VDI3926的标准测定过滤材料的性能，实验样品的尺寸是φ150mm，喂入的粉尘浓度在5g/m³，过滤风速为2m/min。实验的顺序是，初期30回+稳定化5000回+最后30回。这里的初期30回和最后30回的方法是，随着运行时间的延长，过滤材料两面的压差会渐渐升高，当到达1000Pa时，脉冲空气对过滤材料表面的粉尘进行清灰，然后进行下一个过程，该过程总共进行30回，在实验的过程中记录压力和时间的变化，同时检测没有被过滤材料捕集的粉尘的浓度。稳定化过程是指在运行的过程中，以5s为时间间隔对过滤材料进行清灰，共进行5000回。在这里所指的清灰的压力是5bar。

【脱硝效率】

采用德图烟气自动测试仪350XL，测试过滤前、后烟气中氮氧化物的含量，从而计算出脱除效率。

【拉伸强度】

根据JISL 1096规定的布条强度法测定过滤材料的拉伸强度。试样尺寸是200mm×50mm，以拉伸速度100mm/min、夹头间隔100mm进行测定。测定值是试样的经向（是和纤维的取向垂直的方向，在包含平纹粗布的试样的情况下，和平纹粗布的经向同一方向）和试样的纬向（包含平纹粗布的试样的情况下，和平纹粗布的纬向同一方向）中的1次强度的值。

实施例1

采用平均直径14.5μm、强度5.1cN∕dtex、伸长率28%的聚苯硫醚短纤维，经过纺纱、热定型、织造、再热定型后形成克重为400g/m²的斜纹织物作为织物层，然后将锰盐和钴盐组成的催化剂颗粒均匀地喷洒到上述织物层表面形成催化剂层，再在催化剂层表面铺设由聚苯硫醚纤维构成的织物覆盖层，该织物覆盖层是由平均直径14.5μm、强度5.1cN∕dtex、伸长率28%的聚苯硫醚短纤维，经过纺纱、热定型、织造而成的80g/m^２薄型织物。然后在15m/min的速度、400℃的条件下进行热粘合，最后制得克重为600g/m^２的除尘和低温脱硝过滤材料，其中，上述催化层占该过滤材料的20重量%，催化剂颗粒的附着效率达到85%，催化剂在单位面积内的重量CV值为8%。

通过上述方法得到的除尘和低温脱硝过滤材料，在温度为175℃的条件下，对氮氧化物的去除效率达92%，本发明过滤材料的经向拉伸强度为2520N∕5cm、纬向拉伸强度为2315N∕5cm；通气度为6.0cm³/cm².s；捕集效率达到99.9956%。

实施例2

采用平均直径13.2μm、强度3.7cN/dtex、伸长率42%的聚苯硫醚短纤维与聚四氟乙烯短纤维混纺而得的纱线，经过纺纱、热定型、织造、再热定型后形成克重为420g/m²的斜纹织物作为织物层，然后将钴盐和铜盐组成的催化剂颗粒均匀地喷洒在上述织物层表面形成催化剂层，再在催化剂层表面铺设聚四氟乙烯微孔膜层，在13m/min的速度、450℃的条件下进行热粘合，最后制得克重为530g/m^２的除尘和低温脱硝过滤材料，其中，上述催化层占该过滤材料的26重量%，催化剂颗粒的附着效率达到88%，催化剂在单位面积内的重量CV值为6%。

通过上述方法得到的除尘和低温脱硝过滤材料，在温度为180℃的条件下，对氮氧化物的去除效率达96%，本发明过滤材料的经向拉伸强度为2200N∕5cm、纬向拉伸强度为1985N∕5cm；通气度为4.0cm³/cm².s；捕集效率达到99.9982%。

实施例3

采用平均直径17.5μm、强度4.1cN/dtex、伸长率25%的聚酰亚胺纤维，经过纺纱、热定型、织造、再热定型后形成克重为380g/m²的缎纹织物作为织物层，然后将铈盐和铁盐组成的催化剂颗粒均匀地喷洒在上述织物层表面形成催化剂层，再在催化剂层表面铺设由聚酰亚胺纤维构成的无纺布覆盖层，该无纺布覆盖层是由平均直径17.5μm、强度4.1cN/dtex、伸长率25%的聚酰亚胺纤维经过开松、梳理、铺网、针刺加工成60 g/m^２纤维网。在10m/min的速度、500℃的条件下进行热粘合，最后制得克重为520g/m^２的除尘和低温脱硝过滤材料，其中，上述催化层占该过滤材料的15重量%，催化剂颗粒的附着效率达到83%，催化剂在单位面积内的重量CV值为10%。

通过上述方法得到的除尘和低温脱硝过滤材料，在温度为188℃的条件下，对氮氧化物的去除效率达89%，本发明过滤材料的经向拉伸强度为1890N∕5cm、纬向拉伸强度为2015N∕5cm；通气度为11.0cm³/cm².s；捕集效率达到99.9895%。

实施例4

采用平均直径9.7μm、强度4.5cN/dtex、伸长率37%的间位芳香族聚酰胺纤维，经过纺纱、热定型、织造、再热定型后形成克重为360g/m²的缎纹织物作为织物层，然后将锰盐、钼盐和锌盐组成的催化剂颗粒均匀地喷洒在上述织物层表面形成催化剂层，再在催化剂层表面铺设聚四氟乙烯微孔膜层，在12m/min的速度、480℃的条件下进行热粘合，最后制得克重为510g/m^２的除尘和低温脱硝过滤材料，其中，上述催化层占该过滤材料的30重量%，催化剂颗粒附着效率达到84%，催化剂在单位面积内的重量CV值为11%。

通过上述方法得到的除尘和低温脱硝过滤材料，在温度为184℃的条件下，对氮氧化物的去除效率达92%，本发明过滤材料的经向拉伸强力为1630N∕5cm、纬向拉伸强力为2315N∕5cm；通气度为8.0cm³/cm².s；捕集效率达到99.9821%。

实施例1～4中制得本发明的除尘和低温脱硝过滤材料在制备烟气过滤袋的应用。

比较例1

采用平均直径14.5μm、强度5.1cN∕dtex、伸长率28%的聚苯硫醚短纤维，经过纺纱、热定型、织造、再热定型后形成克重为400g/m²的平纹织物作为织物层，然后将锰盐和钴盐组成的催化剂颗粒均匀地喷洒在上述织物层表面形成催化剂层，再在催化剂层表面铺设聚四氟乙烯微孔膜层，在15m/min的速度、400℃的条件下进行热粘合，最后制得克重为500g/m^２的除尘和低温脱硝过滤材料，其中上述催化层占该过滤材料的20重量%，催化剂颗粒附着效率达到76%，催化剂在单位面积内的重量CV值为14%。

通过上述方法得到的除尘和低温脱硝过滤材料，在温度为175℃的条件下，对氮氧化物的去除效率达82%，本发明过滤材料的经向拉伸强度为2320N∕5cm、纬向拉伸强度为2187N∕5cm；通气度为8.0cm³/cm².s；捕集效率达到99.9856%。

比较例2

采用平均直径14.5μm、强度4.5cN∕dtex、伸长率28%的聚苯硫醚纤维经过开松、梳理、铺网、预针刺加工成纤维网作为无纺布层，然后将锰盐和钴盐组成的催化剂颗粒均匀地喷洒在上述无纺布层表面形成催化剂层，再在催化剂层表面铺设聚四氟乙烯微孔膜层，在15m/min的速度、400℃的条件下进行热粘合，最后制得克重为600g/m^２的除尘和低温脱过滤材料，其中上述催化层占该过滤材料的17重量%，催化剂颗粒的附着效率达到70%，催化剂在单位面积内的重量CV值为14%。

通过上述方法得到的除尘和低温脱硝过滤材料，在温度为190℃的条件下，对氮氧化物的去除效率达78%，本发明过滤材料的经向拉伸强度为920N∕5cm、纬向拉伸强度为1547N∕5cm；通气度为12.0cm³/cm².s；捕集效率达到99.9965%。

Claims

1.一种除尘和低温脱硝过滤材料，其特征在于：该过滤材料是由覆盖层、催化层、织物层构成，所述织物层是由平均直径为5～30μm、强度在3.0cN/dtex以上、伸长率在50%以下的耐热纤维组成，所述催化层是由催化剂颗粒铺设而成。

2.根据权利要求1所述的除尘和低温脱硝过滤材料，其特征在于：组成织物层的织物组织为斜纹或缎纹组织。

3.根据权利要求1或2所述的除尘和低温脱硝过滤材料，其特征在于：所述催化剂颗粒的附着率达到80%以上。

4.根据权利要求1所述的除尘和低温脱硝过滤材料，其特征在于：所述催化剂在单位面积内的重量CV值在12.0%以下。

5.根据权利要求1所述的除尘和低温脱硝过滤材料，其特征在于：所述催化剂颗粒是由锰盐、钴盐、铈盐、铜盐、铁盐、钼盐、锌盐、锡盐中一种或几种组成。

6.根据权利要求1所述的除尘和低温脱硝过滤材料，其特征在于：所述催化层占该过滤材料的5～40重量%。

7.根据权利要求1所述的除尘和低温脱硝过滤材料，其特征在于：所述耐热纤维为聚苯硫醚纤维、间位芳香族聚酰胺纤维、聚酰亚胺、聚四氟乙烯纤维、对位芳香族聚酰胺纤维中的一种或几种。

8.根据权利要求1所述的除尘和低温脱硝过滤材料，其特征在于：根据JIS L 1096标准，该过滤材料的克重为200～600g/m²。

9.根据权利要求1所述的除尘和低温脱硝过滤材料，其特征在于：根据JIS L 1096标准，该过滤材料的经向和纬向的拉伸强度均在1500N/5cm以上。

10.一种如权利要求1所述的除尘和低温脱硝过滤材料在制备烟气过滤袋的应用。