CN110639364A - 一种多孔陶瓷管式过滤催化脱硝单元及其烟气净化的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多孔陶瓷管式过滤催化脱硝单元及其烟气净化的方法，包括陶瓷管外层(1)、陶瓷管(2)和多孔催化内件(3)，所述的陶瓷管外层(1)为涂覆在陶瓷管(2)外表面的一层微细孔层，所述的多孔催化内件(3)置于陶瓷管(2)内部。与现有技术相比，本发明首先，利用多孔陶瓷管外表面微细孔层的过滤作用，将粉尘物料过滤去除，再利用负载在陶瓷管内层的催化活性物质，实现脱硝效果；在陶瓷管内部安装有具有气体导流及催化作用的多孔陶瓷环，进行深度脱硝反应。通过本发明可显著提高二次干燥物料的回收率、强化陶瓷管的清灰效率，并实现深度脱硝目的，从而提高氧化铝焙烧装置的生产能力，降低污染物的排放。

Description

一种多孔陶瓷管式过滤催化脱硝单元及其烟气净化的方法
技术领域
本发明属于环境保护领域的烟气除尘脱硝一体化去除技术，具体是涉及一种多孔陶瓷管式过滤催化脱硝单元及其烟气净化的方法。
背景技术
我国铝产量已经连续十余年位居世界第一，但铝生产过程中的氧化铝焙烧工序会排放出大量氮氧化物，严重污染环境。当前，氧化铝焙烧烟气中NOx的浓度高达400-600mg/m3左右，远高于《铝工业污染物排放标准》规定的NOx浓度≤100mg/m3的特殊排放限值要求。因此，必须采用适当的方法对氧化铝焙烧烟气进行脱硝治理。
目前烟气脱硝技术主要包括选择性非催化还原法(SNCR)、选择性催化还原法(SCR)和氧化吸收技术。SNCR脱硝技术是在高温段(900-1150℃)将氨气或尿素喷入烟气中还原氮氧化物，但该技术的脱硝效率一般在40％-60％左右，无法满足氧化铝焙烧烟气NOx浓度≤100mg/m3的特殊排放限值要求。SCR脱硝技术主要利用催化剂和还原剂在380-420℃温度区间，将氮氧化物还原为氮气实现烟气脱硝，其效率一般可达90％。中国专利CN107281915A和CN107626202A分别提出了利用SNCR和SCR联用工艺和相关设备实现氧化铝焙烧烟气脱硝。然而，氧化铝焙烧烟气中含有大量的Al2O3、Al(OH)3、Na2O等碱性物质和粉尘，相关专利发明仍然没有办法克服其对催化剂的冲刷和中毒的影响。而基于氧化吸收方法，中国专利CN106215652A和CN108057340A分别提出了利用臭氧氧化氧化铝焙烧烟气中的氮氧化物，然后利用湿法吸收的同步脱硫脱硝工艺。不过该工艺最终会带来吸收液中亚硝酸根、硝酸根的累积，给废水处理增加了负担。因此，亟待开发一种可以针对氧化铝焙烧烟气的过滤/催化一体化烟气脱硝方法。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种多孔陶瓷管式过滤催化脱硝单元及其烟气净化的方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种多孔陶瓷管式过滤催化脱硝单元，其特征在于，包括陶瓷管外层、陶瓷管和多孔催化内件，所述的陶瓷管外层为涂覆在陶瓷管外表面的一层微细孔层，所述的多孔催化内件置于陶瓷管内部。
进一步地，所述的微细孔层材质为氧化铝、氧化硅、硅铝分子筛材料中的一种或组合；涂覆层厚度为50-500微米，微孔直径为0.1-10微米。
进一步地，所述的陶瓷管为耐高温材料，其材质是氧化铝、氧化硅、氮化硅、氮化硼、碳化硅等的一种或多种组合；陶瓷管壁厚为5-20mm，微孔直径在5-100微米，管外径120-180mm，长度为1000-3000mm。
进一步地，所述的多孔催化内件为伞形结构，其材质与陶瓷管主体一致，包括伞形面与中心套管，伞形面设置在中心套管上，伞形面与套管中心轴线的夹角为40-70度。
进一步地，所述的伞形面的厚度为20-50mm，直径为80-120mm，伞状面上开有上下贯通的微孔，微孔直径为1-3mm，伞状面的开孔率为10-40％。
进一步地，所述的中心套管的外径为30-60mm，壁厚为2-6mm，套管高度为150-300mm，顶部留出4个高度5-15mm、宽度5-10mm的凸台，用于反吹气流流出。
进一步地，多个多孔催化内件上下叠加以串联形式固定在陶瓷管中，每个多孔催化内件的上部凸台部分整好顶在上一个多孔催化内件的伞形面的根部，形成气流通道。需要清灰时，反吹气流从中心多孔管往下吹扫，依次经过不同的凸台的孔隙处，将气流导向陶瓷管壁方向。
进一步地，所述的陶瓷管和多孔催化内件上均负载脱硝活性组分，其主要组分为五氧化二钒，负载量为1％-10％；三氧化钨，负载量为1％-10％；二氧化钼，负载量为1％-10％。
采用所述的多孔陶瓷管式过滤催化脱硝单元进行烟气净化的方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，将多根多孔陶瓷管式过滤催化脱硝单元并列布置组成过滤-催化装置，将烟气引入所述过滤-催化装置利用陶瓷管外层较致密的微孔层将烟气中的粉尘拦截，进行高效除尘处理；
第二步，烟气经过初步除尘后经过陶瓷管时，氮氧化物与还原剂进行选择性催化还原反应，转化为氮气；
第三步，进入到陶瓷管内部的烟气自下而上经过多孔催化内件，烟气中的氮氧化物与还原剂继续在多孔催化内件表面发生选择性催化还原反应，进行深度脱硝处理；
第四步，经过多级脱硝处理后的烟气，最后汇总在所述过滤-催化装置的出口侧，经过引风机通入后续烟气净化装置。
进一步地，当陶瓷管内外压差达到一定程度(800-1500Pa)时，将压缩空气通过压缩空气导管(5)输入到陶瓷管内侧，并在多孔催化内件的导流作用下通过陶瓷管壁将外层累积的粉尘清除；
进一步地，所述的烟气为氧化铝焙烧烟气与气化氨水的混合物，其中气化氨水作为还原剂，氨/氮比为0.6～1:1；
进一步地，所述的烟气温度在250-450℃；
进一步地，所述的烟气经过陶瓷管的过滤速度为0.5-2.0m/min。
针对氧化铝焙烧烟气氮氧化物浓度高及二次干燥物料流失率高的问题，本发明提出了一种基于陶瓷管过滤、催化还原脱硝的新方法及装置。经过氧化铝焙烧工艺的P02干燥器后，烟气中夹带有较高浓度的二次干燥生物料，即降低装置的运行能力，又容易造成颗粒物的排放超标。本发明采用了一种多孔陶瓷管式净化单元。首先，利用多孔陶瓷管外表面微细孔层的过滤作用，将粉尘物料过滤去除，再利用负载在陶瓷管内层的催化活性物质，催化氮氧化物与氨之间的还原反应，实现脱硝效果。同时，在陶瓷管内部安装有具有气体导流及催化作用的多孔陶瓷环，透过陶瓷管壁厚的烟气在向上排出的过程中，仍然可以借助多孔陶瓷环的催化作用进行深度脱硝反应。此外，多孔陶瓷环的导流作用，可以促进逆流吹灰的作用效果。通过本发明可显著提高二次干燥物料的回收率、强化陶瓷管的清灰效率，并实现深度脱硝目的，从而提高氧化铝焙烧装置的生产能力，降低污染物的排放。
与现有技术相比，本发明具有以下一些优点：
1、本发明可以利用陶瓷管外侧致密涂层将氧化铝焙烧烟气中的粉尘去除，从而减少了粉尘对陶瓷管内侧催化剂的冲刷和中毒影响；
2、本发明内部安装的多孔陶瓷环间距气体导流和催化作用，可以实现烟气深度脱硝，同时还可促进逆流吹灰的作用效果；
3、本发明可以提高二次干燥物料的回收率，从而提高氧化铝焙烧装置的生产能力和热量利用效率。
4、本发明适用于燃煤、工业锅炉、金属冶炼、水泥生产、石油化工、垃圾焚烧等多种工业烟气的污染物过滤/催化一体化净化处理需求。
附图说明
图1为本发明装置的示意图；
图2为多孔催化内件侧视图；
图3为多孔催化内件俯视图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步说明。本实施例在以本发明技术方案前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，一种多孔陶瓷管式过滤催化脱硝单元，包括陶瓷管外层1、陶瓷管2和多孔催化内件3，所述的陶瓷管外层1为涂覆在陶瓷管2外表面的一层微细孔层，所述的多孔催化内件3置于陶瓷管2内部。
其中，陶瓷管外层1为将氧化铝、氧化硅、硅铝分子筛材料中的一种或组合涂覆在陶瓷管2外表面形成的一层微细孔层；涂覆层厚度为50-500微米，微孔直径为0.1-10微米。
所述的陶瓷管2为耐高温材料，其材质是氧化铝、氧化硅、氮化硅、氮化硼、碳化硅等的一种或多种组合；陶瓷管2壁厚为5-20mm，微孔直径在5-100微米，管外径120-180mm，长度为1000-3000mm。
如图2-3所示，所述的多孔催化内件3为伞形结构，其材质与陶瓷管主体一致，包括伞形面31与中心套管32，伞形面31设置在中心套管32上，伞形面与套管中心轴线的夹角为40-70度。所述的伞形面31的厚度为20-50mm，直径为80-120mm，伞状面上开有上下贯通的微孔，微孔直径为1-3mm，伞状面的开孔率为10-40％。所述的中心套管32的外径为30-60mm，壁厚为2-6mm，套管高度为150-300mm，顶部留出4个高度5-15mm、宽度5-10mm的凸台，用于反吹气流流出。
多个多孔催化内件3上下叠加以串联形式固定在陶瓷管2中，每个多孔催化内件3的上部凸台部分整好顶在上一个多孔催化内件3的伞形面的根部，形成气流通道4。多个多孔催化内件3的中心套管叠加后形成中心管，该中心管顶部连接压缩空气导管(5)，需要清灰时，反吹气流-压缩空气从压缩空气导管5进入从中心多孔管往下吹扫，依次经过不同的凸台的孔隙处，将气流导向陶瓷管壁方向。
所述的陶瓷管2和多孔催化内件3上均负载脱硝活性组分，其主要组分为五氧化二钒，负载量为1％-10％；三氧化钨，负载量为1％-10％；二氧化钼，负载量为1％-10％。
实施例1
本发明利用实验室的小试烟气净化装置进行实验研究。由旋转炉窑煅烧氢氧化铝和煤粉提供模拟的氧化铝焙烧烟气，其烟气量为100Nm3/h。在旋转炉窑出口烟气经过冷却装置之后经过两个烟气管道分别通入单独的上述多孔陶瓷管式过滤催化脱硝单元和SCR催化单元，最后汇成一路烟气然后进入后续烟气深度进化设备。在旋转炉窑下游的冷却装置出口处，利用文丘里喷射装置将定量的加热氨水气化后喷入烟道中。烟气温度保持在400℃，NOx浓度为400mg/Nm3，粉尘浓度为1g/Nm3，烟气在陶瓷膜上的过滤速度为1m/min，SCR催化剂为商用的钒钨钛体系催化剂(7.5％V2O5、2.5％WO3)，催化反应空速为6000h-1。陶瓷管外径100mm，壁厚20mm，陶瓷管及其内件的催化剂活性组分同样为7.5％V2O5、2.5％WO3。
实施例2
利用与实施例1相同的多孔陶瓷管式过滤催化脱硝单元进行实验，烟气中的NOx浓度为400mg/Nm3，向管道中喷入一定量的气化氨水，烟气中氨/氮比大约为0.8:1。经过SCR反应器以后，烟气中的粉尘浓度为0.7g/Nm3，NOx浓度为140mg/Nm3，而经过本发明上述多孔陶瓷管式过滤催化脱硝单元后的烟气粉尘浓度为0.05g/Nm3，NOx浓度为100mg/Nm3。可以看出净化效果远远优于SCR反应器。
实施例3
利用与实施例1相同的多孔陶瓷管式过滤催化脱硝单元进行实验，烟气中的NOx浓度为400mg/Nm3，向管道中喷入一定量的气化氨水，烟气中氨/氮比大约为1:1。经过SCR反应器以后，烟气中的粉尘浓度为0.7g/Nm3，NOx浓度约为110mg/Nm3，而经过本发明多孔陶瓷管式过滤催化脱硝单元的烟气粉尘浓度为0.05g/Nm3，NOx浓度约为70mg/Nm3。可以看出净化效果远远优于SCR反应器。
实施例4
多孔陶瓷管式过滤催化脱硝单元结构同上，包括多根并列布置的多孔陶瓷管式过滤催化脱硝单元，各多孔陶瓷管式过滤催化脱硝单元的陶瓷管外层1为将氧化铝涂覆在陶瓷管2外表面形成的一层微细孔层；涂覆层厚度为50微米，微孔直径为0.1微米。
所述的陶瓷管2材质是氧化铝；陶瓷管2壁厚为5mm，微孔直径在5微米，管外径120mm，长度为1000mm。
所述的多孔催化内件3伞形面与套管中心轴线的夹角为40度。所述的伞形面31的厚度为20mm，直径为80mm，伞状面上开有上下贯通的微孔，微孔直径为1mm，伞状面的开孔率为10％。所述的中心套管32的外径为30mm，壁厚为2mm，套管高度为150mm，顶部留出4个高度5mm、宽度5mm的凸台。
所述的陶瓷管2和多孔催化内件3上均负载脱硝活性组分，其主要组分为五氧化二钒，负载量为1％；三氧化钨，负载量为1％；二氧化钼，负载量为1％。
采用上述多孔陶瓷管式过滤催化脱硝单元净化烟气的方法如下：
第一步，将多根多孔陶瓷管式过滤催化脱硝单元并列布置组成过滤-催化装置，将温度在250-450℃的烟气(该烟气为氧化铝焙烧烟气与气化氨水的混合物，氨/氮比大约为0.6:1)引入所述过滤-催化装置利用陶瓷管外层1较致密的微孔层将烟气中的粉尘拦截，进行高效除尘处理；烟气经过陶瓷管2的过滤速度为0.5m/min。
第二步，烟气经过初步除尘后经过陶瓷管2时，氮氧化物与还原剂进行选择性催化还原反应，转化为氮气；
第三步，进入到陶瓷管2内部的烟气自下而上经过多孔催化内件3，烟气中的氮氧化物与还原剂继续在多孔催化内件3表面发生选择性催化还原反应，进行深度脱硝处理；
第四步，经过多级脱硝处理后的烟气，最后汇总在所述过滤-催化装置的出口侧，经过引风机通入后续烟气净化装置。
第五步，当陶瓷管2内外压差达到一定程度(800-1500Pa)时，将压缩空气通过压缩空气导管5输入到陶瓷管2内侧，并在多孔催化内件3的导流作用下通过陶瓷管壁将外层累积的粉尘清除。
经上述过滤-催化装置处理后的烟气粉尘去除率为99％，NOx的转化率为96％。
实施例5
多孔陶瓷管式过滤催化脱硝单元结构同上，包括多根并列布置的多孔陶瓷管式过滤催化脱硝单元，各多孔陶瓷管式过滤催化脱硝单元的陶瓷管外层1为将氧化铝涂覆在陶瓷管2外表面形成的一层微细孔层；涂覆层厚度为500微米，微孔直径为10微米。
所述的陶瓷管2材质是氧化铝；陶瓷管2壁厚为20mm，微孔直径在100微米，管外径180mm，长度为3000mm。
所述的多孔催化内件3伞形面与套管中心轴线的夹角为40-70度。所述的伞形面31的厚度为50mm，直径为120mm，伞状面上开有上下贯通的微孔，微孔直径为3mm，伞状面的开孔率为40％。所述的中心套管32的外径为60mm，壁厚为6mm，套管高度为300mm，顶部留出4个高度15mm、宽度10mm的凸台。
所述的陶瓷管2和多孔催化内件3上均负载脱硝活性组分，其主要组分为五氧化二钒，负载量为10％；三氧化钨，负载量为10％；二氧化钼，负载量为10％。
采用上述多孔陶瓷管式过滤催化脱硝单元净化烟气的方法如下：
第一步，将多根多孔陶瓷管式过滤催化脱硝单元并列布置组成过滤-催化装置，将温度在250-450℃的烟气(该烟气为氧化铝焙烧烟气与气化氨水的混合物，氨/氮比大约为1:1)引入所述过滤-催化装置利用陶瓷管外层1较致密的微孔层将烟气中的粉尘拦截，进行高效除尘处理；烟气经过陶瓷管2的过滤速度为2.0m/min。
第二步，烟气经过初步除尘后经过陶瓷管2时，氮氧化物与还原剂进行选择性催化还原反应，转化为氮气；
第三步，进入到陶瓷管2内部的烟气自下而上经过多孔催化内件3，烟气中的氮氧化物与还原剂继续在多孔催化内件3表面发生选择性催化还原反应，进行深度脱硝处理；
第四步，经过多级脱硝处理后的烟气，最后汇总在所述过滤-催化装置的出口侧，经过引风机通入后续烟气净化装置。
第五步，当陶瓷管2内外压差达到一定程度(800-1500Pa)时，将压缩空气通过压缩空气导管5输入到陶瓷管2内侧，并在多孔催化内件3的导流作用下通过陶瓷管壁将外层累积的粉尘清除。
经上述过滤-催化装置处理后的烟气粉尘去除率为98％，NOx的转化率为95％。

Claims (13)

1.一种多孔陶瓷管式过滤催化脱硝单元，其特征在于，包括陶瓷管外层(1)、陶瓷管(2)和多孔催化内件(3)，所述的陶瓷管外层(1)为涂覆在陶瓷管(2)外表面的一层微细孔层，所述的多孔催化内件(3)置于陶瓷管(2)内部。
2.根据权利要求1所述的一种多孔陶瓷管式过滤催化脱硝单元，其特征在于，所述的微细孔层材质为氧化铝、氧化硅、硅铝分子筛材料中的一种或组合；涂覆层厚度为50-500微米，微孔直径为0.1-10微米。
3.根据权利要求1所述的一种多孔陶瓷管式过滤催化脱硝单元，其特征在于，所述的陶瓷管(2)为耐高温材料，其材质是氧化铝、氧化硅、氮化硅、氮化硼、碳化硅等的一种或多种组合；陶瓷管(2)壁厚为5-20mm，微孔直径在5-100微米，管外径120-180mm，长度为1000-3000mm。
4.根据权利要求1所述的一种多孔陶瓷管式过滤催化脱硝单元，其特征在于，所述的多孔催化内件(3)为伞形结构，包括伞形面(31)与中心套管(32)，伞形面(31)设置在中心套管(32)上，伞形面与套管中心轴线的夹角为40-70度。
5.根据权利要求4所述的一种多孔陶瓷管式过滤催化脱硝单元，其特征在于，所述的伞形面(31)的厚度为20-50mm，直径为80-120mm，伞状面上开有上下贯通的微孔，微孔直径为1-3mm，伞状面的开孔率为10-40％。
6.根据权利要求4所述的一种多孔陶瓷管式过滤催化脱硝单元，其特征在于，所述的中心套管(32)的外径为30-60mm，壁厚为2-6mm，套管高度为150-300mm，顶部留出4个高度5-15mm、宽度5-10mm的凸台，用于反吹气流流出。
7.根据权利要求1所述的一种多孔陶瓷管式过滤催化脱硝单元，其特征在于，多个多孔催化内件(3)上下叠加以串联形式固定在陶瓷管(2)中，每个多孔催化内件(3)的上部凸台部分整好顶在上一个多孔催化内件(3)的伞形面的根部，形成气流通道(4)。
8.根据权利要求1所述的一种多孔陶瓷管式过滤催化脱硝单元，其特征在于，所述的陶瓷管(2)和多孔催化内件(3)上均负载脱硝活性组分，其主要组分为五氧化二钒，负载量为1％-10％；三氧化钨，负载量为1％-10％；二氧化钼，负载量为1％-10％。
9.一种采用权利要求1-8中任一所述的多孔陶瓷管式过滤催化脱硝单元进行烟气净化的方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，将多根多孔陶瓷管式过滤催化脱硝单元并列布置组成过滤-催化装置，将烟气引入所述过滤-催化装置利用陶瓷管外层(1)较致密的微孔层将烟气中的粉尘拦截，进行高效除尘处理；
第二步，烟气经过初步除尘后经过陶瓷管(2)时，氮氧化物与还原剂进行选择性催化还原反应，转化为氮气；
第三步，进入到陶瓷管(2)内部的烟气自下而上经过多孔催化内件(3)，烟气中的氮氧化物与还原剂继续在多孔催化内件(3)表面发生选择性催化还原反应，进行深度脱硝处理；
第四步，经过多级脱硝处理后的烟气，最后汇总在所述过滤-催化装置的出口侧，经过引风机通入后续烟气净化装置。
10.根据权利要求9所述的多孔陶瓷管式过滤催化脱硝单元进行烟气净化的方法，其特征在于，当陶瓷管(2)内外压差达到800-1500Pa时，将压缩空气通过压缩空气导管(5)输入到陶瓷管(2)内侧，并在多孔催化内件(3)的导流作用下通过陶瓷管壁将外层累积的粉尘清除。
11.根据权利要求9所述的多孔陶瓷管式过滤催化脱硝单元进行烟气净化的方法，其特征在于，所述的烟气为氧化铝焙烧烟气与气化氨水的混合物，其中气化氨水作为还原剂，氨/氮比为0.6～1:1。
12.根据权利要求9所述的多孔陶瓷管式过滤催化脱硝单元进行烟气净化的方法，其特征在于，所述的烟气温度在250-450℃。
13.根据权利要求9所述的多孔陶瓷管式过滤催化脱硝单元进行烟气净化的方法，其特征在于，所述的烟气经过陶瓷管(2)的过滤速度为0.5-2.0m/min。
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