CN112592186A - 一种烟气过滤用多孔陶瓷及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种烟气过滤用多孔陶瓷及其制备方法和应用，属于多孔陶瓷技术领域。所述方法包括步骤如下：按重量份计，取骨料80~90份、高温结合剂20~30份、造孔剂35~40份和成型助剂2~3份，所述骨料为碳化硅、硅酸铝纤维或莫来石，所述高温结合剂包括粘土和助熔剂，所述粘土与助熔剂的质量比为2~4:1；将上述骨料、高温结合剂、造孔剂和成型助剂经过球磨混合均匀，再经过等静压压制成素坯，最后经过烧结得到多孔陶瓷。该多孔陶瓷具有耐高温、耐酸碱、高气孔率、高机械强度的特性，负载脱硝催化剂后兼具过滤和催化性能，能够有效实现除尘脱硝一体化的功能。

Description

一种烟气过滤用多孔陶瓷及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于多孔陶瓷技术领域，具体涉及一种烟气过滤用多孔陶瓷及其制备方法和应用。
背景技术
我国是煤炭大国，工业燃煤锅炉的广泛使用排放了大量工业废气。其中，烟气中的氮氧化物(NOX)是引起酸雨、光化学烟雾等破环地球生态环境等一系列问题的主要空气污染物之一，也是目前大气环境保护中的重点和难点。而除尘净化是烟气处理的另外一个重要的方面，也是治理当前中国大面积、高频率雾霾天气的重中之重。因此，工业烟气的脱硝除尘净化对于我国大气环境污染的防治具有重大的意义。
对于烟气粉尘的处理技术，包括湿法除尘、电除尘、过滤除尘等多种工艺。其中，多孔陶瓷因具有孔隙率高、耐酸碱性好、机械强度高、耐高温、寿命长、易再生等优点而广泛应用于工业烟气除尘领域。脱硝技术中应用比较广泛的是中低温干法脱硝，即通过利用脱硝催化剂在280℃～370℃下通入氨气，利用催化剂催化使氮氧化物和氨气之间发生氧化还原反应生成N2，达到脱硝的目的。脱硝催化剂一般是以多孔材料作为负载载体，以达到均匀分散、增加比表面积的作用。由于烟气易堵塞多孔材料导致催化剂失去活性，因此工业烟气处理通常先除尘后脱硝，而经过除尘降温后的处理气体又需要再次加热进行脱硝处理，从而造成了大量的能耗并增加了设备成本，同时分步处理还降低了处理效率，扩大了设备占地面积。
基于上述背景，一种能够兼具烟气除尘和脱硝的多孔载体成为本领域研究的重要方向。
发明内容
解决的技术问题：针对上述技术问题，本发明提供了一种烟气过滤用多孔陶瓷及其制备方法和应用，该多孔陶瓷具有耐高温、耐酸碱、高气孔率、高机械强度的特性，负载脱硝催化剂后兼具过滤和催化性能，能够有效实现除尘脱硝一体化的功能。
技术方案：一种烟气过滤用多孔陶瓷的制备方法，所述方法包括步骤如下：按重量份计，取骨料80～90份、高温结合剂20～30份、造孔剂35～40份和成型助剂2～3份，所述骨料为碳化硅、硅酸铝纤维或莫来石，所述高温结合剂包括粘土和助熔剂，所述粘土与助熔剂的质量比为2～4:1；将上述骨料、高温结合剂、造孔剂和成型助剂经过球磨混合均匀，再经过等静压压制成素坯，最后经过烧结得到多孔陶瓷。
高温结合剂中的助熔剂在烧制过程中熔融形成液相，润湿骨料颗粒并融入间隙，结合粘土包裹在骨料堆积形成的孔隙和造孔剂氧化挥发留下的空隙周围。随着高温结合剂的用量增加，熔融的高温结合剂增多，不仅填充骨料堆积的孔隙，还进一步堵塞造孔剂形成的孔隙，从而使坯体的孔隙率下降；但与此同时，高温结合剂包裹骨料形成的玻璃相也在增多，填充孔隙后使坯体的体积密度增大，从而使坯体的机械强度增强。
造孔剂的增加可以提升坯体的孔隙率，但会导致坯体的抗压强度降低，成本升高。
本发明采用了适宜的原料配比，从而可以兼顾坯体的孔隙率和机械强度。同时助熔剂和粘土的配比也有利于促进成孔的均匀性。
优选的，所述粘土为铝矾土、樟村土、苏州土、膨润土和坊子土中的一种或几种。
优选的，所述助熔剂为钾长石、锂辉石、方解石、滑石和氧化钙中的一种或几种。
优选的，所述造孔剂为石墨、木炭或蔗糖。
优选的，所述成型助剂为三聚磷酸钠、聚乙烯醇或热固性树脂。
优选的，所述骨料的中位粒径为150～200μm，所述造孔剂的中位粒径为50～70μm。
本发明通过控制骨料和造孔剂的颗粒大小，进而控制多孔陶瓷的孔径大小，形成更适宜烟气过滤的多孔载体材料。
优选的，所述等静压压制的压力为5～20MPa。
优选的，所述烧结包括步骤如下：在氧气气氛下，以1～2℃/min的升温速率升温至200～300℃，保温1～2h，再以2～3℃/min的升温速率升温至800～900℃，保温1～2h，最后以1～2℃/min的升温速率升温至1250～1300℃，保温0.5～1h。
随着烧结温度的升高，多孔陶瓷的抗压强度逐渐增大，而显气孔率呈现先升高后下降的趋势。本发明采用1250～1300℃的烧结温度可以在两者之间达到最优的平衡。此外，烧结过程中要使堆积骨料间的气体能充分的排除，在排除阶段，升温速率应适当减慢，必要时可进行适时的保温。在此烧结阶段，若升温速率过快，则会对素坯产生一定的冲击，造成坯体的开裂或坍塌。在高温阶段，素坯体积收缩。致密度增加，强度上升，陶瓷的导热系数偏低，其内部与表面形成温差，收缩不均匀而产生内应力，导致制品开裂或坍塌，故升温速率不宜太快。
上述方法制备得到的一种烟气过滤用多孔陶瓷。
该烟气过滤用多孔陶瓷作为烟气除尘脱硝用多孔载体的应用。
有益效果：本发明通过适宜的原料配比结合造孔剂法制备多孔陶瓷，可以使陶瓷兼具高显气孔率和高机械强度。同时，以碳化硅、硅酸铝纤维或莫来石为陶瓷骨料，再经过高温烧结，本发明的多孔陶瓷具有耐高温、耐酸碱腐蚀的优点。
本发明的多孔陶瓷制备方法简单，科学合理，易于实施，利于工业化生产。
本发明的多孔陶瓷可作为脱硝催化剂的载体，从而实现脱硝与除尘一体化，既可以解决先除尘后脱硝过程中烟气余热浪费大、脱硝效率低的问题，也可以解决先脱硝后除尘过程中催化功能的衰减与失效，使用寿命短，整个净化系统运行效率低、成本高的问题；同时大大节约设备成本及运行成本。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。
实施例1
一种烟气过滤用多孔陶瓷的制备方法，所述方法包括步骤如下：
配制如下陶瓷原料：80g碳化硅、10g膨润土、8g苏州土、3g钾长石、2g锂辉石、35g石墨和2g三聚磷酸钠。其中骨料和造孔剂预先经过筛分，得到碳化硅的中位粒径为150～200μm，石墨的中位粒径为50～70μm。将上述陶瓷原料投入球磨机，以去离子水为球磨介质，球磨24h后得到陶瓷浆料。将陶瓷浆料烘干后放入模具中，在10MPa的压力下进行等静压压制，得到陶瓷素坯。将陶瓷素坯在氧气气氛下，以1～2℃/min的升温速率升温至260℃，保温1h，再以2～3℃/min的升温速率升温至840℃，保温2h，最后以1～2℃/min的升温速率升温至1270℃，保温0.5h。
实施例2
一种烟气过滤用多孔陶瓷的制备方法，所述方法包括步骤如下：
配制如下陶瓷原料：85g硅酸铝纤维、6g铝矾土、3g坊子土、7g苏州土、3g钾长石、5g氧化钙、40g木炭和3g聚乙烯醇。其中骨料和造孔剂预先经过筛分，得到硅酸铝纤维的长径比为35：1，木炭的中位粒径为50～70μm。将上述陶瓷原料投入球磨机，以去离子水为球磨介质，球磨24h后得到陶瓷浆料。将陶瓷浆料烘干后放入模具中，在15MPa的压力下进行等静压压制，得到陶瓷素坯。将陶瓷素坯在氧气气氛下，以1～2℃/min的升温速率升温至200℃，保温2h，再以2～3℃/min的升温速率升温至850℃，保温1.5h，最后以1～2℃/min的升温速率升温至1250℃，保温0.5h。
实施例3
一种烟气过滤用多孔陶瓷的制备方法，所述方法包括步骤如下：
配制如下陶瓷原料：90g莫来石、6g铝矾土、14g樟村土、5g方解石、5g滑石、40g木炭和3g热固性树脂。其中骨料和造孔剂预先经过筛分，得到莫来石的中位粒径为150～200μm，木炭的中位粒径为50～70μm。将上述陶瓷原料投入球磨机，以去离子水为球磨介质，球磨24h后得到陶瓷浆料。将陶瓷浆料烘干后放入模具中，在20MPa的压力下进行等静压压制，得到陶瓷素坯。将陶瓷素坯在氧气气氛下，以1～2℃/min的升温速率升温至300℃，保温1h，再以2～3℃/min的升温速率升温至900℃，保温1h，最后以1～2℃/min的升温速率升温至1300℃，保温1h。
实施例4
一种烟气过滤用多孔陶瓷的制备方法，所述方法包括步骤如下：
配制如下陶瓷原料：88g莫来石、7g苏州土、8g膨润土、3g方解石、2g锂辉石、35g蔗糖和2g聚乙烯醇。其中骨料和造孔剂预先经过筛分，得到莫来石的中位粒径为150～200μm，蔗糖的中位粒径为50～70μm。将上述陶瓷原料投入球磨机，以去离子水为球磨介质，球磨26h后得到陶瓷浆料。将陶瓷浆料烘干后放入模具中，在5MPa的压力下进行等静压压制，得到陶瓷素坯。将陶瓷素坯在氧气气氛下，以1～2℃/min的升温速率升温至280℃，保温2h，再以2～3℃/min的升温速率升温至900℃，保温1h，最后以1～2℃/min的升温速率升温至1250℃，保温0.5h。
实施例5
一种烟气过滤用多孔陶瓷的制备方法，所述方法包括步骤如下：
配制如下陶瓷原料：82g碳化硅、10g苏州土、6g铝矾土、2g钾长石、2g锂辉石、35g石墨和2g聚乙烯醇。其中骨料和造孔剂预先经过筛分，得到碳化硅的中位粒径为150～200μm，石墨的中位粒径为50～70μm。将上述陶瓷原料投入球磨机，以去离子水为球磨介质，球磨26h后得到陶瓷浆料。将陶瓷浆料烘干后放入模具中，在12MPa的压力下进行等静压压制，得到陶瓷素坯。将陶瓷素坯在氧气气氛下，以1～2℃/min的升温速率升温至280℃，保温2h，再以2～3℃/min的升温速率升温至900℃，保温1h，最后以1～2℃/min的升温速率升温至1250℃，保温0.5h。
实施例6
一种烟气过滤用多孔陶瓷的制备方法，所述方法包括步骤如下：
配制如下陶瓷原料：85g硅酸铝纤维、8g苏州土、8g膨润土、2g钾长石、4g锂辉石、35g石墨和2g聚乙烯醇。其中骨料和造孔剂预先经过筛分，得到硅酸铝纤维的长径比为40：1，石墨的中位粒径为50～70μm。将上述陶瓷原料投入球磨机，以去离子水为球磨介质，球磨26h后得到陶瓷浆料。将陶瓷浆料烘干后放入模具中，在14MPa的压力下进行等静压压制，得到陶瓷素坯。将陶瓷素坯在氧气气氛下，以1～2℃/min的升温速率升温至260℃，保温2h，再以2～3℃/min的升温速率升温至850℃，保温1.5h，最后以1～2℃/min的升温速率升温至1250℃，保温0.5h。
本发明制备的多孔陶瓷最高使用温度可以达到1200℃，孔径为10～12μm，显气孔率为40％～50％，除尘效率可以达到99.9％以上。
将产自大唐南京环保科技有限责任公司的市售脱硝催化剂通过超声浸渍的方式涂覆在上述实施例的多孔陶瓷载体上，得到烟气过滤用陶瓷元件。对陶瓷元件进行模拟过滤测试，其中模拟烟气的组成为：1000ppm的NH3，1000ppm的NO，5vt.％的O2，3vt.％的H2O，粒径为10～15μm的粉尘0.2g/Nm3，平衡气为氮气。模拟烟气的温度为200-360℃。经测试，所述陶瓷元件的性能如下：
Figure BDA0002864429630000051

Claims (10)

1.一种烟气过滤用多孔陶瓷的制备方法，其特征在于，所述方法包括步骤如下：按重量份计，取骨料80~90份、高温结合剂20~30份、造孔剂35~40份和成型助剂2~3份，所述骨料为碳化硅、硅酸铝纤维或莫来石，所述高温结合剂包括粘土和助熔剂，所述粘土与助熔剂的质量比为2~4:1；将上述骨料、高温结合剂、造孔剂和成型助剂经过球磨混合均匀，再经过等静压压制成素坯，最后经过烧结得到多孔陶瓷。
2.根据权利要求1所述的一种烟气过滤用多孔陶瓷的制备方法，其特征在于，所述粘土为铝矾土、樟村土、苏州土、膨润土和坊子土中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的一种烟气过滤用多孔陶瓷的制备方法，其特征在于，所述助熔剂为钾长石、锂辉石、方解石、滑石和氧化钙中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的一种烟气过滤用多孔陶瓷的制备方法，其特征在于，所述造孔剂为石墨、木炭或蔗糖。
5.根据权利要求1所述的一种烟气过滤用多孔陶瓷的制备方法，其特征在于，所述成型助剂为三聚磷酸钠、聚乙烯醇或热固性树脂。
6.根据权利要求1所述的一种烟气过滤用多孔陶瓷的制备方法，其特征在于，所述骨料的中位粒径为150~200 μm，所述造孔剂的中位粒径为50~70 μm。
7.根据权利要求1所述的一种烟气过滤用多孔陶瓷的制备方法，其特征在于，所述等静压压制的压力为5~20 MPa。
8.根据权利要求1所述的一种烟气过滤用多孔陶瓷的制备方法，其特征在于，所述烧结包括步骤如下：在氧气气氛下，以1~2 ℃/min的升温速率升温至200~300 ℃，保温1~2 h，再以2~3 ℃/min的升温速率升温至800~900 ℃，保温1~2 h，最后以1~2 ℃/min的升温速率升温至1250~1300 ℃，保温0.5~1 h。
9.权利要求1~8任意一项所述方法制备得到的一种烟气过滤用多孔陶瓷。
10.权利要求9所述的一种烟气过滤用多孔陶瓷作为烟气除尘脱硝用多孔载体的应用。
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