CN113457440A - 一种触媒过滤单元用于烟气脱硝的工艺及装置 - Google Patents
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Abstract
一种触媒过滤单元用于烟气脱硝的工艺及装置，属于烟气脱硝领域，可解决选择性催化还原法(SCR)脱硝中催化剂堵塞、失活，氨气利用率低、混合不均匀以及设备维修困难等问题。本发明是在原陶瓷纤维滤管中，加入钒‑钛系作为触媒(催化剂)，并使所有催化剂均匀的分布在陶瓷纤维滤管表面。将其固定于固定床反应器内，NOx和NH3分别从气体进口进入，经负载型陶瓷纤维滤管催化还原，净化后的气体经气体出口排出。本发明利用原陶瓷纤维滤管的高比表面积、较强的过滤性和稳定性等优点，提高催化剂负载量、减小催化剂堵塞和失活，使催化剂寿命延长。该工艺具有脱硝效率高、工艺简单、运行成本低和使用寿命长等优势。
Description
技术领域
本发明属于烟气脱硝技术领域，具体涉及一种处理高温烟气中NOx的工艺方法，采用负载型陶瓷纤维滤管做触媒过滤单元和固定床反应器强化催化还原过程，实现高效率脱硝目标。
背景技术
氮氧化物(NOx)是一类污染大气环境、破坏人体健康的有毒污染物，是形成酸雨、光化学烟雾、臭氧层破坏和雾霾等污染的前驱物，NOx排放进入大气后，可与空气中的水结合形成酸雨；在阳光的照射下，可与碳氢化合物生成毒性很大的光化学烟雾污染，同时氮氧化物对人体、植物、动物健康也有很大的影响，对呼吸器官有刺激作用，长期暴露下可能会引起支气管炎、哮喘病和肺气肿等疾病。工业NOx的主要来源为电厂锅炉烟气和各种工业窑炉烟气(冶炼、焙烧、烧结、熔化、加热等)。我国制定了日益严格的NOx排放标准，工业排放的NOx呈逐年下降趋势，但排放总量仍然处于千万吨级高位。因此，氮氧化物的净化治理仍是重中之重。
目前，对NOx的去除主要分为干法和湿法。湿法脱硝工艺采用吸收液将气相NOx转入液相，操作条件温和、设备和工艺简单、投资运行费用低、易于实现与SO2等污染物的协同脱除，但烟气中NOx的存在形式主要为NO，占90％～95％，NO的难溶水性使得大多数研究仍处于实验室阶段，工业化应用较少。大部分火电企业都采用选择性还原(SCR)干法脱硝工艺，该方法技术成熟、脱硝效率高。SCR处理工艺中最常用的还原剂为氨水，在催化剂的作用下NOx会在催化床层中分解为氮气和水，其主要反应为：
8NH3+6NO2→7N2+12H2O (1)
4NH3+6NO→5N2+6H2O (2)
对于SCR处理工艺中主要反应进行方向的因素主要为温度，不同的催化剂具有不同的适用温度范围。当反应温度低于催化剂的适用温度范围下限时，在催化剂上会发生副反应，NH3与SO3和H2O反应生成(NH4)2SO4或NH4HSO4，减少与NOx的反应，生成物附着在催化剂表面，堵塞催化剂的通道和微孔，降低催化剂的活性。反应温度高于催化剂的适用温度，催化剂通道和微孔发生变形，导致有效通道和面积减少。针对不同的烟气情况，选择适宜的催化体系非常重要；同时氨的用量对于反应控制非常关键，喷氨量过小，达不到相应的脱硝效率，喷氨量过大，会造成硫酸氢铵(NH4HSO4)产生量增加，堵塞下游空预器；另外在反应器内NH3与烟气的混合程度十分重要，混合不匀，即使输入量大，NH3与NOx也不能充分反应，不仅不能到达有效脱硝的目的，还会增加NOx的泄露量。
在SCR烟气脱硝过程中V2O5-WO3/TiO2催化剂是决定烟气脱硝效率的关键因素，活性组分V2O5在TiO2表面通过与WO3的电子交互作用，在350～400℃条件下，具有较强的热力学稳定性、较宽的温度窗口和较高的催化活性。但在高温条件下SCR会发生副反应，NH3可能在催化剂表面与氧气反应，生成N2O和NO，造成反应选择性降低。在制备催化剂过程中直接硫酸化处理，硫酸根与载体表面的吸附水形成B酸，使吸附氨产生质子化，使催化剂在450～500℃高温下具有较好的催化活性。
陶瓷纤维滤管的基础材料是陶瓷纤维，具有高孔隙率(85％)、抗热震特性(不受热胀冷缩的影响而断裂)、极细的陶瓷纤维可增强过滤和去除效率，不易与化学物质反应等特性；同时催化剂可均匀分布在陶瓷纤维滤管上，接触面积大，能够使停留时间及去除效率最大化，单位体积比传统蜂窝SCR催化剂负载量大5倍，催化活性更高，废气通过催化剂的接触时间大约是传统的2～5，更能有效反应催化。
催化滤管的壁厚有20mm，纤维里面布满纳米触媒粒子，粉尘在滤管外被阻挡，最多渗透1～2mm；催化剂由于附在陶瓷纤维滤管上，在催化剂外层还会有层饼形成，这样可降低重金属砷(As)、硒(Se)及汞(Hg)对催化剂毒化作用，催化剂可长时间保持高效活性。
另外，将负载型陶瓷纤维滤管固定做填料单元置于固定床反应器中，NOx和NH3同催化剂可进行有效接触，同时具有较高的选择性，减少副反应发生，提高NOx去除效率。用固定床反应器代替传统的SCR反应器，亦可实现除尘脱硝，处理步骤减少，设备数量和体积减少，更加集中和紧凑，占地面积只有传统烟气处理系统的1/3，除尘、脱硝效率更高，运行阻力低，使用寿命长。
发明内容
本发明针对现有SCR脱硝工艺中催化剂堵塞、失活，氨气利用率低、混合不均匀以及设备维修困难等问题，提供一种触媒过滤单元用于烟气脱硝的工艺及装置。
本发明采用如下技术方案：
一种触媒过滤单元用于烟气脱硝的装置，包括阀门、流量计、固定床反应器、混合器、鼓风机、蒸发器和液氨储罐以及气体检测仪；固定床反应器分别设有进气口Ⅰ和Ⅱ，固定床反应器中间设有触媒过滤单元，固定床反应器的进气口Ⅰ通过依次设有气体流量计和阀门与锅炉烟气出口连接；固定床反应器的进气口Ⅱ通过依次设有气体流量计、阀门、混合器、鼓风机、蒸发器、阀门和液氨储罐；气体检测仪与固定床反应器的进气口和出气口连接。
一种触媒过滤单元用于烟气脱硝的工艺，包括如下步骤：
(1)将一定量的偏钨酸铵溶解后，加入一定量的纳米二氧化钛搅拌后，再加入一定量硫酸，置于60℃水浴中恒温反应2h；
(2)再加入偏钒酸铵溶解搅拌后，置于60℃水浴中恒温反应2h。
(3)将陶瓷纤维滤管浸没与溶液中静置负载，固体于100℃干燥6h，于300℃焙烧，制得V2O5-WO3-SO4 2-/TiO2/陶瓷纤维滤管。
(4)将负载催化剂后的陶瓷纤维滤管固定在固定床反应器的过滤单元内，锅炉烟气通过阀门经流量计输入固定床反应器内，液氨在蒸发器的作用下转变为氨气，与通过鼓风机作用进入混合器的空气混合后经流量计进入固定床反应器内，二者在触媒过滤单元上接触，在催化剂催化作用发生还原实现净化脱硝的目标。净化后的气体经气体出口排出。进出口采用气体检测仪检测烟气各组分浓度，计算NOx的去除率。
所述NOx与NH3的摩尔比为0.5～2，气体流量为0.5～5m3/h。
本发明的有益效果如下：
本发明借助硫酸酸化处理催化剂负载于陶瓷纤维滤管上，提高了催化剂的催化活性和负载容量、降低了催化剂堵塞和中毒风险；同时将其置于固定床反应器中，提高NOx和NH3同催化剂的有效接触，减少副反应发生，提高NOx去除效率。本发明可实现除尘脱硝，具有处理步骤减少，设备数量和体积减少，更加集中和紧凑，占地面积只有传统烟气处理系统的1/3，除尘、脱硝效率更高，运行阻力低，使用寿命长等优势。
附图说明
图1为触媒过滤单元用于烟气脱硝的工艺流程图；
图2为固定床反应器结构示意图；
图3为触媒过滤单元结构示意图。
图中：1，5，9-阀门；2，4-流量计；3-固定床反应器；3.1-气体进口Ⅰ；3.2-气体进口Ⅱ；3.3-触媒过滤单元；3.31-负载型陶瓷纤维滤管；3.4-气体出口；6-混合器；7-鼓风机；8-蒸发器；10-液氨储罐；11-气体检测仪。
具体实施方式
结合实施例进一步阐明本发明的内容。
实例1一种触媒过滤单元用于烟气脱硝的工艺及装置，将V2O5-WO3-SO4 2-/TiO2负载于陶瓷纤维滤管后固定于固定床反应器内的过滤单元上，锅炉内烟气经气体流量计由旋转式反应器3的进气口Ⅰ3.1进入，液氨通过蒸发器8的作用形成氨气与空气在混合器6内混合后通过流量计4经旋转式反应器3的进气口Ⅱ3.2进入，二者在陶瓷纤维滤管接触下催化还原，进而脱除烟气中NOx，净化后的气体经气体出口3.4排出，采用气体检测仪对进出口NOx与NH3浓度进行检测。所述的催化剂中V2O5含量为1％，WO3含量5％，硫酸负载量为10％，NOx与NH3的摩尔比为0.5，气体流量为1m3/h。
实验结果表明：NOx的去除率为92.4％。
实例2一种触媒过滤单元用于烟气脱硝的工艺及装置，将V2O5-WO3-SO4 2-/TiO2负载于陶瓷纤维滤管后固定于固定床反应器内的过滤单元上，锅炉内烟气经气体流量计由旋转式反应器3的进气口Ⅰ3.1进入，液氨通过蒸发器8的作用形成氨气与空气在混合器6内混合后通过流量计4经旋转式反应器3的进气口Ⅱ3.2进入，二者在陶瓷纤维滤管接触下催化还原，进而脱除烟气中NOx，净化后的气体经气体出口3.4排出，采用气体检测仪对进出口NOx与NH3浓度进行检测。所述的催化剂中V2O5含量为1％，WO3含量5％，硫酸负载量为10％，NOx与NH3的摩尔比为1，气体流量为1m3/h。
实验结果表明：NOx的去除率为98.8％。
实例3一种触媒过滤单元用于烟气脱硝的工艺及装置，将V2O5-WO3-SO4 2-/TiO2负载于陶瓷纤维滤管后固定于固定床反应器内的过滤单元上，锅炉内烟气经气体流量计由旋转式反应器3的进气口Ⅰ3.1进入，液氨通过蒸发器8的作用形成氨气与空气在混合器6内混合后通过流量计4经旋转式反应器3的进气口Ⅱ3.2进入，二者在陶瓷纤维滤管接触下催化还原，进而脱除烟气中NOx，净化后的气体经气体出口3.4排出，采用气体检测仪对进出口NOx与NH3浓度进行检测。所述的催化剂中V2O5含量为1％，WO3含量5％，硫酸负载量为10％，NOx与NH3的摩尔比为1.5，气体流量为1m3/h。
实验结果表明：NOx的去除率为94.4％。
实例4实例1一种触媒过滤单元用于烟气脱硝的工艺及装置，将V2O5-WO3-SO4 2-/TiO2负载于陶瓷纤维滤管后固定于固定床反应器内的过滤单元上，锅炉内烟气经气体流量计由旋转式反应器3的进气口Ⅰ3.1进入，液氨通过蒸发器8的作用形成氨气与空气在混合器6内混合后通过流量计4经旋转式反应器3的进气口Ⅱ3.2进入，二者在陶瓷纤维滤管接触下催化还原，进而脱除烟气中NOx，净化后的气体经气体出口3.4排出，采用气体检测仪对进出口NOx与NH3浓度进行检测。所述的催化剂中V2O5含量为1％，WO3含量5％，硫酸负载量为10％，NOx与NH3的摩尔比为1，气体流量为2m3/h。
实验结果表明：NOx的去除率为96.1％。
实例5一种触媒过滤单元用于烟气脱硝的工艺及装置，将V2O5-WO3-SO4 2-/TiO2负载于陶瓷纤维滤管后固定于固定床反应器内的过滤单元上，锅炉内烟气经气体流量计由旋转式反应器3的进气口Ⅰ3.1进入，液氨通过蒸发器8的作用形成氨气与空气在混合器6内混合后通过流量计4经旋转式反应器3的进气口Ⅱ3.2进入，二者在陶瓷纤维滤管接触下催化还原，进而脱除烟气中NOx，净化后的气体经气体出口3.4排出，采用气体检测仪对进出口NOx与NH3浓度进行检测。所述的催化剂中V2O5含量为1％，WO3含量5％，硫酸负载量为10％，NOx与NH3的摩尔比为0.5，气体流量为1.5m3/h。
实验结果表明：NOx的去除率为94.5％。
Claims (6)
1.一种触媒过滤单元用于烟气脱硝装置，其特征在于：包括阀门(1、5、9)、流量计(2、4)、固定床反应器(3)、混合器(6)、鼓风机(7)、蒸发器(8)和液氨储罐(10)以及气体检测仪(11)；固定床反应器(3)分别设有进气口Ⅰ(3.1)和Ⅱ(3.2)，固定床反应器(3)中间设有触媒过滤单元(3.3)，固定床反应器(3)的进气口Ⅰ(3.1)通过依次设有气体流量计(2)和阀门(1)与锅炉烟气出口连接；固定床反应器(3)的进气口Ⅱ(3.2)通过依次设有气体流量计(4)、阀门(5)、混合器(6)、鼓风机(7)、蒸发器(8)、阀门(9)和液氨储罐(10)；气体检测仪(11)与固定床反应器(3)的进气口Ⅰ(3.1)和出气口(3.4)连接。
2.根据权利要求1所述的一种触媒过滤单元用于烟气脱硝装置，其特征在于：过滤单元为负载型陶瓷纤维滤管。
3.一种利用如权利要求1所述的装置脱硝的工艺，其特征在于：在固定床反应器中使用氨气处理高温烟气中的NOx，将V2O5-WO3-SO4 2-/TiO2三元催化剂负载于陶瓷纤维滤管来催化还原NOx，使其达到排放标准。高温烟气中NOx含量为700～800mg/Nm3，烟气温度为250～400℃，NH3含量为300～400mg/Nm3。
4.根据权利要求2所述的一种触媒过滤单元用于烟气脱硝的工艺，其特征在于：具体步骤如下：
(1)将一定量的偏钨酸铵溶解后，加入一定量的纳米二氧化钛搅拌后，再加入一定量硫酸，置于60℃水浴中恒温反应2h；
(2)再加入偏钒酸铵溶解搅拌后，置于60℃水浴中恒温反应2h。
(3)将陶瓷纤维滤管浸没与溶液中静置负载，固体于100℃干燥6h，于300℃焙烧，制得V2O5-WO3-SO4 2-/TiO2/陶瓷纤维滤管。
(4)将负载催化剂后的陶瓷纤维滤管固定在固定床反应器的过滤单元内，锅炉烟气通过阀门经流量计输入固定床反应器内，液氨在蒸发器的作用下转变为氨气，与通过鼓风机作用进入混合器的空气混合后经流量计进入反应器内，二者在触媒过滤单元接触，在催化剂催化过程实现净化脱硝的目标。净化后的气体经气体出口排出。进出口采用气体检测仪检测烟气各组分浓度，计算NOx的去除率。
5.根据权利要求2所述的一种触媒过滤单元用于烟气脱硝的工艺，其特征在于：催化剂的组成及质量分数均是以纳米TiO2的质量为基准，其中V2O5含量为1％，WO3含量5％，硫酸负载量为10％。
6.根据权利要求2所述的一种触媒过滤单元用于烟气脱硝的工艺，其特征在于：烟气流量为1～4m3/h，NH3流量为1～4m3/h。
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