具有脫硝催化作用的過濾元件及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及過濾元件及其制備方法，尤其涉及對煙氣具有過濾和脫硝催化雙重作用的過濾元件及其制備方法。
【背景技術】
[0002]工業爐氣中常含有大量粉塵和氮氧化物，一個典型的例子即燃煤電廠鍋爐爐氣，其所含的氮氧化物是促成酸雨形成的主要原因，且一般每升燃煤電廠鍋爐爐氣中還含有數十克的粉塵。針對諸如燃煤電廠鍋爐爐氣等高粉塵及氮氧化物含量的工業爐氣的凈化采取的通常方法是:首先將爐氣引入SCR反應器(在將爐氣引入SCR反應器的過程中還需向爐氣中注入還原劑，該還原劑通常為氨水)從而將氮氧化物還原為無害氮氣，實現爐氣脫硝凈化，然后將脫硝后的爐氣引入電除塵器以除去爐氣中的粉塵，再將除塵后的氣體引入脫硫塔脫硫凈化后排放。所說的術語“SCR”指Selective Catalytic Reduct1n，即選擇性催化還原。
[0003]上述SCR反應器中的催化劑是影響SCR系統整體脫硝效果的重要因素。最初開發的SCR催化劑為顆粒狀，目前則主要采用蜂窩狀或平板狀催化劑。蜂窩狀催化劑和平板狀催化劑上都排布有眾多可供爐氣通過的格孔，這些格孔的大小可根據爐氣中粉塵的濃度和大小進行選擇，使用時爐氣從催化劑的一側通過由這些格孔構成的通道流向催化劑的另一偵U，其間爐氣與格孔內壁上的催化活性物質接觸，從而將爐氣中的氮氧化物還原為無害氮氣。上述的蜂窩狀催化劑和平板狀催化劑一般由載體和催化活性層構成，其中載體先被制成蜂窩狀或平板狀(一般采用擠壓成型)，然后再在載體上附著由催化活性物質構成的催化活性層。
[0004]雖然蜂窩狀催化劑和平板狀催化劑的格孔大小可根據爐氣中粉塵的濃度和大小進行選擇，但在實際使用中仍然存在被粉塵所堵塞的問題。另外，由于SCR催化劑直接與高含塵量的爐氣接觸，因此容易導致催化活性物質中毒，使用壽命縮短。此外，上述方法中使用了電除塵器來除去爐氣中的粉塵，然而受電除塵具有選擇性收塵特點等因素影響也經常出現電除塵器出口氣體含塵量超標的問題。因此，針對目前諸如燃煤電廠鍋爐爐氣等高粉塵及氮氧化物含量的工業爐氣的凈化技術還有待進一步的改善。
[0005]本發明申請人在名稱為“工業爐氣除塵脫硝一體化處理方法及專用設備”的中國專利申請文件(公開號CN104492189A，下稱參考文件)中提供了可同時對工業爐氣進行除塵及脫硝的工業爐氣除塵脫硝一體化處理方法及專用設備以及包括但不限于可在該工業爐氣除塵脫硝一體化處理方法中應用的過濾催化元件及其制備方法，以實現對待過濾物質高效過濾凈化及反應催化的雙重作用。該專利文件中提供的過濾催化元件具有一多孔復合體，該多孔復合體包括多孔基體和催化活性層，所述多孔基體由燒結金屬多孔材料或燒結陶瓷多孔材料構成，所述催化活性層附著于多孔基體孔表面并由催化活性物質構成，此外多孔復合體還包括中間層，所述中間層由在多孔基體表面堆積的納米顆粒所構成，所述催化活性層通過中間層附著于多孔基體孔表面。對于該過濾催化元件，由于中間層是由在多孔基體表面堆積的納米顆粒所構成的，因此中間層的表面比多孔基體的孔表面粗糙很多，由此大大提高了多孔基體的比表面積，以使多孔復合體中催化活性物質的含量和設置的均勻程度均可顯著提高，提高催化反應率。此外，上述專利文件中還提供了過濾催化元件作為對工業爐氣具有過濾和SCR脫硝催化雙重作用的功能元件時的具體結構和物質構成，以及該過濾催化元件的制備方法。
[0006]本發明的發明人后續研宄發現，在參考文件的過濾催化元件的制備過程中，作為中間層材料來源的溶膠先浸漬到多孔基體中，然后使多孔基體中的溶膠凝膠化，再對附著所述凝膠的多孔基體進行熱處理，使凝膠轉變為納米顆粒，進而形成中間層的工藝方法不能使中間層與多孔基體之間結合的十分牢固，該過濾催化元件存在使用過程中中間層從多孔基體上掉落的風險；并且，受多孔基體表面張力等因素影響，溶膠不易在整個多孔基體中全面浸透，限制了催化活性物質的負載量。
【發明內容】
[0007]本發明所要解決的技術問題是提供一種對待過濾物具有反應催化作用的過濾元件、一種具有脫硝催化作用的過濾元件以及一種脫硝催化過濾元件和上述這幾種過濾元件的制備方法，這些過濾元件的中間層與多孔基體之間均具有較高的結合力。
[0008]對待過濾物具有反應催化作用的過濾元件，包括一多孔復合體，該多孔復合體包括:多孔基體，所述多孔基體由燒結金屬多孔材料或燒結陶瓷多孔材料構成并具有三維立體連通的網絡孔隙；中間層，所述中間層附著于多孔基體的孔表面并增大多孔基體孔表面粗糙度；催化活性層，所述催化活性層以中間層為載體附著于多孔基體的孔表面并由催化活性物質構成；所述中間層包括第一中間層，該第一中間層或第一中間層的前體物質在燒結形成所述多孔基體時內生于該多孔基體之上；所述中間層還包括第二中間層，所述第二中間層在第一中間層形成后再通過外覆方式形成于第一中間層之上；所述第一中間層與第二中間層之間的結合力大于第一中間層或第二中間層與多孔基體之間的結合力。
[0009]為使第一中間層與第二中間層之間的結合力大于第一中間層或第二中間層與多孔基體之間的結合力，一般的做法是使第一中間層與第二中間層由同種物質構成并通過加熱方式使第一中間層與第二中間層溶為一體(在外覆第二中間層時可包括加熱的環節，從而使第一中間層與第二中間層溶為一體)。而為了使第一中間層或第一中間層的前體物質在燒結形成所述多孔基體時內生于該多孔基體之上，一般的做法是使所述多孔基體由粉末燒結金屬多孔材料或粉末燒結陶瓷多孔材料構成，所述第一中間層或第一中間層的前體物質由摻混在制備該多孔基體的粉末原料中的粉體燒結而成的辦法。
[0010]上述的第一中間層與第二中間層是由不同方式先后形成于多孔基體孔表面，其中由于第一中間層或第一中間層的前體物質在燒結形成所述多孔基體時內生于該多孔基體之上，因此第一中間層(或第一中間層的前體物質)與多孔基體之間實際上燒結為一體，使最終形成的第一中間層與多孔基體之間具有很強的結合力，也就提高了中間層與多孔基體之間的結合力，很好的改善了過濾元件使用過程中中間層從多孔基體上掉落的問題；所述第二中間層在第一中間層形成后再通過外覆方式形成于第一中間層之上，由于第一中間層與第二中間層的相互疊加，使中間層在多孔基體中的覆蓋范圍增大，提高了后續催化活性物質的負載量，進一步提升了過濾元件的催化性能。
[0011]對待過濾物具有反應催化作用的過濾元件的制備方法，包括以下環節:A.采用粉末冶金法制備多孔基體，在制備該多孔基體的粉末原料中含有用于燒結形成多孔基體的第一粉體和用于在燒結形成多孔基體時燒結形成第一中間層或第一中間層前體物質的第二粉體，第二粉體的平均粒徑小于第一粉體的平均粒徑，備好上述粉末原料后對其進行成型和燒結，從而得到多孔基體并在多孔基體的孔表面形成第一中間層或第一中間層的前體物質；B.若上述A環節中形成為第一中間層，進入下述C環節，若上述A環節中形成為第一中間層的前體物質，則對第一中間層的前體物質進行化學處理使之轉變為第一中間層后再進入下述C環節；C.配置作為第二中間層材料來源的溶膠，再將所述溶膠浸漬到多孔基體中，然后使多孔基體中的溶膠凝膠化，再對附著所述凝膠的多孔基體進行熱處理，使凝膠轉變為納米顆粒，進而形成第二中間層；D.配置催化活性物質前驅體溶液，再將所述前驅體溶液浸漬到附著中間層的多孔基體中，然后對附著有前驅體溶液的多孔基體進行熱處理，在中間層上形成催化活性層。
[0012]根據上述對待過濾物具有反應催化作用的過濾元件以及對待過濾物具有反應催化作用的過濾元件的制備方法可知，本發明中催化活性層以中間層為載體，即本發明中的“中間層”作用相當于現有負載型催化劑中的“催化劑載體”。現有負載型催化劑的催化劑載體較多采用氧化物，例如Ti02、Al2O3, ZrO2, 3102等，若第一中間層也包括了至少一種氧化物，則第二粉體中就該氧化物既可能是對應的元素粉也可能對應的氧化物粉，如果是元素粉，則要將該元素粉在燒結形成多孔基體時燒結形成對應的氧化物在實踐中是很難做到的，即便第二粉體中本身就是氧化物粉，該氧化物粉在燒結形成多孔基體時也可能在高溫下反應，因此，當第一中間層包括了至少一種氧化物時，若不能在上述A環節中得到完全的第一中間層(即得到的是第一中間層的前體物質)，上