金屬間化合物多孔基體復合濾芯元件及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及工業爐氣的凈化處理，尤其涉及工業爐氣的除塵和脫硝。其中，術語“工業爐氣”是指工業窯爐、燃煤鍋爐所產生的爐氣。此外，本發明還涉及一種金屬間化合物多孔基體復合濾芯元件，即對待過濾物質具有過濾除塵和反應催化雙重作用的功能元件。
【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，從而將爐氣中有害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，且煙氣直接與催化劑接觸摩擦、沖擊，容易導致催化劑開裂甚至脫落，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]另一方面，近來采用的多孔基體，通常由多孔陶瓷材料和多孔金屬間化合物材料構成，通過涂敷、燒結等工藝在多孔基體上附著催化活性物質，制作成濾芯元件，在過濾除塵和氣體還原的過濾催化一體技術中應用比較多。現有技術中，催化活性物質通過中間層載體附著在多孔基體上，中間層材料通常為T12,由于T12粘度大、強度低，遇水有一定的水硬性，所以制備具有一定形狀、機械強度、比表面積和活性的催化膜層，常需在載體中添加各類添加劑，不但增加了成本和工藝的復雜性，同時也大大降低了中間層的比表面積。而且由于1102的水硬性，中間層吸水后，常常導致催化活性物質脫落，大大降低過濾效果和氣體還原率。
【發明內容】
[0006]本發明所要解決的技術問就是提供一種包括但不限于在工業爐氣除塵脫硝一體化處理方法中應用的金屬間化合物多孔基體復合濾芯元件及其制備方法，從而實現對待過濾物質高效過濾凈化及反應催化的雙重作用。
[0007]為此，本發明提出以下的工業爐氣除塵脫硝一體化處理方法，該方法的步驟包括:
(I)用封閉的管道將工業爐氣通入除塵脫硝一體化裝置的進氣口，并向被傳送但還未通過除塵脫硝一體化裝置進行除塵脫硝處理的爐氣中注入還原劑；(2)使混合有還原劑的爐氣通過除塵脫硝一體化裝置中的金屬間化合物多孔基體復合濾芯元件，從而在金屬間化合物多孔基體復合濾芯元件的作用下同時進行爐氣的氣固過濾分離和SCR脫硝；(3)從所述除塵脫硝一體化裝置的排氣口排出由金屬間化合物多孔基體復合濾芯元件進行氣固過濾分離和SCR脫硝后的氣體，然后將該氣體通向后續環節。其中，所述的金屬間化合物多孔基體復合濾芯元件是一種對工業爐氣具有過濾除塵和SCR脫硝催化雙重作用的功能元件，其具有平均孔徑為I?200 μ m的多孔復合體，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構成，該多孔基體中具有三維立體連通的網絡孔隙；以及催化活性層，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。“平均孔徑”為本領域表征多孔材料孔結構的通用術語，一般采用氣泡法測定。多孔復合體的平均孔徑在I?200 μπι范圍內可以根據具體的工業爐氣氣固分離需要來進行設定。上述方法中，由于多孔復合體的孔表面上附著了由催化活性物質構成的催化活性層，爐氣在通過金屬間化合物多孔基體復合濾芯元件而被氣固分離的過程中又會與催化活性物質相接觸，實現對爐氣中氮氧化物的SCR脫硝催化。由于多孔基體由燒結金屬多孔材料構成，因此具有優良的耐高溫性能，能夠在SCR催化反應溫度范圍內穩定的工作；并且多孔基體中具有三維立體連通的網絡孔隙，這樣就可確保爐氣在通過多孔基體時更為充分的與催化活性物質接觸。
[0008]在上述方法基礎上，發明人進一步發現，由燒結金屬多孔材料構成的多孔基體的孔表面一般而言比較光滑，影響了多孔基體的比表面積，若直接將催化活性層附著在多孔基體的孔表面，多孔復合體中催化活性物質的含量不高，從而會影響對工業爐氣的脫硝率，而現有技術的中間層材料效果又不理想。為了解決上述問題，將上述工業爐氣除塵脫硝一體化處理方法進一步改進為:所述多孔復合體還包括位于多孔基體與催化活性層之間的中間層，所述中間層由在多孔基體上堆積的納米顆粒構成，催化活性層通過該中間層附著于多孔基體孔表面，所述中間層由Α1203構成。由于本發明的中間層是由在多孔基體上堆積的Al2O3納米顆粒所構成的，隨著Al 203材料顆粒的納米化，作為中間層材料的Al 203不但能夠附著在多孔基體表面，也能夠滲透到多孔基體表面一定深度范圍內的孔表面。而且中間層Al2O3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分布的均勻程度均顯著提高，有效保證了工業爐氣的脫硝率。而且Al2O3具有機械強度大、可塑性好、比表面積大等特點，可賦予載體很好的結構特性、機械強度、比表面活性，改善催化活性物質膜層表面結構和機械性能。特別是采用溶膠-凝膠法制成的γ-Al2O3中間層，其擴散性和孔道貫穿性大幅度提高，可以滲透到多孔基體表面以下的內部孔道中，在這些孔表面也形成中間層，極大地增加了附著面積，從而擴大催化活性物質的附著量，提高催化還原效率。上述中間層的特性，在鋁系金屬間化合物多孔基體材料上表象特別明顯，所以作為一種優選方案，本發明的多孔基體材料為鋁系金屬間化合物材料。
[0009]而作為對上述方法的又一改進，所述金屬間化合物多孔基體復合濾芯元件還包括位于多孔復合體迎風面上并以燒結金屬多孔材料為基體的膜層，該膜層的平均孔徑為I?100 μπι且小于多孔復合體的平均孔徑。術語“迎風面”是指多孔復合體上先與爐氣接觸的一側表面。當在多孔復合體的迎風面上設置膜層后，由于膜層的存在，爐氣必先與膜層接觸，從而通過膜層對爐氣中的至少一部分灰塵進行攔截，減少甚至消除灰塵與多孔復合體的接觸機會，有效