过滤催化元件及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及工业炉气的净化处理，尤其涉及工业炉气的除尘和脱硝。其中，术语“工业炉气”是指工业窑炉所产生的炉气。此外，本发明还涉及一种过滤催化元件，即对待过滤物质具有过滤和反应催化双重作用的功能元件。
【背景技术】
[0002]工业炉气中常含有大量粉尘和氮氧化物，一个典型的例子即燃煤电厂锅炉炉气，其所含的氮氧化物是促成酸雨形成的主要原因，且一般每升燃煤电厂锅炉炉气中还含有数十克的粉尘。针对诸如燃煤电厂锅炉炉气等高粉尘及氮氧化物含量的工业炉气的净化采取的通常方法是:首先将炉气引入SCR反应器(在将炉气引入SCR反应器的过程中还需向炉气中注入还原剂，该还原剂通常为氨水)从而将氮氧化物还原为无害氮气，实现炉气脱硝净化，然后将脱硝后的炉气引入电除尘器以除去炉气中的粉尘，再将除尘后的气体引入脱硫塔脱硫净化后排放。所说的术语“SCR”指Selective Catalytic Reduct1n，即选择性催化还原。
[0003]上述SCR反应器中的催化剂是影响SCR系统整体脱硝效果的重要因素。最初开发的SCR催化剂为颗粒状，目前则主要采用蜂窝状或平板状催化剂。蜂窝状催化剂和平板状催化剂上都排布有众多可供炉气通过的格孔，这些格孔的大小可根据炉气中粉尘的浓度和大小进行选择，使用时炉气从催化剂的一侧通过由这些格孔构成的通道流向催化剂的另一侦U，其间炉气与格孔内壁上的催化活性物质接触，从而将炉气中的氮氧化物还原为无害氮气。上述的蜂窝状催化剂和平板状催化剂一般由载体和催化活性层构成，其中载体先被制成蜂窝状或平板状(一般采用挤压成型)，然后再在载体上附着由催化活性物质构成的催化活性层。
[0004]虽然蜂窝状催化剂和平板状催化剂的格孔大小可根据炉气中粉尘的浓度和大小进行选择，但在实际使用中仍然存在被粉尘所堵塞的问题。另外，由于SCR催化剂直接与高含尘量的炉气接触，因此容易导致催化活性物质中毒，使用寿命缩短。此外，上述方法中使用了电除尘器来除去炉气中的粉尘，然而受电除尘具有选择性收尘特点等因素影响也经常出现电除尘器出口气体含尘量超标的问题。因此，针对目前诸如燃煤电厂锅炉炉气等高粉尘及氮氧化物含量的工业炉气的净化技术还有待进一步的改善。
[0005]另一方面，本发明申请的申请人在CN102925206A的中国专利文献中提供了一种催化重整工艺以及相应的用于催化重整的膜过滤元件。该文献中提出了通过一种膜过滤元件的截留和催化作用同时实现对油气的过滤和催化重整从而解决重整催化剂流失量大以及重整催化剂容易结焦的技术构思。但是，该文献所针对的技术领域属于烃油裂化领域，与本发明申请所处的工业炉气除尘脱硝领域相隔较远；并且，烃油裂化与工业炉气除尘脱硝又分别面临诸多不同的技术问题，例如工业炉气含尘量大、在脱硝过程中要求高温条件(SCR催化反应温度一般要求在320?420°C )、脱硝率要求很高等，其中尤其又以脱硝率要求高为工业炉气SCR催化脱硝的主要技术难点。因此，一般的技术人员不容易意识到将上述文献中提出的技术构思借鉴到工业炉气除尘脱硝中。
【发明内容】
[0006]本发明所要解决的技术问题首先是提供一种可同时对工业炉气进行除尘及脱硝的工业炉气除尘脱硝一体化处理方法及专用设备；本发明其次还要提供一种包括但不限于可在上述工业炉气除尘脱硝一体化处理方法中应用的过滤催化元件及其制备方法，从而实现对待过滤物质高效过滤净化及反应催化的双重作用。
[0007]为此，本发明提出以下的工业炉气除尘脱硝一体化处理方法，该方法的步骤包括:
(I)用封闭的管道将工业炉气通入除尘脱硝一体化装置的进气口，并向被传送但还未通过除尘脱硝一体化装置进行除尘脱硝处理的炉气中注入还原剂；(2)使混合有还原剂的炉气通过除尘脱硝一体化装置中的过滤催化元件，从而在过滤催化元件的作用下同时进行炉气的气固过滤分离和SCR脱硝；(3)从所述除尘脱硝一体化装置的排气口排出由过滤催化元件进行气固过滤分离和SCR脱硝后的气体，然后将该气体通向后续环节；其中，所述的过滤催化元件是一种对工业炉气具有过滤和SCR脱硝催化双重作用的功能元件，其具有平均孔径为I?200 μm的多孔复合体，该多孔复合体包括:多孔基体，所述多孔基体由烧结金属多孔材料或烧结陶瓷多孔材料构成，该多孔基体中具有三维立体连通的网络孔隙；以及催化活性层，所述催化活性层附着于多孔基体孔表面并由催化活性物质构成。“平均孔径”为本领域表征多孔材料孔结构的通用术语，一般采用气泡法测定。多孔复合体的平均孔径在I?200 μπι范围内可以根据具体的工业炉气气固分离过滤需要来进行设定。上述方法中，由于多孔复合体的孔表面上附着了由催化活性物质构成的催化活性层，炉气在通过过滤催化元件而被气固过滤分离的过程中又会与催化活性物质相接触，实现对炉气中氮氧化物的SCR脱硝催化。由于多孔基体由烧结金属多孔材料或烧结陶瓷多孔材料构成，因此具有优良的耐高温性能，能够在SCR催化反应温度范围内稳定的工作；并且多孔基体中具有三维立体连通的网络孔隙，这样就可确保炉气在通过过孔基体时更为充分的与催化活性物质接触。
[0008]在上述方法基础上，发明人进一步发现，由烧结金属多孔材料或烧结陶瓷多孔材料构成的多孔基体的孔表面一般而言比较光滑，影响了多孔基体的比表面积，若直接将催化活性层附着在多孔基体的孔表面，多孔复合体中催化活性物质的含量不高，从而会影响对工业炉气的脱硝率。为了解决上述问题，将上述工业炉气除尘脱硝一体化处理方法进一步改进为:所述多孔复合体还包括位于多孔基体与催化活性层之间的中间层，所述中间层由在多孔基体表面堆积的纳米颗粒所构成，催化活性层通过该中间层附着于多孔基体孔表面。由于中间层是由在多孔基体表面堆积的纳米颗粒所构成的，因此中间层的表面比多孔基体的孔表面粗糙很多，由此大大提高了多孔基体的比表面积，以使多孔复合体中催化活性物质的含量和设置的均匀程度均可显著提高，有效保证了工业炉气的脱硝率。
[0009]而作为对上述方法的又一改进，所述过滤催化元件还包括位于多孔复合体迎风面上并以烧结金属多孔材料或烧结陶瓷多孔材料为基体的膜层，该膜层的平均孔径为I?100 μπι且小于多孔复合体的平均孔径。术语“迎风面”是指多孔复合体上先与炉气接触的一侧表面。当在多孔复合体的迎风面上设置膜层后，由于膜层的存在，炉气必先与膜层接触，从而通过膜层对炉气中的至少一部分灰尘进行拦截，减少甚至消除灰尘与多孔复合体的接触机会，有效防止催化活性物质中毒。在设置有膜层的情况下，该膜层的平均孔径最好以尽可能将炉气中的灰尘清除干净为目的来设定，而多孔复合体的平均孔径最好以在保证一定水平的过滤通量的前提下使SCR催化反应尽可能充分为目的来设定。
[0010]上述方法的专用工业炉气除尘脱硝一体化装置，包括设有进气口、排气口和排渣口的气体过滤装置，该气体过滤装置中安装有过滤催化元件，所述过滤催化元件是一种对工业炉气具有过滤和SCR脱硝催化双重作用的功能元件，其具有平均孔径为I?200 μ m的多孔复合体，该多孔复合体包括:多孔基体，所述多孔基体由烧结金属多孔材料或烧结陶瓷多孔材料构成，该多孔基体中具有三维立体连通的网络孔隙；以及催化活性层，所述催化活性层附着于多孔基体的孔表面并由催化活性物质所构成。作为上述装置的一种改进，所述多孔复合体还包括位于多孔基体与催化活性层之间的中间层，所述中间层由在多孔基体上堆积的纳米颗粒所构成，所述催化活性层通过该中间层附着于多孔基体孔表面。作为上述装置的又一改进，所述过滤催化元件还包括位于多孔复合体迎风面上并以烧结金属多孔材料或烧结陶瓷多孔材料为基体的膜层，该膜层的平均孔径为I?100 μπι且小于多孔复合体的平均孔径。
[0011]包括但不限于可在上述工业炉气除尘脱硝一体化处理方法中应用的过滤催化元件，是一种对待过滤物质具有过滤和反应催化双重作用的功能元件，其具有一多孔复合体，该多孔复合体包括多孔基体和催化活性层，所述多孔基体由多孔材料构成，所述催化活性层附着于多孔基体孔表面并由催化活性物质构成，所述多孔复合体还包括中间层，所述中间层由在多孔基体表面堆积的纳米颗粒所构成，所述催化活性层通过中间层附着于多孔基体孔表面。由于中间层是由在多孔基体表面堆积的纳米颗粒所构成的，因此中间层的表面比多孔基体的孔表面粗糙很多，由此大大提高了多孔基体的比表面积，以使多孔复合体中催化活性物质的含量和设置的均匀程度均可显著提高，提高催化反应率。
[0012]该过滤催化元件具体可以是一种对工业炉气具有过滤和SCR脱硝催化双重作用的功能元件，所述多孔复合体的平均孔径为I?200 μπι，且所述多孔基体由烧结金属多孔材料或烧结陶瓷多孔材料构成，该多孔基体中具有三维立体连通的网络孔隙。其中，所述中间层可以由T12纳米颗粒、AlO2纳米颗粒、ZrO2纳米颗粒或S1 2纳米颗粒构成。所述催化活性层可以由V2O5构成或以V 205为主要成分，以WO 3和MoO 3中的至少一种为辅助成分的混