对待过滤物具有反应催化作用的过滤元件及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及过滤元件及其制备方法，尤其涉及对烟气具有过滤和脱硝催化双重作用的过滤元件及其制备方法。
【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]本发明申请人在名称为“工业炉气除尘脱硝一体化处理方法及专用设备”的中国专利申请文件(公开号CN104492189A，下称参考文件)中提供了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以及包括但不限于可在该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，以实现对待过滤物质高效过滤净化及反应催化的双重作用。该专利文件中提供的过滤催化元件具有一多孔复合体，该多孔复合体包括多孔基体和催化活性层，所述多孔基体由烧结金属多孔材料或烧结陶瓷多孔材料构成，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，此外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。对于该过滤催化元件，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。此外，上述专利文件中还提供了过滤催化元件作为对工业炉气具有过滤和SCR脱硝催化双重作用的功能元件时的具体结构和物质构成，以及该过滤催化元件的制备方法。
[0006]本发明的发明人后续研宄发现，在参考文件的过滤催化元件的制备过程中，作为中间层材料来源的溶胶先浸渍到多孔基体中，然后使多孔基体中的溶胶凝胶化，再对附着所述凝胶的多孔基体进行热处理，使凝胶转变为纳米颗粒，进而形成中间层的工艺方法不能使中间层与多孔基体之间结合的十分牢固，该过滤催化元件存在使用过程中中间层从多孔基体上掉落的风险；并且，受多孔基体表面张力等因素影响，溶胶不易在整个多孔基体中全面浸透，限制了催化活性物质的负载量。
【发明内容】
[0007]本发明所要解决的技术问题是提供一种对待过滤物具有反应催化作用的过滤元件、一种具有脱硝催化作用的过滤元件以及一种脱硝催化过滤元件和上述这几种过滤元件的制备方法，这些过滤元件的中间层与多孔基体之间均具有较高的结合力。
[0008]对待过滤物具有反应催化作用的过滤元件，包括一多孔复合体，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并具有三维立体连通的网络孔隙；中间层，所述中间层附着于多孔基体的孔表面并增大多孔基体孔表面粗糙度；催化活性层，所述催化活性层以中间层为载体附着于多孔基体的孔表面并由催化活性物质构成；所述中间层包括第一中间层，该第一中间层或第一中间层的前体物质在烧结形成所述多孔基体时内生于该多孔基体之上；所述中间层还包括第二中间层，所述第二中间层在第一中间层形成后再通过外覆方式形成于第一中间层之上；所述第一中间层与第二中间层之间的结合力大于第一中间层或第二中间层与多孔基体之间的结合力。
[0009]为使第一中间层与第二中间层之间的结合力大于第一中间层或第二中间层与多孔基体之间的结合力，一般的做法是使第一中间层与第二中间层由同种物质构成并通过加热方式使第一中间层与第二中间层溶为一体(在外覆第二中间层时可包括加热的环节，从而使第一中间层与第二中间层溶为一体)。而为了使第一中间层或第一中间层的前体物质在烧结形成所述多孔基体时内生于该多孔基体之上，一般的做法是使所述多孔基体由粉末烧结金属多孔材料或粉末烧结陶瓷多孔材料构成，所述第一中间层或第一中间层的前体物质由掺混在制备该多孔基体的粉末原料中的粉体烧结而成的办法。
[0010]上述的第一中间层与第二中间层是由不同方式先后形成于多孔基体孔表面，其中由于第一中间层或第一中间层的前体物质在烧结形成所述多孔基体时内生于该多孔基体之上，因此第一中间层(或第一中间层的前体物质)与多孔基体之间实际上烧结为一体，使最终形成的第一中间层与多孔基体之间具有很强的结合力，也就提高了中间层与多孔基体之间的结合力，很好的改善了过滤元件使用过程中中间层从多孔基体上掉落的问题；所述第二中间层在第一中间层形成后再通过外覆方式形成于第一中间层之上，由于第一中间层与第二中间层的相互叠加，使中间层在多孔基体中的覆盖范围增大，提高了后续催化活性物质的负载量，进一步提升了过滤元件的催化性能。
[0011]对待过滤物具有反应催化作用的过滤元件的制备方法，包括以下环节:A.采用粉末冶金法制备多孔基体，在制备该多孔基体的粉末原料中含有用于烧结形成多孔基体的第一粉体和用于在烧结形成多孔基体时烧结形成第一中间层或第一中间层前体物质的第二粉体，第二粉体的平均粒径小于第一粉体的平均粒径，备好上述粉末原料后对其进行成型和烧结，从而得到多孔基体并在多孔基体的孔表面形成第一中间层或第一中间层的前体物质；B.若上述A环节中形成为第一中间层，进入下述C环节，若上述A环节中形成为第一中间层的前体物质，则对第一中间层的前体物质进行化学处理使之转变为第一中间层后再进入下述C环节；C.配置作为第二中间层材料来源的溶胶，再将所述溶胶浸渍到多孔基体中，然后使多孔基体中的溶胶凝胶化，再对附着所述凝胶的多孔基体进行热处理，使凝胶转变为纳米颗粒，进而形成第二中间层；D.配置催化活性物质前驱体溶液，再将所述前驱体溶液浸渍到附着中间层的多孔基体中，然后对附着有前驱体溶液的多孔基体进行热处理，在中间层上形成催化活性层。
[0012]根据上述对待过滤物具有反应催化作用的过滤元件以及对待过滤物具有反应催化作用的过滤元件的制备方法可知，本发明中催化活性层以中间层为载体，即本发明中的“中间层”作用相当于现有负载型催化剂中的“催化剂载体”。现有负载型催化剂的催化剂载体较多采用氧化物，例如Ti02、Al2O3, ZrO2, 3102等，若第一中间层也包括了至少一种氧化物，则第二粉体中就该氧化物既可能是对应的元素粉也可能对应的氧化物粉，如果是元素粉，则要将该元素粉在烧结形成多孔基体时烧结形成对应的氧化物在实践中是很难做到的，即便第二粉体中本身就是氧化物粉，该氧化物粉在烧结形成多孔基体时也可能在高温下反应，因此，当第一中间层包括了至少一种氧化物时，若不能在上述A环节中得到完全的第一中间层(即得到的是第一中间层的前体物质)，上述B环节中都应当进行化学处理使第一中间层的前体物质转变为第一中间层，而此时的化学处理一般应为氧化焙烧。
[0013]上述方法不仅能够制备得到前面所述的对待过滤物具有反应催化作用的过滤元件