摘要 本文主要介绍水泥窑炉烟气脱硝、除尘的基本概况。选用P84/Nomex高效除尘滤料，通过等体积浸渍，氧化还原法制备出负载锰基低温脱硝催化剂的功能滤料，这种方法操作简单，脱硝除尘效果好，大大节约了设备成本，具有广泛的应用前景和推广意义。采用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)对试样进行成分和形貌分析;采用滤料强度测试对试样除尘性能进行研究;通过催化剂活性评价装置对试样进行脱硝活性分析。
关键词 水泥窑炉脱硝除尘一体化 功能滤料 SEM 活性评价
作者：徐辉 许小兵 刘江峰 江厚兵(单位：元琛科技)
1、前言
选择性催化还原法(SCR)由于其氮氧化物(NOx)的脱除率高、可达90%以上，是工业上应用最广的一种脱硝技术。SCR反应温度一般为300～450℃。由于水泥窑炉烟气的温度较低，一般50～300℃;烟气量大、含尘量大且粉尘颗粒较粗等特点，采用将SCR反应器安装在除尘器下游的“低尘布置”方式，可以有效的避免烟尘造成的催化剂堵塞、磨损，延长催化剂的使用寿命;但是烟气温度较低，需要对烟气进行再热，达到催化剂的反应温度，增加了能耗和运行成本。所以，开发出低温脱硝催化剂可以有效地解决这一问题，锰基低温催化剂具有较好的脱硝性能。
P84/Nomex高效除尘滤料具有耐腐蚀性优异，耐磨性好，易清灰，过滤精度高等优点，目前广泛适用于大型水泥窑头、窑尾除尘。选用的P84/Nomex高效除尘滤料，最高使用温度不能超过250℃，故不能采用煅烧前驱体的方法制备脱硝催化剂方法;高温滤料实际应用工况温度为130℃-220℃，因此选用负载锰基低温催化剂最为合适。本文通过等体积浸渍，氧化还原法制备出负载锰基低温脱硝催化剂的功能滤料。
2、实验部分
2.1 P84/Nomex复合滤料的制备
将P84纤维和Nomex纤维按照3:7的重量比例混合，通过开松、混合、梳理、铺网、并网并加入基布进行针刺等工艺处理后，得到半成品针刺毡;再进行轧光、烧毛、热定型等处理工艺后，得到P84/Nomex复合滤料。
2.2 负载锰基低温脱硝催化剂的功能滤料
剪取直径为50mm圆饼状耐高温滤布，用一定质量的锰前驱体溶液作为浸渍液，等体积浸渍;按理论负载量分别称取高锰酸钾固体粉末，溶解。然后将高锰酸钾溶液缓慢倒入浸没滤布，轻轻翻面，使其均匀反应，静置3h后取出滤布，用去离子水清洗，直至溶液不再变色，滤料表面水溶液为中性，高锰酸钾洗净为止。放入烘箱中110℃干燥6h待测试用。
2.3 试样的性能表征
SEM和XRD表征：负载锰氧化物前/后滤料及催化剂的表面形貌和结构分析;滤料断裂强力和断裂伸长率测试：将制备好的滤料裁剪成5*20cm形状，测试滤料断裂强力和断裂伸长率改变情况;催化剂活性评价：复合滤料的脱硝性能在自制管式SCR反应器中进行评价。模拟烟气的组成为600ppm NH3、600ppm NO和3% O2，总流速为350 ml/min，设计反应温度区间为70-220℃。反应器尾管进出口气体浓度由Testo350-XL烟气分析仪进行在线检测。
3、结果与讨论
3.1 扫描电镜表面形貌分析
对负载锰氧化物前后滤料扫描电镜分析可以看出，改性滤料经过水洗后，滤料纤维表面负载有纳米级固体颗粒，初步判定为二氧化锰低温催化剂负载在滤料上。并且，改性后滤料纤维未见损伤，判定高锰酸钾未对纤维结构造成破坏。
3.2 X射线衍射结构分析
从上图可知，在衍射角2θ为23.8o、29.6o、37.6o、43.3o、57.3o为MnO2衍射峰，那么催化剂活性组分主要为MnO2，但衍射峰都不是高的尖锐峰，结晶度很低，水洗后衍射峰更弱。衍射角2θ在32.6o和34.1o分别为Mn2O3和Mn3O4，而且衍射峰都更弱，它们含量很少，高度分散。或者锰氧化物晶体多被吸附于滤料内部的孔隙中而不能被检测到，所以衍射图上没有出现明显的特征峰.锰氧化物不能被检测出来，进一步说明了催化剂具有良好的物理结构，为催化剂性能的大幅提高提供了条件.金属氧化物在催化剂载体上分散分布，表现为在XRD图谱上不出现明显的特征峰，说明金属氧化物分布较均匀，这与前面扫描电镜观察到的结果也一致。
3.3 滤料改性后滤料断裂强力和断裂伸长率研究
将滤料裁剪成5*20cm形状试验，分别测试两种情况滤料断裂强力和断裂伸长率改变情况。
图3 从左到右依次为5*20cm的Mn10、Mn20负载后实物图;改性滤料断裂强度测试图
结果如下表：
结果表明，随着高锰酸钾用量越多，滤料断裂强力降低，约为1.8%左右;断裂伸长率增加，约为14%左右。从而得出：实际负载量对改性滤料的断裂强力和断裂伸长率不会产生致命性性能影响。
3.4 催化剂活性评价
使用滤布负载催化剂时,滤布的存在会改变催化剂与反应气体的接触时间及其他特性,进而导致催化剂脱硝效率有所变化。从上图可以看出，滤料负载后在70℃-130℃温度段比纯催化剂脱硝率低，在此温度段脱硝率还有上升的空间。在130℃-170℃两种情况脱硝率几乎相等，这是有利的一面。后面可以考虑添加助剂等方法增加中低温的脱硝活性。
4、结论
本实验借助X射线衍射、扫描电镜、纤维强度测试、催化剂活性评价等方法，研究了水泥窑炉P84/Nomex高效除尘滤料负载低温脱硝催化剂MnOx前/后的理化性质和脱硝效率。
通过XRD分析所制备低温催化剂，其主要成分为MnO2，还有极少量的Mn2O3和Mn3O4。SEM表面形貌观察可以看出催化剂MnOx均匀分布在纤维表面，且颗粒尺寸较小，从而推断其具有较大的比表面积、较强的催化活性。通过抗拉强度测试，负载催化剂后滤料的断裂强度和断裂伸长率没有明显的变化，负载催化剂不会影响滤料的过滤效果和使用寿命。最后，活性评价发现本实验制备的脱硝除尘功能滤料，具有较高的脱硝效率，在130℃-170℃可达到85%-95%，具有很高的市场价值，有待进一步推广。
