Trong 20 năm qua, công nghệ ống lọc gốm nhiệt độ cao đã phát triển nhanh chóng trong lĩnh vực lọc khí thải. Cơ chế loại bỏ bụi của nó tương tự như cơ chế lọc túi truyền thống, cả hai đều chủ yếu dựa vào cơ chế sàng lọc, đồng thời chịu tác động của va chạm quán tính, chặn, khuếch tán và trong các điều kiện cụ thể là tác động của tĩnh điện và trọng lực. Tuy nhiên, so với túi lọc túi truyền thống, ống lọc gốm có khả năng chống ăn mòn mạnh và chịu nhiệt độ cao. Do đó, với công nghệ sản xuất ống lọc gốm trưởng thành và tiêu chuẩn khí thải nghiêm ngặt hơn đối với bụi khí thải trong các ngành công nghiệp như nhiệt điện và đốt chất thải trong những năm gần đây, công nghệ lọc ống lọc gốm đã phát triển nhanh chóng.

Trong những năm gần đây, ngoài bụi, các tiêu chuẩn phát thải đối với các chất ô nhiễm như oxit nitơ ngày càng nghiêm ngặt hơn và công nghệ khử nitrat SNCR truyền thống không thể đáp ứng các yêu cầu ngày càng nghiêm ngặt đối với khí thải nitơ oxit. Do đó, túi lọc phủ chất xúc tác và ống lọc gốm phủ chất xúc tác ngày càng nhận được sự quan tâm cả trong nước và quốc tế, và công nghệ tích hợp khử và loại bỏ bụi ống lọc gốm nhiệt độ cao dựa trên điều này đã phát triển nhanh chóng.

Nghiên cứu túi lọc và túi lọc phủ xúc tác

Hình thức lọc của túi lọc có thể được chia thành ba loại: lọc sâu, lọc tráng và lọc bề mặt. Lọc sâu là hình thức lọc truyền thống nhất, trong đó khí thải được lọc trực tiếp bởi lớp vật liệu lọc. Lọc có tráng đề cập đến một màng mỏng có cấu trúc vi xốp được gắn vào bề mặt ngược dòng của vật liệu lọc truyền thống. Đường kính lỗ rỗng của màng mỏng thường nhỏ hơn 2μm, có thể ngăn chặn hiệu quả phần lớn các hạt vật chất xâm nhập vào vật liệu lọc sợi. Lọc bề mặt là một lớp sợi siêu mịn được gắn vào bề mặt ngược dòng của vật liệu lọc truyền thống, lớp này cũng đóng vai trò ngăn các hạt vật chất xâm nhập vào vật liệu lọc.

Lõi của bộ lọc túi là vật liệu túi lọc. Hiện tại, các vật liệu túi lọc chính bao gồm polyphenylene sulfide (PPS), polyimide (P84), polytetrafluoroethylene (PTFE) và sợi thủy tinh (GL). Phạm vi nhiệt độ áp dụng và ưu điểm cũng như nhược điểm của từng vật liệu được trình bày chi tiết trong Bảng 1. Để tích hợp tốt hơn các ưu điểm của các vật liệu túi lọc khác nhau và khắc phục nhược điểm của từng loại, túi lọc composite bao gồm hai hoặc nhiều vật liệu cũng thường được sử dụng .

Bảng 1: Nhiệt độ áp dụnge và ưu/nhược điểm của các vật liệu túi lọc khác nhau.

Bảng 1 cho thấy, về tổng thể, loại bỏ bụi bằng bộ lọc túi chỉ phù hợp với khí thải có nhiệt độ trung bình và thấp. Do đó, khi nhiệt độ khí thải cao, cần phải làm mát bằng nước hoặc không khí trước khi đi vào bộ thu bụi lọc túi để bảo vệ túi lọc khỏi bị hư hại.

Trong những năm gần đây, với sự gia tăng các tiêu chuẩn phát thải nitơ oxit, bộ lọc túi loại bỏ bụi và khử nitơ tích hợp đã nhận được sự chú ý và công nghệ chính nằm ở sự phát triển của túi lọc phủ chất xúc tác. Các chất xúc tác như mangan/vanadi được gắn vào bề mặt của túi lọc và khí amoniac được phun vào bộ hút bụi của bộ lọc túi hoặc khí thải đầu vào của nó. Dưới tác dụng của chất xúc tác, khí amoniac phản ứng với các oxit nitơ trong khí thải để tạo ra khí nitơ. Điều này tương tự như cơ chế loại bỏ nitơ oxit trong lò phản ứng SCR (Selective Catalytic Reduction), khử chọn lọc NO và NO2 thành N2 bằng cách sử dụng chất khử NH3 ở 180-400°C dưới tác dụng của chất xúc tác, trong khi hầu như không bị oxy hóa. phản ứng của NH3 và O2 xảy ra.

Trong những năm gần đây, nhiều chuyên gia và học giả đã cam kết phát triển vật liệu lọc phủ chất xúc tác. Wang Xie đã sử dụng phương pháp phân tán chất hoạt động bề mặt, phủ Xu và lọc hút để nạp chất xúc tác MnO2/polypyrrole lên vật liệu lọc PPS. Lượng chất xúc tác nạp vào khoảng 44g/m2. Trong điều kiện phòng thí nghiệm, túi lọc PPS phủ chất xúc tác có thể đạt hiệu suất khử nitrat 80% ở 180°C.

Zheng Weijie đã sử dụng cơ chế của các phản ứng oxi hóa khử có liên quan để phát triển ba thành phần chất xúc tác khác nhau Mn-CeOx, Mn-SnOx và Mn-Ce-SnOx tại chỗ trên bề mặt sợi PPS. Kết quả cho thấy, trong điều kiện phòng thí nghiệm, tốc độ khử nitrat của ba loại vật liệu lọc phủ xúc tác khác nhau có thể đạt 100% khi điều kiện pha chế là tỷ lệ khối lượng KMnO4/PPS là 0,6 và nhiệt độ phản ứng khử nitrat là 180°C, và cả màng lọc. vật liệu được phủ chất xúc tác Mn-Ce-SnOx có thể đạt tỷ lệ khử nitrat 100% ở nhiệt độ phản ứng khử nitrat là 120°C.

Zou Haiqiang đã sử dụng phân tán siêu âm để gắn chất xúc tác 6% MnO2/CNFs lên bề mặt vật liệu lọc polyester thơm và sau khi được phủ polydopamine, trong điều kiện phòng thí nghiệm ở 180°C, hiệu suất khử nitrat có thể đạt 80%.

Wang Min gắn MnOx vào túi lọc của thiết bị hút bụi lọc túi và nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ, hàm lượng oxy và tốc độ dòng khí đầu vào đến hiệu ứng khử nitrat. Kết quả nghiên cứu cho thấy khi nhiệt độ phản ứng là 150°C và hàm lượng khí thải trong khí phản ứng là 5%, tỷ lệ loại bỏ oxit nitơ có thể đạt 75%.

Nghiên cứu so sánh túi lọc gắn chất xúc tác và ống lọc gốm gắn chất xúc tác

Nguyên tắc loại bỏ bụi và khử nitơ đối với túi lọc gắn chất xúc tác và ống lọc gốm gắn chất xúc tác về cơ bản là giống nhau: loại bỏ bụi chủ yếu dựa trên sàng lọc; quá trình khử nitrat sử dụng amoniac làm chất khử cho quá trình khử nitrat xúc tác và cả hai đều sử dụng chất xúc tác titan mangan/vanadi titan. Tuy nhiên, phạm vi nhiệt độ áp dụng của túi lọc là khoảng 120 ~ 280oC, do đó, chất xúc tác nhiệt độ thấp và nhiệt độ trung bình chủ yếu được sử dụng cho túi lọc gắn chất xúc tác.

Phạm vi nhiệt độ áp dụng của ống lọc gốm rộng hơn, lên tới 1000oC, do đó có thể chọn chất xúc tác ở nhiệt độ thấp, nhiệt độ trung bình hoặc nhiệt độ cao theo đặc điểm cụ thể của khí thải và ngành. Điều này có thể tránh hiện tượng làm mát khí thải trước khi vào bộ thu bụi do nhiệt độ cao, có lợi cho việc giảm tiêu thụ năng lượng.

Hiện tại, hiệu quả khử nitrat của các chất xúc tác khử nitrat ở nhiệt độ trung bình và nhiệt độ cao cao hơn so với các chất xúc tác ở nhiệt độ thấp và giá tương đối thấp hơn. Ngoài ra, lưu huỳnh trioxide trong khí thải phản ứng với amoniac để tạo ra amoni sunfat, amoni hydro sunfat và các hợp chất amoni lưu huỳnh khác. Amoni hydro sunfat có độ nhớt cao và độ nhớt của nó tăng khi nhiệt độ giảm. Ngay cả khi nhiệt độ phản ứng dưới 150 ℃, nó sẽ bám vào bề mặt của chất xúc tác ở dạng lỏng, hấp thụ tro bay, chặn các lỗ chân lông của chất xúc tác và làm cho chất xúc tác bị vô hiệu hóa. Do đó, hoạt động ổn định của các ống lọc gốm ở nhiệt độ trung bình và cao có lợi cho việc cải thiện hiệu quả khử nitrat và kéo dài tuổi thọ của chất xúc tác.

Công nghệ xả ngược trực tuyến của bộ lọc túi và bộ thu bụi ống lọc có thể kéo dài tuổi thọ của chất xúc tác một cách hiệu quả. Mặc dù các hạt vật chất sẽ lắng đọng trên bề mặt của túi lọc, nhưng một số hạt mịn vẫn có thể xâm nhập vào bên trong môi trường lọc. Khi chúng tiếp xúc với chất xúc tác được gắn trên túi lọc, rất dễ làm tắc các lỗ xốp trên bề mặt chất xúc tác, gây ngộ độc chất xúc tác; Ngoài ra, các kim loại kiềm trong khói lò cũng có thể làm giảm hoạt tính của chất xúc tác. Do đó, khi thời gian hoạt động của túi lọc hoặc ống lọc gốm tăng lên, hoạt tính của chất xúc tác sẽ giảm dần. Việc xả ngược theo thời gian của bộ lọc túi hoặc bộ thu bụi ống lọc gốm có thể làm chậm hiệu quả tác động của các hạt mịn lên chất xúc tác,

Việc sử dụng công nghệ túi lọc gắn chất xúc tác có thể đạt được quá trình khử nitơ và loại bỏ bụi tích hợp trên cơ sở hầu như không thay đổi dấu chân của bộ lọc túi, giảm hiệu quả dấu chân của thiết bị lọc khí thải và đặc biệt phù hợp cho các dự án mới hoặc cải tạo với không gian hạn chế. Chiều cao của túi lọc của bộ lọc túi thường khoảng 6 mét và chiều cao của thân máy hút bụi là khoảng 20 ~ 25 mét. Tuy nhiên, kích thước của ống lọc gốm trong bộ thu bụi ống lọc thường không quá 3 mét và chiều cao của bộ thu bụi ống lọc là khoảng 18 ~ 20 mét. Do đó, dấu chân của bộ thu bụi ống lọc gốm nhỏ hơn so với bộ thu bụi bộ lọc túi và việc lắp đặt linh hoạt hơn.

Bộ lọc túi có chất xúc tác khử nitrat được gắn vào túi lọc hiện vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu và phát triển trong phòng thí nghiệm và hiện chưa có trường hợp ứng dụng kỹ thuật thực tế nào. Tuy nhiên, thiết bị tích hợp khử bụi và khử bụi ống lọc gốm nhiệt độ cao đã được ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp như đốt chất thải xây dựng trong và ngoài nước, đốt bùn thải, lò nung thủy tinh, kim loại màu, nhà máy điện sinh khối, đốt chất thải nguy hại, và lò nung xi măng.

Năm 2011, Nhà máy đốt rác thải xây dựng Ishinomaki, tỉnh Miyagi, Nhật Bản bắt đầu sử dụng công nghệ ống lọc sứ gắn chất xúc tác. Nồng độ dioxin trong khí thải ban đầu là 40 ng DE/Nm3 (hàm lượng oxy trong khí thải khô là 10%), trong khi nồng độ dioxin trong khí thải đầu ra là <0,06 ng ± 0,02 ng DE/Nm3 (khí thải khô hàm lượng oxy là 10%), với tỷ lệ loại bỏ là 99,85%.

Nhà máy điện sinh khối Tế Nam Weiquan đã hoàn thành việc cải tạo hệ thống lọc khí thải vào ngày 11 tháng 1 năm 2020. Hệ thống tích hợp khử bụi và khử bụi ống lọc composite nhiệt độ cao và các thiết bị hỗ trợ của nó bắt đầu hoạt động. Theo giám sát trực tuyến, khí thải của nhà máy đáp ứng giới hạn phát thải theo yêu cầu của đánh giá tác động môi trường của dự án này: oxit nitơ <50 mg/Nm3 và hạt vật chất <15 mg/Nm3. Ngoài các ngành công nghiệp trên, nó cũng có triển vọng nhất định để quảng bá và ứng dụng trong các lĩnh vực như đốt chất thải rắn đô thị.

Phần kết luận

Trong những năm gần đây, nhiều ngành công nghiệp ở Trung Quốc, bao gồm thép, nhiệt điện, đốt sinh khối, đốt chất thải để phát điện và đốt chất thải nguy hại, đã phải đối mặt với các tiêu chuẩn khí thải ngày càng nghiêm ngặt. Các dự án mới thường sử dụng kết hợp các công nghệ truyền thống và công nghệ khác để đáp ứng các tiêu chuẩn khí thải khắt khe hơn, dẫn đến tăng số lượng các tuyến công nghệ kiểm soát khí thải, cũng như tăng đáng kể diện tích và đầu tư cần thiết cho các cơ sở kiểm soát khí thải. Đồng thời, nhiều dự án hiện tại bị giới hạn bởi không gian địa điểm, khiến việc sử dụng kết hợp các công nghệ để nâng cấp trở nên khó khăn hơn. Vì vậy, trong lĩnh vực kiểm soát khí thải cần có những thiết bị tích hợp nhiều chức năng vào một hệ thống kiểm soát khí thải.

Các quy trình của túi lọc phủ chất xúc tác và ống lọc phủ chất xúc tác được giới thiệu trong bài viết này có thể đạt được quá trình khử nitơ và loại bỏ bụi tích hợp, cũng như loại bỏ hiệu quả các thành phần độc hại và có hại khác như dioxin trong khí thải, đạt được sự phối hợp xử lý nhiều chất ô nhiễm . Cách tiếp cận này có thể giảm bớt khó khăn trong vận hành và bảo trì thiết bị một cách hiệu quả và được áp dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp, đặc biệt đối với các dự án có công suất xử lý khí thải nhỏ hơn. Do đó, việc áp dụng túi lọc khử nitơ và loại bỏ bụi tích hợp và ống lọc gốm là một trong những xu hướng phát triển trong tương lai trong lĩnh vực kiểm soát khí thải.