脫硝用粘結(jié)劑性能的影響因素探討

＊馮艷婷 陳志坤

（陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院有限責(zé)任公司 陜西 710100）

近年來，隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，對環(huán)境造成的危害也越來越大，保護環(huán)境已經(jīng)迫在眉睫。國家對各行業(yè)環(huán)保要求愈發(fā)嚴(yán)格。2018年修訂版的《中華人民共和國大氣污染防治法》第四十三條指出“鋼鐵、建材、有色金屬、石油、化工等企業(yè)生產(chǎn)過程中排放粉塵、硫化物和氮氧化物的，應(yīng)當(dāng)采用清潔生產(chǎn)工藝，配套建設(shè)除塵、脫硫、脫硝等裝置，或者采取技術(shù)改造等其他控制大氣污染物排放的措施”。其中氮氧化物作為主要一類重要的大氣污染，也是導(dǎo)致灰霾、酸雨和光化學(xué)煙霧等大氣污染現(xiàn)象形成的重要原因之一[1]，對其治理已引起世界各國的普遍重視。目前，國內(nèi)外關(guān)于氮氧化物的處理方式主要有還原法、氧化法和吸附法三種：

（1）還原法：通常采用NH3還原法，分為選擇性催化還原（以下簡稱：SCR）和選擇性非催化還原（SNCR），利用還原劑將NOX轉(zhuǎn)化為N2排空[2]。

（2）氧化法：通常采用臭氧氧化法，是利用氧化劑將NOX轉(zhuǎn)化為N2O5進而用水吸收生成硝酸鹽，其脫硝效率較高，但電耗較高，致使運行費用高。

（3）吸附法：分為活性炭法和活性焦法，采用活性炭或活性焦吸收煙氣中的有害物質(zhì)，通常用于同時脫除煙氣中的SO2和NOX。

這種方法由于活性炭吸收后需解吸制酸，應(yīng)配套制酸系統(tǒng)，投資較大，運行費用高，另外還存在著著火問題，一旦著火會造成巨大的損失，中、小企業(yè)在經(jīng)濟上很難承受[3]。在眾多的氮氧化物去除技術(shù)中，選擇性催化還原技術(shù)（SCR）具有反應(yīng)溫度較低、凈化率高、運行可靠、二次污染小、高效、成熟等優(yōu)勢成為國內(nèi)外應(yīng)用最廣的氮氧化物去除方式[4-7]。在SCR技術(shù)中，核心關(guān)鍵是脫硝催化劑的生產(chǎn)[8-10]，生產(chǎn)出高效的脫硝催化劑直接決定了SCR反應(yīng)器的氮氧化物去除效果。目前，市場上所使用的催化劑從結(jié)構(gòu)上來區(qū)分，主要有平板式、波紋式和蜂窩式三種[11]。平板式催化劑是一種采用金屬板作為基材浸漬燒結(jié)而成的催化劑裝置，是一種非均質(zhì)催化劑；波紋板式催化劑選用玻璃纖維作為基材，優(yōu)先制作加固的TiO2基板，后均勻涂覆催化活性材料，經(jīng)過玻璃纖維壓延-單元裝配-浸漬-煅燒-模塊化等生產(chǎn)工序生產(chǎn)制造而成，亦是一種非均質(zhì)催化劑；蜂窩式催化劑一般是通過擠壓工具整體成型，經(jīng)干燥-燒結(jié)-切割等生產(chǎn)工藝形成滿足要求的單元元件，然后將這些元件裝入鋼架框形成脫硝催化劑模塊裝置，屬于均質(zhì)催化劑。不管哪種催化劑類型，在脫硝催化劑生產(chǎn)過程中，粘結(jié)劑作為主要原材料之一，其性能直接影響脫硝催化劑的脫硝率及耐磨損等關(guān)鍵性能。因此，研究與開發(fā)出性能優(yōu)異的粘結(jié)劑，對脫硝催化劑的生產(chǎn)至關(guān)重要[12-13]。

1.實驗部分

(1)試劑與儀器

試劑均為分析純，水為超純水（Millipore，18.2MΩ·cm），硅烷、粘結(jié)劑基礎(chǔ)液、電子秤、磁力攪拌器、粘度計、pH計、烘箱、玻璃纖維基材等。

(2)實驗方案

①在一定配比下，設(shè)計不同的硅烷加入量進行粘結(jié)劑的配制，將配制完的粘結(jié)劑進行pH、粘度、吸附量的測試，然后根據(jù)測試結(jié)果不斷更新硅烷的加入量進行試驗匯總分析；

②在確定好硅烷的加入量后，設(shè)計不同的攪拌頻率、攪拌時間及放置時間來進行粘結(jié)劑的配制，將配置完的粘結(jié)劑進行粘度檢測，匯總分析。

(3)實驗方法

①實驗步驟

A.實驗初期設(shè)計硅烷的加入量為X（加入量按比例粘結(jié)劑基礎(chǔ)液:硅烷為A:X-X為變量/g），X=45/90/100/120/130/150/180/200/220；

B.根據(jù)初期設(shè)計結(jié)果后續(xù)更新實驗設(shè)計加入量如表1所示（A:X-X為變量/g），X=90/110/125/128/85/92/95/97；

C.攪拌頻率及放置時間影響實驗：分別采用低頻、中頻、高頻的攪拌器，按照比例，基礎(chǔ)液:硅烷為A:90，進行粘結(jié)劑配制后，放置3h、24h、48h后進行粘度檢測；

D.攪拌時間及放置時間影響實驗：按照比例為基礎(chǔ)液:硅烷為A:90，進行粘結(jié)劑配制，分別攪拌30min、90min、150min后放置3h、24h、48h后進行粘度檢測。

②樣品制作

A.按照實驗設(shè)計1.3.1中1.3.1.1和1.3.1.2加入基礎(chǔ)液和硅烷攪拌后完成粘結(jié)劑配置進行pH及粘度測試。

B.將玻璃纖維基材裁剪至10cm×10cm實驗小片后稱重，然后浸入上述1.2.1配制好的粘結(jié)劑后靜置30min再100℃烘干30min后稱重、核算吸附量。

C.按照實驗設(shè)計1.3.1中1.3.1.3加入基礎(chǔ)液和硅烷攪拌后完成粘結(jié)劑配置后進行粘度測試，所有攪拌均采用低頻、中頻和高頻三種不同頻率攪拌器進行攪拌，同時將配制好的粘結(jié)劑分別放置3h、24h、48h再進行粘度檢測。

D.按照實驗設(shè)計1.3.1中1.3.1.4加入基礎(chǔ)液和硅烷攪拌后完成粘結(jié)劑配置后進行粘度測試，之后將所得的粘結(jié)劑分別放置3h、24h、48h后再進行粘度檢測。

2.實驗結(jié)果及分析

(1)不同硅烷加入量對粘結(jié)劑性能的影響

不同的硅烷加入量，所配置的粘結(jié)劑外觀、pH及粘度性能如表1及圖1所示。

圖1 硅烷加入量對粘結(jié)劑pH、粘度及玻璃纖維基材吸附量的影響

表1 不同201加入量對粘結(jié)劑pH、粘度、玻纖吸附量的影響實驗結(jié)果

由表1可以看出，硅烷加入量X在45～220g變化過程中，表觀現(xiàn)象在130g以內(nèi)無異常，＞130g時，加入硅烷后溶液會粘稠狀發(fā)白，繼續(xù)攪拌可恢復(fù)澄清，繼續(xù)加入后，再攪拌也不能恢復(fù)澄清，因此，僅從外觀觀察，硅烷加入量范圍應(yīng)控制在130g以內(nèi)。

由圖1可以看出，硅烷加入量對粘結(jié)劑pH、粘度及玻璃纖維基材吸附量均有影響。隨著硅烷加入量的增加，粘結(jié)劑溶液pH不斷增大，粘度及玻璃纖維基材吸附量呈現(xiàn)先增大后減小趨勢，其中，pH值根據(jù)長期數(shù)據(jù)積累應(yīng)控制在5.6～5.8g范圍最佳，由此推斷硅烷最佳控制范圍在85～100g之間；粘度和基材吸附量最大值出現(xiàn)在85～100g區(qū)段內(nèi)，因此，硅烷加入量應(yīng)控制在85～100g之間調(diào)節(jié)最佳。

(2)不同攪拌頻率放置時間對粘結(jié)劑性能的影響

配制過程中，粘結(jié)劑顏色外觀各組均未出現(xiàn)異常，且未出現(xiàn)沉淀現(xiàn)象。由圖2可以看出隨著攪拌頻率和放置時間的增加，粘結(jié)劑粘度增大，這主要是由于高頻下的反應(yīng)更劇烈，粘結(jié)劑自身反應(yīng)又是放熱反應(yīng)，溫度的升高進一步加劇了反應(yīng)，從而使得粘度增加。

圖2 不同攪拌頻率及放置時間對粘結(jié)劑粘度的影響

(3)不同攪拌時間及放置時間對粘結(jié)劑性能的影響

配制過程中，粘結(jié)劑顏色外觀各組均未出現(xiàn)異常，且未出現(xiàn)沉淀現(xiàn)象。由圖3可以看出隨著攪拌時間和放置時間的增加，粘結(jié)劑粘度增大，這主要是由于攪拌會加速粘結(jié)劑的反應(yīng)，加之粘結(jié)劑自身反應(yīng)又是放熱反應(yīng)，溫度的升高進一步加劇了反應(yīng)，從而使得粘度增加，但攪拌時間從90min至150min粘度增長較為緩慢主要是由于粘結(jié)劑自身已經(jīng)達到充分反應(yīng)，粘度短期內(nèi)不會出現(xiàn)較大變化。

圖3 不同攪拌時間及放置時間對粘結(jié)劑粘度的影響

3.結(jié)論

（1）硅烷的加入量對粘結(jié)劑的性能產(chǎn)生較大的影響，在脫硝催化劑所用粘結(jié)劑的生產(chǎn)過程中，在其它原材料配比確定條件下硅烷的加入量必須控制在130g以內(nèi)，最佳加入量應(yīng)控制在85～100g之間所制得的粘結(jié)劑用于脫硝催化劑生產(chǎn)性能最好。

（2）粘結(jié)劑制造過程中，攪拌時間、攪拌頻率及放置時間都會對粘結(jié)劑的粘度指標(biāo)產(chǎn)生影響，且粘度隨著攪拌時間、攪拌頻率及放置時間的增加而增大。