CN109745857A - 催化剂载体、催化剂复合过滤元件及其制备方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种催化剂载体、催化剂复合过滤元件及其制备方法和装置，本发明纤维层通过纤维纸轴卷形成，与具有粘结性质的辅助载体共同配合形成自支撑，并且纤维纸拥有良好的过滤性能，并且高温稳定性好，价格便宜；此外，辅助载体一方面能够对主要载体起到固定作用，避免催化剂在使用过程中发送迁移或者破坏的现象，另一方面辅助载体同样能够负载活性组分，提高了负载活性组分的比例，进而提高了催化性能；进一步的，本发明的制备工艺简单，工艺成本和材料成本较低，同时拥有优异的过滤性能和催化性能。
Description
技术领域
本发明涉及高温气体一体化净化技术领域，更具体的，涉及一种催化剂载体、催化剂复合过滤元件及其制备方法和装置。
背景技术
在生物质气化、石油催化裂化、垃圾焚烧以及煤气化等众多领域中，各种工艺过程中的气体和排向大气环境的高温烟气普遍都含有粉尘颗粒和气态污染物，气态污染物主要包括NOx、SO2、VOCs等，根据环保要求，需要对气体中的污染物进行净化，例如在《火电厂大气污染物排放标准》中要求颗粒物排放浓度不高于30mg/m3，NOx不高于100mg/m3。目前，粉尘颗粒物主要是通过过滤元件进行过滤分离，过滤元件包括滤袋、金属过滤元件、陶瓷粉末过滤元件和陶瓷纤维过滤元件，均可对1um以上颗粒有效过滤，其中陶瓷粉末过滤元件和陶瓷纤维过滤元件拥有良好的热稳定性、化学稳定性以及抗热震性，得到了广泛应用。NOx脱除净化目前主要采用选择性催化还原技术(SCR)，在高温烟气中通入NH3，在200-450℃温度区间内利用催化剂使NOx和NH3发生氧化还原反应生成N2和H2O，净化效率较高，通常可达85％以上，催化剂一般为钒钛系催化剂，较为成熟，是工业脱硝领域的主要催化剂。
传统的高温气体净化工艺中除尘与催化脱硝是在两个独立的操作单元中步进行的，存在工艺复杂、投资成本高、能耗高以及占地面积大等问题，故而实现除尘与脱硝一体化具有重大意义。催化复合过滤元件，即将脱硝催化剂负载到过滤上，形成具有脱NOx功能的过滤元件，从而能够将除尘与催化脱硝集为一体，实现操作单元多功能化，解决分步净化存在的问题，极具应用前景。当高温烟气在流经该元件时，粉尘颗粒物被截留在元件外表面，形成粉尘层，当压降达到一定值后通过脉冲反吹施加一个逆向气流将粉尘层脱落，然后重新形成粉尘层不断循环，烟气中的NOx则在流经元件内部孔道时，在催化剂的作用下与还原剂NH3发生反应，生成无毒、无污染的N2和H2O。
目前工业应用的催化复合过滤元件存在压降大、催化性能不理想、寿命短以及价格昂贵等问题，主要归结于所用过滤元件不理想、催化剂负载工艺复杂、负载的催化剂易团聚等一系列问题。
发明内容
为了解决上述问题的至少一个，本发明提供一种催化剂载体、催化剂复合过滤元件及其制备方法和装置。
本发明第一方面实施例提供一种催化剂载体复合过滤元件，包括：
纤维纸，所述纤维纸通过轴卷形成若干层叠的纤维层；和
位于任意两层所述纤维层之间的催化剂载体层；
其中，所述催化剂载体层包括：
颗粒状的主要载体，铺设在所述纤维层的表面，以及
辅助载体，包覆在所述纤维纸内部的纤维表面同时容置于铺设所述主要载体形成的间隙中，所述辅助载体具有粘结性质。
在某些实施例中，所述主要载体的粒径处于1-400um。
在某些实施例中，所述主要载体的材料为TiO2、SiO2或者Al2O3。
在某些实施例中，所述辅助载体的材料为硅溶胶和铝溶胶中的至少一种。
在某些实施例中，所述催化剂载体复合过滤元件进一步包括：
位于最外层纤维层的外侧表面上的过滤膜层。
本发明第二方面实施例提供一种催化剂复合过滤元件，包括：
纤维纸，所述纤维纸通过轴卷形成若干层叠的纤维层；和
位于任意两层所述纤维层之间的催化剂载体层；
其中，所述催化剂载体层包括：
颗粒状的主要载体，铺设在所述纤维层的表面，以及
辅助载体，包覆在所述纤维纸内部的纤维表面同时容置于铺设所述主要载体形成的间隙中，所述辅助载体具有粘结性质；
所述主要载体和所述辅助载体上均负载有催化剂的活性组分。
在某些实施例中，所述主要载体的粒径处于1-400um。
在某些实施例中，所述主要载体的材料为TiO2、SiO2或者Al2O3。
在某些实施例中，所述辅助载体的材料为硅溶胶和铝溶胶中的至少一种。
在某些实施例中，所述催化剂载体复合过滤元件进一步包括：
位于最外层纤维层的外侧表面上的过滤膜层。
在某些实施例中，所述活性组分包括：V2O5、MoO3或WO3。
本发明第三方面实施例提供一种催化剂载体复合过滤元件的制备方法，包括：
将辅助载体与颗粒状的主要载体的混合物铺设在纤维纸上；其中所述辅助载体具有粘结性质；
将铺设有主要载体和辅助载体的纤维纸沿长度方向轴卷，以使所述纤维纸形成若干层叠的纤维层；其中，位于任意两层所述纤维层之间的主要载体和辅助载体共同形成催化剂载体层；
固化轴卷后的所述纤维层和所述催化剂载体层，形成所述催化剂载体复合过滤元件。
在某些实施例中，在将辅助载体与颗粒状的主要载体的混合物铺设在所述纤维纸上之前，所述方法还包括：
将辅助载体施加在纤维纸上，以润湿所述纤维纸。
在某些实施例中，所述方法还包括：
在最外层纤维层的外侧表面上形成过滤膜层。
本发明第四方面实施例提供一种催化剂复合过滤元件的制备方法，包括：
将辅助载体与颗粒状的主要载体的混合物铺设在纤维纸上；其中所述辅助载体具有粘结性质；
将铺设有主要载体和辅助载体的纤维纸沿长度方向轴卷，以使所述纤维纸形成若干层叠的纤维层；其中，位于任意两层所述纤维层之间的主要载体和辅助载体共同形成催化剂载体层；
固化轴卷后的所述纤维层和所述催化剂载体层；
在所述催化剂载体层上负载催化剂活性组分；其中负载有催化剂活性组分的所述催化剂载体层和所述纤维层共同形成催化剂复合过滤元件。
在某些实施例中，在将辅助载体与颗粒状的主要载体的混合物铺设在纤维纸上之前，所述方法还包括：
将辅助载体施加在纤维纸上，以润湿所述纤维纸；
在某些实施例中，所述方法还包括：
在最外层纤维层的外侧表面上形成过滤膜层。
本发明第五方面实施例提供一种催化载体元件的制备装置，包括：
铺设组件，将辅助载体与颗粒状的主要载体的混合物铺设在纤维纸上；其中所述辅助载体具有粘结性质；
轴卷组件，将铺设有主要载体和辅助载体的纤维纸沿长度方向轴卷，以使所述纤维纸形成若干层叠的纤维层；其中，位于任意两层所述纤维层之间的主要载体和辅助载体共同形成催化剂载体层；
固化组件，固化轴卷后的所述纤维层和所述催化剂载体层，形成所述催化剂载体复合过滤元件。
在某些实施例中，所述装置进一步包括：
润湿组件，将辅助载体施加在纤维纸上，以润湿所述纤维纸。
在某些实施例中，所述装置进一步包括：
过滤膜层制备组件，在最外层纤维层的外侧表面上形成过滤膜层。
在某些实施例中，所述铺设组件包括若干高压喷嘴，所述高压喷嘴的喷射压力范围为0.1-1MPa。
本发明第六方面实施例提供一种催化剂复合过滤元件的制备装置包括：
铺设组件，将辅助载体与颗粒状的主要载体的混合物铺设在纤维纸上；其中所述辅助载体具有粘结性质；
轴卷组件，将铺设有主要载体和辅助载体的纤维纸沿长度方向轴卷，以使所述纤维纸形成若干层叠的纤维层；其中，位于任意两层所述纤维层之间的主要载体和辅助载体共同形成催化剂载体层；
固化组件，固化轴卷后的所述纤维层和所述催化剂载体层；以及
负载组件，在所述催化剂载体层上负载催化剂活性组分；其中负载有催化剂活性组分的所述催化剂载体层和所述纤维层共同形成催化剂复合过滤元件。
在某些实施例中，所述装置进一步包括：
润湿组件，将辅助载体施加在纤维纸上，以润湿所述纤维纸。
在某些实施例中，所述装置进一步包括：
过滤膜层制备组件，在最外层纤维层的外侧表面上形成过滤膜层。
在某些实施例中，所述铺设组件包括若干高压喷嘴，所述高压喷嘴的喷射压力范围为0.1-1MPa。
本发明的有益效果如下：
本发明提供一种催化剂载体、催化剂复合过滤元件及其制备方法和装置，通过在纤维层之间形成催化剂载体层，纤维层通过纤维纸轴卷形成，辅助载体可以包覆在纤维纸内部的纤维表面，通过与具有粘结性质的辅助载体共同配合形成自支撑，同时容置辅助载体的纤维纸孔隙度较为合适，能够仅仅透过高温气体，对粉尘具有过滤作用，能够同时起到催化和过滤的复合，同时纤维纸过滤性能好，高温稳定性好，价格便宜；此外，辅助载体一方面能够对主要载体起到固定作用，避免催化剂在使用过程中发送迁移或者破坏的现象，另一方面辅助载体同样能够负载活性组分，提高了负载活性组分的比例，进而提高了催化性能；进一步的，本发明的制备工艺简单，工艺成本和材料成本较低，同时拥有优异的过滤性能和催化性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出本发明实施例中催化剂载体复合过滤元件的结构示意图。
图2示出本发明实施例中图1中A部分的放大示意图。
图3示出本发明实施例中催化剂复合过滤元件的放大示意图。
图4示出本发明实施例中制备催化剂载体复合过滤元件的流程示意图之一。
图5示出本发明实施例中制备催化剂载体复合过滤元件的流程示意图之二。
图6示出本发明实施例中制备催化剂载体复合过滤元件的流程示意图之三。
图7示出本发明实施例中制备催化剂复合过滤元件的流程示意图之一。
图8示出本发明实施例中制备催化剂复合过滤元件的流程示意图之二。
图9示出本发明实施例中制备催化剂复合过滤元件的流程示意图之三。
图10示出本发明实施例中制备催化剂载体复合过滤元件的装置结构示意图。
图11示出了本发明实施例中催化剂载体复合过滤元件的T型结构和V型结构示意图。
图12示出本发明实施例中高压喷嘴的具体结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明第一方面提供一种催化剂载体复合过滤元件，如图1和图2所示，包括：若干纤维层1，所述纤维层通过纤维纸轴卷形成；和位于任意两层所述纤维层1之间的催化剂载体层2；其中，所述催化剂载体层2包括：颗粒状的主要载体21，铺设在所述纤维层1的表面，以及辅助载体22，包覆在所述纤维纸内部的纤维表面，同时容置于铺设所述主要载体21形成的间隙中，所述辅助载体22具有粘结性质。
本发明提供的催化剂载体复合过滤元件，首先纤维层具有较高的孔隙率，能够使得辅助载体在纤维层上呈“润湿”状态，辅助载体可以流入纤维层中的孔隙中，附着在纤维层中的纤维与纤维之间的交叉点以及纤维表面，进而加强纤维层的牢固强度，形成更加稳定的结构，进而形成自支撑结构；再次辅助载体能够稳固颗粒状的主要载体，进而使得主要载体在纤维层之间稳定，在后续的加热和反应过程中不易迁移和破坏；最后，辅助载体本身也能够在后续复杂活性组分，大大提高了活性组分的负载率，提高了催化剂的催化性能，并且本发明的催化剂载体制备工艺简单，同时可根据调节辅助载体的量来调节催化剂载体复合过滤元件的孔径分布和强度，调节过程简单。
本申请中的催化剂载体复合过滤元件，其中的主要载体和辅助载体可以根据需要设置，例如脱硝和脱VOCs领域，主要载体和辅助载体可以为脱硝脱VOCs常用的载体，只要主要载体是颗粒状(粉末，固体)，辅助载体具有粘结性质(一般为流体，乳液)即可。
作为示例，主要载体可以为碳纳米管、TiO2粉末、分子筛等，也可以为上述的一种或多种的混合。辅助载体可以为硅溶胶和铝溶胶中的一种或多种混合。
本申请中，经过“润湿”并固化后的纤维纸的孔隙度较为合适，一方面压降小，另一方面能够阻止粉尘颗粒透过纤维纸，具有过滤的作用。
硅溶胶和铝溶胶为乳液形式，具有流体性质，因此能够通过流动陷入主要载体的间隙以及纤维层的间隙中。由于辅助载体具有粘结性质，因此将主要载体和纤维层牢牢固定。
当然，本申请不对主要载体和辅助载体进行穷举，但可以知晓，仅仅在材料选择上对本申请进行的“改进”，应当处于本申请的保护范围之内。
如图2所示，由于主要载体为颗粒状，辅助载体可以通过加压或者抽吸等方式，陷入主要载体之间的间隙中，同时主要载体也可以陷入纤维层中的间隙中。
需要理解的是，图2仅仅是示意图，图2仅仅标出了辅助载体容置于主要载体的空隙中，其未示出的是，在纤维层1内辅助载体包覆在纤维表面。
在一些具体实施例中，主要载体可以采用常用的催化剂载体颗粒，粒径可以为1-400um，本申请对此不做限制，主要载体的颗粒大小可以大于纤维层的间隙大小，也可以小于纤维层的间隙大小，当主要载体的颗粒大小小于纤维层的间隙大小时，可以有小部分主要载体陷入纤维层的表面。
在优选的实施例中，主要载体可以为微纳尺度的颗粒，例如碳纳米管是纳米级别，正是由于辅助载体的粘结性质，辅助载体能够固定纳米级颗粒，并且辅助载体包覆在纤维层中的纤维表面，阻挡了主要载体的泄露。
进一步的，在一些优选的实施例中，所述催化剂载体复合过滤元件进一步包括位于最外层纤维层的外侧表面上的过滤膜层3，过滤膜层能够过滤粉尘，可以用于粉尘颗粒过滤、杂质过滤等。
过滤膜层能够进一步过滤粉尘，避免纤维纸过滤不彻底的情况。
在一些具体实施例中，纤维纸可以是陶瓷纤维纸，陶瓷纤维纸分为软型、半硬型和硬型，由陶瓷纤维和有机粘结剂构成，克重为150-350kg/m3不等，厚度为0.5-5mm不等。陶瓷纤维分为硅酸铝纤维、氧化铝纤维等多种，纤维直径分布在1-10um。
本实施例中，所用陶瓷纤维纸本身孔隙率超过95％，虽然经过润湿并固化后的孔隙率稍有减小，但相较于目前的催化剂元件的压降显著降低。
本发明第二方面提供一种催化剂复合过滤元件，如图3所示，包括：若干纤维层1，所述纤维层1通过纤维纸轴卷形成；和位于任意两层所述纤维层1之间的催化剂载体层2；其中，所述催化剂载体层2包括：颗粒状的主要载体21，铺设在所述纤维层1的表面，以及辅助载体22，容置于铺设所述主要载体21形成的间隙中，所述辅助载体22具有粘结性质；所述主要载体21和所述辅助载体22上均负载有催化剂的活性组分23。
本发明提供的催化剂复合过滤元件，首先纤维层具有较高的孔隙率，能够使得辅助载体在纤维层上呈“润湿”状态，辅助载体可以流入纤维层中的空隙中，辅助载体可以流入纤维层中的空隙中，附着在纤维层中的纤维与纤维之间的交叉点及纤维表面，进而加强纤维层的牢固强度，形成更加稳定的结构，进而形成自支撑结构；再次辅助载体能够稳固颗粒状的主要载体，进而使得主要载体在纤维层之间稳定，在后续的加热和反应过程中不易迁移和破坏；最后，辅助载体本身也能够在后续复杂活性组分，大大提高了活性组分的负载率，提高了催化剂的催化性能，并且进一步的，本发明的制备工艺简单，工艺成本和材料成本较低，同时拥有优异的过滤性能和催化性能，并可根据调节辅助载体的量来调节催化剂载体复合过滤元件的孔径分布和强度，调节过程简单。
本申请中的催化剂复合过滤元件，其中的主要载体和辅助载体可以根据需要设置，例如脱VOCs脱硝领域，主要载体和辅助载体可以为脱硝脱VOCs常用的载体，只要主要载体是颗粒状(粉末，固体)，辅助载体具有粘结性质(一般为流体，乳液)即可。
作为示例，主要载体可以为碳纳米管、TiO2粉末、分子筛等，也可以为上述的一种或多种的混合。辅助载体可以为硅溶胶和铝溶胶中的一种或多种混合。
硅溶胶和铝溶胶为乳液形式，具有流体性质，因此能够通过流动陷入主要载体的间隙以及纤维层的间隙中。由于辅助载体具有粘结性质，因此将主要载体和纤维层牢牢固定。
当然，本申请不对主要载体和辅助载体进行穷举，但可以知晓，仅仅在材料选择上对本申请进行的“改进”，应当处于本申请的保护范围之内。
如图3所示，由于主要载体为颗粒状，辅助载体可以通过加压或抽吸等方式，陷入主要载体之间的间隙中，同时主要载体也可以陷入纤维层中的间隙中。
从图3中可以看出，负载的催化剂活性组分可以负载在主要载体的表面的负载位上，也可以负载在辅助载体上，图中未示出的是，催化剂活性组分可以负载在纤维层中的包覆在纤维表面的辅助载体上。
在一些具体实施例中，以脱硝催化剂为例，所述活性组分包括：V2O5、WO3、MoO3等，活性组分可以根据具体情况选择，本申请仅仅举出两个示例，应当知晓，目前的起催化作用的活性组分种类繁多，本申请在此不做穷举。
图3为了方便示意，将负载的催化剂活性组分放大，实际的催化剂活性组分较小，通常为微米尺度甚至纳米尺度，这样活性组分的比表面积大，催化活性高。一颗主要载体颗粒上可能负载成百上千个活性组分，图3仅仅作为示意，同样的，在图3中，纤维层中也有辅助载体，并且未示出的是，纤维层中的辅助载体上也负载有成百上千个活性组分。
在一些具体实施例中，主要载体可以采用常用的催化剂载体颗粒，粒径可以为1-400um，本申请对此不做限制，主要载体的颗粒大小可以大于纤维层的间隙大小，也可以小于纤维层的间隙大小，这是因为辅助载体能够填补纤维层的间隙中，进而阻挡主要载体通过纤维层的间隙泄露。
在优选的实施例中，主要载体可以为微纳尺度的颗粒，例如碳纳米管和分子筛均是纳米级别，正是由于辅助载体的粘结性质，辅助载体能够固定纳米级颗粒，并且辅助载体包覆在纤维层中的纤维表面，阻挡了主要载体的泄露。
在一些具体实施例中，纤维纸可以是陶瓷纤维纸，陶瓷纤维纸分为软型、半硬型和硬型，由陶瓷纤维和有机粘结剂构成，克重为150-350kg/m3不等，厚度为0.5-5mm不等。陶瓷纤维分为硅酸铝纤维、氧化铝纤维等多种，纤维直径分布在1-10um。
本实施例中，所用陶瓷纤维纸本身孔隙率超过95％，故所制备的元件压降较低。
进一步的，在一些优选的实施例中，所述催化剂复合过滤元件进一步包括位于最外层纤维层的外侧表面上的过滤膜层，过滤膜层能够过滤粉尘，可以用于粉尘颗粒过滤、杂质过滤等。过滤膜层能够进一步过滤粉尘，避免纤维纸过滤不彻底的情况。
本发明第三方面进一步提供一种催化剂载体复合过滤元件的制备方法，如图4所示，具体包括：
S11:将辅助载体与颗粒状的主要载体的混合物铺设在纤维纸上；其中所述辅助载体具有粘结性质；
S12:将铺设有主要载体和辅助载体的纤维纸沿长度方向轴卷，以使所述纤维纸形成若干层叠的纤维层；其中，位于任意两层所述纤维层之间的主要载体和辅助载体共同形成催化剂载体层；
S13:固化轴卷后的所述纤维层和所述催化剂载体层，形成所述催化剂载体复合过滤元件。
本发明第三方面提供的催化剂载体复合过滤元件的制备方法，通过将纤维纸轴卷，在辅助载体的粘结性质的作用下，即可实现主要载体的稳定结合，极大地简化了制备工艺，缩短了制备周期，降低了制备成本，同时能够实现自动化生产，进一步的可以通过调节主要载体和辅助载体的量，进而调节催化性能和牢固性能，同时可根据调节辅助载体的量来调节催化剂载体复合过滤元件的孔径分布和强度，调节过程简单。
在步骤S11中，首先将辅助载体与颗粒状的主要载体混合，由于辅助载体为流体，并且具有粘结性质，因此混合后的混合物铺设在纤维纸上即可实现暂时稳固。
经过步骤S12轴卷后，即可使纤维纸形成卷轴状，主要载体和辅助载体位于每两层纤维层之间，共同形成催化剂载体层。
在步骤S13中，首先采用丝网捆绑催化剂载体复合过滤元件，然后根据辅助载体的材料进行固化，例如可以通过常温放置一段时间固化，也可以加热固化，还可以添加固化剂固化，本申请对具体的固化方式不做限制，根据辅助载体的材料属性，选择合适的固化方式是本领域所公知的。
进一步的，在一些优选实施例中，可以先将辅助载体施加在纤维纸上，由于纤维纸中具有空隙，辅助载体包覆在纤维纸中的纤维表面，进而“润湿”纤维纸，加固了纤维纸。即该实施例中，在实施上述步骤之前，如图5所示，所述方法进一步包括：
S10:将辅助载体施加在纤维纸上，以润湿所述纤维纸。
润湿后的纤维纸稳定性更好，结合轴卷结构，能够实现自支撑。进一步的，辅助载体陷入纤维纸内部的纤维与纤维之间的交叉点处，进一步提高纤维纸的牢固强度。
进一步的，在一些优选的实施例中，如图6所示，上述方法还包括：
S14:在最外层纤维层的外侧表面上形成过滤膜层。
过滤膜层能够过滤粉尘，可以用于粉尘颗粒过滤、杂质过滤等。过滤膜层能够进一步过滤粉尘，避免纤维纸过滤不彻底的情况。
此外，基于与本申请第一方面中的实施例相同的理由，主要载体和辅助载体的材料以及存在形式在此不再赘述，但可以知晓，仅仅在材料选择上对本申请进行的“改进”，应当处于本申请的保护范围之内。
进一步的，本发明第四方面提供一种催化剂复合过滤元件的制备方法，如图7所示，具体包括：
S21:将辅助载体与颗粒状的主要载体的混合物铺设在纤维纸上；其中所述辅助载体具有粘结性质；
S22:将铺设有主要载体和辅助载体的纤维纸沿长度方向轴卷，以使所述纤维纸形成若干层叠的纤维层；其中，位于任意两层所述纤维层之间的主要载体和辅助载体共同形成催化剂载体层；
S23:固化轴卷后的所述纤维层和所述催化剂载体层；
S24:在所述催化剂载体层上负载催化剂活性组分；其中负载有催化剂活性组分的所述催化剂载体层和所述纤维层共同形成催化剂复合过滤元件。
本发明第四方面提供的催化剂复合过滤元件的制备方法，通过将纤维纸轴卷，在辅助载体的粘结性质的作用下，即可实现主要载体的稳定结合，极大地简化了制备工艺，缩短了制备周期，降低了制备成本，同时能够实现自动化生产，进一步的可以通过调节主要载体和辅助载体的量，进而调节催化性能和牢固性能，然后通过进一步负载活性组分实现催化剂复合过滤元件的制备，由于辅助载体同样具有负载作用，因此提高了活性组分的负载率，进一步提高了催化性能，同时可根据调节辅助载体的量来调节催化剂载体复合过滤元件的孔径分布和强度，调节过程简单。
在步骤S21中，首先将辅助载体与颗粒状的主要载体混合，由于辅助载体为流体，并且具有粘结性质，因此混合后的混合物铺设在纤维纸上即可实现暂时稳固。
经过步骤S22轴卷后，即可使纤维纸形成卷轴状，主要载体和辅助载体位于每两层纤维层之间，共同形成催化剂载体层。
在步骤S23中，首先采用丝网捆绑催化剂载体复合过滤元件，然后根据辅助载体的材料进行固化，例如可以通过常温放置一段时间固化，也可以加热固化，还可以添加固化剂固化，本申请对具体的固化方式不做限制，根据辅助载体的材料属性，选择合适的固化方式是本领域所公知的。
在步骤S24中，可以采用浸渍法、液相沉淀法等化学制备领域公知的方法负载活性组分，本发明对此不做限制。
进一步的，在一些优选实施例中，可以先将辅助载体施加在纤维纸上，由于纤维纸中具有空隙，辅助载体包覆在纤维纸中的纤维表面，进而“润湿”纤维纸，一方面加固了纤维纸，另一方面能够阻挡主要载体通过。即该实施例中，在实施上述步骤之前，如图8所示，所述方法进一步包括：
S20:将辅助载体施加在纤维纸上，以润湿所述纤维纸。
润湿后的纤维纸稳定性更好，结合轴卷结构，能够实现自支撑。进一步的，辅助载体陷入纤维纸内部的纤维与纤维之间的交叉点处，进一步提高纤维纸的牢固强度。
进一步的，在一些优选的实施例中，如图9所示，上述方法还包括：
S25:在最外层纤维层的外侧表面上形成过滤膜层。
过滤膜层能够过滤粉尘，可以用于粉尘颗粒过滤、杂质过滤等。
此外，基于与本申请第一方面中的实施例相同的理由，主要载体和辅助载体的材料以及存在形式在此不再赘述，但可以知晓，仅仅在材料选择上对本申请进行的“改进”，应当处于本申请的保护范围之内。
基于上述制备方法实施例的详细描述，本发明第五方面提供一种催化剂载体复合过滤元件的制备装置，如图10所示，包括：
铺设组件100，将辅助载体与颗粒状的主要载体的混合物铺设在纤维纸200上；其中所述辅助载体具有粘结性质；
轴卷组件400，将铺设有主要载体和辅助载体的纤维纸200沿长度方向轴卷，以使所述纤维纸200形成若干层叠的纤维层；其中，位于任意两层所述纤维层之间的主要载体和辅助载体共同形成催化剂载体层；
固化组件，固化轴卷后的所述纤维层和所述催化剂载体层，形成所述催化剂载体复合过滤元件。
本发明第五方面提供的催化剂载体复合过滤元件的制备装置，通过本装置的铺设组件、轴卷组件以及固化组件，将纤维纸轴卷后，在辅助载体的粘结性质的作用下，即可实现主要载体的稳定结合，极大地简化了制备工艺，缩短了制备周期，降低了制备成本，同时能够实现自动化生产，进一步的可以通过调节主要载体和辅助载体的量，进而调节催化性能和牢固性能。
本申请中，铺设组件100可以是若干高压喷嘴，即通过高压喷枪上的喷嘴喷射出主要载体和辅助载体的混合物。
在一些具体实施例中，高压喷嘴有若干个，例如3-12个。
在一些具体实施例中，孔径为0.5mm-5mm，孔径的大小可以基于主要载体的大小确定。
在一些具体实施例中，喷涂量为0.5-5kg/m2，所用喷涂压力为0.1-1MPa。
根据需要，可以任意调节主要载体和辅助载体的相对比例，在搅拌均匀后形成主要载体和辅助载体的混合物。
轴卷组件一般可以是转轴等，转轴的表面固定纤维纸200沿长度方向的一端，进而通过转轴的旋转使得纤维纸200轴转。
固化组件可以根据需要设置，对于某些材料，例如硅溶胶，固化需要加热固化，因此固化组件可以为常规的加热器件，例如加热棒，电阻丝等具有加热功能的电器元件等，对于某些材料需要老化实现固化，即此时固化组件可以是一个容纳罐。
在固化时，需要采用丝网将催化剂载体复合过滤元件捆绑，进而防止在固化进行时产生形变，导致最终固化的产品变形。
在一些具体实施例中，可以在固化前通过涂抹脱模剂的方式，方便将整个元件在固化后脱模。
优选的，固化组件可以为微波加热装置，微波加热方式可以防止粘结剂在加热过程中向元件表面迁移造成复合元件强度下降。
进一步的，在优选的实施例中，如图10所示，所述装置进一步包括：
润湿组件300，将辅助载体施加在纤维纸200上，以润湿所述纤维纸200。
例如可以通过加压、喷涂、抽吸等方式将辅助载体施加在纤维纸200上。在一个具体实施例中，润湿组件为抽吸装置，采用真空抽吸方式，使纤维纸200基体中纤维与纤维交叉点处基本都附有辅助载体，辅助载体施加量相对于陶瓷纤维纸200为50％-1000％wt(湿态)。
进一步的，在优选的实施例中，所述装置进一步包括：
过滤膜层制备组件，在最外层纤维层的外侧表面上形成过滤膜层，过滤膜层能够过滤粉尘，可以用于粉尘颗粒过滤、杂质过滤等。
更进一步的，过滤膜层制备组件也可以为高压气体喷枪，通过喷涂工艺形成过滤膜层。
并且，过滤膜层的材料可以是形成辅助载体的材料，例如，硅溶胶和铝溶胶中的一种或多种，过滤膜层的材料的也可是硅溶胶和铝溶胶中的一种或多种与短细纤维或陶瓷颗粒的混合物。
当然，过滤膜层还可以是短细纤维或陶瓷颗粒的混合物，在一些实施例中，用于粉尘过滤的过滤膜层，只要形成的孔径比粉尘的粒径小即可。
基于与本发明第四方面相同的技术构思，本发明第六方面还提供一种催化剂复合过滤元件的制备装置，包括：
铺设组件，将辅助载体与颗粒状的主要载体的混合物铺设在纤维纸上；其中所述辅助载体具有粘结性质；
轴卷组件，将铺设有主要载体和辅助载体的纤维纸沿长度方向轴卷，以使所述纤维纸形成若干层叠的纤维层；其中，位于任意两层所述纤维层之间的主要载体和辅助载体共同形成催化剂载体层；
固化组件，固化轴卷后的所述纤维层和所述催化剂载体层；以及
负载组件，在所述催化剂载体层上负载催化剂活性组分；其中负载有催化剂活性组分的所述催化剂载体层和所述纤维层共同形成催化剂复合过滤元件。
本发明第六方面提供的催化剂复合过滤元件的制备装置，通过本装置的铺设组件、轴卷组件、固化组件和负载组件，将纤维纸轴卷后，在辅助载体的粘结性质的作用下，即可实现主要载体的稳定结合，极大地简化了制备工艺，缩短了制备周期，降低了制备成本，同时能够实现自动化生产，进一步的可以通过调节主要载体和辅助载体的量，进而调节催化性能和牢固性能。
本申请中，铺设组件可以是若干高压喷嘴，即通过高压喷枪上的喷嘴喷射出主要载体和辅助载体的混合物。
在一些具体实施例中，高压喷嘴有若干个，例如3-12个。
在一些具体实施例中，孔径为0.5mm-5mm，孔径的大小可以基于主要载体的大小确定。
在一些具体实施例中，喷涂量为0.5-5kg/m2，所用喷涂压力为0.1-1MPa。
根据需要，可以任意调节主要载体和辅助载体的相对比例，在搅拌均匀后形成主要载体和辅助载体的混合物。
轴卷组件一般可以是转轴等，转轴的表面固定纤维纸沿长度方向的一端，进而通过转轴的旋转使得纤维纸轴转。
固化组件可以根据需要设置，对于某些材料，例如硅溶胶，固化需要加热固化，因此固化组件可以为常规的加热器件，例如加热棒，电阻丝等具有加热功能的电器元件等，对于某些材料需要老化实现固化，即此时固化组件可以是一个容纳罐。
在固化时，需要采用丝网将催化剂载体复合过滤元件捆绑，进而防止在固化进行时产生形变，导致最终固化的产品变形。
优选的，固化组件可以为微波加热装置，微波加热方式可以防止粘结剂在加热过程中向元件表面迁移造成复合元件强度下降。
在一些具体实施例中，可以在固化前通过涂抹脱模剂的方式，方便将整个元件在固化后脱模。
负载组件可以是常规的反应器，例如微反应器，在反应器中通过化学制备的方式负载催化剂活性组分，例如沉淀法、液相还原法、浸渍法、溶胶凝胶法等等，本发明对此不做限制，并且本领域上述方法的详细细节是本领域技术人员所熟知的。
进一步的，在优选的实施例中，所述装置进一步包括：
润湿组件，将辅助载体施加在纤维纸上，以润湿所述纤维纸。
例如可以通过加压、喷涂、抽吸等方式将辅助载体施加在纤维纸上。在一个具体实施例中，润湿组件为抽吸装置，采用真空抽吸方式，使纤维纸基体中纤维与纤维交叉点处基本都附有辅助载体，辅助载体施加量相对于陶瓷纤维纸为50％-1000％wt(湿态)。
进一步的，在优选的实施例中，所述装置进一步包括：
过滤膜层制备组件，在最外层纤维层的外侧表面上形成过滤膜层，过滤膜层能够过滤粉尘，可以用于粉尘颗粒过滤、杂质过滤等。
更进一步的，过滤膜层制备组件也可以为高压气体喷枪，通过喷涂工艺形成过滤膜层。
并且，过滤膜层的材料可以是形成辅助载体的材料，例如，硅溶胶和铝溶胶中的一种或多种，过滤膜层的材料的也可是硅溶胶和铝溶胶中的一种或多种与短细纤维或陶瓷颗粒的混合物。
当然，过滤膜层还可以是短细纤维或陶瓷颗粒的混合物，在一些实施例中，用于粉尘过滤的过滤膜层，只要形成的孔径比粉尘的粒径小即可。
下面以一个具体的场景进行说明。
制备用于除尘和催化脱硝的催化复合过滤元件。
该催化复合过滤元件中的催化剂为V2O5-WO3/TiO2脱硝催化剂。
如图11所示，该催化复合过滤元件为T型或V型，其剖面图如图1所示，包括纤维层1、催化剂层(通过在催化剂载体层上负载活性组分形成)以及过滤膜层3。
其中，采用硅溶胶和铝溶胶等类似粘结剂中的一种或者多种作为辅助载体和形成过滤膜层的材料。根据需要可将其与去离子水按比例混合，这些粘结剂均为脱水固化，即干燥脱水后形成硬性结构，耐温性可达1000℃以上。
主要载体为TiO2，辅助载体为硅溶胶和铝溶胶中的一种或多种，TiO2的晶型为锐钛矿型，V2O5、MoO3或WO3为活性组分，负载在TiO2、SiO2，Al2O3(即主要载体和辅助载体)表面，通常V2O5负载量为0.5％-15％wt，WO3负载量为3％-10％wt(均相对于载体TiO2)，主要载体负载活性组分后的粒度分布在0.05-0.5mm，根据不同的制备方法，V2O5-WO3/TiO2催化剂的比表面积通常在70-500m2/g范围内。
在制备本场景中的催化复合过滤元件时，首先通过真空抽吸方式将陶瓷纤维纸用辅助载体溶液润湿，使陶瓷纤维纸基体中纤维与纤维交叉点处以及纤维表面基本都附有辅助载体，辅助载体施加量相对于陶瓷纤维纸为50％-1000％wt(湿态)，辅助载体施加量可通过改变真空抽吸过程抽吸气速等参数来调节。
紧接着将主要载体和辅助载体的混合物用高压喷枪均匀喷涂在润湿后的陶瓷纤维纸表面，喷涂量为0.5-5kg/m2，所用喷涂压力0.1-1MPa，高压喷枪喷嘴直径为0.5-5mm。根据需要可将主要载体先与辅助载体按比例混合搅拌均匀后，再进行喷涂，这样可以增加催化剂载体层的强度。
对润湿后的陶瓷纤维纸进行螺旋缠绕，一般地，先在模具上缠绕一周后才开始进行主要载体和辅助载体混合物的喷涂，这样最内层的纤维层内表面不会有主要载体和辅助载体，避免了由于最内层纤维层暴露在外导致主要载体和辅助载体固化后容易脱落的问题。缠绕到10-20mm厚度后采用丝网包裹在外表面对整个结构进行固定，然后采用微波加热方式对其进行干燥10-30min并脱模。微波加热方式可以防止辅助载体在加热过程中向元件表面迁移造成复合元件强度下降。缠绕前先在模具表面涂抹一层脱模剂，方面制备完成后整个结构从模具上取下。
如图12所示高压喷枪500的结构示意图，辅助载体溶液和高压气体通过入口501进入，通过喷嘴502喷出。
图12所示的高压喷枪同样也可以用于过滤膜层的制备。
首先配制过滤膜层的溶液，所用原料为硅溶胶和铝溶胶中的一种或多种(即与辅助载体是相同的材料)，将其与高压气体一同通入喷涂装置，高压气体压力在0.1-1MPa范围内，喷涂装置上开设有3-12个孔径0.5-3mm的喷嘴，通过高压气体可将流经喷嘴的硅溶胶等雾化将其发散为小液滴。
将喷涂装置套在上述制备好的催化剂载体复合过滤元件上，喷射口距离催化剂载体复合过滤元件外表面3-50mm。喷涂装置固定在导轨上从上而下均匀地将硅溶胶等液滴喷涂在催化剂载体复合过滤元件外表面，喷涂量为0.5-20kg/m2。
喷涂完成后，在80-150℃温度范围内对其进行干燥2-5h。
另外，根据需求，喷涂物质(形成过滤膜层的材料)也可是硅溶胶和铝溶胶中的一种或多种与短细纤维或陶瓷颗粒的混合物。进一步的，可通过调节喷涂装置移动速度以及喷涂次数来改变过滤膜层孔径分布。
然后将制备好的催化剂载体复合过滤元件进行高温热处理(固化)，以10℃/min的升温速率升温至200-600℃，然后保温1-3h，恢复至室温后取出。
最后对固化后的催化剂载体复合过滤元件采用浸渍法负载V2O5-WO3，获得催化剂复合过滤元件，该催化剂复合过滤元件还兼具过滤作用。
制备的催化复合过滤元件，耐温性可达600℃以上，弯曲强度为1.35MPa。在环境温度下和1m/min的过滤气速，初始压降为156Pa，出口气体中粉尘在2mg/m3以下；在300-200℃温度范围和1m/min的气速下，脱硝转化率为95％以上。
上述场景仅仅示出了脱硝催化剂，显然，基于本申请的主体构思，催化剂可根据需要更换为脱VOCs、脱焦油等催化剂。
通过本场景的详细描述，可以知晓，本场景提供的脱硝和除尘一体化催化剂复合过滤元件，相较于现有技术，能够有效地将除尘和催化脱硝两个独立工艺集为一体，简化烟气净化工艺流程，减少能耗，降低投资和运行成本，较小占地面积；同时极大地简化制备工艺，缩短制备周期，能够减小元件压降，减少能耗，并且防止部分催化剂由于发生破坏而不起作用，充分发挥所有负载到过滤元件上的催化剂的催化作用，进一步的，所用陶瓷纤维纸本身孔隙率超过95％，故所制备的元件压降较低。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本说明书实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。以上所述仅为本说明书实施例的实施例而已，并不用于限制本说明书实施例。对于本领域技术人员来说，本说明书实施例可以有各种更改和变化。凡在本说明书实施例的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书实施例的权利要求范围之内。
Claims (23)
1.一种催化剂载体复合过滤元件，其特征在于，包括：
纤维纸，所述纤维纸通过轴卷形成若干层叠的纤维层；和
位于任意两层所述纤维层之间的催化剂载体层；
其中，所述催化剂载体层包括：
颗粒状的主要载体，铺设在所述纤维层的表面，以及
辅助载体，包覆在所述纤维纸内部的纤维表面，同时容置于铺设所述主要载体形成的间隙中，所述辅助载体具有粘结性质。
2.根据权利要求1所述的催化剂载体复合过滤元件，其特征在于，所述主要载体的粒径处于1-400um。
3.根据权利要求1所述的催化剂载体复合过滤元件，其特征在于，所述主要载体的材料为TiO2、SiO2或者Al2O3。
4.根据权利要求1所述的催化剂载体复合过滤元件，其特征在于，所述辅助载体的材料为硅溶胶和铝溶胶中的至少一种。
5.根据权利要求1所述的催化剂载体复合过滤元件，其特征在于，所述催化剂载体复合过滤元件进一步包括：
位于最外层纤维层的外侧表面上的过滤膜层。
6.一种催化剂复合过滤元件，其特征在于，包括：
纤维纸，所述纤维纸通过轴卷形成若干层叠的纤维层；和
位于任意两层所述纤维层之间的催化剂载体层；
其中，所述催化剂载体层包括：
颗粒状的主要载体，铺设在所述纤维层的表面，以及
辅助载体，包覆在所述纤维纸内部的纤维表面，同时容置于铺设所述主要载体形成的间隙中，所述辅助载体具有粘结性质；
所述主要载体和所述辅助载体上均负载有催化剂的活性组分。
7.根据权利要求6所述的催化剂复合过滤元件，其特征在于，所述主要载体的粒径处于1-400um。
8.根据权利要求6所述的催化剂复合过滤元件，其特征在于，所述主要载体的材料为TiO2、SiO2或者Al2O3。
9.根据权利要求6所述的催化剂复合过滤元件，其特征在于，所述辅助载体的材料为硅溶胶和铝溶胶中的至少一种。
10.根据权利要求6所述的催化剂复合过滤元件，其特征在于，所述催化剂载体复合过滤元件进一步包括：
位于最外层纤维层的外侧表面上的过滤膜层。
11.根据权利要求8所述的催化剂复合过滤元件，其特征在于，所述活性组分包括：V2O5、MOO3或WO3。
12.一种催化剂载体复合过滤元件的制备方法，其特征在于，包括：
将辅助载体与颗粒状的主要载体的混合物铺设在纤维纸上；其中所述辅助载体具有粘结性质；
将铺设有主要载体和辅助载体的纤维纸沿长度方向轴卷，以使所述纤维纸形成若干层叠的纤维层；其中，位于任意两层所述纤维层之间的主要载体和辅助载体共同形成催化剂载体层；
固化轴卷后的所述纤维层和所述催化剂载体层，形成所述催化剂载体复合过滤元件。
13.根据权利要求12所述的制备方法，其特征在于，在将辅助载体与颗粒状的主要载体的混合物铺设在所述纤维纸上之前，所述方法还包括：
将辅助载体施加在纤维纸上，以润湿所述纤维纸。
14.根据权利要求12所述的制备方法，其特征在于，所述方法还包括：
在最外层纤维层的外侧表面上形成过滤膜层。
15.一种催化剂复合过滤元件的制备方法，其特征在于，包括：
将辅助载体与颗粒状的主要载体的混合物铺设在纤维纸上；其中所述辅助载体具有粘结性质；
将铺设有主要载体和辅助载体的纤维纸沿长度方向轴卷，以使所述纤维纸形成若干层叠的纤维层；其中，位于任意两层所述纤维层之间的主要载体和辅助载体共同形成催化剂载体层；
固化轴卷后的所述纤维层和所述催化剂载体层；
在所述催化剂载体层上负载催化剂活性组分；其中负载有催化剂活性组分的所述催化剂载体层和所述纤维层共同形成催化剂复合过滤元件。
16.根据权利要求15所述的制备方法，其特征在于，在将辅助载体与颗粒状的主要载体的混合物铺设在纤维纸上之前，所述方法还包括：
将辅助载体施加在纤维纸上，以润湿所述纤维纸。
17.根据权利要求15所述的制备方法，其特征在于，所述方法还包括：
在最外层纤维层的外侧表面上形成过滤膜层。
18.一种催化载体元件的制备装置，其特征在于，包括：
铺设组件，将辅助载体与颗粒状的主要载体的混合物铺设在纤维纸上；其中所述辅助载体具有粘结性质；
轴卷组件，将铺设有主要载体和辅助载体的纤维纸沿长度方向轴卷，以使所述纤维纸形成若干层叠的纤维层；其中，位于任意两层所述纤维层之间的主要载体和辅助载体共同形成催化剂载体层；
固化组件，固化轴卷后的所述纤维层和所述催化剂载体层，形成所述催化剂载体复合过滤元件。
19.根据权利要求18所述的制备装置，其特征在于，所述装置进一步包括：
润湿组件，将辅助载体施加在纤维纸上，以润湿所述纤维纸。
20.根据权利要求18所述的制备装置，其特征在于，所述装置进一步包括：
过滤膜层制备组件，在最外层纤维层的外侧表面上形成过滤膜层。
21.一种催化剂复合过滤元件的制备装置，其特征在于，包括：
铺设组件，将辅助载体与颗粒状的主要载体的混合物铺设在纤维纸上；其中所述辅助载体具有粘结性质；
轴卷组件，将铺设有主要载体和辅助载体的纤维纸沿长度方向轴卷，以使所述纤维纸形成若干层叠的纤维层；其中，位于任意两层所述纤维层之间的主要载体和辅助载体共同形成催化剂载体层；
固化组件，固化轴卷后的所述纤维层和所述催化剂载体层；以及
负载组件，在所述催化剂载体层上负载催化剂活性组分；其中负载有催化剂活性组分的所述催化剂载体层和所述纤维层共同形成催化剂复合过滤元件。
22.根据权利要求21所述的制备装置，其特征在于，所述装置进一步包括：
润湿组件，将辅助载体施加在纤维纸上，以润湿所述纤维纸。
23.根据权利要求21所述的制备装置，其特征在于，所述装置进一步包括：
过滤膜层制备组件，在最外层纤维层的外侧表面上形成过滤膜层。
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