催化过滤如何同时处理粉尘和NOx？
从定义与工作结构，到陶瓷滤管与纤维型的比较、适用条件和检查顺序
粉尘·NOx进入洁净烟气
排出捕集粉尘排出
图1. 示意布袋除尘器内烟气穿过滤袋、被截留的粉尘落入灰斗的流程。滤袋内部结构见下方图2。与实际设备的尺寸和形状不同。
资料来源：基于MICROONE自有技术资料 · AI辅助示意图
01 · DEFINITION
什么是催化过滤？它如何同时处理粉尘和NOx？
催化过滤是在同一过滤元件上完成过滤和脱硝的方式。它不把除尘和分解NOx分别交给不同的设备，而是在滤材结构内依次完成。这一概念称为催化一体化过滤（Catalytic Filtration），并不是近年才出现的新概念。
催化剂参与反应但自身不被消耗，作用是降低反应所需的能量（活化能），因此反应能在比没有催化剂时更低的温度下进行。汽车尾气净化、石油炼制以及电厂和焚烧设施的NOx削减，用的都是同一原理。脱硝中的代表性反应为4NO + 4NH₃ + O₂ → 4N₂ + 6H₂O。
工作顺序是“表面过滤→还原剂混合→催化反应”
顺序很关键。先把粉尘滤掉，粉尘直接接触催化剂层的程度就会降低，一般有利于减轻催化剂层的磨损和微孔堵塞。这一点与让催化剂直接暴露在含尘烟气中的配置不同。
粉尘·NOx进入ePTFE膜洁净烟气排出- ePTFE膜：位于最前端（浅蓝色层），使粉尘停留在表面的平整过滤层
- 负载催化剂的PTFE无纺布：纤维之间嵌有催化剂颗粒，是NOx发生反应的层
图2. 粉尘停留在膜表面、NOx在负载催化剂的无纺布中反应的滤材截面示意图。为便于理解，膜厚和颗粒尺寸有所夸大，与实际尺寸不同。
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设计上会让截留粉尘的过滤层位于催化剂层之前，因此可以减少粉尘直接接触催化剂层。不过，过滤只能截留颗粒，气态成分是滤不掉的。这一点将在下文“适用条件与局限”中说明。
02 · TECHNOLOGY FLOW
催化过滤技术是如何从陶瓷滤管发展到纤维型的？
最初采用的是在陶瓷滤管中加入催化剂的方式；此后出现了在柔性滤料上负载催化剂的纤维型产品，使现有布袋除尘器通过更换滤袋即可引入催化过滤。
陶瓷滤管：在坚硬的滤管壁中加入催化剂
陶瓷催化滤管是在陶瓷纤维制成的圆筒形滤管壁中加入催化剂，在同一元件上完成粉尘捕集和NOx还原。美国Tri-Mer的UltraCat是将催化剂颗粒嵌入整个管壁的轻质纤维陶瓷过滤器[1]，英国Clear Edge的Cerafil TopKat是与Haldor Topsøe共同开发的催化陶瓷过滤元件[3]。以规格为例，Tri-Mer资料中列有长10英尺（约3 m）、直径6英寸（约150 mm）的滤管和脉冲反吹清灰方式[2]。该厂商资料中，NOx控制的起始温度约为350°F（约177°C）[1]。
陶瓷滤管嵌有催化剂颗粒的陶瓷纤维
图3. 陶瓷催化滤管示意图。由陶瓷纤维制成的细长圆筒形管壁内嵌有催化剂颗粒（蓝色）。放大部分的纤维粗细和颗粒尺寸仅为便于理解而绘制。
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考虑陶瓷滤管时应确认的事项
- 长度限制：陶瓷催化滤管的长度通常为2 m，最长也在3 m左右。专利文献指出，受烧结陶瓷材料的力学特性和运行中机械应力的限制，滤管难以做得更长，因此单支滤管的过滤面积有限[4]。
- 过滤面积：简单计算，长3 m、直径150 mm滤管的圆柱面积约为1.4㎡，长6 m、直径160 mm滤袋约为3.0㎡。在使用6~8 m长滤袋的大型除尘器中改用滤管，过滤面积可能大幅减少，因此需要重新核算处理风量和过滤风速。该数值只计算了圆柱外表面积，实际过滤面积因产品结构而异。
- 破损管理：由于陶瓷材料的特性，需要管理运输、安装和清灰过程中因冲击而破损的可能性。不过Tri-Mer将其产品描述为轻质、具有韧性（ductile）的陶瓷过滤器[1]，因此应确认各产品的规格和搬运条件。
纤维型：在滤袋形态的滤料上负载催化剂
纤维型催化过滤是在滤袋这类柔性滤料上负载催化剂的方式。随着这种方式实现商业化，现有布袋除尘器只更换滤袋即可引入催化过滤。Topsoe的CataFlex™是在标准滤料内侧设置催化织物层的结构[5]，Gore的GORE® DeNOx是ePTFE膜与PTFE基催化毡组合的结构[6]。可见，各厂商的结构并不相同。
已向客户现场供货并积累运行业绩的催化滤袋供应商屈指可数，如Gore、Topsoe、MICROONE等。
滤袋ePTFE膜负载催化剂的PTFE无纺布图4. 纤维型催化滤袋示意图。最外侧薄而平整的ePTFE膜层（浅蓝色线）之后，白色PTFE无纺布纤维之间嵌有催化剂颗粒（蓝色）。各层颜色与厚度、颗粒尺寸与间距仅为便于理解而绘制。
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为什么膜的孔径必须均匀？
MICROONE在负载催化剂的PTFE无纺布上复合ePTFE膜的结构中，以膜孔径的均匀性作为设计基准。孔径不均匀时，一是压差升高，风机能耗增加；二是气体集中流向压力较低的部位（偏流），脱硝效率下降；三是反复清灰时应力集中于一处，膜有破裂的可能。膜在表面截留粉尘的原理，详见深层过滤与表面过滤有什么区别？。
03 · COMPARISON
三种除尘·脱硝一体化处理方式有什么不同？
三种方式最大的区别在于催化剂层与过滤元件的位置关系。陶瓷滤管和纤维型由过滤元件本身承载催化剂，布袋除尘器上部催化模块则把催化剂单独设在滤袋之后。包括SNCR、SCR和臭氧氧化在内的焚烧炉NOx削减选项整体比较，见焚烧炉NOx排放标准收严后有哪些选择？。
布袋除尘器上部催化模块是在布袋除尘器上方的净气室内安装挤出成型的催化模块，构成低温SCR的方式。由于先除尘再让烟气通过催化剂，可以减轻催化剂磨损和颗粒物引起的中毒，并能省去大型SCR反应塔和较长的烟道。但由于催化模块就位于滤袋正上方，更换滤袋前必须先吊出催化模块，因此即使出现破袋也难以立即更换，应急处理可能延迟。
上部催化模块滤袋灰斗图5. 布袋除尘器上部催化模块方式示意图。经滤袋除尘后的烟气在通过上部净气室内的催化模块（黄色蜂窝）时完成脱硝。实际设备配置因现场而异。
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| 比较项目 | 陶瓷滤管 | 布袋除尘器上部催化模块 | 纤维型催化滤袋 |
|---|---|---|---|
| 催化剂位置 | 陶瓷纤维滤管管壁内部 | 滤袋之后净气室内的独立模块 | 滤袋内部（负载催化剂的滤料） |
| 过滤与脱硝 | 在同一元件上同时完成 | 滤袋过滤后在模块中脱硝（先后进行） | 在同一元件（滤袋）上同时完成 |
| 形式·规格 | 圆筒形滤管，长度通常2 m、最长3 m左右 | 挤出成型催化模块 | 与现有滤袋形状相同 |
| 现有设备适用性 | 可安装于脉冲喷吹式除尘器[1][3]（需核对与滤管规格匹配的配置） | 净气室内需要有安装模块的空间 | 花板·袋笼规格和运行条件匹配时，更换滤袋并增加还原剂喷射设备即可应用 |
| 滤袋破损时 | 需要管理滤管破损 | 从破损处泄漏的粉尘可能接触下游的公用催化剂层，因此及早发现并处理破袋十分重要 | 每条滤袋的催化剂层相互独立，对脱硝的影响限于该条滤袋，通过破袋检查和更换处理 |
| 更换·维护 | 按滤管更换 | 催化模块覆盖在滤袋上方，更换滤袋前必须先移动或拆卸催化模块。即使出现破袋也难以立即更换，应急处理会延迟，检修时间也更长 | 按常规滤袋更换流程 |
| 压力损失 | 滤管自身压差 | 滤袋压差 + 催化模块压差（按设计确认） | 负载催化剂的滤袋压差（可能高于普通滤袋，按产品确认） |
上表整理的是各方式的结构特点，并不表示哪种方式更优。选择会因温度、设备规模和现有设备配置而不同。
两者条件不同，无法简单比较。一般而言，高温烟气考虑陶瓷滤管，在现有布袋除尘器可更换滤袋的温度范围（120~200°C左右）内则考虑纤维型。无论哪种，都应先确认烟气温度和现有设备规格。
04 · CONDITIONS AND LIMITS
催化过滤在什么条件下可用？有哪些局限？
催化过滤要在还原剂喷射、催化剂活性温度、与现有设备的兼容性这三项条件都满足时才能使用，而且它并不能全面取代独立反应器式SCR。
① 需要喷入还原剂
催化过滤本身不会自行分解NOx，必须由在滤袋上游供给的氨（NH₃）或尿素溶液等还原剂与NOx在催化剂上发生反应。Topsoe说明，要削减NOx，须在滤袋上游喷入NH₃等还原剂[5]；Gore也说明，其滤袋需要有与NOx反应的NH₃才能发挥作用[7]。使用尿素溶液时，应同时考虑喷射位置或热解设备，确保尿素在到达滤袋之前分解为NH₃。还原剂的储存、喷射和控制设备需要另行配置；喷射量过多时，还要管理未反应NH₃排出的氨逃逸。
② 温度必须匹配
常规V₂O₅-WO₃/TiO₂系SCR催化剂通常在300°C左右及以上才能达到设计效率，设在焚烧炉后端的低温SCR催化剂一般也在200°C以上运行。而布袋除尘器的运行温度通常为120~180°C。MICROONE认为这一温差是行业共同面临的课题。弥补温差的办法有两种：对烟气再加热，或让催化剂在较低温度下也能发挥作用。
温度偏低也有风险。丹麦环境保护署发布的CataFlex示范报告指出，为避免硫酸氢铵（ammonium bisulphate）沉积，滤袋温度应保持在约185°C以上[8]。这是因为NH₃与SO₃反应生成的铵盐可能堵塞滤料和催化剂。因此，不仅要确认正常运行温度，还要确认温度波动幅度以及启停阶段的温度。
③ 要区分除尘能防止和不能防止的中毒
厂商资料也说明，先除尘可以减少催化剂接触粉尘中的成分[9]。但气态物质无法通过过滤去除。催化剂中毒与氨逃逸的原理，详见脱硝催化剂性能为什么会下降？中毒、温度与氨逃逸。
| 项目 | 前置过滤的效果 | 原因 |
|---|---|---|
| 飞灰·细颗粒物 | 可以减少 | 属于颗粒，在滤材表面被捕集 |
| 附着在粉尘上的碱性成分（K·Na·Ca） | 可以减少 | 随粉尘一起被滤除 |
| 颗粒态重金属 | 可以减少 | 属于颗粒，可被捕集 |
| 未反应的吸收剂粉末 | 可以减少 | 属于粉末颗粒，可被捕集，能减少钙成分覆盖催化剂表面、降低活性 |
| 气态SO₂·SO₃·HCl | 不能减少 | 呈气态，过滤无法去除 |
| 水蒸气（可逆性活性下降因素） | 不能减少 | 呈气态，过滤无法去除 |
| 气态汞等部分挥发性重金属 | 不能减少 | 以气态穿过滤材 |
| NH₃与SO₃·HCl反应生成的铵盐 | 不能减少（可能沉积） | 属于反应生成物，前置过滤无法阻止 |
④ 并不能全面取代独立反应器式SCR
现有布袋除尘器的花板·袋笼规格和运行条件满足要求时，更换滤袋并增加还原剂喷射设备，即可增设脱硝功能。但首先要评估除尘性能能否保持，以及与现有设备在机械、热和流体力学方面是否兼容。对于仅靠SNCR难以达标、但又难以承受新建独立SCR反应器的设施，催化过滤是可以考虑的选项之一[8]。根据所需削减率和设备条件，适合采用反应器式SCR的现场也很多。
05 · CHECKLIST
考虑采用时，应按什么顺序确认？
一般按烟气温度、现有布袋除尘器规格、还原剂系统、烟气成分、所需削减率、投运后检查的顺序确认。前一步不满足，后面的步骤就无需再讨论。
- 烟气温度：确认正常运行温度、波动幅度和启停阶段的温度，看其是否落在催化剂活性温度与滤袋耐温上限之间。
- 现有布袋除尘器规格：确认花板·袋笼规格、过滤风速和当前压差余量。
- 还原剂系统：确定NH₃（或尿素溶液及其热解方式）的喷射位置、与烟气的混合、喷射量控制和氨逃逸管理方案。若SNCR在运行，还要一并考虑残余NH₃。
- 烟气成分：确认SO₂·SO₃·HCl、水分和含碱粉尘，同时确认上游酸性气体处理设备（半干法·干法反应塔）的配置。
- 所需削减率：比较当前NOx排放水平与目标值，判断所需削减幅度是否在催化过滤可承担的范围内。
- 投运后检查：定期确认压差变化趋势、出口NOx·NH₃浓度、破袋检查与更换记录以及还原剂用量。
这一顺序是一般性的评估流程，可能因现场条件而不同。实际能否应用，应基于现场烟气条件进行前期评估后判断。
FAQ
常见问题
催化过滤能完全取代SCR吗？
不能。催化过滤是在现有布袋除尘器内同时削减粉尘和NOx的方式，并不能全面取代独立反应器式SCR。所需削减率较高，或烟气温度、成分不匹配时，反应器式SCR可能更合适。首先需要评估与现有设备的兼容性。
催化过滤也需要还原剂喷射设备吗？
需要。催化过滤的原理是在滤袋上游喷入的氨（NH₃）等还原剂与NOx在催化剂上反应。使用尿素溶液时，须使其在到达滤袋之前分解为NH₃。还原剂的储存、喷射和控制设备需要另行配置，同时要管理未反应NH₃排出的氨逃逸。
陶瓷滤管和纤维型催化滤袋，应该选哪一种？
根据烟气温度和现有设备配置来决定。陶瓷滤管需要与滤管规格（长度通常2 m、最长3 m左右）相匹配的除尘器配置；纤维型则要求现有布袋除尘器的花板·袋笼规格和运行温度匹配。两种方式都应基于现场烟气条件进行前期评估。
滤袋破损会影响脱硝性能吗？
会，但影响范围因方式而异。在滤袋之后设置公用催化剂层的结构中，从破损处漏出的粉尘可能接触下游催化剂层，因此及早发现很重要。每条滤袋的催化剂相互独立的纤维型，对脱硝的影响限于该条滤袋，通过破袋检查和更换处理。无论哪种方式，粉尘都会从破损的滤袋漏出，应尽快查明并更换。
- Tri-Mer Corporation，“UltraCat Catalyst Filters Control PM, SO2, HCl, NOx & Dioxins”（厂商资料，美国佐治亚州环保局EPD转载版）。Tri-Mer UltraCat Bulletin
- Tri-Mer Corporation，“UltraCat Ceramic Brochure”（厂商资料）。Tri-Mer UltraCat Brochure
- Andrew Startin, Clear Edge UK Ltd. Cerafil Division，“Ceramic filter elements for emission control and NOx reduction at high temperatures”（高温条件下用于排放控制和NOx削减的陶瓷过滤元件），2008（美国佐治亚州环保局EPD转载版）。Clear Edge Cerafil论文
- Pall Corporation，“Catalytic filter module and catalytic filter system comprising same”（催化过滤模块及包含该模块的催化过滤系统），US 2014/0050626 A1，2014（专利公开文献）。US 2014/0050626 A1
- Topsoe，“CataFlex™ catalytic filter bags”（厂商资料）。Topsoe CataFlex
- W. L. Gore & Associates，“NOx and NH3 Filter Bags”（厂商资料）。Gore NOx·NH3滤袋
- W. L. Gore & Associates，“Filter Bags for the Waste-to-Energy Industry”（垃圾焚烧发电行业用滤袋，厂商资料）。Gore垃圾焚烧发电滤袋
- 丹麦环境保护署（Miljøstyrelsen，MUDP），“Advanced catalytic bags for combined abatement of NOx and particulate matter in biomass boilers”（用于生物质锅炉NOx与颗粒物协同削减的先进催化滤袋），2022。丹麦环境保护署报告
- Topsoe，“CataFlex catalytic filter bags”，International Cement Review，2020年10月（厂商投稿）。Topsoe ICR 2020