觸媒過濾如何同時處理粉塵與NOx？
從定義與作用結構，到陶瓷濾管與纖維型的比較、適用條件與確認順序
粉塵、NOx流入潔淨氣體
排出捕集粉塵排出
圖1. 呈現廢氣在袋式集塵器內通過濾袋、被濾除的粉塵落入灰斗之流程的示意圖。濾袋內部結構將於下方圖2說明。與實際設備的尺寸、形狀不同。
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01 · DEFINITION
觸媒過濾器是什麼？如何同時處理粉塵與NOx？
觸媒過濾器是在同一個濾材中完成過濾與脫硝的方式。過濾粉塵與分解NOx不分別交給不同設備，而是在濾材結構內依序處理。此概念稱為觸媒一體式過濾（Catalytic Filtration），並非近年才出現的新概念。
觸媒是參與反應但本身不被消耗、能降低反應所需能量（活化能）的物質。因此，即使溫度比沒有觸媒時低，反應仍可進行。汽車排氣淨化、石油精煉，以及發電廠、焚化設施的NOx削減，都運用同樣的原理。脫硝中具代表性的反應為4NO + 4NH₃ + O₂ → 4N₂ + 6H₂O。
作用順序是「表面過濾 → 還原劑混合 → 觸媒反應」
順序很重要。先過濾粉塵，可減少粉塵直接接觸觸媒層的程度，一般而言有助於減少觸媒層的磨耗與細孔（微小孔洞）堵塞。這一點與讓觸媒直接暴露於含塵廢氣的配置不同。
粉塵、NOx流入ePTFE薄膜潔淨氣體排出- ePTFE薄膜：位於最前方（淺藍色層）、使粉塵停在表面的平坦過濾層
- 擔載觸媒的PTFE不織布：纖維間嵌有觸媒顆粒、供NOx反應的層
圖2. 粉塵停在薄膜表面、NOx在擔載觸媒顆粒的不織布中反應的濾材斷面示意圖。為便於理解，薄膜厚度與顆粒大小經過放大，與實際尺寸不同。
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設計上會讓過濾粉塵的過濾層位於觸媒層前方，因此可減少粉塵直接接觸觸媒層的程度。不過，過濾是攔截顆粒的方式，氣體成分無法被濾除。這部分將在下文「適用條件與限制」中說明。
02 · TECHNOLOGY FLOW
觸媒過濾技術如何從陶瓷濾管延伸到纖維型？
最初採用的是在陶瓷濾管中加入觸媒的方式；其後出現在柔性濾布上擔載觸媒的纖維型，開啟了只更換既有袋式集塵器的濾袋即可導入觸媒過濾的途徑。
陶瓷濾管：在堅硬的濾材壁中加入觸媒的方式
陶瓷濾管觸媒過濾器是在以陶瓷纖維製成的圓筒形濾材（濾管）壁中加入觸媒，於單一元件中完成粉塵捕集與NOx還原。美國Tri-Mer的UltraCat是將觸媒顆粒埋設於整個濾材壁中的輕量纖維質陶瓷濾材[1]，英國Clear Edge的Cerafil TopKat則是與Haldor Topsøe共同開發的觸媒陶瓷過濾元件[3]。規格方面，Tri-Mer的資料中可見長10英尺（約3 m）、直徑6英寸（約150 mm）的濾管與逆向脈衝清灰方式[2]。依此製造商資料，開始控制NOx的溫度約為350°F（約177℃）[1]。
陶瓷濾管嵌有觸媒顆粒的陶瓷纖維
圖3. 陶瓷濾管觸媒過濾器的示意圖。以陶瓷纖維製成的細長圓筒形濾材壁中嵌有觸媒顆粒（藍色）。放大部分的纖維粗細與顆粒大小係為便於理解而繪製。
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評估陶瓷濾管時應確認的事項
- 長度限制：觸媒陶瓷濾管的長度通常為2 m，最長也約3 m。專利文獻指出，由於燒結陶瓷材料的機械特性與運轉中的機械應力，濾管難以做得更長，因此單支濾管的過濾面積受到限制[4]。
- 過濾面積：以簡單計算，長3 m、直徑150 mm濾管的圓筒面積約1.4 m²，長6 m、直徑160 mm濾袋則約3.0 m²。在使用6～8 m長濾袋的大型集塵器中改用濾管，過濾面積可能大幅減少，因此須重新計算處理風量與過濾速度。此數值僅計算圓筒外表面積，實際過濾面積依產品結構而異。
- 破損管理：受陶瓷材料特性影響，須管理運輸、安裝與清灰過程中因衝擊而破損的可能性。不過，Tri-Mer將自家濾材描述為輕量、具延展性（ductile）的陶瓷濾材[1]，因此須確認各產品的規格與搬運條件。
纖維型：在濾袋形式的濾材上擔載觸媒的方式
纖維型觸媒過濾器是在濾袋這類柔性濾材上擔載觸媒的方式。隨著此方式商業化，出現了只更換既有袋式集塵器的濾袋即可導入觸媒過濾的途徑。Topsoe的CataFlex™是在標準濾布內側設置觸媒織物層的結構[5]，Gore的GORE® DeNOx則是結合ePTFE薄膜與PTFE基觸媒濾氈的結構[6]。由此可見，結構因製造商而異。
實際交付客戶現場並累積運轉實績的觸媒濾袋供應商屈指可數，例如Gore、Topsoe、MICROONE等。
濾袋ePTFE薄膜擔載觸媒的PTFE不織布
圖4. 纖維型觸媒濾袋的示意圖。在最外側薄而平坦的ePTFE薄膜層（淺藍色線）之後，白色PTFE不織布纖維間嵌有觸媒顆粒（藍色）。各層顏色與厚度、顆粒大小與間距係為便於理解而繪製。
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薄膜孔隙必須均勻的理由
MICROONE股份有限公司在擔載觸媒的PTFE不織布上貼合ePTFE薄膜的結構中，以薄膜孔隙的均勻性作為設計基準。孔隙不均勻時，第一，壓差上升，風機動力費用增加；第二，氣體集中流向壓力較低的位置（偏流），脫硝效率下降；第三，反覆清灰時應力集中於一處，薄膜可能破裂。薄膜在表面過濾粉塵的原理，已在「深層過濾與表面過濾有什麼不同？」中詳細說明。
03 · COMPARISON
同時處理集塵與脫硝的三種方式有什麼不同？
三種方式最大的差異，在於觸媒層與濾材的相對配置。陶瓷濾管與纖維型是濾材本身擔載觸媒，袋式集塵器上部觸媒模組則是在濾材後方另設觸媒。包含SNCR、SCR、臭氧氧化在內的焚化爐NOx削減選項整體比較，已在「焚化爐NOx排放標準加嚴後有哪些選擇？」中整理。
袋式集塵器上部觸媒模組，是在袋式集塵器上方的潔淨氣體區設置擠出成型的觸媒模組，以構成低溫SCR的方式。由於先去除粉塵再讓氣體通過觸媒，可減少觸媒磨耗與顆粒性毒化，也可縮減大型SCR塔與長風管。但由於觸媒模組就位於濾袋正上方，更換濾袋前必須先吊出觸媒模組，因此即使濾袋破孔也難以立即更換，緊急處置可能延遲。
上部觸媒模組濾袋灰斗圖5. 袋式集塵器上部觸媒模組方式的示意圖。在濾袋先濾除粉塵的氣體，通過上方潔淨氣體區的觸媒模組（黃色蜂巢）進行脫硝。實際設備構成依現場而異。
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| 比較項目 | 陶瓷濾管 | 袋式集塵器上部觸媒模組 | 纖維型觸媒過濾器（濾袋） |
|---|---|---|---|
| 觸媒位置 | 陶瓷纖維濾材壁內部 | 濾材後方潔淨氣體區的獨立模組 | 濾袋內部（擔載觸媒的濾材） |
| 過濾與脫硝 | 於單一元件中同時進行 | 濾材過濾後由模組脫硝（依序進行） | 於單一元件（濾袋）中同時進行 |
| 形態與規格 | 圓筒形濾管，長度通常2 m、最長約3 m | 擠出成型觸媒模組 | 與既有濾袋形狀相同 |
| 既有設備適用 | 可裝設於脈衝噴氣式集塵器[1][3]（須評估符合濾管規格的構成） | 潔淨氣體區須有設置模組的空間 | 花板、濾袋骨架規格與操作條件相符時，以更換濾袋並增設還原劑噴注設備的方式適用 |
| 濾袋破孔、損傷時 | 須管理濾管破損 | 從破孔處漏出的粉塵可能接觸下遊的共用觸媒層，因此及早偵測與處置破孔很重要 | 觸媒層在每支濾袋中各自獨立，脫硝方面的影響限於該濾袋範圍，以破孔檢查與更換處置 |
| 更換與維護 | 以濾管為單位更換 | 觸媒模組覆蓋在濾袋上方，更換濾袋前必須先移動或拆除觸媒模組。即使出現破孔也難以立即更換，緊急處置會延遲，維修時間也較長 | 一般濾袋更換程序 |
| 壓力損失 | 濾材本身的壓差 | 濾材壓差＋觸媒模組壓差（依設計確認） | 擔載觸媒濾袋的壓差（可能高於一般濾袋，依產品確認） |
此表整理的是各方式的結構特徵，並不代表哪一種方式較優。選擇會依溫度、設備規模與既有設備構成而不同。
條件不同，無法單純比較。一般而言，高溫廢氣會評估陶瓷濾管；在既有袋式集塵器的濾袋更換範圍（約120～200℃）內，則評估纖維型。無論哪一種，都須先確認廢氣溫度與既有設備規格。
04 · CONDITIONS AND LIMITS
觸媒過濾器在什麼條件下可以使用？有哪些限制？
觸媒過濾器須在還原劑噴注、觸媒活化溫度、與既有設備的相容性三項條件都符合時才能使用，並不能全面取代另設反應器的SCR。
① 需要噴注還原劑
觸媒過濾器不會自行分解NOx。在濾材前方供給的氨（NH₃）或尿素水等還原劑，必須與NOx在觸媒上反應。Topsoe說明，要削減NOx，須在濾材前方噴注NH₃等還原劑[5]；Gore也說明，此類濾袋須有可與NOx反應的NH₃才能作用[7]。使用尿素水時，須一併評估噴注位置或分解設備，使尿素在接觸濾材前分解為NH₃。還原劑的儲存、噴注與控制設備須另行設置；噴注量過多時，須管理未反應NH₃排出的氨逸散。
② 溫度必須相符
一般V₂O₅-WO₃/TiO₂系SCR觸媒通常在約300℃以上才能達到設計效率，設於焚化爐後段的低溫SCR觸媒也大多在200℃以上運轉。相對地，袋式集塵器的操作溫度通常為120～180℃。MICROONE將此溫度落差視為業界的共同課題。彌補此落差的方法有兩種：將廢氣再加熱，或使觸媒在較低溫度下也能作用。
溫度偏低時也有風險。丹麥環境保護署發行的CataFlex實證報告指出，為避免硫酸氫銨（ammonium bisulphate）沉積，須將濾材溫度維持在約185℃以上[8]。這是因為NH₃與SO₃反應生成的銨鹽可能堵塞濾材與觸媒。因此，不只要確認正常操作溫度，也須確認溫度變動幅度與開停機區段。
③ 須區分過濾可防止與無法防止的毒化
先過濾粉塵可減少觸媒接觸粉塵中成分的機會，這一點在製造商資料中也有說明[9]。然而，氣態物質無法以過濾濾除。觸媒毒化與氨逸散的原理，已在「SCR觸媒性能為什麼會下降？毒化、溫度與氨逸散」中詳細說明。
| 項目 | 前段過濾的效果 | 理由 |
|---|---|---|
| 飛灰、微細粉塵 | 可減少 | 屬於顆粒，會在濾材表面被捕集 |
| 附著於粉塵的鹼性成分（K、Na、Ca） | 可減少 | 隨粉塵一起被濾除 |
| 顆粒性重金屬 | 可減少 | 屬於顆粒，會被捕集 |
| 未反應的吸收劑粉末 | 可減少 | 屬於粉末顆粒，會被捕集。可減少鈣成分覆蓋觸媒表面而降低活性的情形 |
| 氣態SO₂、SO₃、HCl | 無法減少 | 為氣態，無法以過濾濾除 |
| 水蒸氣（可逆性活性降低因素） | 無法減少 | 為氣態，無法以過濾濾除 |
| 氣態汞等部分揮發性重金屬 | 無法減少 | 以氣態通過濾材 |
| NH₃與SO₃、HCl反應生成的銨鹽 | 無法減少（可能沉積） | 屬於反應生成物，無法以前段過濾防止 |
④ 並不能全面取代另設反應器的SCR
既有袋式集塵器的花板、濾袋骨架規格與操作條件符合要求時，可藉由更換濾袋並增設還原劑噴注設備，賦予脫硝功能。不過，須先評估集塵性能能否維持，以及與既有設備在機械、熱與流體力學上是否相容。對於僅靠SNCR難以符合標準、但另行新建SCR反應器又負擔較大的設備，觸媒過濾器是可評估的選項之一[8]。依所需削減率與設備條件，適合採用反應器型SCR的現場也很多。
05 · CHECKLIST
評估導入時，應依什麼順序確認？
一般依廢氣溫度、既有袋式集塵器規格、還原劑系統、廢氣成分、所需削減率、運轉後檢查的順序確認。因為前一步驟不符合時，就沒有必要討論後面的步驟。
- 廢氣溫度：確認正常操作溫度、變動幅度與開停機區段，檢視是否落在觸媒活性溫度與濾袋耐熱極限之間。
- 既有袋式集塵器規格：確認花板、濾袋骨架規格、過濾速度與目前的壓差餘裕。
- 還原劑系統：決定NH₃（或尿素水及其分解方式）的噴注位置、與廢氣的混合、噴注量控制及氨逸散管理方案。若SNCR正在運轉，也須一併檢視殘留NH₃。
- 廢氣成分：確認SO₂、SO₃、HCl、水分與含鹼粉塵，並一併檢視前段酸性氣體處理設備（半乾式、乾式反應塔）的構成。
- 所需削減率：比較目前NOx排放水準與目標，判斷所需削減幅度是否在觸媒過濾器可承擔的範圍內。
- 運轉後檢查：定期確認壓差趨勢、出口NOx與NH₃濃度、濾袋破孔檢查與更換紀錄，以及還原劑用量。
此順序為一般的評估流程，可能依現場條件而不同。實際是否適用，須以現場廢氣條件為基礎進行事前評估後判斷。
FAQ
常見問題
觸媒過濾器能完全取代SCR嗎？
不能。觸媒過濾器是在既有袋式集塵器內同時降低粉塵與NOx的方式，並非全面取代另設反應器型SCR的技術。若所需削減率高，或廢氣溫度、成分不符，反應器型SCR可能較為合適。須先評估與既有設備的相容性。
觸媒過濾器也需要還原劑噴注設備嗎？
需要。觸媒過濾器是讓在濾材前方噴注的氨（NH₃）等還原劑與NOx在觸媒上反應的結構。使用尿素水時，須使其在接觸濾材前分解為NH₃。還原劑的儲存、噴注與控制設備須另行設置，並須一併管理未反應NH₃排出的氨逸散。
陶瓷濾管方式與纖維型觸媒過濾器，應該選擇哪一種？
依廢氣溫度與既有設備構成決定。陶瓷濾管需要符合濾管規格（長度通常2 m，最長約3 m）的集塵器構成；纖維型則須既有袋式集塵器的花板、濾袋骨架規格與操作溫度相符。兩種方式都須以現場廢氣條件進行事前評估。
濾袋破孔時，也會影響脫硝性能嗎？
會，但影響範圍依方式而異。在濾材後方設置共用觸媒層的結構中，從破孔漏出的粉塵可能接觸下遊觸媒層，因此及早偵測很重要。觸媒在每支濾袋中各自獨立的纖維型，脫硝方面的影響限於該濾袋範圍，以破孔檢查與更換處置。無論哪一種方式，粉塵都會從破孔的濾袋漏出，因此須及早找出並更換。
- Tri-Mer Corporation，「UltraCat Catalyst Filters Control PM, SO2, HCl, NOx & Dioxins」（製造商資料，Georgia EPD刊載版）。 Tri-Mer UltraCat Bulletin
- Tri-Mer Corporation，「UltraCat Ceramic Brochure」（製造商資料）。 Tri-Mer UltraCat Brochure
- Andrew Startin，Clear Edge UK Ltd. Cerafil Division，「Ceramic filter elements for emission control and NOx reduction at high temperatures」，2008（Georgia EPD刊載版）。 Clear Edge Cerafil
- Pall Corporation，「Catalytic filter module and catalytic filter system comprising same」，US 2014/0050626 A1，2014（專利公開文獻）。 US 2014/0050626 A1
- Topsoe，「CataFlex™ catalytic filter bags」（製造商資料）。 Topsoe CataFlex
- W. L. Gore & Associates，「NOx and NH3 Filter Bags」（製造商資料）。 Gore DeNOx觸媒濾袋
- W. L. Gore & Associates，「Filter Bags for the Waste-to-Energy Industry」（製造商資料）。 Gore焚化發電用濾袋
- 丹麥環境保護署（Miljøstyrelsen，MUDP），「Advanced catalytic bags for combined abatement of NOx and particulate matter in biomass boilers」，2022。 Miljøstyrelsen實證報告
- Topsoe，「CataFlex catalytic filter bags」，International Cement Review，2020年10月（製造商投稿）。 ICR 2020年10月號