直流電暈放電協同催化氧化脫硝方法及其裝置的製作方法

2023-09-18 06:15:30

專利名稱：直流電暈放電協同催化氧化脫硝方法及其裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於環保技術領域，尤其提供一種直流電暈放電協同催化氧化脫硝方法及
其裝置。
背景技術：
隨著經濟的快速發展，人類對能源的需求量越來越大，向大氣中排放的氮氧化物 (NOx)越來越多，因此，如何有效地控制NOx的排放成為當前大氣汙染領域研究的熱點。目前，國內外應用較為廣泛的煙氣脫硝技術為選擇性催化還原法(SCR)，該技術以其高NO脫除率受到越來越多的關注。但是，目前在燃煤電廠該法採用釩鈦系催化劑，並以NH3作為還原劑，因此可能造成氨逃逸從而腐蝕後續設備並降低設備壽命，況且該類催化劑最佳溫度窗口介於320°C 380°C之間，脫硝設備需要放在靜電除塵器之前，大量飛灰和細微顆粒物導致蜂窩催化劑堵塞和失活，使得催化劑的實際運行活性和使用壽命很難滿足大型工業裝置的工藝要求。自20世紀80年代，低溫等離子體在NOx脫除方面的應用逐漸引起了人們的重視。 等離子體放電能產生大量的電子、離子、原子、自由基和激發態分子等活性物質，可在較低的溫度下活化NOx和煙氣中的其他穩定的小分子，降低反應的活化能，從而有利於化學反應在較低溫度下進行。但是，等離子體煙氣治理技術存在著能耗高等問題，導致該技術至今很難實現產業化。申請號為200920126052. 8的實用新型公開了一種煙氣脫硝裝置，包括反應塔、引風機和煙 ，所述反應塔內裝有顆粒狀脫硝催化劑，反應塔底部設置鍋爐煙氣進口，上部設置脫硝後煙氣出口，引風機進口與脫硝後煙氣出口連通，出口與煙囪連通；反應塔內顆粒狀脫硝催化劑下部設置氨氣進口。該煙氣脫硝裝置與常規脫硝裝置類似，但由於僅僅是單一的催化劑脫硝，因此能耗大且效率不高。

發明內容
本發明的目的是針對目前低溫等離子體放電脫除煙氣中NOx能耗較高的技術問題，利用直流電暈放電產生的自由基與催化劑之間的協同作用，提供一種可實現低溫無汙染脫除NOx的直流電暈放電協同催化氧化脫除煙氣中氮氧化物方法。本發明的另一個目的是提供一種實現上述方法的裝置。本發明的上述技術問題是通過以下技術方案得以實施的
一種直流電暈放電協同催化氧化的脫硝方法，具體過程為電極氣在正負電極之間的高壓作用下進行放電生成放電自由基，煙氣中的NO在放電自由基與催化劑的作用下被部分氧化為NO2,經鹼液吸收NO和NO2後排出。低溫等離子體和化學催化相結合具有提高能量利用效率、促進催化劑表面活性物質生成等優點。因此，本發明人建立在從事煙氣脫硝研究的基礎上，提出了低溫等離子體放電協同催化氧化NO方法及裝置。該方法以&為氧化劑，不使用任何添加劑，因此不會有二次汙染；通過直流電暈放電提高低溫下催化氧化活性，同時通過催化降低等離子體放電能耗，並在此基礎上獲得合適的NO氧化率；最終氧化後的NOx被吸收劑吸收並轉化成工業原料。該方法及裝置具有能耗低、無二次汙染和具有經濟效益等優點，實現了低溫低能耗無汙染脫除NOx的目的。作為優選，所述的催化劑為以TiA為載體以Co3O和/或MnO和/或狗203為活性組分的催化劑。製備方法參見專利一種蜂窩式SCR脫硝催化劑及其製備方法和設備(申請號:200910044963. 0)。作為優選，煙氣經整流板分流後，煙氣氣流分布均勻地進入放電催化區，煙氣經過噴嘴電極，進入放電和催化共同作用區，同時，電極氣經主反應器的噴嘴電極生成放電自由基，放電自由基與煙氣在催化劑的作用下進行氧化反應，然後穿過多孔陰極板，之後經鹼液吸收NO和NO2後排出。直流電暈放電協同催化氧化脫硝方法是溫度為150 200°C的煙氣從主反應器上方進入上氣室，首先經上氣室上部的整流板，使氣流分布均勻進入反應區，之後氣流經過噴嘴正電極，進入放電和催化共同作用區，同時，電極氣(空氣)經主反應器的噴嘴電極生成放電自由基，放電自由基與煙氣在催化劑的作用下進行反應，煙氣中的NO被部分氧化成NO2 (NO =NO2 1 1)，然後穿過多孔陰極板，經由下方出口排出，經吸收裝置吸收NO和NO2後，在引風機的作用下，氣體經煙囪排出。在放電和催化共同作用區內，直流電暈自由基簇射形成的等離子體促進催化劑表面反應中間體的生成，而催化劑表面物質強化等離子體的生成，兩者之間起到了相互促進的作用。自由基簇射通過定向的電暈放電實現對噴入煙氣的水蒸汽流和氧氣流撞擊成高濃度非平衡態的氧化性自由基流，避免了一般等離子體放電對大量背景氣體的等離子高能化所消耗的能量，從而降低能耗。由於放電產生的能量大於催化劑的帶隙能，使其產生電子和空穴，電子和空穴參與以下反應
TiO2 + Iiv -^e- + Ii+ H2O +h+ ^ OH + H+ O2 + e~ 20+ O2 + e— 4 Oj O2 + H+ ^ HO2 O + O2 ^ O3 O3 + OH ^ HO2 + O2 並且，在煙氣中的水蒸氣和氧氣在直流電暈的作用下也可產生0、0H等自由基，由OH轉換成的HO2可降低氧化NO所需的能量
所以，直流電暈放電協同催化氧化NO的效率要大大高於單獨催化或低溫等離子體反應。再通過後續裝置中鹼液的吸收，該方法可以有效實現低溫低能耗脫除NOx的目的。
一種直流電暈放電協同催化氧化的脫硝裝置，該裝置包括主反應器、吸收裝置和引風機，主反應器底部依次與吸收裝置和引風機連接，主反應器一側分別連接高壓直流電源和電極氣罐，電極氣罐與主反應器之間設有氣體流量計。
直流電暈放電協同催化氧化脫硝裝置主要包括殼體、等離子體發生裝置、蜂窩式催化劑、吸收裝置。其中，低溫等離子體發生裝置包括陽極噴嘴、多孔陰極板、高壓直流電源、變壓器。放電反應器使用20kV 50kV高壓直流電源，噴嘴電極接正高壓，多孔陰極板接負高壓。噴嘴電極及電極母管由不鏽鋼管制成，噴嘴的長度為8 15mm，外徑為3 5mm， 噴嘴間距20 100mm。放電催化區可多級布置。每級並排橫列多根電極母管，使噴嘴在水平方向構成一個面，擴大反應區域面積，噴嘴母管之間的間距為50 100mm，噴嘴電極數量根據實際煙氣處理量及裝置大小可調。放電噴嘴電極垂直於多孔陰極板放置，極板間距採用50 200mm，極板間距為噴嘴間距的1 2倍。電極氣使用壓縮空氣，電極氣流量為煙氣流量的1/5 1/15。蜂窩式陶瓷催化劑層以TiA為載體，以具有高氧化活性的Co、Mn、Fe等的氧化物為活性組分，採用浸漬法製備，經擠壓成型、乾燥、煅燒等工藝製成。蜂窩式陶瓷催化劑層的製備方法為現有技術，非本發明的重要內容，在此不做詳細描述。蜂窩式陶瓷催化劑層放置在兩電極之間。作為優選，主反應器的殼體為不鏽鋼板結構，電極母管與電極氣罐管路連接。殼體由不鏽鋼板製成。殼體與電極之間進行絕緣保護，放電電極與殼體之間的距離必須大於噴嘴電極和多孔陰極板之間的距離。吸收裝置以氨水鹼溶液等為吸收劑，在NO :N02 1:1時可實現對NOx的有效吸收。作為優選，所述的主反應器為筒體結構，其上部和下部分別設有上煙道和下煙道， 筒體內部設置至少一層放電催化區，放電催化區由固定在筒體內壁上的自上而下依次分布的整流板、電極母管、蜂窩陶瓷催化劑層、多孔陰極板組成，電極母管下方設置有若干噴嘴， 電極母管與主反應器的殼體接觸部設有絕緣層。作為優選，所述的主反應器內部設置兩層放電催化區，放電催化區之間設置一層整流板。作為優選，主反應器與吸收裝置之間連接有氣體檢測設備，主反應器與高壓直流電源之間設有電流感應器；電極氣罐的出口處設有減壓閥。本發明與現有技術相比具有的有益效果本發明充分發揮了等離子體放電和催化的優勢，降低脫硝的溫度窗口，解決煙塵對催化劑的不利影響問題。利用低溫等離子體放電產生的自由基等高活性物質，提高了催化劑在低溫下的反應活性，同時降低了放電的能耗。 直流電暈放電協同催化氧化反應器可廣泛應用於大型工業裝置煙氣淨化領域，具有節能、 無汙染、構造簡單等優勢。


圖1是本發明裝置的系統連接示意圖2是圖1中本發明主反應器的內部結構示意圖。圖中，1主反應器，2高壓直流電源，3電流感應器，4電極氣罐，5減壓閥，6 氣體流量計，8吸收裝置，9引風機，10氣體檢測設備，11上煙道，12殼體，13電極母管，14噴嘴，15多孔陰極板，16蜂窩陶瓷催化劑層，17整流板，18絕緣層，19下煙道。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明的技術內容及實施方式進行進一步具體說明。以下實施例中所使用的技術，除非特別說明，均為本領域的技術人員已知的常規技術；所使用的儀器設備、試劑等，除非是本說明書特別說明，均為本領域的研究和技術人員可以通過公共途徑獲得的。實施例1
如圖1、圖2所示，直流電暈放電協同催化氧化脫硝裝置包括主反應器1、吸收裝置8 和引風機9，主反應器底部依次與吸收裝置和引風機連接，主反應器一側分別連接高壓直流電源2和電極氣罐4，電極氣罐4與主反應器之間設有氣體流量計6。電極氣罐的出口處設有減壓閥5。主反應器與吸收裝置之間連接有氣體檢測設備10，主反應器與高壓直流電源之間設有電流感應器3。主反應器為筒體結構，其上部和下部分別設有上煙道11和下煙道19，筒體內部設置兩層放電催化區，每層放電催化區由固定在筒體內壁上的自上而下依次分布的整流板 17、電極母管13、蜂窩陶瓷催化劑層16、多孔陰極板組成15，電極母管下方設置有若干噴嘴 14，電極母管13與主反應器的殼體12接觸部設有絕緣層18。噴嘴電極由電極母管13和噴嘴14組成，多孔陰極板15接地。兩層放電催化區之間設置一層整流板17。整流板上設有若干個均勻分布的孔，使氣體在主反應器內分布均勻。主反應器為不鏽鋼板結構，電極母管與電極氣罐管路連接。溫度為150 200°C的煙氣從主反應器1頂部的上煙道11進入反應室，經整流板 17使氣流均勻進入放電催化區。之後氣流經過噴嘴正電極，進入放電和催化共同作用區， 同時，電極氣(空氣)從電極氣罐出來經減壓閥5降至合適壓力後通過氣體流量計6進入主反應器，在主反應器的噴嘴14電極與多孔陰極板15之間的區域，在高壓直流電源2電壓為 20kV的條件下生成氧化性極強的放電自由基，煙氣中的NO在自由基和Mn-Fe/TiA蜂窩催化劑的協同作用下被部分氧化成NO2，氧化率達55%。噴嘴14電極及電極母管13由不鏽鋼管制成，噴嘴14的長度為10mm，外徑為3mm， 噴嘴間距為20mm。放電催化區一級布置。(一級布置只有一層催化劑)放電噴嘴電極垂直於多孔陰極板放置，噴嘴與多孔陰極板間距採用50mm。電極氣使用壓縮空氣，電極氣流量為煙氣流量的1/7，通過氣體流量計進行控制。本實施例設置兩組電極氣罐，電極氣輸出管路上並聯兩個氣體流量計，每個氣體流量計與電極母管相連通。煙氣穿過多孔陰極板15，經由位於主反應器底部的下煙道19排出，進入內置鹼液的吸收裝置8，在吸收裝置中，鹼液主要成分為氨水等鹼溶液，NO和NO2的總吸收率可達85%以上。淨化後的煙氣在引風機9的作用下經煙囪排出。本發明採用直流電暈放電，電極氣為空氣，是針對氮氧化物的氧化而設計的，使用以二氧化鈦為載體的固體催化劑；採用直流電暈放電將NO氧化為N02，並溼法吸收NO和 N02比例一定的混合氣體的來脫除氮氧化物，最終產物為硝酸鹽和亞硝酸鹽。本實施例中的蜂窩陶瓷催化劑層內的催化劑為Mn-Fe/TiA蜂窩催化劑，所述的催化劑只要是以TiA為載體以Co3O和/或MnO和/或F^O3為活性組分的催化劑均可實現本發明目的。蜂窩陶瓷催化劑層的製備方法可根據現有技術進行或者參見專利一種蜂窩式 SCR脫硝催化劑及其製備方法和設備(申請號200910044963.0)的內容。噴嘴的參數控制在一下範圍內即可長度為8 15mm，外徑為3 5mm，噴嘴間距20 100mm。
本發明中所描述的具體實施例僅僅是對本發明精神作舉例說明。本發明所屬技術領域的技術人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或採用類似的方式替代，但並不會偏離本發明的精神或者超越所附權利要求書所定義的範圍。儘管對本發明已作出了詳細的說明並引證了一些具體實例，但是對本領域熟練技術人員來說，只要不離開本發明的精神和範圍可作各種變化或修正是顯然的。
權利要求
1.一種直流電暈放電協同催化氧化的脫硝方法，其特徵在於電極氣在正負電極之間的高壓作用下進行放電生成放電自由基，煙氣中的NO在放電自由基與催化劑的作用下被部分氧化為N02，經鹼液吸收NO和NO2後排出。
2. 2.根據權利要求1所述的脫硝方法，其特徵在於所述的催化劑為以TiO2為載體以 Co3O和/或MnO和/或FiJ2O3為活性組分的催化劑。
3. 3.根據權利要求1或2所述的脫硝方法，其特徵在於煙氣經整流板分流後，煙氣氣流分布均勻地進入放電催化區，煙氣經過噴嘴電極，進入放電和催化共同作用區，同時，電極氣經主反應器的噴嘴電極生成放電自由基，放電自由基與煙氣在催化劑的作用下進行氧化反應，然後穿過多孔陰極板，之後經鹼液吸收NO和NO2後排出。
4.一種用於權利要求1所述方法的直流電暈放電協同催化氧化的脫硝裝置，其特徵在於該裝置包括主反應器(1)、吸收裝置(8)和引風機(9)，主反應器底部依次與吸收裝置和引風機連接，主反應器一側分別連接高壓直流電源(2)和電極氣罐(4)，電極氣罐與主反應器之間設有氣體流量計(6)。
5.根據權利要求4所述的脫硝裝置，其特徵在於所述的主反應器為筒體結構，其上部和下部分別設有上煙道(11)和下煙道(19)，筒體內部設置至少一層放電催化區，放電催化區由固定在筒體內壁上的自上而下依次分布的整流板(17)、電極母管(13)、蜂窩陶瓷催化劑層(16)、多孔陰極板組成(15)，電極母管下方設置有若干噴嘴(14)，電極母管與主反應器的殼體接觸部設有絕緣層(18)。
6.根據權利要求4或5所述的脫硝裝置，其特徵在於所述的主反應器內部設置兩層放電催化區，放電催化區之間設置一層整流板。
7.根據權利要求4或5所述的脫硝裝置，其特徵在於主反應器與吸收裝置之間連接有氣體檢測設備，主反應器與高壓直流電源之間設有電流感應器；電極氣罐的出口處設有減壓閥。
8.根據權利要求5所述的脫硝裝置，其特徵在於主反應器的殼體為不鏽鋼板結構，電極母管與電極氣罐管路連接。
9.根據權利要求5所述的脫硝裝置，其特徵在於噴嘴電極及電極母管由不鏽鋼管制成，噴嘴的長度為8 15mm，外徑為3 5mm，噴嘴間距20 100mm。
全文摘要
本發明屬於環保技術領域，尤其提供一種直流電暈放電協同催化氧化脫硝方法及其裝置。一種直流電暈放電協同催化氧化的脫硝方法，具體過程為電極氣在正負電極之間的高壓作用下進行放電生成放電自由基，煙氣中的NO在放電自由基與催化劑的作用下被部分氧化為NO2，經鹼液吸收NO和NO2後排出。本發明針對目前低溫等離子體放電脫除煙氣中NOX能耗較高的技術問題，利用直流電暈放電產生的自由基與催化劑之間的協同作用，可實現低溫無汙染脫除NOX的直流電暈放電協同催化氧化脫除煙氣中氮氧化物。本發明還提供一種實現上述方法的裝置。
文檔編號B01D53/86GK102553406SQ20111037229
公開日2012年7月11日 申請日期2011年11月22日 優先權日2011年11月22日
發明者餘春江, 倪明江, 吳衛紅, 周勁松, 宋浩, 岑可法, 張湧新, 徐甸, 方夢祥, 施正倫, 王勤輝, 王樹榮, 程樂鳴, 駱仲泱, 高翔 申請人:浙江大學