一種對燃燒系統所產生廢氣的脫硝裝置的製作方法

2023-06-02 12:07:01

專利名稱：一種對燃燒系統所產生廢氣的脫硝裝置的製作方法
技術領域：
一種對燃燒系統所產生廢氣的脫硝裝置技術領域[0001]本實用新型涉及一種對燃燒系統所產生廢氣的脫硝裝置，應用於含NOx氣體的淨化工藝，可用於電廠煙道氣、內燃機尾氣及其它工業化過程所產生的含NOx廢氣的汙染治理。
背景技術：
[0002]眾所周知，燃燒過程會產生大量的含NOx的氣體，NOx的濃度可達到幾百甚至上千 ppmg。NOx是所有氮氧化合物的總稱，其中約90%為NO。NOx被釋放到大氣中會導致酸雨的形成、空氣的汙濁，NO如進入大氣平流層還會造成臭氧層的破壞。煙氣/尾氣中的NOx主要來自燃料中的含氮化合物的氧化，也有一部分來自空氣中的分子氮的氧化。除了燃料中含氮化合物的濃度，鍋爐的負荷、燃燒溫度、空氣的富餘量以及燃燒停留時間等因素也是決定煙氣中NOx濃度的重要因素。如在實際的電廠中，僅僅鍋爐負荷的變化就可以造成NOx的排放量波動高達4倍左右。世界上的主要國家都對煙氣中NOx的排放實行限制，其排放標準有逐步嚴格的趨勢，這對煙氣中的NOx處理會提出越來越高的要求。[0003]現有煙氣的脫NOx技術包括已經商業化的選擇性催化還原法(SCR)和選擇性非催化還原法(SNCR)。選擇性催化還原法在煙氣中注入以氨氣(NH3)和氨水為主的化合物，氨在催化劑的作用下還原NO並生成無害的氮氣和水。氨還有助於後續的電除塵中飛灰的收集從而提高該裝置的運行效率。此反應必須在大約300-450 1之間進行，溫度太低則反應效率大大降低，而太高則會使得催化劑失效。為了利用煙氣中的餘熱，在發電廠，SCR反應裝置通常設在鍋爐出口後二次空氣預熱器之前。SNCR法採取與SCR類似的還原反應，還原劑一般採用尿素，不用催化劑催化而是選擇在高溫條件如1000-1200 ° C下進行反應，因此使用SNCR法時還原劑一般添加到鍋爐內接近出口部位具有所需要高溫的區段內。[0004]由於氨氣是不穩定的危險氣體,有刺激性氣味,因此在製備、運輸和儲存氨氣上有安全隱患，氨通常必須以液氨或氨水的形式儲存。為了保證較高的NOx去除率，在發電廠氨的投加量一般要適當過量，這樣就會造成氨洩漏的危險。氨除了有刺激性氣味，對動物和環境也有毒害作用。為了避免使用氨所帶來的一系列問題，研究人員提出了許多變通的SCR 或SNCR法。最為重要的變通方法是使用氨的替代物質，最為常用的氨的替代物質是尿素。 尿素在常溫下呈固體狀，非常穩定，其運輸和儲存都比較方便。然而，由於是固體，尿素的計量和投加比較困難，為了投加均勻並且形成很小的顆粒，工程中常常將尿素先溶於水配成 20 %的溶液，然後把溶液噴入煙氣中。由於水在攝氏1000多度高溫下揮發成氣體需要吸收熱量，因此將尿素配置成溶液來投加的方法會造成能量上的大量浪費。[0005]現有的SCR或SNCR所需還原劑的製備和添加技術有多種選擇，但都存在這樣那樣的問題。氨氣和氰酸分子量小，它們直接被用於NOx的還原反應，但是它們的運輸和儲存較為困難，且有較大的安全隱患，由於它們有刺激性，對環境有直接的危害，使用中如果洩漏將會對生活在周邊的居民造成較大的影響。尿素和三聚氰酸等固體還原劑在常溫常壓下性質穩定，加熱後它們能分解生成NO還原所需要的還原劑(如氨和氰酸等)，但是由於是固體，它們的均勻添加、計量和調節存在困難。由於在大多數氣相反應中，反應物的顆粒越小反應越容易進行，直接添加固體很難做到顆粒的最小化。另一種選擇是把固體先溶於液體中配成較稀的溶液然後噴灑到反應中去，這樣液體揮發後就會形成很小的固體顆粒。但液體揮發必然帶走一部分熱量，造成較大的能量浪費。在燃煤電廠使用尿素的SNCR法時，由於水的蒸發所帶走的能量可能高達發電量的1%。[0006]進一步的選擇是在把尿素和三聚氰酸先分解轉化為氨氣或氰酸氣體再投入還原反應中去，由於尿素和三聚氰酸的徹底分解需要用到約180 1和450 °C以上的高溫，因此，反應需要較高的能量；為了防止氰酸的聚合，反應必須在較低的壓力或有較大量的載氣作用下(以降低分壓)進行，這樣勢必對運行造成不小的麻煩，特別是當用於汽車尾氣NOx排放控制時，由於尾氣溫度較低，往往需要嚴格地控制尿素的添加。[0007]再進一步的發展是例如US Pat No 5，693，300和US Pat No 4，886，650所提出的那樣通過使用金屬催化劑來使得氨氣和氰酸全部或部分變成自由基活性顆粒來與NOx進行反應，這樣所需的還原反應溫度可以大大降低，但是，此法需要用到貴重的金屬催化劑，使用成本較高，同時使用固體催化劑床其反應條件比較難以調節，其反應質量也難以進行控制。實用新型內容[0008]本實用新型申請即是針對目前在對煙氣尾氣等廢氣處理中存在的上述不足之處， 提供一種在生產實際中更為安全可靠且運行成本低的煙氣和尾氣的裝置。[0009]本實用新型所述的裝置是利用一種非平衡等離子體(non-equilibrium plasma) 或非熱等離子體(non-thermal plasma)的發生和反應裝置,從尿素或三聚氰酸等含氮的固體物質來製備可用於還原NO的活性物質，以促進該反應的發生和發生的效率。[0010]本實用新型申請所述的裝置，利用等離子體反應裝置製備能還原NOx的活性自由基和其它活化激化分子，然後將製備得到的活性自由基和其它活化激化分子導入含NOx的廢氣通道，在催化劑或一定溫度的作用下把NOx還原成N2和CO2及水等無害的氣體。[0011]具體來說，本實用新型所述的對燃燒系統所產生廢氣的脫硝裝置，包括反應容器、 載氣進氣系統、正負電極、電源、固體加料系統和還原反應室，電源與所述裝置電連接，為所述裝置的各個部分供電，正負電極設置在反應容器內，固體加料系統與載氣進氣系統相連接後通入反應容器中，反應容器與還原反應室相通，含NOx的廢氣源也通入還原反應室內， 反應容器為電子、等離子體和待氣化的固體還原劑進行能量交換和反應的地方，正負電極為等離子體反應裝置提供電場，在電場內產生高壓放電。[0012]進一步的，所述正負電極設置在反應容器內的上方、下方或中間。[0013]電極的放置應保證等離子體載氣的全部或絕大部分通過電極之間的空間，並在電極區及通過電極區後形成等離子體。[0014]進一步的，所述的載氣進氣系統包括為反應容器提供等離子體化氣體源的等離子體載氣系統和為攜帶固體還原劑進入反應容器提供載體的輔佐載氣系統，等離子體載氣系統直接與反應容器相通，固體加料系統與輔佐載氣系統相通後再通入反應容器。[0015]可選擇的，所述的載氣進氣系統僅包括等離子體載氣系統，此時等離子體載氣系統兼作輔佐載氣系統，等離子載氣系統和輔佐載氣系統合二為一。[0016]進一步的，所述的反應容器的材質包括玻璃、陶瓷、工程塑料或不鏽鋼製成。[0017]進一步的，所述的反應容器的形狀包括圓柱體或長方體。[0018]進一步的，所述的等離子體載氣系統的進氣口設在反應容器的側壁、上底或下底上，或以導管導入反應容器內部任何位置，進氣口的數目為一個以上。[0019]所述的輔佐載氣系統通常為進料系統的組成部分，與固體加料系統配合使用。[0020]進一步的，所述的正負電極可以是單對電極也可以是多對電極組成的電極模塊， 正負電極分別連接到高壓電源的兩極，在兩電極之間產生3千伏到120千伏的電壓；高壓電源為等離子體反應裝置提供高壓直流電、高壓脈衝直流電、也可以是交流電，它一般使用常規交流電源(90-240伏)經變壓調頻電路把常規電源變成所需的電源；固體加料裝置提供固體進料的計量和投放，一般設在反應器頂部或側部，使得固體能均勻地加入到反應器中並與在電極間產生的電子或高能等離子體發生能量交換，從而被分解。[0021]無論採取何種電極及放電形式，在電極區所形成的自由電子的能量(電子溫度)在O.9-10 eV範圍之內，電子密度在IO6-IO18/cm3之間。等離子體載氣在這樣的電子作用下部分變成等離子體，當固體的燃燒添加劑加入反應裝置內的電極區或電極區後的等離子反應區與由等離子載氣產生的等離子體發生碰撞和能量交換，使得它們發生汽化、分解、成為或部分成為帶電離子或激化活化的分子，氣化/離子化/激化活化的還原劑成分(本實用新型中這種混合的氣體被稱為還原性等離子體)被引入到還原反應室(區)與NOx進行還原反應。[0022]進一步的，所述的等離子體載氣系統內的等離子體載氣包括空氣、氮氣、水蒸氣、 氫氣、氬氣、氦氣或煙氣尾氣等任何有利於形成還原性等離子體的氣體。可用作輔佐載氣的氣體種類和等離子體載氣相同。[0023]進一步的，所述的電極間高壓放電的形式可以是滑弧放電(gliding arc discharge)、電暈放電(corona discharge)、或介質阻擋放電(dielectric barrier discharge)等任何放電形式。[0024]進一步的，正負電極的布置及等離子體載氣的氣流可以設計成等離子體火炬 (plasma torch)、等離子體噴淋(plasma shower)、等離子體噴嘴(plasma nozzle)、管狀或板狀等離子體發生器等形式。[0025]固體還原劑等離子體化的反應時間隨固體還原劑的種類，還原劑含水率等的不同而不同，一般在0. 01-5秒之間，反應時間過長會浪費能量並有可能導致所生成的等離子體淬火而失去活性，當然，如果時間過短，能量吸收不充分，會導致等離子體化不充分。最佳的等離子反應時間應有現場的試驗決定。[0026]固體還原劑等離子化所需的溫度也由固體還原劑的種類決定，可以通過控制等離子體發生裝置的功率和載氣的流量來獲得所需的反應溫度，一般等離子體的表觀溫度需要在100 ° C以上，對溫度的上限並無特殊限制，只有當使用空氣或含有氧氣的煙道氣作載氣時該溫度才必須控制在還原劑的燃點以下以免發生燃燒，當使用空氣或含有氧氣的煙道氣作載氣時該溫度最高不能超過1200 ° C以免引起氮氣的氧化生成額外的N0X。[0027]等離子體反應裝置的高壓放電方式的選擇對還原性等離子體的製備並不是決定性的，不同的放電方式所具有的反應效率會略有不同，關鍵是電流電壓及其頻率和功率的調控、載氣種類的選擇和流量控制，相關參數的確定應以反應產物的等離子體化及保持高的NOx還原能力為準。等離子體化反應裝置的還原劑處理能力，根本性地取決於使得還原劑等離子體化所需的能量和電極所能提供的能量之間的平衡。對於選定的還原劑及其選定的等離子體放電方式、運行所需的電壓頻率及其功率以及載氣的種類和流量這些參數的最佳值必須通過現場試驗來確定。[0028]等離子體反應裝置也以設計成不帶有反應容器的開放式系統，在開放式等離子體反應系統中，還原劑前體與源於等離子體載氣的等離子體在電極區及電極後的開放空間發生反應，反應後所產生的還原性等離子氣體迅速與接近的NOx分子混合併發生反應。因此， 開放式等離子反應裝置適用於還原劑前體等離子體化反應極快的情形，並且常常設置在含 NOx的廢氣的通路內或NO還原反應的反應單元內。[0029]本實用新型所述的對燃燒系統所產生廢氣的脫硝裝置，具有以下的優點[0030]I、本實用新型與以往的煙氣尾氣還原法脫硝技術相比，採用了高壓放電的方式來促進產生還原性等離子體，等離子體的產生可以通過固體還原劑的投加、載氣的流量和電流功率的調節而靈活地調節，因此還原劑的投加可以隨著待處理氣體的流量及NOx濃度的變化而相應地變化。這樣做可以避免過量投加還原劑，從而大大節約固體還原劑的用量以及降低還原劑成分洩漏的風險；[0031]2、由於還原性等離子體除了保留基本氣體還原劑的還原特性，而且處於離子化或其它激化活化狀態，因此更容易與氣體的NOx發生反應，從而可以降低還原反應發生所需的溫度，也可以縮短反應的時間。這樣使得還原法可以在更大的溫度範圍進行。而可以提高反應裝置的反應效率，降低停留時間，或提高處理效果；[0032]3、由於等離子體反應裝置可以直接處理固體的還原劑，並且產生的產物為等離子化的氣體，因此可以避免使用大量的水來溶解固體還原劑，從而可以節約由此造成的能耗；[0033]4、使用本實用新型的還原劑等離子體反應裝置，無須使用催化劑，這樣一方面可以降低因使用催化劑所造成的成本，也可以擺脫催化劑催化反應單一的弊端，從而可以更加靈活的選擇還原劑。


[0034]圖I是本實用新型申請一個實施例的工藝流程框圖；[0035]圖2是本實用新型申請另一個實施例的工藝流程框圖。
具體實施方式
[0036]
以下結合附圖對本實用新型申請所述的對燃燒系統所產生廢氣的脫硝裝置進行描述說明，目的是為了公眾更好的理解本實用新型申請所述的技術內容，而不是對所述技術內容的限制，事實上，凡在本實用新型申請的創新精神實質內對所述裝置的改進，包括相同或近似的結構，都在本實用新型申請所要求保護的技術方案之內。[0037]實施例I[0038]如圖I所示，使用固體加料系統把固體還原劑加入到輔佐載氣系統上，輔佐載氣系統把固體還原劑帶入反應容器內的電極區或電極區後的反應區，在該區域，固體還原劑和源自等離子體載氣系統的等離子體發生碰撞和能量交換，從而得以氣化，並被全部或部分轉化成等離子體或激化活化分子，這種還原性等離子體被導入含NOx的廢氣通道，並和該廢氣一起進入還原反應室，在催化劑(SCR法)或一定溫度(SNCR法)的作用下把NOx還原成 N2和CO2及水等無害的氣體，處理後的氣體通過後續排放裝置排放。[0039]實施例2[0040]如圖2所示，使用固體加料系統把固體還原劑直接加入到等離子體載氣系統上， 等離子載氣把固體還原劑帶入反應容器內的電極區或電極後的反應區。隨後的步驟和實施例I相同。[0041]實施例3[0042]使用固體尿素作為還原劑前體；等離子反應裝置使用等離子體火炬；使用空氣作為在等離子體載氣和輔佐載氣，等離子載氣的流量為60升/分，輔佐載氣的流量為10升/ 分；電源採用電壓為I萬伏、頻率為120赫茲的直流變頻電源，額定功率為600瓦。等離子體載氣通過正負電極之間的電極區，在電場作用下發生等離子體化，固體尿素顆粒在輔佐載氣空氣的帶動下，通過專門的進氣通道被輸送到正負電極區的出口處，在那裡與通過了電極區的等離子體載氣混合，並發生能量交換；在電子和等離子體的作用下，固體尿素被氣化並被全部或部分等離子化，所形成的混合等離子體從出口噴出，並形成等離子體火焰；在等離子體火焰中，尿素氣體和其它等離子氣體繼續發生反應，形成還原性等離子氣體；該氣體被導入到煙道中溫度達到600 - 1100 ° C的地方與NO進行還原反應。該等離子體反應裝置每小時處理固體尿素I公斤以上，所產生的等離子氣體能處理煙氣3000立方米，NOx 的濃度從700ppmv降為300ppmv。[0043]實施例4[0044]等離子體反應裝置採用滑弧放電設計，電源採用電壓為10萬伏、頻率為120赫茲、功率為20千瓦的脈衝直流電源。等離子體載氣和輔佐載氣均採用空氣，載氣和輔佐載氣的流量分別為120和20立方米/小時，反應停流時間為4秒，每小時處理尿素40公斤， 所產生的等離子氣體通入煙道中SCR處理單元的前段與煙氣中的N0X&生混合，並在SCR處理單元中在還原催化劑的作用下與NOx發生還原反應。該系統每小時能處理12萬立方米燃煤煙氣，相當於30兆瓦燃煤發電機組所產生的煙氣量，處理後NOx的濃度可達到IOOppmv 以下。
權利要求1.一種對燃燒系統所產生廢氣的脫硝裝置，其特徵在於包括反應容器、載氣進氣系統、正負電極、電源、固體加料系統和還原反應室，電源與所述裝置電連接，為所述裝置的各個部分供電，正負電極設置在反應容器內，固體加料系統與載氣進氣系統相連接後通入反應容器中，反應容器與還原反應室相通。
2.根據權利要求I所述的脫硝裝置，其特徵在於所述正負電極設置在反應容器內的上方、下方或中間。
3.根據權利要求I所述的脫硝裝置，其特徵在於所述的載氣進氣系統包括為反應容器提供等離子體化氣體源以及為攜帶固體還原劑進入反應容器提供載體的等離子體載氣系統。
4.根據權利要求I所述的脫硝裝置，其特徵在於所述的載氣進氣系統包括為反應容器提供等離子體化氣體源的等離子體載氣系統和為攜帶固體還原劑進入反應容器提供載體的輔佐載氣系統，等離子體載氣系統直接與反應容器相通，固體加料系統與輔佐載氣系統相通後再通入反應容器。
5.根據權利要求I所述的脫硝裝置，其特徵在於所述的反應容器的材質包括玻璃、陶瓷、工程塑料或不鏽鋼。
6.根據權利要求I所述的脫硝裝置，其特徵在於所述的反應容器的形狀包括圓柱體或長方體。
7.根據權利要求I所述的脫硝裝置，其特徵在於所述的等離子體載氣系統的進氣口設在反應容器的側壁、上底或下底上，或以導管導入反應容器內部，進氣口的數目為一個以上。
8.根據權利要求I所述的脫硝裝置，其特徵在於所述的正負電極是單對電極或多對電極組成的電極模塊，正負電極分別連接到高壓電源的兩極，在兩電極之間產生3千伏到 120千伏的電壓。
9.根據權利要求7所述的脫硝裝置，其特徵在於所述的正負電極間高壓放電的形式包括滑弧放電、電暈放電或介質阻擋放電。
專利摘要本實用新型提供一種對燃燒系統所產生廢氣的脫硝設備，包括反應容器、載氣進氣系統、正負電極、電源、固體加料系統和還原反應室，電源與所述裝置電連接，為所述裝置的各個部分供電，正負電極設置在反應容器內，固體加料系統與載氣進氣系統相連接後通入反應容器中，反應容器與還原反應室相通，含NOx的廢氣源也通入還原反應室內，反應容器為電子、等離子體和待氣化的固體還原劑進行能量交換和反應的地方，正負電極為等離子體反應裝置提供電場，在電場內產生高壓放電。所述的裝置大大節約固體還原劑的用量以及降低還原劑成分洩漏的風險，並且可以縮短反應的時間，提高反應裝置的反應效率。
文檔編號B01D53/76GK202740992SQ20122027062
公開日2013年2月20日 申請日期2012年6月8日 優先權日2012年6月8日
發明者熊靚 申請人:深圳市泓耀環境科技發展股份有限公司