氧活性粒子注入煙道中的羥基自由基氧化脫硫脫硝方法
2023-05-18 01:01:46 2
專利名稱：氧活性粒子注入煙道中的羥基自由基氧化脫硫脫硝方法
技術領域：
本發明屬於氣體電離放電、等離子體化學和環境工程應用技術領域，涉及氧活性 粒子、引發劑注入煙道中的羥基自由基氧化脫硫脫硝方法。
背景技術：
我國一次能源中70%是煤炭，煤炭燃燒過程中形成S02、NOx等氣體致使環境汙染 日趨嚴重，現有技術難以達到日趨嚴格的排放標準，因此不少學者進行探索性研究，其研究 結果表明現有技術存在不同程度的問題，氣體電離放電方法應時而生。早在1971年美國 波克大學就進行了高頻脈衝等離子體化學脫硫研究，SO2轉化率[(Cin-C。ut)/Cin]達到96%。 Masuda(1988，1989)和GiorgioDinelli (1990)進行高壓窄脈衝電暈放電非平衡等離子體 化學脫硫脫硝研究，在添加NH3吸收劑條件下模擬工業試驗，脫硫率達到80 %，脫硝率達到 60%。2000年中國工程物理研究院也進行了類似的12000m3/h的脈衝放電煙氣脫硫脫硝模 擬工業試驗，試驗結果表明其技術上仍然存在不少問題，尚處於試驗階段。2008年曹瑋等人 明確指出脈衝放電脫硫脫硝還需依靠傳統的液相洗滌吸收，催化氧化、活性劑吸附等技術 相結合，才可解決目前脈衝電暈放電煙氣脫硫脫硝方法存在的問題，而後者還是主體反應。 這是由於脈衝電暈放電通道中的電子具有平均能量僅為2eV左右，此能量大多用於N2振動 激勵上而消耗掉，脈衝放電並沒有用於煙氣脫硫脫硝反應上。早在1995年定方正毅就認定 脈衝放電脫硫脫硝是熱化學反應，產物是亞硫酸銨，可見增設的脈衝放電環節並沒有解決 汙染物和吸收劑的氧化回收問題。從多國眾多研究結果也表明了脈衝電暈放電技術存在的 產物是亞硫酸銨。在煙氣運行溫度條件下，亞硫酸銨是以氣態存在，回收不了，相反又新增 加了氨的汙染，這就表明了脈衝電暈放電並沒有起主導作用，也沒有解決氨幹法脫硫脫硝 方法中的銨鹽回收難題。另一個被公認為先進的氣體電離放電方法是電子束協同活性吸收劑、氧化還原劑 NH3法，並於1997年在我國成都200MW機組上進行30X 104m3/h煙氣量的工業試驗。試驗煙 氣溫度在58°C，添加吸收劑、氧化還原劑NH3條件下，其脫硫率達到了 80%以上，脫硝率僅 為18%，試驗結果表明解決了脈衝脫硫脫硝中銨鹽回收難題，回收率達到95%以上，比脈 衝脫硫脫硝的銨鹽回收率高出90%左右，而煙氣脫硝率低下的問題並沒有解決。目前的氣體電離放電脫硫脫硝存在問題1)燃煤、燃油煙氣需全部通過等離子體反應器，因而存在等離子體反應器體積龐 大、能耗高等問題；2)煙氣中N2通過等離子體反應器(源)的電場時，被離解、電離後與氧反應生成 新的N0X，一邊脫除NOx而一邊又生成新的N0X，可見氣體電離放電無法解決脫除NOx效率低 下的難題；3)電子束法真空系統等設備龐大，X射線輻射汙染嚴重；4)煙氣脫硫脫硝反應溫度低，需增設先降溫後升溫的龐大熱交換器；能耗又進一 步增加；
5)在脫硫脫硝反應過程，需添加氨等吸收、氧化還原劑及催化劑，以便增加其反應速率。
發明內容
本發明的目的是克服現有氣體電離放電煙氣脫硫脫硝方法不足之處，提供氧活 性粒子注入煙道中的羥基自由基氧化脫硫脫硝方法。此法是把小流量、高濃度氧活性粒 子(02+、O3等)注入煙道中，氧活性粒子中O2+與煙氣中水反應生成高初始反應速率常數 2. 2X IO6LAiol. s的過氧羥基離子H02_引發劑，氧活性粒子與引發劑進行等離子體反應生 成以· OH為主的活性粒子基團，氧化脫除大流量煙氣中微量的S02、NOx，並生成微小顆粒 (霧)；再經荷電凝並電場凝並後輸入到電除酸霧器，回收成酸液；最後再用化學方法分離 提純成硫酸、硝酸。本發明解決了目前煙氣脫硫脫硝存在的問題，實現了不用催化劑、吸收 劑和還原劑，不產生任何再汙染的副產品，不對環境產生任何負面影響的資源化幹法同時 脫硫脫硝的新方法。本發明解決其技術所採用技術方案是本發明的02+、03等氧活性粒子3注入煙道2 (或反應器)中與含S02、N0x煙氣1中 的水分子發生等離子體化學反應生成酸的方案如
圖1所示。本發明採用強電場電離放電方 法，製取小流量高濃度的O2+、O3等氧活性粒子3
注入煙道2 (或反 應器)中，氧活性粒子中O2+與含S02、N0x煙氣1中的水發生等離子體化學反應生成高濃度 (60mg/L 300mg/L)、高初始反應速率常數(2. 2X106L/mol. s)的H02_過氧羥基離子引發 齊U，02+、03等氧活性粒子3與引發劑H02_反應生成高濃度· 0H(30mg/L 150mg/L)，在長度 Im 20m煙道中· OH氧化脫除煙氣中S02、NOx，實現不用催化劑、吸收劑、還原劑及其它傳 統脫硫脫硝方法協同作用，· OH氧化脫除含S02、NOx煙氣1中的S02、NOx並生成酸霧，脫除 率分別達到80% 98%、85% 99. 8%，生成酸霧經具有荷電凝並性能的電除酸霧器8回 收成H2S04、HNCV混合的酸液9，從圖1可見，在煙道中形成規模、高濃度· OH是本發明的關 鍵技術與裝置。本發明的活性粒子注入煙道中的等離子體脫硫脫硝反應模型如圖2所示。此方案將為解決目前煙氣脫硫脫硝技術的存在問題提供一種有效、可行的新技 術、新方法。實施本發明的具體步驟是1.氧活性粒子製取。本發明關鍵技術是新研製產生高濃度02+、03等氧活性粒子3的氧活性離子產生器 5，其結構如圖3所示。它是由放電極板14、接地極12、電介質層16和隔片15等部件組成。 放電極板是由中間塗覆金屬材料和外層是極薄(330μπι)的電介質層16燒結而成的，也可 用不鏽鋼薄板加工成放電極板14，並在放電一側貼覆電介質層16 ；接地極12是用鈦或不鏽 鋼加工成空腔板件，並在冷卻液體或O2氣入口 17輸入冷卻劑來調控等離子體反應過程的 溫度，在接地極表面上也可噴冶一層薄的電介質層16，電介質材料為超微細的純淨Al2O3粉 體。本發明採用介質阻擋強電場電離放電方法把O2製成濃度達到80mg/L 400mg/L 的氧活性粒子，在放電極與接地極之間的0. 5mm 0.01mm放電間隙中建立折合電場強度在 200Td 400Td範圍內電離放電場，電子從電場中獲得平均能量達到6eV 9eV，其中大部 分電子所具有的最有用能量(8. 4eV 12. 5eV)將沉積在O2上，足以把O2離解、電離成高濃
4度活性粒子，並在電場參數調控下分別定向合成氧活性粒子O2^OyO(3P)W(1D)。產生氧活 性粒子等離子體反應模式如圖2中A所示，其等離子體反應式
權利要求
一種氧活性粒子注入煙道中的羥基自由基氧化脫硫脫硝方法，是把氧活性粒子〔O2+、O3、O(1D)、O(3P)〕注入到長達1m～20m煙道或反應器中，氧活性粒子與煙氣中水反應生成羥基自由基·OH，並在1～10s內·OH氧化脫除煙氣中SO2、NOx並形成酸霧滴，經荷電凝並、電除酸霧器捕集成硫酸和硝酸混合液，其特徵是a)氧活性粒子中O2+等與煙道裡煙氣中的水反應生成初始反應速率為2.2×106L/mol.s的過氧羥基離子HO2 引發劑，當O2+濃度為108/cm3～1014/cm3範圍時生成HO2 濃度達到60mg/L～300mg/L；b)HO2 引發劑與濃度為80mg/L～400mg/L的氧活性粒子反應生成羥基自由基·OH，其濃度達到30mg/L～150mg/L；c)煙氣溫度在40～120℃、含水量在5～16％範圍內，在沒有添加催化劑、吸收劑、還原劑及無任何協同作用下，·OH氧化脫硫脫硝率分別達到80％～98％、85％～99.8％；d)煙氣中硫硝資源回收率達到50％～98％。
全文摘要
一種氧活性粒子注入煙道中的羥基自由基氧化脫硫脫硝方法，屬於氣體電離放電、等離子體化學和環境工程應用技術領域。其特徵是濃度為80～400mg/L氧活性粒子〔O2+、O3、O(1D)、O(3P)〕注入煙道中，其中O2+與煙氣中H2O反應生成HO2-引發劑，氧活性粒子與引發劑HO2-進行等離子體反應生成·OH，其反應時間為1μs～1ms；·OH氧化脫除煙氣中SO2、NOx並生成亞微粒酸霧，其反應時間在1～10s；再經荷電凝並後收集成混合酸液；最後經化學方法分離提純成硫酸、硝酸，酸資源回收率達到50％～98％。本發明的效果和益處是解決了目前煙氣脫硫脫硝存在的問題，實現了不用催化劑、吸收劑和還原劑，不產生任何再汙染的副產品，不對環境產生任何負面影響的資源化幹法同時脫硫脫硝的新方法。
文檔編號B01D53/76GK101961596SQ201010235950
公開日2011年2月2日 申請日期2010年7月19日 優先權日2010年7月19日
發明者冷宏, 張芝濤, 楊波, 白敏冬, 白敏菂, 薛曉紅 申請人:大連海事大學