以觸媒降低氮氧化物的方法及其系統的製作方法
2023-05-09 05:19:31
專利名稱：以觸媒降低氮氧化物的方法及其系統的製作方法
技術領域：
隨著工業的發展，用電量的需求不斷攀升，各種火力發電設備及燃燒系統亦不隨著人類的需求不斷的增加，而燃燒所產生的廢氣卻造成了環保問題。氫氧化物(NOx)的主要來源為生產、生活中所用的媒、石油等燃燒的產物，其次是來自於生產或使用硝酸的工廠所排放的尾氣，NOx對人體、環境的影響簡述如下A、Nox與HC(碳氫化合物)於大氣中同時存在時，經紫外線照射會產生一種有毒的化學煙霧。
B、人體長期曝露於過量的NOx濃度下，會經由呼吸系統滲透至肺細胞中，且會妨礙身體各部份氧氣的輸送，直接對人體的健康產生威脅。
C、會抑制蔬菜、植物的生長，對整個生態環境造成極大的影響。
D、會產生酸雨，導致水族類及植物死亡、建築物酸蝕、頭髮掉落。
目前世界各國均開始對Nox氮氧化物開始嚴格的管制。
而目前公知的主流脫硝方法，計有選擇性觸媒還原法(Selected Catalytic Reduction，SCR)、選擇性非觸媒還原法(Sclected Non-Catalytic Reduction，SNCR)、與溼式除硝技術。其中又以SCR方法較為普遍與重要。
但目前SCR仍有許多不足之處，列示如下A、觸媒價格相當的昂貴。
B、設備體積過大觸媒床的體積相當的大。
C、初設成本過高SCR所需的還原劑需為氨或尿素(Ammonia)，需增設許多額外的儲存、處理、輸送設備，造成許多的成本，使初設成本大幅增加許多。在許多應用場合SCR的設置成本會比廢氣產生設備(柴油引擎、鍋爐)的設置費用還要高。
D、二次空氣汙染問題如氨(Ammonia)處理不當造成外洩時，會產生二次汙染問題。
E、操作成本過高SCR操作時需使用大量的氨或尿素(Ammonia)，所以操作成本亦相當的高。
茲將各種脫硝技術的比較表列述如下
由上表可知，公知的去除氮氧化物的各種方法，各有利弊，難臻完美。
為實現上述目的，本發明提供的一種以觸媒降低氮氧化物的方法包含下列步驟一廢氣引入步驟，將含有氮氧化物的廢氣，將廢氣的含氧濃度控制在適當範圍後，引入觸媒裝置內；一觸媒反應步驟，將所引入的廢氣予以觸媒轉化處理；一排放步驟，將該經觸媒轉化後的廢氣予排放。
其中得加置一去氧物導入步驟及一去氧反應步驟，該等步驟於廢氣的含氧量高於預設值時，先將去氧物引入廢氣中，並由去氧反應以降低含氧量(氧氣濃度)。
其中的預設含氧量(氧氣濃度)為0-5％濃度。
其得設一去氧反應室以供廢氣引入，且得設一輸送泵或風車，以泵或風車輸送去氧化物至該去氧反應室，並產生去氧反應。
其中的去氧物為選自汽油、柴油、重油、煤油、去漬油、瓦斯、天然氣、煤、氫、甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、甲烷、乙烷、丙烷、苯類，及自植物所提煉出的生物油(Bio-oil)等有機化合物，或可產生劇烈氧化反應的金屬如鈉、鎂等金屬，或火藥(硝化物)等去氧物。
其中的去氧反應步驟得經由點火裝置以產生去氧反應；該點火裝置可為點火棒、明火、線圈、火花產生器及可使去氧化物產生劇烈氧化現象以去除廢氣中的氧氣的等效物。
其中的去氧反應步驟，得經由一氧氣偵測裝置以偵測氧氣濃度，以及一溫度、壓力、流量偵測裝置以偵測溫度、壓力、流量，以作為去氧物引入量的參數。
其中的觸媒反應步驟所使用的觸媒為氧化還原性觸媒，且以如鉑(Pt)、鈀(Pd)、銠(Rh)、銀(Ag)等貴重金屬；或如鋁(Al)、銅(Cu)、鐵(Fe)、錳(Mn)、鈷(Co)、鉻(Cr)、釩(V)等一般金屬氧化物；或稀土族元素(鑭系(La)、錒系(Ac)等為佳，但不以此為限。
其中的觸媒反應步驟，得設一還原劑槽，以視需要狀況注入適當的還原劑；並得於反應前和/或後加設氮氧化物濃度偵測裝置，以做為注入還原劑數量的控制。
其中的觸媒反應步驟後，得加置氧氣濃度偵測及溫度、壓力、流量偵測。
本發明提供的一種以觸媒降低氮氧化物的系統，其包括一廢氣引入裝置，將含有氮氧化物的廢氣，將廢氣的含氧濃度控制在適當範圍後，引入觸媒裝置；一觸媒反應裝置，連通於廢氣引入裝置，使該廢氣為觸媒反應處理；一排放裝置，連通於觸媒反應裝置，以將觸媒反應後的廢氣排出。
其中得加置一去氧物貯槽以連通於一去氧反應室，該去氧反應室則分別連通於廢氣引入裝置及觸媒裝置，以含氧量高於預設值的廢氣可為注入去氧物及產生去氧反應；得加置一還原劑貯槽以連通於一觸媒反應裝置，以注入適當的還原劑以利觸媒反應。
其中含氧預設值為0-5％濃度。
其中的去氧物儲槽外部具一輸送泵或風車，由泵或風車輸送去氧物導入去氧反應室。
其中的去氧反應室與觸媒反應裝置間，得設至氧氣偵測裝置及/或溫度、壓力、流量偵測裝置，以為去氧反應室去氧物引入的參數；並得於觸媒反應前及/或後設置氮氧化物濃度偵測裝置，以為觸媒反應應引入還原劑的參數。
其中的觸媒反應裝置與排放裝置間，得加置氧氣、氮氧化物濃度偵測裝置及/或溫度、壓力、流量偵測裝置，以偵測觸媒反應後的氧氣濃度及/或溫度、壓力、流量。
其中的觸媒反應裝置的觸媒為氧化還原性觸媒，且以如鉑(Pt)、鈀(Pd)、銠(Rh)、銀(Ag)等貴重金屬；或氧化物如鋁(Al)、銅(Cu)、鐵(Fe)錳(Mn)、鈷(Co)、鉻(Cr)、釩(V)等一般金屬氧化物；或如鑭系(La)、錒系(Ac)等稀土族元素為佳，但不以此為限。
其中的去氧物為選自汽油、柴油、重油、媒油、去漬油、瓦斯、天然氣、媒、氫、甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、甲烷、乙烷、丙烷、苯類，及自植物所提煉出的生物油(Bio-oil)等有機化合物、或可產生劇烈氧化反應的金屬如鈉、鎂等，或火藥等去氧物。
圖1為本發明的系統示意圖。
其中，廢氣引入步驟A是以管線將排放的廢氣引入去氧反應室1以為進一步的去氧反應，使輸出的廢氣的含氧量達可為觸媒處理的程度，故若廢氣的含氧量在預設範圍以內，如0-5％以下時，則可無須此步驟。
去氧物引入步驟B為由一管路輸送由儲槽2所供應的可去氧反應去氧物質，該氛氧物質為但不限於如汽油、柴油、重油、媒油、去漬油、瓦斯、天然氣、媒、氫、甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、甲烷、乙炕、丙烷、苯類，及自植物所提煉出的生物油(Bio-oil)等有機化合物，或可產生劇烈氧化反應的金屬如鈉、鎂等金屬，或火藥(硝化物)等去氧物，為使其可為適量供應，故可由一輸送泵/風車21以泵送，而該輸送泵則可由偵測控制並計算輸送量，當廢氣的含氧量已在預設範圍內，如含氧量在0-5％範圍內時，可無須此步驟。
去氧反應步驟C是由一點火裝置如點火棒點火，並使前述的去氧化物產生去氧反應，以降低殘存於廢氣中的氮氧，使該廢氣的含氧量達可後續觸媒處理的程度，其經去氧反應去氧後的輸出，可經由一氧氣偵測裝置11以偵測含氧量，以及一溫度偵測裝置12以偵測溫度，用以分別調整去氧物的泵送量及廢氣溫度，此外，為偵測氫氧濃度，故可於前後各加置一氮氧偵測裝置13、14。
觸媒反應步驟D使前述經由去氧反應去氧後的廢氣，經過一觸媒裝置3，該觸媒為氧化還原性觸媒，如鈀或其他元素，但不以此為限，而其載體，則可為金屬、陶瓷…等，形狀亦可為板狀，蜂巢排列…等，因為此俱屬材料的選擇，故不擬贅述，為提供還原劑，故得設一還原劑槽31，並連通於觸媒裝置3，而為可控制的泵送。
排放步驟E為將觸媒反應後的廢氣，經由如煙囪排放，即可為降低氮氧化合物的廢氣，而達到無汙染或降低汙染的目的。
為證明本發明方法的可行性，經由實測，可由如下的兩個實施例為進一步證實。
實施例一模擬實驗範例設備實驗室內反應測試器觸媒採用PM氧化還原觸媒(CATALYST)觸媒空間速度12,000L/H反應測試器內控制溫度350℃氫氧化物(NOx)模擬氣體一氧化氮(NO)去氧物及還原劑模擬氣體丙烯(C3H8)將濃度為1100ppm的一氧化氮(NO)氣體，注入反應測試器，並同時注入濃度為900ppm的丙烯(C3H8)，將氧(O2)去除到0.5％濃度。
所得實驗結果反應溫度範圍區間為100-600℃當一氧化氮(NO)氣體與丙烯(C3H8)的比例(NO/HC ratio)小於20時，一氧化氮(NO)的轉化率為80％。
當丙烯(C3H8)與氧(O2)的比例(C3H8/O2ratio)小於1.4時，一氧化氮(NO)的轉化率為95％。
實施例二A、含氮氧化物(NOx)廢氣來源柴油引擎機組資料額定運轉功率100KW(仟佤)I、幹基排氣流量10Nm3/min(立方米/分鐘，在0℃、1大氣壓無水氣的狀態)II、廢氣含氧量(O2)10％III、氮氧化物(NOx)501ppmdv(百萬分之一，幹體體積比例)B、去氧物(燃料)柴油(熱值約8,800kcal/liter)C、觸媒貴重金屬觸媒(鈀及其他特別的元素)觸媒載體100cell/in2(於一平方英寸面積內的孔隙數)的蜂巢金屬載體。
D、控制廢氣含氧量的技術一般燃燒所產生的廢氣含氧量約為3-15％O2，將所選定的去氧物注入去氧反應室或排氣系統中以消耗廢氣中的氧氣。
※以本例去氧所需柴油數量計算如下1、廢氣中每分鐘所含氧的莫爾數10Nm3/min×10％×1000liter/m3÷22.4liter/mole@0℃latm＝44.6mole/min2、去氧反應式假設柴油的平均分子式為C8H18，則去氧反應每莫爾需要的氧莫耳數如下列反應式所列
3、所需去氧物流量將廢氣中氧(O2)10％濃度，降到6％氧(O2)所需注入的柴油流量為以本例計算氧需由44.6mole/min降低為26.8mole/min，需消耗17.8mole/min的氧。
化學反應式為
∵C8H18的分子量為(12×8)+(1×18)＝114∴消耗17.8mole/min的氧所需C8H18為＝＞114g/mole×1.4mole/min＝159.6g/min＝＞159.6g/min×60min/hr＝9576g/hr＝9.6kg/hrE、廢氣中含氧量與脫硝效率間的關係經實驗結果顯示廢氣中含氧量，與廢氣經過觸媒反應後的脫硝效率成反比，即廢氣中含氧量越低，經觸媒反應後的氮氧化物(NOx)得濃度越低。反之含氧量越高則脫硝效率越差。
F、廢氣中含氧量及所需去氧物的計算與量測i、可自觸媒床前端後觸媒床後端量測廢氣的含氧量，用以計算所需注入去氧物的多寡。
ii、當廢氣中的所含成份、流量固定時，其中的含氧量可經量測後假設為不變，即可計算出所須固定的去氧物。
iii、當廢氣中的所含的成份固定時，流量改變，其中的含氧量可經量測後偵測得的，可由流量的變動量計算出所須注入去氧物的量。
iV、當廢氣中所含的成份、流量隨去氧反應的狀態而有所改變時，需由氧氣偵測儀器量測，並將訊號傳送至計算控制系統，以計算出所需的去氧物注入量。
※本例採用氧氣偵測儀器於觸媒床前端量測。
G、觸媒種類的選擇為一種氧化還原性觸媒，H、觸媒載體的選擇i、蜂巢式金屬載體ii、蜂巢式陶瓷載體iii、發泡陶瓷載體iv、板式觸媒載體※本例採用100cell/in2(於一平方英寸面積內的孔隙數)蜂巢式金屬載體I、脫硝觸媒的反應溫度及反應效率脫硝觸媒的反應溫度區間為100-610℃，在此區間內溫度越高脫硝效率越高。
※本例的操作溫度為475℃J、降低初設成本及操作成本約為SCR(選擇性觸媒還原法)初設及操作成本的70-80％所以，經由本發明的實施，其可提供一有效且成本較低的降低乃至於去除廢氣中氫氧化合物的排放，此對產業界以及環保而言，具卓越的頁獻。
本發明所揭示的只是較佳實施例的一種，舉凡局部的變更或修飾而源於本發明的技術思想而為熟習該項技術的人所易於推知的，俱不脫本發明的專利權範疇。
權利要求
1.一種以觸媒降低氮氧化物的方法，其包含下列步驟一廢氣引入步驟，將含有氮氧化物的廢氣，將廢氣的含氧濃度控制在適當範圍後，引入觸媒裝置內；一觸媒反應步驟，將所引入的廢氣予以觸媒轉化處理；一排放步驟，將該經觸媒轉化後的廢氣予排放。
2.如權利要求1所述的以觸媒降低氮氧化物的方法，其特徵在於，得加置一去氧物導入步驟及一去氧反應步驟，該等步驟於廢氣的含氧量高於預設值時，先將去氧物引入廢氣中，並由去氧反應以降低含氧量(氧氣濃度)。
3.如權利要求1所述的以觸媒降低氛氧化物的方法，其特徵在於，其中的預設含氧量(氧氣濃度)為0-5％濃度。
4.如權利要求2所述的以觸媒降低氮氧化物的方法，其特徵在於，其得設一去氧反應室以供廢氣引入，且得設一輸送泵或風車，以泵或風車輸送去氧化物至該去氧反應室，並產生去氧反應。
5.如權利要求2所述的以觸媒降低氮氧化物的方法，其特徵在於，其中的去氧物為選自汽油、柴油、重油、煤油、去漬油、瓦斯、天然氣、煤、氫、甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、甲烷、乙烷、丙烷、苯類，及自植物所提煉出的生物油(Bio-oil)等有機化合物，或可產生劇烈氧化反應的金屬如鈉、鎂等金屬，或火藥(硝化物)等去氧物。
6.如權利要求2所述的以觸媒降低氮氧化物的方法，其特徵在於，其中的去氧反應步驟得經由點火裝置以產生去氧反應；該點火裝置可為點火棒、明火、線圈、火花產生器及可使去氧化物產生劇烈氧化現象以去除廢氣中的氧氣的等效物。
7.如權利要求2所述的以觸媒降低氛氧化物的方法，其特徵在於，其中的去氧反應步驟，得經由一氧氣偵測裝置以偵測氧氣濃度，以及一溫度、壓力、流量偵測裝置以偵測溫度、壓力、流量，以作為去氧物引入量的參數。
8.如權利要求1或2所述的以觸媒降低氫氧化物的方法，其特徵在於，其中的觸媒反應步驟所使用的觸媒為氧化還原性觸媒，且以如鉑(Pt)、鈀(Pd)、銠(Rh)、銀(Ag)等貴重金屬；或如鋁(Al)、銅(Cu)、鐵(Fe)、錳(Mn)、鈷(Co)、鉻(Cr)、釩(V)等一般金屬氧化物；或稀土族元素(鑭系(La)、錒系(Ac)等為佳。
9.如權利要求1或2所述的以觸媒降低氛氧化物的方法，其特徵在於，其中的觸媒反應步驟，得設一還原劑槽，以視需要狀況注入適當的還原劑；並得於反應前和/或後加設氮氧化物濃度偵測裝置，以做為注入還原劑數量的控制。
10.如權利要求1所述的以觸媒降低氮氧化物的方法，其特徵在於，其中的觸媒反應步驟後，得加置氧氣濃度偵測及溫度、壓力、流量偵測。
11.一種以觸媒降低氮氧化物的系統，其包括一廢氣引入裝置，將含有氮氧化物的廢氣，將廢氣的含氧濃度控制在適當範圍後，引入觸媒裝置；一觸媒反應裝置，連通於廢氣引入裝置，使該廢氣為觸媒反應處理；一排放裝置，連通於觸媒反應裝置，以將觸媒反應後的廢氣排出。
12.如權利要求11所述的以觸媒降低氮氧化物的系統，其特徵在於，得加置一去氧物貯槽以連通於一去氧反應室，該去氧反應室則分別連通於廢氣引入裝置及觸媒裝置，以含氧量高於預設值的廢氣可為注入去氧物及產生去氧反應；得加置一還原劑貯槽以連通於一觸媒反應裝置，以注入適當的還原劑以利觸媒反應。
13.如權利要求11所述的以觸媒降低氮氧化物的系統，其特徵在於，其中含氧預設值為0-5％濃度。
14.如權利要求12所述的以觸媒降低氮氧化物的系統，其特徵在於，其中的去氧物儲槽外部具一輸送泵或風車，由泵或風車輸送去氧物導入去氧反應室。
15.如權利要求12所述的以觸媒降低氮氧化物的系統，其特徵在於，其中的去氧反應室與觸媒反應裝置間，得設至氧氣偵測裝置及/或溫度、壓力、流量偵測裝置，以為去氧反應室去氧物引入的參數；並得於觸媒反應前及/或後設置氮氧化物濃度偵測裝置，以為觸媒反應應引入還原劑的參數。
16.如權利要求12所述的以觸媒降低氮氧化物的系統，其特徵在於，其中的觸媒反應裝置與排放裝置間，得加置氧氣、氮氧化物濃度偵測裝置及/或溫度、壓力、流量偵測裝置，以偵測觸媒反應後的氧氣濃度及/或溫度、壓力、流量。
17.如權利要求11或12所述的以觸媒降低氮氧化物的系統，其特徵在於，其中的觸媒反應裝置的觸媒為氧化還原性觸媒，且以如鉑(Pt)、鈀(Pd)、銠(Rh)、銀(Ag)等貴重金屬；或氧化物如鋁(Al)、銅(Cu)、鐵(Fe)錳(Mn)、鈷(Co)、鉻(Cr)、釩(V)等一般金屬氧化物；或如鑭系(La)、錒系(Ac)等稀土族元素為佳。
18.如權利要求12所述的以觸媒降低氮氧化物的系統，其特徵在於，其中的去氧物為選自汽油、柴油、重油、媒油、去漬油、瓦斯、天然氣、媒、氫、甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、甲烷、乙烷、丙烷、苯類，及自植物所提煉出的生物油(Bio-oil)等有機化合物、或可產生劇烈氧化反應的金屬如鈉、鎂等，或火藥等去氧物。
全文摘要
一種以觸媒降低氮氧化物的方法及其系統，其包含下列步驟(A)廢氣引入步驟，將含有氮氧化物的廢氣，依該廢氣的含氧量，選擇性地引入去氧反應室內(若廢氣的含氧量及溫度已在需求範圍內，則可不需用去氧反應室)；(B)去氧物引入步驟，依廢氣的含氧濃度將去氧物自儲槽中引入去氧反應室(若廢氣的含氧量及溫度已在需求範圍內，則可不需用導入去氧物)；(C)去氧反應步驟，於去氧反應室內使去氧物於反應室內產生去氧反應以形成去氧作用；(D)觸媒反應步驟，將去氧反應後的廢氣經過一觸媒裝置以為轉化(可依需要注入適當還原劑)；(E)排放步驟，將觸媒反應後的廢氣予以排放。
文檔編號B01D53/86GK1439450SQ0210525
公開日2003年9月3日 申請日期2002年2月22日 優先權日2002年2月22日
發明者梁博傑, 翁瑞裕 申請人:梁博傑, 翁瑞裕