一種低溫等離子體協同過渡金屬氧化物催化劑氧化煙氣中汞的方法與流程
2024-04-06 16:59:05
本發明屬於燃煤煙氣脫汞領域，具體涉及低溫等離子體協同過渡金屬氧化物催化劑氧化煙氣中汞的方法。
背景技術：
以煤為主的能源結構造成了我國大氣汙染嚴重的現狀。煤燃燒除了向大氣中排放顆粒物、SO2以及NO等常規汙染物外，還可以引起汞汙染。由於汞的生物毒性、持久性以及生物累積性，燃煤煙氣中汞的排放及控制近年來受到了極大的關注。
目前，國內外研究工作者研究的重點放在與現有煙氣控制裝置結合實現汞的排放達到標準，主要包括噴射吸附劑（活性炭粉末、飛灰、鈣基吸附劑等）、噴射化學氧化劑、在煙道中裝備汞催化氧化裝置或利用SCR裝置增強汞的氧化等技術。近些年來，低溫等離子體技術因其能夠生成大量的活性物質，廣泛用於氧化煙氣中單質汞，能夠快速高效氧化煙氣中單質汞，具有其他技術無可比擬的優勢，得到了快速的發展。
針對低溫等離子體技術存在能量利用率低、副產物多等問題，等離子體催化技術應運而生，這種技術將等離子體和催化劑結合在一起，二者之間存在協同作用，可有效降低系統能耗，減少副產物的產生。
在催化脫汞中，常用的催化劑有貴金屬催化劑、過渡金屬氧化物等，由於過渡金屬氧化物具有良好的催化活性、低溫選擇性、穩定性等優點，成為研究熱點。因此，將過渡金屬氧化物引入等離子體催化系統中可以提高能量利用率減少副產物生成。然而，迄今為止，尚未有過渡金屬氧化物應用於等離子體催化反應系統氧化煙氣中單質汞的報導。
技術實現要素：
本發明的目的是針對低溫等離子體放電脫除煙氣中單質汞能量利用率低的技術問題，利用低溫等離子體與過渡金屬氧化物之間的協同作用，提供一種可實現低能耗高效氧化單質汞的方法。
本發明具體技術方案如下：
一種低溫等離子體協同過渡金屬氧化物脫汞的方法，具體過程為：含氧氣體經過等離子體反應器放電產生含氧活性物質，然後，煙氣中的部分單質汞與含氧活性物質進行反應生成汞的化合物，接下來，在催化劑的催化作用下，單質汞與催化劑表面的活性氧反應生成汞的化合物，達到氧化汞的目的。低溫等離子體和催化劑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，本文提出了低溫等離子體放電協同催化劑氧化煙氣中單質汞的方法。該方法具有能耗低、無二次汙染等優點，實現了低能耗無汙染脫除單質汞的目的。
本文所述的等離子體反應裝置採用電暈放電結構或介質阻擋放電結構，電暈放電裝置或介質阻擋放電裝置中的高壓電極為金屬板、金屬針、星形線、鋸齒線或芒刺線，低壓電極為金屬板或金屬網。
所用高壓電源是脈衝高壓電源、直流高壓電源或交流高壓電源，其中，交流高壓電源和脈衝高壓電源的電壓幅值和頻率根據實際工況調節。
本文所述的等離子體反應裝置放置形式有兩種：一種是等離子體反應器放置於煙道內，煙氣直接經過等離子體反應器；另一種是等離子體反應器插於煙道中，與煙道成一定角度，反應器產生的含氧活性物質注入煙氣中。
本文所述的等離子體反應裝置與催化劑的放置形式為：將催化劑單獨裝填在一個反應器內，該反應器串聯在等離子體反應器後面，形成兩段式等離子體催化反應器。
本發明所述的催化劑採用浸漬法製備，製備的催化劑為MnO2-WO3/TiO2、CuO-WO3/TiO2、CoO4-WO3/TiO2和CeO4-WO3/TiO2等催化劑。
與現有技術相比，本發明的優勢在於：利用低溫等離子體放電產生的高活性物質，降低了放電等離子體的能耗，同時提高了催化劑的反應活性。低溫等離子體協同過渡金屬氧化物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、無汙染等優勢。
附圖說明
圖1為低溫等離子體催化系統中不同過渡元素對單質汞氧化率的影響。
圖2為裝填過渡金屬氧化物催化劑的等離子體催化系統的結構示意圖。
圖3為單獨等離子體、單獨催化劑和等離子體催化系統脫汞效率。
圖4為低溫等離子體催化系統中混合煙氣成分對單質汞氧化率的影響。
具體實施方式
下面結合具體實施例對本發明作進一步地具體詳細描述。在
實施例1（見圖1）：在低溫等離子體-催化系統（見圖2）中，能量密度為2.6 J L-1，O2含量為6%，空速為57500 h-1，煙氣溫度為110 ℃，無H2O、NH3、NO和HCl，應用不同的催化劑MnO2-WO3/TiO2、CuO-WO3/TiO2、CoO4-WO3/TiO2或CeO2-WO3/TiO2，脫汞效率分別可以達到90%，85%，89%和87%。
實施例2（見圖3）：O2含量為6%，CeO2負載量為3%，空速為57500 h-1，實驗結果如圖3所示。由圖可以看出，反應溫度為110 ℃，能量密度為2.6 J L-1，放電催化體系中單質汞氧化率為86.6%，單一活性物質噴射體系單質汞氧化效率為46.7%，而單一催化體系單質汞氧化率為31.3%，因此，沿面放電活性物質噴射體系和CeO2-WO3/TiO2催化體系具有協同效應。
實施例3（見圖4）：在低溫等離子體- CeO2-WO3/TiO2催化系統中，煙氣是由6%O2、1200 ppmSO2、360 ppmNH3、360 ppmNO、4%H2O、3 ppmHCl和100 µg m-3Hg0組成。其它實驗條件為：CeO2負載量為3%，煙氣溫度為110 ℃，空速為57500 h-1，實驗結果如圖所示。由圖可以看出，能量密度為2.6 J L-1，單質汞的氧化率達到84%。
上述等離子體反應器為沿面型DBD反應器，由高壓電極，介質和接地電極三部分組成。高壓電極是直徑為0.5 mm的不鏽鋼絲纏繞的螺旋狀彈簧，高壓電極線徑4 mm，彈簧螺距4 mm。介質材料是石英玻璃，外徑7 mm，壁厚1.5 mm，內徑是4 mm，低壓電極是緊密纏繞在石英玻璃外面的鐵絲網，等離子體放電長度大約為25 mm。SDBD插入模擬煙道（外徑16 mm，內徑13 mm，長度1000 mm）內，模擬煙道是由石英玻璃加工而成。
上述催化劑大約處於等離子體反應器下遊50 mm處，重量為1.5 g。
上述所用的電源為交流電源，電壓的峰值為0-30 kV，頻率50 Hz.
實驗系統中，模擬煙氣總流量為2.0 L min-1，相應地煙氣空速分別為57500 h-1，沿面放電等離子體噴射的氣體流量為10 ml min-1。
以上結合若干個具體實施例，示例性說明及幫助進一步理解本發明，但實施例具體細節僅是為了說明本發明，並不代表本發明構思下全部技術方案，因此不應理解為對本發明總的技術方案限定，一些在技術人員看來，不偏離發明構思的非實質性改動，例如以具有相同或相似技術效果的技術特徵簡單改變或替換，均屬本發明保護範圍。