專利名稱：吸附－低溫等離子體同步脫硫脫硝裝置及其方法
技術領域：
本發(fā)明是一種針對所有燃煤鍋爐以及以含硫含氮物質作為燃料的鍋爐的燃燒后尾氣中二氧化硫和氮氧化物的凈化處理裝置及方法，尤其是一種吸附-低溫等離子體同步脫硫脫硝裝置及其方法，屬于廢氣處理中煙氣脫硫脫硝的技術領域。
背景技術：
國外正在應用以及尚在研究開發(fā)的煙氣治理技術有如下幾種1)NOXSO技術NOXSO技術由美國能源部匹茲堡能源中心(PETC)及NOXSO公司合作開發(fā)，為干法吸收技術，可同時去除煙氣中的SO2及NOx。所用吸收劑為浸漬了碳酸鈉的γ-Al2O3圓球(1.6mm)，處理過程包括吸收、再生等步驟。試驗是在60kW發(fā)電機組產(chǎn)生煙氣的LCTU裝置上進行，研究了工藝參數(shù)對SO2及NOx去除率的影響、吸收劑性能隨使用時間的變化、再生氣體種類對再生效果的影響等。采用此技術SO2的去除率可達90％，NOx的去除率可達70％-90％。
2)SNOX技術SNOX技術由丹麥Haldor-TopsΦeA/S公司與Elkraft AMBA和KobenhavnBelysning-Svaesen開發(fā)。它是將SO2氧化為SO3，再制成硫酸；NOx用氨還原法去除。采用此工藝可消除93％-97％的SO2和90％的NOx。此技術的特點是不產(chǎn)生廢水及廢物；可回收濃硫酸；可同時脫除SO2、NOx；除需要用NH3還原NOx外，整個處理過程不需其他化學品；高達270℃的煙氣及將SO2氧化為SO3產(chǎn)生的熱量可用于預熱空氣或生產(chǎn)蒸汽。此工藝的操作費用較低，且費用隨SO2含量的增加而降低。
3)DESONOX/REDOX工藝
DESONOX/REDOX工藝是德國Degussa A.G與Stadtwerk Münster等公司共同開發(fā)的，可同時脫除煙氣中的SO2、NOx、CO及未燃燒的烴類物質。NO用氨催化還原法除去，CO及烴類物質氧化為CO2和水，SO2轉化為SO3后制成硫酸。此工藝的優(yōu)點為SO2、NOx脫除率高，不產(chǎn)生二次污染，技術簡單，投資及運行費用低，適用于老廠改造。其中氨選擇催化還原過程脫除NOx，可采用多種催化劑，如V2O5/TiO2、Fe2O3、沸石等。
REDOX工藝煙氣與氨混合進入REDOX反應器，在反應器第一段，NOx被還原為N2和H2O，在反應器第二段，CO和烴類物質氧化為CO2及H2O，尾氣中所含污染物濃度很低，可直接排入大氣。
4)尿素法尿素凈化煙氣工藝由俄羅斯門捷列夫化學工藝學院等單位聯(lián)合開發(fā)，可同時去除SO2和NOx，SO2的脫除率近100％，NOx脫除率＞95％。此工藝采用的吸收液pH為5-9，對設備無腐蝕作用，SO2、NOx的脫除率與煙氣中NOx、SO2的濃度無關，尾氣可直接排放，吸收液經(jīng)處理后可回收硫酸銨。
5)電子束照射法電子束照射法是靠大功率電子槍產(chǎn)生的高能電子(400～800keV)脫硫脫硝。利用電子輻照燃燒后的廢氣，使其中的SO2、NOx、H2O、O2等氣體分子激活，電離甚至裂解產(chǎn)生強氧化性物質(如OH、·HO2、·O等活性粒子)，并氧化酸雨元兇SO2和NOx，使形成H2SO4和HNO3，再通入氨與之反應生成可作為農用化肥使用的(NH4)2SO4和NH4NO3粉末。電子束原理是通過直流高壓電源和電子加速器可產(chǎn)生高能量的高速電子促進分子間的化學反應。電子束脫硫脫硝的裝置由冷卻設備、反應設備、和集塵設備三部分組成。利用電子束脫硫脫硝時，不需要對原有燃燒爐進行改造，只把燃燒后的廢煙氣引入處理裝置就可以了。運行時首先把廢氣送入冷卻塔，噴射冷卻水使其冷卻，然后在反應器中同氨氣進行混合，在電子束照射下，通過瞬間的化學反應轉化為(NH4)2SO4和NH4NO3，用集塵器回收并送入造粒設備中處理。廢氣中SO2和NOx就變成了農用化肥，用這種方法制造的化肥經(jīng)栽培實驗已達到了普通化肥的效果。
6)脈沖電暈等離子體法脈沖電暈等離子體法是靠脈沖高壓電源在普通反應器中形成等離子體，產(chǎn)生高能電子(5～20eV)，由于它只提高電子溫度，而不提高離子溫度，能量效率比電子束照射法高兩倍。脈沖電暈等離子體法設備簡單、操作簡便，投資較電子束照射法低40％，目前是干法脫硫的前沿。脈沖電暈放電法是從電子束法發(fā)展而來的煙氣脫硫脫硝技術。其機理與電子束法基本相同。兩者主要區(qū)別是，后者利用快速上升的窄脈沖電場加速而得到高能電子形成非平衡等離子體狀態(tài)，產(chǎn)生大量的活性粒子，而驅動離子的能耗極小，因而較前者能量利用率高，同時獲得較高的脫硫脫硝效率。由于這種方法設備簡單、投資省、操作方便以及對煙氣進行脫硫脫硝一次性治理所消耗的能量比當前治理任何一種氣體所要消耗的能量要小得多，因而成為國際上脫硫脫硝的研究前沿。目前各國學者認為電子束法或脈沖電暈放電法脫硫脫硝是最可取的方法，為當前全面治理SO2和NOx提供了可能性。

發(fā)明內容
技術問題本發(fā)明的目的是提供一種以低溫等離子體技術為主，結合吸附催化劑，使SO2和NOx分別按照氧化反應途徑和還原反應途徑進行的吸附-低溫等離子體同步脫硫脫硝裝置及其方法。
技術方案本發(fā)明的吸附-低溫等離子體煙氣SO2和NOx同步脫除裝置由兩個相同的吸附-低溫等離子體反應器并聯(lián)連接構成的煙氣脫硫脫硝反應器、風機、濃硫酸池、纖維除霧器順序串聯(lián)所組成；同步脫硫脫硝方法為二個吸附-低溫等離子體反應器中的等離子體發(fā)生器交替使用。煙氣脫硫脫硝反應器的吸附-低溫等離子體反應器中安裝有若干個線-筒式(或線-板式)等離子體發(fā)生器，其內裝填有吸附催化劑，吸附催化劑為γ-Al2O3和沸石載體類與金屬、金屬氧化物的復合物；高壓脈沖電源與兩個吸附-低溫等離子體反應器中的等離子體發(fā)生器相接；主煙氣經(jīng)進氣閥流入兩個相同的吸附-低溫等離子體反應器之一，已脫除二氧化硫和氮氧化物的煙氣通過吸附-低溫等離子體反應器排氣閥排出，經(jīng)引風機和煙囪排放大氣；另一吸附了二氧化硫和氮氧化物的吸附-低溫等離子體反應器與煙氣隔離，等離子體發(fā)生器工作，含二氧化硫和氮氧化物的煙氣與吸附催化劑反應，SO2并轉換為SO3，NOx轉換為無害的N2；反應產(chǎn)物通過流量調節(jié)閥門由風機送入濃硫酸池轉化為H2SO4，通過纖維除霧器排出潔凈氣體。
本發(fā)明脫硫脫硝的方法為a、將含二氧化硫和氮氧化物的煙氣從進氣端通入吸附-低溫等離子體反應器中，與反應器中的吸附催化劑反應，將含二氧化硫和氮氧化物煙氣中的SO2和NOx吸附在反應器中，反應時間為600～3000s，b、向吸附-低溫等離子體反應器內輸入平均能量為1w/m3煙氣～100w/m3煙氣的等離子體場，使等離子體與SO2和NOx作用，分別將SO2轉換為SO3，將NOx轉換為N2，作用時間1s～300s，c、將吸附-低溫等離子體反應器中的一個反應器的部分主流煙氣從本反應器的煙氣出口引入另一個反應器的引風端，d、由引風端引入的支流煙氣將SO3送入濃硫酸池使SO3轉化為H2SO4，e、通過纖維除霧器排出潔凈氣體。
二個并聯(lián)的吸附-低溫等離子體反應器中的等離子體發(fā)生器由能量切換裝置控制輪換使用，即第一個反應器吸附SO2和NOx過程中，已吸附飽和SO2和NOx的第二個反應器進行等離子體催化聯(lián)合反應，生成SO3和N2，其中SO3轉換成H2SO4；待第一個反應器吸附飽和，第二個反應器輪換為吸附SO2和NOx過程中，第一個反應器進行等離子體催化聯(lián)合反應，生成SO3和N2，其中SO3轉換成H2SO4；上述過程反復重復，產(chǎn)生等離子體工作時間短于吸附催化劑SO2和NOx飽和吸附時間。
在吸附-低溫等離子體反應器中的吸附催化劑為γ-Al2O3和沸石載體與金屬、金屬氧化物的復合物。
其反應機理如下通過脈沖放電產(chǎn)生的等離子體中含有大量高能電子、離子、激發(fā)態(tài)粒子和具有很強氧化性的自由基，其中活性粒子的平均能量高于氣體分子的鍵能。這些活性粒子和有害分子碰撞的結果一方面打開氣體分子鍵生成一些單原子分子和固體微粒；另一方面產(chǎn)生大量·OH、·HO2、·O、N*等自由基。由這些單原子分子、自由基等組成的活性粒子所引起的化學反應最終將廢氣中的有害物質變成無害物質。
SO2轉換的機理為活性粒子·O和·OH與吸附于固體表面的SO2分子，經(jīng)過一系列以活性粒子或自由基為基體的復雜的電化學反應
最終產(chǎn)物為H2SO4。
NOx轉換的機理為
NO被N還原為N2脫除。
本發(fā)明的工藝流程是模擬移動床過程，吸附和等離子體催化反應分別交替進行。
SO3轉化為H2SO4的反應器(濃硫酸池)與等離子體催化過程的反應器連接，由引入的支流煙氣將SO3帶入濃硫酸池中，氣體處理量是總煙氣量的1％(此數(shù)值為支流煙氣量與主流煙氣量之比值)，SO3轉化為H2SO4的反應器裝置小，克服了大規(guī)模酸霧除霧的困難。
有益效果本發(fā)明無需任何脫硫脫硝劑，生成產(chǎn)物是工業(yè)原料硫酸和可直接排入大氣的無害N2，無廢物排放，可資源再利用，提高整體的經(jīng)濟效益；較連續(xù)等離子體反應器節(jié)省電力約50％。本發(fā)明以低溫等離子體技術為主，結合吸附催化劑，使SO2和NOx分別按照氧化反應和還原反應的途徑同步進行脫除，具有設備簡單、投資少、占地面積小、能耗小、無二次污染、運行周期長和廣泛適用于各種型號鍋爐煙氣脫硫脫硝等優(yōu)點。
本發(fā)明采用的γ-Al2O3和沸石載體催化劑具有很大的比表面積因而能產(chǎn)生較大的擴散力，是出色的吸附劑；由于吸附性能好，吸附表面積大，可以容納相當多數(shù)量的吸附物質，因而能促使化學反應在其表面上進行，所以γ-Al2O3和沸石作為有效的催化劑和催化載體；有較強的耐熱耐酸堿性；具有化學反應性、遠紅外輻射性、可逆脫水性等工藝性能。其最大優(yōu)點是對各種極性化合物和不飽和化合物具有高度的吸附選擇性。γ-Al2O3和沸石載體吸附催化劑對SO2和NOx有強烈選擇性吸附，顆粒表面SO2和NOx富集，吸附量大。質量吸附率(吸附質SO2質量或NOx質量/γ-Al2O3和沸石載體吸附催化劑質量)分別達3％～5％和1％以上。


圖1是本發(fā)明的總體結構示意圖。其中有煙氣進氣閥11；排氣閥12、引風進氣閥13、流量調節(jié)閥門14；吸附-低溫等離子體反應器2；主煙氣進氣端21；引風端22；主流煙氣出氣端23；反應產(chǎn)物出口24；等離子體發(fā)生器25高壓脈沖電源3；能量切換裝置4；風機5；濃硫酸池6；纖維除霧器7。
圖2是等離子發(fā)生器25(線-筒式)的結構A-A剖視圖。其中有中心電極251；管式容器252。
圖3是等離子發(fā)生器25(線-筒式)的結構俯視圖，筒狀接地端253。
圖4是等離子發(fā)生器25(線-板式)的結構主視圖。其中有中心電極254；方形容器255；板式接地端256。
圖5是等離子發(fā)生器25(線-板式)的結構B-B剖視圖。
具體實施例方式
γ-Al2O3和沸石載體具有很大的比表面積因而能產(chǎn)生較大的擴散力，是出色的吸附劑；由于吸附性能好，吸附表面積大，可以容納相當多數(shù)量的吸附物質，因而能促使化學反應在其表面上進行，所以γ-Al2O3和沸石又作為有效的催化劑和催化載體；有較強的耐熱耐酸堿性；具有化學反應性、遠紅外輻射性、可逆脫水性等工藝性能。其最大優(yōu)點是對各種極性化合物和不飽和化合物具有高度的吸附選擇性。
吸附反應條件為吸附溫度為室溫，吸附劑質量為10g，氣體配比為750ppm的NO氣體，1500ppm的SO2，其余氣體為N2，流量為0.85L/min。在吸附了9000s后反應器出口NO氣體濃度還不超過30ppm，同時測得SO2的氣體濃度為5ppm。NO質量吸附率達約1.2％，SO2質量吸附率達約5％。
吸附催化劑對SO2和NO有強烈選擇性吸附，顆粒表面SO2和NO富集，吸附量大。
等離子體脫附條件為已飽和吸附的脫附劑，質量為10g，脫附溫度為室溫，輸入等離子體能量為20W，在這個能量下約200s，SO2釋放量達到1200ppm，NO釋放量達到500ppm，然后SO2和NO都大量解吸釋放。將輸入能量設定到32W，這一段時間內SO2和NO的脫附速度更快。能量對等離子體脫附有直接的促進作用，進一步提高能量發(fā)現(xiàn)SO2和NO脫附時間更短。
本發(fā)明的吸附-低溫等離子體煙氣SO2和NOx同步脫除裝置由兩個相同的吸附-低溫等離子體反應器2并聯(lián)連接構成的煙氣脫硫脫硝反應器、風機5、濃硫酸池6、纖維除霧器7順序串聯(lián)所組成；在吸附-低溫等離子體反應器中安裝有若干個線-筒式(或線-板式)等離子體發(fā)生器25，其內裝填有吸附催化劑，吸附催化劑為γ-Al2O3和沸石載體類與金屬、金屬氧化物的復合物；吸附-低溫等離子體反應器2的主煙氣進氣端21與煙氣進氣閥11相接，主流煙氣出氣端23與排氣閥12相接，排氣閥12的出口分別接另一個吸附-低溫等離子體反應器2的引風端22和煙囪的煙道，反應產(chǎn)物出口24通過流量調節(jié)閥門14接風機5；高壓脈沖電源3通過能量切換裝置4分別與兩個吸附-低溫等離子體反應器2的等離子體發(fā)生器25相接。
煙氣主流流經(jīng)吸附-低溫等離子體反應器2后從主流煙氣出氣端23由煙氣排氣閥12調節(jié)直接送入通往煙囪的煙道，對于并聯(lián)的兩個吸附-低溫等離子體反應器2，從對方的煙氣主流出口引入一定量的煙氣由各自的吸附-低溫等離子體反應器2的外側引風端22通過引風進氣閥13調節(jié)一定的流量進入其中，使各自引入的支流煙氣通過吸附-低溫等離子體反應器2帶走反應產(chǎn)物，吸附-低溫等離子體反應器2的反應產(chǎn)物出口24經(jīng)過流量調節(jié)閥門14接風機5，在吸附-低溫等離子體反應器2中的吸附催化劑為γ-Al2O3和沸石載體與金屬或金屬氧化物的復合物。如沸石類采用5A分子篩、絲光沸石；金屬或金屬氧化物采用Na、Fe、Mn、Zn等或其氧化物；γ-Al2O3和沸石載體金屬或金屬氧化物＝10∶1～100∶1。
本發(fā)明將由電廠除塵器尾部排出的煙氣(溫度通常在100℃-200℃)經(jīng)過煙氣進氣閥11通入吸附-低溫等離子體反應器2中。反應器由若干個線-筒式(或線-板式)等離子體發(fā)生器組成，其內裝填有高效吸附催化劑。反應器采用間歇工作方式，即將反應器設計成兩個主通路，根據(jù)煙氣流量和吸附催化劑性能等參數(shù)決定煙氣在某一主通路的流經(jīng)時間，當該通路內的吸附催化劑將主流煙氣中的有害氣體SO2和NOx吸附飽和后，通過控制煙氣進氣閥11切換使煙氣從另一主通路中流過。此時將已通過煙氣的、內部吸附催化劑已飽和的主通路由高壓脈沖電源3(電壓在30KV左右，電源頻率在1-10KHz)提供能量反應驅動，在反應器中產(chǎn)生低溫等離子場進行反應，此反應可在相當短時間內完成。隨后，由反應器外側引風端從另一反應器的出氣端引入一定量的主流煙氣流經(jīng)反應器一段時間將反應產(chǎn)物帶出反應器進入下一流程。同時，當另一主通路尾氣流經(jīng)時間已到而被切換時可將能量通過能量切換裝置4及時注入該通路繼續(xù)運作。如此兩個反應器不斷交替運作。反應帶出產(chǎn)物為含有硫酸霧的氣體，保持氣體溫度在100℃-200℃，經(jīng)由風機5將其通入濃硫酸池6中洗滌，再經(jīng)過纖維除霧器7將洗滌過后殘余的酸霧去除，達到脫硫的目的。該方法可使脫硫脫硝效率都穩(wěn)定在90％以上。
本發(fā)明的吸附-低溫等離子體煙氣SO2和NOx同步脫除裝置的同步脫硫脫硝方法為a、含二氧化硫和氮氧化物煙氣從主煙氣進氣端21通入吸附-低溫等離子體反應器2中，與反應器中的吸附催化劑反應，將含二氧化硫和氮氧化物煙氣中的SO2和NOx吸附在反應器中，反應時間為600～3000s，b、向吸附-低溫等離子體反應器2內輸入平均能耗為1w/m3煙氣～100w/m3煙氣的等離子體場，使等離子體與SO2和NOx作用，分別將SO2轉換為SO3，將NOx轉換為N2，作用時間1s～300s，c、將吸附-低溫等離子體反應器2中的一個反應器的部分主流煙氣從本反應器的煙氣出口23引入另一個反應器的引風端22，d、由引風端22引入的支流煙氣將SO3送入濃硫酸池6使SO3轉化為H2SO4，e、通過纖維除霧器7排出潔凈氣體。
二個并聯(lián)的吸附-低溫等離子體反應器2中的等離子體發(fā)生器25由能量切換裝置4控制輪換使用，即第一個反應器吸附SO2和NOx過程中，已吸附飽和SO2和NOx的第二個反應器進行等離子體催化聯(lián)合反應，生成SO3和N2，SO3轉換成H2SO4；待第一個反應器吸附飽和，第二個反應器輪換為吸附SO2和NOx過程中，第一個反應器進行等離子體催化聯(lián)合反應，生成SO3和N2，SO3轉換成H2SO4；上述過程反復重復，產(chǎn)生等離子體工作時間短于吸附催化劑SO2和NOx飽和吸附時間。
權利要求
1.一種吸附—低溫等離子體同步脫硫脫硝裝置，其特征在于該裝置由煙氣脫硫脫硝反應器、風機(5)、濃硫酸池(6)、纖維除霧器(7)順序串聯(lián)所組成；其中，煙氣脫硫脫硝反應器由兩個相同的吸附—低溫等離子體反應器(2)并聯(lián)連接構成；在吸附—低溫等離子體反應器(2)中安裝有若干個線—筒式(或線—板式)等離子體發(fā)生器(25)，其內裝填有吸附催化劑，吸附—低溫等離子體反應器(2)的主煙氣進氣端(21)與煙氣進氣閥(11)相接，主流煙氣出氣端(23)與排氣閥(12)相接，排氣閥(12)的出口分別接另一個吸附—低溫等離子體反應器(2)的引風端(22)和煙囪的煙道，反應產(chǎn)物出口(24)通過流量調節(jié)閥門(14)接風機(5)；高壓脈沖電源(3)通過能量切換裝置(4)分別與兩個吸附—低溫等離子體反應器(2)的等離子體發(fā)生器(25)相接。
2.根據(jù)權利要求1所述的吸附—低溫等離子體同步脫硫脫硝裝置，其特征在于在吸附—低溫等離子體反應器(2)中的吸附催化劑具有同時吸附SO2和NOx的能力，其為γ-Al2O3和沸石載體、負載Na、Fe、Mn、Zn等金屬離子的金屬氧化物的復合物。
3.一種用于實施權利要求1所述的吸附—低溫等離子體同步脫硫脫硝裝置的方法，其特征在于同步脫硫脫硝的方法為a、對權利要求2的吸附SO2和NOx的金屬氧化物的復合物將煙氣中的二氧化硫和氮氧化物吸附飽和，b、向吸附—低溫等離子體反應器內輸入平均能量為1w/m3煙氣～100w/m3煙氣的等離子體場，吸附催化劑發(fā)生SO2和NOx解吸及催化反應，分別將SO2轉換為SO3，將NOx轉換為N2，即等離子體解吸附和催化同步反應特征，c、將吸附—低溫等離子體反應器中的一個反應器的部分主流煙氣從本反應器的煙氣出口引入另一個反應器的引風端，d、由引風端引入的支流煙氣將SO3送入濃硫酸池使SO3轉化為H2SO4，e、通過纖維除霧器排出潔凈氣體。
4.根據(jù)權利要求3所述的同步脫硫脫硝方法，其特征在于二個或多于二個并聯(lián)的吸附—低溫等離子體反應器，吸附—解吸催化的切換輪流使用。
全文摘要
吸附－低溫等離子體同步脫硫脫硝裝置，煙氣脫硫脫硝反應器由兩個相同的吸附－低溫等離子體反應器并聯(lián)連接構成，同步脫硫脫硝方法為二個吸附－低溫等離子體反應器中的等離子體發(fā)生器交替使用；在該反應器中安裝有線－筒式(或線－板式)等離子體發(fā)生器，并填充吸附催化顆粒；高壓脈沖電源與兩個吸附－低溫等離子體反應器中的等離子體發(fā)生器相接；主煙氣經(jīng)進氣閥流入兩個相同的吸附－低溫等離子體反應器之一，已脫除二氧化硫和氮氧化物的煙氣通過反應器排氣閥排出，經(jīng)引風機和煙囪排放大氣；另一吸附了二氧化硫和氮氧化物的吸附－低溫等離子體反應器與煙氣隔離，等離子體發(fā)生器工作，SO
文檔編號B01D53/60GK1772347SQ20051009509
公開日2006年5月17日 申請日期2005年10月28日 優(yōu)先權日2005年10月28日
發(fā)明者顧璠, 葉丹, 高劍 申請人:東南大學