CN101337151A - 利用低温等离子体脱除固定源尾气中氮氧化物的净化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种利用低温等离子体脱除固定源尾气中氮氧化物的净化方法。将含NO、O2的混合气经换热器加热至100～300℃，然后通过等离子体反应器活化，活化后的混合气通过装有催化剂的反应器，使混合气中的NOX氧化成N2O5，随后气体进入氨水吸收瓶，得硝酸铵产品可用作化肥原材料。本发明在较低温度下将NO转化为NH3NO3产品，进一步回收利用，做到了资源化处理，且本发明具有能耗低、工艺简洁、占地面积小、无二次污染等特点，气体中杂质组分的不利影响小，处理NOX的浓度范围宽。
Description
技术领域
本发明涉及低温等离子体协同催化技术应用于大气污染净化技术领域，具体地说是利用低温等离子体脱除固定源尾气中氮氧化物的净化方法。
背景技术
随着经济的快速发展和大量化石燃料的使用，氮氧化物(NOX)污染所引起的光化学烟雾、酸雨等环境问题日益突出，环境形势日益严峻。火电厂及其它工业燃烧装置尾气是大气中NOX的主要来源之一，尤其是硝酸生产等化工企业，其尾气中NOX浓度较高，90％的NOX为NO。随着可持续发展战略的实施，由NOX污染所引起的环境问题逐渐为人们所重视。目前较为关注的尾气控制技术有氨选择性催化还原法、吸附法、吸收法等。
吸收法是用化学吸收液吸收废气中的NOX，工艺简单，投资较低，可根据具体情况选择吸收液，以硝酸盐形式回收NOX，达到综合利用的目的，但其吸收效率不高，对含NO较多和废气量较大的净化效果差，副产物处置不当会带来二次污染，而且副产物进一步无害化处置会极大的增加操作成本；吸附法利用吸附剂吸附烟气中的NOX，净化效率高，能回收NOX，但吸附剂用量大，设备庞大，投资和运行成本高；氨选择催化还原法虽然较成功的用于脱除固定源(如火电厂)排放的氮氧化物，但缺点是：氨用量需精确计量控制，氨具有很强的腐蚀性，氨的泄露等造成二次污染，运行成本高。
中国专利CN 1899671A中公开了一种使用催化氧化循环喷淋液的生物膜填料塔***净化烟气中NOX的方法，属于生物——化学组合法净化废气，该法微生物生长缓慢且易造成填料塔堵塞，仅适用于小流量烟气。中国专利CN 1803257A中公开了一种以氨基物质为还原剂用于燃煤电站脱除氮氧化物的方法，该法是在燃煤锅炉炉膛上部喷入氨基物质与氮氧化物部分反应脱除烟气中35～40％的氮氧化物，未反应完全的氨基物质随烟气进入反应器，在催化剂表面，氨基物质再一次与氮氧化物反应，氮氧化物还原率可达90％以上，但该法反应温度较高，引入氨基还原剂，存在泄露和设备腐蚀问题。
因此，随着NOX排放量的日益增多，研发简洁高效的处理NOX的方法，同时兼顾NOX的资源回收，具有重要的现实意义。
发明内容
本发明的目的是克服现有氮氧化物脱除技术的不足，提出一条新的资源化治理NOX的途径，即利用低温等离子体脱除固定源尾气中氮氧化物的净化方法，不存在O2抑制问题，尾气中所含的少量CO、CO2、SO2等其它物质在反应过程中不会造成明显的阻碍或毒害作用，实现了NOX的资源化处理。
本发明利用在等离子体空间富集的大量极活泼的离子，电子，激发态的原子分子及自由基引发位于等离子体附近的催化剂，降低反应的活化能，当含NO尾气经过内置催化剂的低温等离子体反应器时，气体分子活性得到增强，O2在等离子作用下生成强氧化剂O3，利用O3将NOX氧化成更高的氧化形态(N2O5)，经氨水吸收后生成硝酸铵产品，在等离子体与氧化催化剂的协同作用下，实现尾气中NOX的资源化处理。
本发明的主要反应过程如下：
O2→2O (1)
O2+O→O3 (2)
2NO+O2→2NO2 (3)
2NO+O3→N2O5 (4)
6NO2+O3→3N2O5 (5)
N2O5+H2O→2HNO3 (6)
HNO3+NH3□H2O→NH4NO3+H2O (7)
本发明的技术方案为(工艺流程)：将含NO(0.03～0.05％)、O2(3～5％)的混合气体(待处理气体)经换热器加热至100～300℃，然后通过等离子体反应器活化，活化后的混合气通过装有催化剂的反应器，使混合气中的NOX氧化成N2O5，随后气体进入氨水吸收瓶，得硝酸铵产品可用作化肥原材料。
催化剂的制备：将2.0g TiO2加入到100ml去离子水中，混合均匀后加入20％(质量比)的硝酸锰，充分搅拌，待完全溶解后浸渍2小时，于110℃烘箱内干燥10小时，然后在400℃的空气中焙烧2小时，经压片、过筛粉碎制成40～60目的颗粒，制得锰基氧化物催化剂。
或者采用低温固相法制备催化剂：将醋酸锰与高锰酸钾按摩尔比：MnAC∶KMnO4＝2∶3混合，并充分研磨30min，置于70℃烘箱内恒温反应48小时，产物用去离子水洗涤3～4次，抽虑，再用无水乙醇洗涤3次；于70～80℃下干燥6小时，经压片、过筛粉碎制成40～60目的颗粒，制得锰基氧化物催化剂。
其中，混合气进入换热器加热之前通过质量流量计控制空速在10000～50000h-1。
本发明与现有技术相比，其工艺简洁，气体中杂质组分的不利影响小，处理NOX的浓度范围宽。本发明在较低温度下将NO转化为NH3NO3产品，进一步回收利用，做到了资源化处理，且本发明具有能耗低、工艺简洁、占地面积小、无二次污染等特点，气体中杂质组分的不利影响小，处理NOX的浓度范围宽。
附图说明
图1是本发明的低温等离子体协同催化氧化脱除尾气中氮氧化物的实验流程1。
图中：1-混合罐，2-换热器，3-高压电源，4-等离子体反应器，5-吸收瓶V-电磁阀，I-质量流量计
图2是本发明的低温等离子体协同催化氧化脱除尾气中氮氧化物的实验流程2。
图中：1-混合罐，2-等离子体反应器，3-高压电源，4-固定床管式反应器，5-控温层，6-吸收瓶，V-电磁阀，I-质量流量计
具体实施方式
实施例1：
催化剂制备：将2.0g TiO2加入到100ml去离子水中，混合均匀后加入20％(质量比)的硝酸锰，充分搅拌，待完全溶解后浸渍2小时，于110℃烘箱内干燥10小时，然后在400℃的空气中焙烧2小时，经压片、过筛粉碎制成40～60目的颗粒，制得锰基氧化物催化剂。
将流量为300ml/min含0.05％NO和3％O2的混合气体经换热器加热至300℃，通过装有0.5g上述催化剂的介质阻挡等离子体反应器，混合气体空速为47000h-1，将NOX氧化为N2O5之后，气体进入氨水吸收瓶，得硝酸铵产品。氮氧化物的净化效率可达90％。如图1所示。
实施例2：
催化剂制备：将5.0g TiO2加入到100ml去离子水中，混合均匀后加入20％(质量比)的硝酸锰，充分搅拌，待完全溶解后浸渍2小时，于110℃烘箱内干燥10小时，然后在400℃的空气中焙烧2小时，经压片、过筛粉碎制成40～60目的颗粒，制得锰基氧化物催化剂。
将流量为300ml/min含0.05％NO和3％O2的混合气体经换热器加热至300℃，通过装有0.5g上述催化剂的介质阻挡等离子体反应器，混合气体空速为47000h-1，将NOX氧化为N2O5之后，气体进入氨水吸收瓶，得硝酸铵产品。氮氧化物的净化效率可达90％。如图1所示。
实施例3：
催化剂制备：采用低温固相法制备催化剂，将醋酸锰与高锰酸钾按摩尔比：MnAC∶KMnO4＝2∶3混合，并充分研磨30min，置于70℃烘箱内恒温反应48小时，产物用去离子水洗涤3～4次，抽虑，再用无水乙醇洗涤3次；于70～80℃下干燥6小时，经压片、过筛粉碎制成40～60目的颗粒，制得锰基氧化物催化剂。
将流量为200ml/min含0.03％NO和5％O2的混合气体通入等离子体反应器中活化，再通过装有1g上述催化剂的固定床管式反应器，利用控温层加热至250℃，混合气体总流量为15667h-1，将NOX氧化为N2O5之后，气体进入氨水吸收瓶，得硝酸铵产品。氮氧化物的净化效率可达90％。如图2所示。
实例4：
催化剂制备：采用低温固相法制备催化剂，将醋酸锰与高锰酸钾按摩尔比：MnAC∶KMnO4＝3∶4混合，并充分研磨30min，置于70℃烘箱内恒温反应48小时，产物用去离子水洗涤3～4次，抽虑，再用无水乙醇洗涤3次；于70～80℃下干燥6小时，经压片、过筛粉碎制成40～60目的颗粒，制得锰基氧化物催化剂。
将流量为200ml/min含0.03％NO和5％O2的混合气体通入等离子体反应器中活化，再通过装有1g上述催化剂的固定床管式反应器，利用控温层加热至250℃，混合气体总流量为15667h-1，将NOX氧化为N2O5之后，气体进入氨水吸收瓶，得硝酸铵产品。氮氧化物的净化效率可达90％。如图2所示。
Claims (4)
1、一种利用低温等离子体脱除固定源尾气中氮氧化物的净化方法，其特征在于将含NO、O2的混合气体经换热器加热至100～300℃，然后通过含催化剂等离子体反应器活化，或者经等离子体反应器活化后的混合气再通过装有催化剂的反应器，使混合气中的NOx氧化成N2O5，随后气体进入氨水吸收瓶，得硝酸铵产品可用作化肥原材料。
2、根据权利要求1所述的利用低温等离子体脱除固定源尾气中氮氧化物的净化方法，其特征在于所述的催化剂的制备为：将2.0g～5g TiO2加入到100ml去离子水中，混合均匀后加入20％质量比的硝酸锰，充分搅拌，待完全溶解后浸渍2小时，于110℃烘箱内干燥10小时，然后在400℃的空气中焙烧2小时，经压片、过筛粉碎制成40～60目的颗粒，制得锰基氧化物催化剂。
3、根据权利要求1所述的利用低温等离子体脱除固定源尾气中氮氧化物的净化方法，其特征在于所述的催化剂的制备为：将醋酸锰与高锰酸钾按摩尔比：MnAC∶KMnO4为0.2～1混合，并充分研磨30min，置于70℃烘箱内恒温反应48小时，产物用去离子水洗涤3～4次，抽虑，再用无水乙醇洗涤3次；于70～80℃下干燥6小时，经压片、过筛粉碎制成40～60目的颗粒，制得锰基氧化物催化剂。
4、根据权利要求1所述的利用低温等离子体脱除固定源尾气中氮氧化物的净化方法，其特征在于混合气进入换热器加热之前通过质量流量计控制空速在10000～50000h-1。
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