CN112870932B - 一种氮氧化物处理***及处理方法 - Google Patents

一种氮氧化物处理***及处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种氮氧化物处理***及处理方法，包括依次连通的气体混合调节区、等离子激发区、SO2吸收区和NOX还原区，等离子激发区、SO2吸收区和NOX还原区外套设有绝缘隔热的外壳，气体混合调节区设有进气口，NOX还原区设有排气口；气体混合调节区中设有调节进气口进气流速的气体流速调节管，气体混合调节区还连通有进气管；等离子激发区中套设有绝缘管，绝缘管中相对设置有放电铜板，绝缘管所在区域之后可拆卸设置有多孔干燥板；SO2吸收区中设置有多孔吸收板；NOX还原区依次设置有多孔第一催化反应板、多孔第二催化反应板和多孔干燥板。本发明的处理装置及处理方法，既能高效处理氮氧化物，又不易SO2中毒失活。

Description

一种氮氧化物处理***及处理方法
技术领域
本发明属于氮氧化物处理设备技术领域，尤其涉及一种氮氧化物处理***及处理方法。
背景技术
氮氧化物指的是只由氮、氧两种元素组成的化合物，包括多种化合物，如一氧化二氮(N2O)、一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO2)、三氧化二氮(N2O3)、四氧化二氮(N2O4)和五氧化二氮(N2O5)等。除一氧化二氮及二氧化氮以外，其他氮氧化物均不稳定，遇光、湿或热变成二氧化氮及一氧化氮，一氧化氮又变为二氧化氮。氮氧化物都具有不同程度的毒性。氮氧化物与空气中的水结合最终会转化成硝酸和硝酸盐，随着降水和降尘从空气中去除。硝酸是酸雨的原因之一；它与其它污染物在一定条件下能产生光化学烟雾污染。
氮氧化物治理是用改进燃烧的过程和设备或采用催化还原、吸收、吸附等排烟脱氮的方法，控制、回收或利用废气中氮氧化物(NOx)，或对NOx进行无害化处理。防治途径一是排烟脱氮，二是控制NOx的产生。排烟脱氮的方法分为干法和湿法两类。干法主要有催化还原法、吸附法等，湿法有直接吸收法、氧化吸收法、氧化还原吸收法、液相吸收还原法和络合吸收法等。目前，用氨选择性催化还原NOx被认为是减少NOx排放的最有效措施，但普通催化剂容易被SO2诱导失活，导致处理效果差。
发明内容
本发明的目的在于：针对上述现有技术中存在的不足，提供一种氮氧化物处理***及处理方法。
本发明采用的技术方案如下：
一种氮氧化物处理***，包括依次连通的气体混合调节区、等离子激发区、SO2吸收区和NOX还原区，等离子激发区、SO2吸收区和NOX还原区外套设有绝缘隔热的外壳，气体混合调节区设有进气口，NOX还原区设有排气口；
气体混合调节区中设有调节进气口进气流速的气体流速调节管，气体混合调节区还连通有进气管；
等离子激发区中套设有绝缘管，绝缘管中相对设置有放电铜板，绝缘管所在区域之后可拆卸设置有多孔干燥板；
SO2吸收区中设置有多孔吸收板；
NOX还原区依次设置有多孔第一催化反应板、多孔第二催化反应板和多孔干燥板。
本发明的原理为：
等离子激发区在放电过程中会产生大量的自由基和准分子，如-OH、高能电子等，其化学性质非常活泼，并能够有效破环氮氮叁键，增大反应速率及效率(N2+3H2＝＝2NH3)，同时也将NOx离子化，能够有效增大还原效率。SO2吸收区利用选择性吸收SO2材料将混合气中的SO2选择性吸附，并且等离子激发区生成的NH3也能吸收部分SO2，能够有效避免后续催化剂中毒。NOx还原区(NH3+NOx＝＝N2+H2O)等离子体激活的NOx在双重催化剂的催化下快速高效还原为N2。
进一步地，还包括回收管，回收管一端管口位于气体混合调节区，依次穿过等离子激发区、SO2吸收区和NOX还原区，另一端管口位于NOX还原区的多孔干燥板之后。回收管对还原生成的N2回收利用再次合成NH3。
进一步地，绝缘管中心轴向固定设置有支撑铜棒，支撑铜棒上套设有五角星形放电铜片，以增大放电区域。
进一步地，五角星形放电铜片为多片且等距间隔排列。
进一步地，干燥板、吸收板、第一催化反应板和第二催化反应板均为多块且分别等距间隔排列。干燥板用于对气体进行干燥，吸收板用于选择性吸附SO2，第一催化反应板用于催化还原NOx，第二催化反应板用于抗SO2中毒。
进一步地，绝缘管的材质为陶瓷，也可采用其他绝缘材料。
进一步地，吸收板的材质为能够对SO2选择性吸附的MOF材料。
上述的氮氧化物处理***的处理方法，包括以下步骤：
从进气口通入氮氧化物，通过气体流速调节管调节降低氮氧化物的流速，同时从进气管通入H2，混合气体首先通过等离子激发区，在等离子激发区合成NH3，气体经干燥板干燥后，进入SO2吸收区通过选择吸收SO2的吸收板后进入NOX还原区，依次经过第一催化反应板和第二催化反应板，然后通过干燥板干燥后，从排气口排出；N2通过回收管回收至气体混合调节区再次循环。
进一步地，处理***中温度为250-350℃；优选为300℃。
进一步地，第一催化反应板为负载Pt@CeO2/Al2O3催化剂的多孔板。
进一步地，第二催化反应板为负载FeδCe1-δVO4催化剂的多孔板，δ表示催化剂中的Fe/Fe+Ce的摩尔比，δ＝0.1、0.2、0.3或0.4。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明利用介质阻挡放电(DBD)一方面合成NH3，替代传统SCR技术中的尿素，另一方面激活污染物，提高催化效率及速率；设计多个区域分级处理以保证催化剂使用寿命，整个装置也方便拆装以更换材料。具体通过以下原理实现：
等离子激发区在放电过程中会产生大量的自由基和准分子，如-OH、高能电子等，其化学性质非常活泼，并能够有效破环氮氮叁键，增大反应速率及效率(N2+3H2＝＝2NH3)，同时也将NOx离子化，能够有效增大还原效率。SO2吸收区利用选择性吸收SO2材料将混合气中的SO2选择性吸附，并且等离子激发区生成的NH3也能吸收部分SO2，能够有效避免后续催化剂中毒。NOx还原区(NH3+NOx＝＝N2+H2O)等离子体激活的NOx在双重催化剂的催化下快速高效还原为N2。
本发明通过将含氮氧化物废气和氢气一同通入，两种气体与回收利用的氮气一并在气体混合调节区进行混合，通过气体流速调节管减缓气体流速，防止对等离子体激发区造成影响。混合气进入等离子体激发区，在高压电极的激发下形成等离子区域，不断产生(高能离子、正负离子、高能电子)向混合气传递能量，同时生成氨气，五角星形放电铜片提供了更多的放电附着电位，提高等离子体能量密度。高能混合气通过多孔干燥板去除水汽，防止后续改性催化剂中的活性物质在NOx存在时吸收水汽降低催化剂活性。在SO2吸收区中使用了具有超强SO2选择性吸附能力的材料，该材料在吸附后可以很容易地再生，而不会引起任何明显的骨架降解，可有效避免后续催化剂SO2中毒而降低催化效率，提升了整个处理***的寿命。紧接着完成预处理的混合气进入NOx还原区，依次经过两个催化反应板在双重催化剂以及等离子体和催化剂的协同作用下发生氮氧化物还原反应，完成处理后的气体经干燥后排出，部分氮气回收至进气口处再次循环利用。
综上，本发明既能高效处理氮氧化物，且不易SO2中毒失活，具有极大的市场需求和应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明的结构图；
图中标记：1-进气口，2-气体流速调节管，3-回收管，4-支撑铜棒，5-五角星形放电铜片，6-进气管，7-绝缘管，8-外壳，9-放电铜板，10-干燥板，11-吸收板，12-第一催化反应板，13-第二催化反应板，14-排气口。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例
本发明较佳的实施例提供一种氮氧化物处理***，包括依次连通的气体混合调节区、等离子激发区、SO2吸收区和NOX还原区，等离子激发区、SO2吸收区和NOX还原区外套设有绝缘隔热的外壳8，气体混合调节区设有进气口1，所述NOX还原区设有排气口14；
气体混合调节区中设有调节进气口1进气流速的气体流速调节管2，气体混合调节区还连通有进气管6；
等离子激发区中套设有绝缘管7，绝缘管7中相对设置有放电铜板9，绝缘管所在区域之后可拆卸设置有多孔干燥板10；
SO2吸收区中设置有多孔吸收板11；
NOX还原区依次设置有多孔第一催化反应板12、多孔第二催化反应板13和多孔干燥板10。
还包括回收管3，回收管3一端管口位于气体混合调节区，依次穿过等离子激发区、SO2吸收区和NOX还原区，另一端管口位于NOX还原区的多孔干燥板10之后。还原后得到的部分N2通过回收管3回收至气体混合调节区再次循环利用。
其中，绝缘管7中心轴向固定设置有支撑铜棒4，支撑铜棒4上套设有五角星形放电铜片5；五角星形放电铜片5为多片且等距间隔排列，有效增大放电区域。
其中，干燥板10、吸收板11、第一催化反应板12和第二催化反应板13均为多块且分别等距间隔排列，有效增大气体与功能性多孔板的接触面积。
其中，绝缘管7的材质为陶瓷。
采用本实施例氮氧化物处理***对氮氧化物进行处理方法，具体步骤如下：
从进气口通入氮氧化物，通过气体流速调节管调节氮氧化物的流速，同时从进气管通入H2，混合气体首先通过等离子激发区，在等离子激发区合成NH3，气体经干燥板干燥后，进入SO2吸收区通过选择吸收SO2的吸收板后进入NOX还原区，依次经过第一催化反应板和第二催化反应板，然后通过干燥板干燥后，从排气口排出；N2通过回收管回收至气体混合调节区再次循环。
其中，处理***中温度为300℃。
其中，利用MOF材料(MFM-300(In))对SO2进行选择性吸附。
其中，第一催化反应板为负载Pt@CeO2/Al2O3催化剂的多孔板。
Pt@CeO2/Al2O3催化剂由以下方式制备得到：
Ce(NO3)3·6H2O溶解在去离子水(20mL)和乙醇(20mL)的混合物中。然后，在上述溶液中加入制备的Pd胶体溶液(20mL，10mg/mL)，在室温下再加入L-精氨酸水溶液10mL。其中，Pd/CeO2/L-精氨酸的质量比为1：1：1。最后，将混合物在80℃下加热3h，用丙酮离心洗涤和收集产物并将收集的Pd@CeO2前驱体在60℃超声作用下在DI水(10mL)中再分散1h。Pd@CeO2悬浮液与Al2O3粉末混合，搅拌6h，然后在80℃烘箱中干燥1h。最后，Pd@CeO2样品在500℃炉中煅烧5h，即得。
其中，第二催化反应板为负载FeδCe1-δVO4催化剂的多孔板。
FeδCe1-δVO4催化剂由以下方式制备得到：
将3.47克Ce(NO3)3·6H2O和2.92克EDTA分别溶于25m L去离子水中，搅拌30min。然后，将0.936克NH4VO3溶于20mL去离子水中，滴加到上述溶液中。再用NH3·H2O调节混合溶液的pH值至9.5。将混合物在180℃下保存6h。水热反应后，用去离子水和无水乙醇对所得沉淀物进行过滤和洗涤。在80℃下干燥12h后，样品在500℃下煅烧4h，得到CeVO4。
在25mL去离子水中溶解的Ce(NO3)3·6H2O和Fe(NO3)3·9H2O分别为3.14、2.82、2.48、2.14g和0.33、0.65、0.99和1.33g。得到混合溶液后，将NH4VO3溶液加入到混合物中，用NH3·H2O将pH调节到8.0。然后将混合溶液在180℃下保存12h。经过过滤和洗涤，得到的沉淀物在80℃下干燥12h，在500℃下煅烧4h。得到FeδCe1-δVO4，其中δ表示催化剂中的Fe/Fe+Ce的摩尔比，δ＝0.1、0.2、0.3或0.4。
实验例1
废气量为600Nm3/H，气体组成为：O2＝18.31kg/H，NOx＝231.7kg/H，CO2＝56.86kg/h，SO2＝12.35kg/h，其余为N2。将该废气通入本发明实施例的装置中，按照实施例方法进行处理，排气口尾气中NOx＝4.5g/h。
实验例2
废气量为580Nm3/H，气体组成为：O2＝12.55kg/H，NOx＝187.6kg/H，CO2＝44.98kg/h，SO2＝17.34kg/h，其余为N2。将该废气通入本发明实施例的装置中，按照实施例方法进行处理，排气口尾气中NOx＝3.8g/h。
对比例
废气量为580Nm3/H，气体组成为：O2＝12.55kg/H，NOx＝187.6kg/H，CO2＝44.98kg/h，SO2＝17.34kg/h，其余为N2。将该废气采用常规处理方法进行处理，即铁的氧化物为催化剂，以NH3为还原剂，选择性地同排放废气中NOx反应，反应温度为300℃。处理后尾气中NOx＝12.8g/h。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种氮氧化物处理***，其特征在于，包括依次连通的气体混合调节区、等离子激发区、SO2吸收区和NOX还原区，所述等离子激发区、SO2吸收区和NOX还原区外套设有绝缘隔热的外壳(8)，所述气体混合调节区设有进气口(1)，所述NOX还原区设有排气口(14)；所述气体混合调节区中设有调节进气口(1)进气流速的气体流速调节管(2)，所述气体混合调节区还连通有进气管(6)；所述等离子激发区中套设有绝缘管(7)，所述绝缘管(7)中相对设置有放电铜板(9)，所述绝缘管所在区域之后可拆卸设置有多孔干燥板(10)；所述SO2吸收区中设置有多孔吸收板(11)；所述NOX还原区依次设置有多孔第一催化反应板(12)、多孔第二催化反应板(13)和多孔干燥板(10)；
所述处理***还包括回收管(3)，所述回收管(3)一端管口位于气体混合调节区，依次穿过等离子激发区、SO2吸收区和NOX还原区，另一端管口位于NOX还原区的多孔干燥板(10)之后；
所述绝缘管(7)中心轴向固定设置有支撑铜棒(4)，所述支撑铜棒(4)上套设有五角星形放电铜片(5)。
2.根据权利要求1所述的氮氧化物处理***，其特征在于，所述五角星形放电铜片(5)为多片且等距间隔排列。
3.根据权利要求1所述的氮氧化物处理***，其特征在于，所述干燥板(10)、吸收板(11)、第一催化反应板(12)和第二催化反应板(13)均为多块且分别等距间隔排列。
4.根据权利要求1所述的氮氧化物处理***，其特征在于，所述绝缘管(7)的材质为陶瓷。
5.采用权利要求1所述的氮氧化物处理***对氮氧化物进行处理的方法，其特征在于，包括以下步骤：从进气口通入氮氧化物，通过气体流速调节管调节氮氧化物的流速，同时从进气管通入H2，混合气体首先通过等离子激发区，在等离子激发区合成NH3，气体经干燥板干燥后，进入SO2吸收区通过选择吸收SO2的吸收板后进入NOX还原区，依次经过第一催化反应板和第二催化反应板，然后通过干燥板干燥后，从排气口排出；N2通过回收管回收至气体混合调节区再次循环；
处理***中温度为250-350℃；
所述第一催化反应板为负载Pt@CeO2/Al2O3催化剂的多孔板。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第二催化反应板为负载FeδCe1-δVO4催化剂的多孔板，δ＝0.1、0.2、0.3或0.4。
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