一种介质阻挡放电诱导还原脱除烟气中NOx的方法与装置

摘要

本发明属于环境保护技术领域，具体涉及一种介质阻挡放电诱导还原脱除烟气中NOx的方法与装置。本发明利用介质阻挡放电电离或解离还原性气体，产生还原性活性基团；利用这些还原性活性物种与NOx发生还原反应，所述还原性气体为氨、烃类或醇类。本发明装置包括进风控制阀、选择性吸附单元、还原性气体输入控制阀、混合器、介质阻挡放电等离子体反应单元和脉冲电源。本发明利用电化学原理诱导化学还原脱除NOx，不需要催化剂，避免了因使用催化剂而存在的中毒、更换、温度影响等问题，而且适用温度范围广，操作灵活方便。

说明书

技术领域

本发明属于环境保护技术领域，具体涉及一种介质阻挡放电诱导还原脱除烟气中NO_x（硝）的方法与装置。

背景技术

大气污染是二十一世纪人类社会生存和发展所面临的最严重的环境问题之一，其中烟气中二氧化硫和氮氧化物的污染控制是目前大气污染控制领域中最主要的任务之一，尤其氮氧化物(NO_x)不仅本身是对人体健康有害的大气污染物，而且是大气二次污染物可吸入微细粒子(PM_2.5)和臭氧(O₃)的重要前体物，会造成温室效应和光化学污染，也是酸雨的重要贡献者，严重影响了人类的生存环境。由于我国NO_x排放量巨大，使大气中PM_2.5和O₃浓度居高不下，时常造成灰霾天气，对人体健康和生态环境造成巨大的危害。为了减少灰霾天气，改善区域性空气质量，开展NO_x脱除技术开发备受关注。

我国对NO_x减控的愈来愈重视，对烟气中NO_x的排放要求越来越严格，近年来相继出台了火电厂大气污染物排放标准(GB13223-2011)、《锅炉大气污染物排放标准》(GB13271-2014)、《生活垃圾焚烧污染控制标准》（GB18485-2014）等标准，对NO_x的排放提出了更高的要求，有些地区甚至出台了更加严格的地方标准。

随着新的污染物排放标准的颁布和大气污染物排放标准的愈加严格，烟气中NO_x达标排放的压力越来越大。烟气脱硝技术也面临着前所未有的压力。如何削减和控制烟气产生的NOx污染已成为我国能源和环境保护部门面临的严峻挑战。

还原法脱硝因其将NO_x还原成为N₂，具有二次污染小，不存在废液处理问题等优点，成为NO_x脱除的首选方法，具有良好发展前景。但是现有的还原性方法中，选择性催化还原法（SCR），催化剂易中毒失活，需定期更换，投资和运行费用较高；选择性非催化还原法（SNCR），脱硝效率不高，且尿素或氨液消耗量大，NH₃容易被氧化为NO_x，对喷氨控制的要求很高，运行的可靠性和稳定性难以达到要求；非选择性催化还原（NSCR）使用Pt、Pd等贵金属，催化剂成本高，容易中毒，且运行温度需要500℃以上，现有烟气温度条件难以满足该温度要求。因此，开发备用和替代烟气NO_x还原性脱除技术已非常必要。

本发明采用一种介质阻挡放电等离子体方法，诱导化学还原脱除NO_x技术。本发明利用放电过程中因电离和激发添加的气体还原剂，产生大量的强还原性基团，并利用这些还原性活性物种与NO_x发生还原反应将其去除。该技术具有工艺简单，NO_x脱除效率高，适应性强，运行和投资费用均较低，且与现有烟气脱硫的净化工艺融合性好等优点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种效率高，适应性强，运行和投资费用较低的介质阻挡放电诱导还原脱除烟气中NO_x的方法与装置。

本发明提供的介质阻挡放电诱导还原脱除烟气中NO_x的方法>x发生还原反应，所述还原性气体为氨、烃类、醇类等，具体反应为：

以氨为还原剂：

以烃类为还原剂：

以醇类为还原剂：

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本发明提供的介质阻挡放电诱导还原脱除烟气中NO_x的装置，包括：进风控制阀，选择性吸附单元，还原性气体输入控制阀，混合器，介质阻挡放电等离子体反应单元，脉冲电源。装置结构组成如图1所示。其中，进风控制阀用于控制烟气进入流量，选择性吸附单元用于放置选择性吸附材料，对进入的烟气进行吸附，降低反应体系中的氧气而产生的氧化性竞争反应；还原性气体输入控制阀用于控制还原性气体的流量；介质阻挡放电等离子体反应单元和脉冲电源组成一NO脱除反应单元，用于进行等离子体诱导还原脱除NO反应。

烟气从进风口经过进风控制阀，进入选择性吸附单元，经过吸附单元处理的烟气通过管道进入混合器；同时，还原性气体源通过输入控制阀进入混合器，使烟气和还原性气体在混合器中混合，然后通过管道进入介质阻挡放电等离子体反应单元，进行反应；最后，经过处理的气体从介质阻挡放电等离子体反应单元的出口排出（可通过引风机）。排出的气体已经完全脱除了NO_x。脉冲电源为介质阻挡放电等离子体反应单元提供电源。

本发明中，使用时，可以由多个装置并列，交替运行。具体可根据氮氧化物浓度及运行控制周期的不同，配置合适数量的装置。

本发明中，选择性吸附单元的作用是降低反应体系中的氧气而产生的氧化性竞争反应，具体原理为：

NO分子直径比氧气分子小，因而扩散速度比氧气快，故吸附剂吸附NO的速度也快，通过控制吸附时间，从而使吸附剂上主要吸附的是NO。当其中一个选择性吸附单元吸附饱和后，通过切换控制阀门，开启另一组选择性吸附单元工作程序。饱和的选择性吸附单元则通过后置引风机的抽吸作用，实现变压真空脱附，脱附出来的NO气体与输入的还原性气体经过混合器充分混合后，排至介质阻挡放电等离子体反应池，在此进行等离子体诱导还原脱除NO，反应完全后，最终由引风机排出。

本发明中，所述选择性吸附单元采用廊道结构形式，吸附材料为具有微孔的多孔性材料，例如用分子筛、沸石、黏土矿、硅胶、活性炭等材料。充填量依据NO浓度、处理风量及吸附时间来定。

本发明中，混合器用于NO和还原性气体的混合，以利于后续脱除NO的反应。混合器采用折流式、螺旋式或射流式等形式，材质为耐腐蚀金属。

本发明中，介质阻挡放电等离子体反应单元和等离子体电源组成一NO脱除反应单元。介质阻挡放电等离子体反应单元（也称反应池）结构如图2所示。其中，介质阻挡放电等离子体反应单元采用双层套管结构，内外两层管保持同心距不大于5mm。内层介质管材质为石英、陶瓷、聚四氟等耐腐蚀材料，一端密闭，另一端伸出出风口外，内层管内布设导电金属材料，并与内电极引出线一端缠结在一起。外层介质管材质也为石英、陶瓷、聚四氟等耐腐蚀材料，一端与一进风口相接，并在直管段布设有穿孔布风板；外层介质管另一端与一出风口切向相接；外层介质管外壁敷设金属导电材料，并与外电极引出线一端粘结。介质阻挡放电等离子体反应单元采用中间进风，侧面切向出风方式，方便电极引出和连接，也有利于气体在反应池中的分布。内外电极引出线分别与脉冲电源相接。

其中，所述出风口与外介质管连接方式见图3所示。

其中，所述穿孔布风板孔眼大小按空口流速3-5 m/s，孔眼呈辐射状均布，孔眼数量根据系统处理风量来确定。

本发明的优点

与现行的同类工艺技术相比，本发明具有以下优点：

（1）在反应体系中输入还原性气体，利用电化学原理诱导化学还原脱除NO_x，不需要催化剂，避免了因使用催化剂而存在的中毒、更换、温度影响等问题；

（2）适用温度范围广，可从室温条件至300℃正常适用；

（3）兼有脱硫作用，可实现同步脱硫脱硝；

（4）采用选择性吸附单元，有效降低氧气参与反应而引起的氧化性竞争反应；

（5）操作灵活，即开即用；

（6）与现有烟气脱硫的净化工艺融合性好，实现脱硫后再脱硝的做法，无需升温处理，而且也没有硫氧化物对催化剂的影响问题。

本发明采用一种介质阻挡放电等离子体方法，诱导化学还原脱除NO_x>x发生还原反应将其去除。并采用选择性吸附单元，优先吸附氮氧化物，降低氧气参与反应而引起的氧化性竞争反应。同时，采用交替运行的模块化运行方式，并根据氮氧化物浓度，灵活调整模块化数量。本发明具有工艺简单，NO_x脱除效率高，适应性强，运行和投资费用均较低，且与现有烟气脱硫的净化工艺融合性好等优点。

本发明的特点

1、利用介质阻挡气体放电激励还原性气体，产生还原性活性基团，并用于化学还原脱硝过程；

2、所用还原性气体为氨、烃类、醇类等；

3、采用选择性吸附单元，优先吸附氮氧化物，降低氧气参与反应而引起的氧化性竞争反应；

4、吸附材料为具有微孔的多孔性材料，可用分子筛、沸石、黏土矿、硅胶、活性炭等材料；

5、选择性吸附单元采用廊道式结构形式，气阻小，脱附快；

6、介质阻挡放电等离子体反应池采用中间进风，侧面切向出风方式，利于气流分布；

7、氮氧化物与还原性气体反应前经过混合器和布风板，有利于反应；混合器采用折流式、螺旋式或射流式等形式，布风板采用孔眼辐射状均布方式；

8、采用交替运行的模块化运行方式，并根据氮氧化物浓度，灵活调整模块化数量。

附图说明

图1为 等离子体诱导还原法脱除NO_x的系统组成图。

图2为 介质阻挡放电反应系统图。

图3为 出风口与外介质管连接图。

图中标号：1-进风控制阀；2-选择性吸附单元；3-还原性气体输入控制阀；4-混合器；5-介质阻挡放电等离子体反应池；6-脉冲电源；7-进风控制阀；8-选择性吸附单元；9-还原性气体输入控制阀；10-混合器；11-介质阻挡放电等离子体反应池；12-脉冲电源；13-进风口；14-外介质管；15-布风板；16-外电极；17-内电极；18-出风口；19-内介质管；20-内电极引出线；21-外电极引出线。

具体实施方式

图1中所示为两组交装置替运行的模式。标号1、2、3、4、5、6依次为一个装置的进风控制阀，选择性吸附单元，还原性气体输入控制阀，混合器，介质阻挡放电等离子体反应单元，脉冲电源；标号7、8、9、10、11、12依次为另一个装置的进风控制阀，选择性吸附单元，还原性气体输入控制阀，混合器，介质阻挡放电等离子体反应单元，脉冲电源。

装置的具体操作如下：

①开启进风控制阀1，关闭还原性气体输入控制阀3、进风控制阀7、还原性气体输入控制阀9，开始输入含氮氧化物废气，一定时间后，关闭进风控制阀1，同时开启还原性气体输入控制阀3和进风控制阀7，并开启介质阻挡放电等离子体反应单元5；

②一定时间后，关闭阀门还原性气体输入控制阀3和进风控制阀7，开启进风控制阀1和还原性气体输入控制阀9，并同时启动介质阻挡放电等离子体反应单元11和关闭介质阻挡放电等离子体反应单元5。

再经一定时间后，重复以上操作步骤①和②。