CN105080301A - 一种低温氧等离子体消除烟气中氮氧化物系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低温氧等离子体消除烟气中氮氧化物系统与方法，其特征在于该系统主要包括低温氧等离子体产生器、高频高压电源、高频高压变压器、高频高压控制器、温度调节器、湿度调节器、负离子发生器、荷电凝并器、电除酸雾系统、剩余氧等离子体消除器、气体流量控制器、温度和湿度传感变换器件、管道、气瓶、流量计和阀体等。处理方法是：配制烟气经温度调节在5℃～120℃；再经湿度调节器调节在6％～15％；高频高压电源、低温氧等离子体产生器将氧气加工成高浓度低温氧等离子体，经管道输入主管道中，在主管道低温氧等离子体将烟气中氮氧化物氧化成硝酸雾，酸雾经与离子碰撞荷电凝并后经电除酸雾系统收集成硝酸溶液。

Description

一种低温氧等离子体消除烟气中氮氧化物系统

技术领域

本发明属于烟气净化技术，涉及一种低温氧等离子体消除烟气中氮氧化物系统。

背景技术

为解决全球气候变化问题，人们普遍关注减少燃煤发电厂及汽车等的氮氧化物(NOx＝NO+NO₂)气体排放。氨的选择性催化还原法(SCR)治理NOx是普遍公认方法。在SCR系统里，将还原剂NH₃喷入反应塔(室)中，废气在催化剂(V₂O₅)作用下，有选择地与NOx反应生成H₂O和N₂。因此，SCR系统需要具有喷射系统的NH₃储存罐，以及庞大SCR反应塔，致使系统复杂和投资成本增加；关于SCR另一个问题是需定时添加NH₃气、更换催化剂以及催化剂工作温度在260℃～450℃之间，因此大幅度增加了运行成本。这些缺点已阻碍SCR法在发展中国家广泛应用。关于提高SCR催化剂活性、耐热性，以及减小成本的报告已经有很多，他们的研究虽然很有趣，但没能根本解决SCR不足之处。

发明内容

本发明针对烟气中NOx难处理、SCR法投资大和运行成本高等问题，提供了一种低温氧等离子体消除烟气中氮氧化物系统。

为了达到上述目的，本发明采取以下技术方案予以实现：一种低温氧等离子体消除烟气中氮氧化物系统，其特征在于该系统主要包括低温氧等离子体产生器、高频高压电源、高频高压变压器、高频高压控制器、低温氧离子浓度测试仪、温度调节器、温度控制器、温度传感变换器件、湿度调节器、湿度控制器、湿度传感变换器件、烟气分析仪、高温控制器、剩余氧等离子体消除器、荷电凝并器、负离子发生器、直流电源、变压器、电除酸雾器外壳、电晕线、芒刺、绝缘子、高电压电缆、高压直流电源、高电压升压变压器、直流高压电源控制器、高温控制器、剩余低温氧等离子体消除器、气体流量传感器、气体流量控制器、气体干燥装置、过滤装置、气体流量计、气阀、O₂气瓶、N₂气瓶、NOx标准气瓶、CO₂气瓶、管道，所述含NOx烟气是由Air以及标准NO、O₂、N₂、CO₂等气瓶分别经气阀、流量计输入主管道形成；所述烟气经主管道输入温度调节器入口，从温度调节器出口输出；所述温度传感变换器件置于管道中，温度变换信号输入温度控制器的信号入口端；所述温度控制器的温度控制信号从温度控制器信号出口端输出；所述温度控制信号从温度控制器信号出口端输出后输入温度调节器信号输入端；所述湿度传感变换器件置于管道中，湿度信号输入湿度控制器的信号输入端；所述湿度控制信号从湿度控制器信号输出端输出，输入湿度调节器的信号输入端，湿度调节器通过管道对主管道中烟气湿度调控；所述O₂经气阀调节流量后输入气体干燥装置入口，从气体干燥装置出口端输出干燥后O₂；所述干燥后O₂从气体干燥装置出口端输出后输入过滤装置入口端；所述过滤后O₂从过滤器出口端经流量计计量后输入低温氧等离子体产生器气体输入端；所述供电电压～220V(或～380V)输入高频高压电源控制器输入端，经高频高压电源控制器调频调压后，从高频高压电源控制器输出端输出后，加入高频高压变压器输入端，经高频高压变压器升压后从高频高压变压器输出端输出；所述高频高压电从高频高压变压器输出端输出后输入高频高压电源输入端；所述高频高压从高频高压电源输出端输出后，输入低温氧等离子体产生器的电源输入端；所述低温氧等离子体产生器输出端输出低温氧等离子体经管道输入主管道，途径气阀进行流量调控，流量计计量低温氧等离子体流量，采用低温氧等离子体浓度检测仪检测低温氧等离子体浓度；所述变压器输入端输入～220V(或～380V)，经变压后电压从变压器输出端输入直流电源输入端，直流高压电从直流电源输出端输入负离子发生器输入端，负离子从负离子发生器出口端输入荷电凝并器输入端；所述荷电凝并器入气口、出气口分别接到主管道；所述荷电凝并器置于低温氧等离子体输入主管道的入气口之后电除酸雾器外壳之前；所述加到高频高压电源控制器输入端输入～220V(或～380V)，经变频后高频电压再经高频高压电源控制器输出端输入高频高压变压器输入端；所述高频高压变压器输出端输出高频高压再输入高频高压电源输入端；所述高频高电压经高频高压电源输出端输入低温氧等离子体产生器的电压输入端；所述低温氧等离子体产生器形成的低温氧等离子体经管道输入主管道；所述低温氧等离子体输入主管道入气口在湿度传感变换器件与荷电凝并器之间；所述低温氧等离子体产生器输送低温氧等离子体管道上设有低温氧等离子体浓度测试仪检测低温氧等离子体浓度，气阀调节低温氧等离子体流量，流量计测量低温氧等离子体流量；所述除酸雾系统是由直流高压电源控制器、高压直流电源、高电压电缆、绝缘子、电晕线、芒刺、除酸雾器外壳、贮酸槽等组成；所述直流高压电源控制器的输入端输入～220V(或～380V)，经直流高压电源控制器调控后的交流电压经直流高压电源控制器输出端输入高电压升压变压器输入端，经高电压升压变压器升压后的交流高电压从高电压升压变压器输出端输出后，再输入高压直流电源的输入端；所述直流高电压从高压直流电源输出端输出后再经高电压电缆、绝缘子输入到电晕线；所述电晕线上众多芒刺在直流高电压作用下形成电晕放电，并产生大量负离子(或正离子)，酸雾荷电后在电场力作用下被收集成硝酸溶液，储存于酸槽中；所述电除酸雾系统置于荷电凝并器之后，剩余低温氧等离子体消除器之前；所述高温控制器输入端输入～220V(或～380V)，经高温控制器调控后的交流电压经高温控制器输出端输入剩余低温氧等离子体消除器电源入口端；所述剩余低温氧等离子体消除器置于电除酸雾器外壳之后，气体流量传感器之前；所述气体流量传感器置于剩余低温氧等离子体消除器、气体流量调控器之间主管道上；所述气体流量传感器所输出烟气流量信号输入气体流量调控器的信号输入端；所述气体流量调控器根据气体流量传感器气体流量信号调控主管道中烟气流量；

所述低温氧等离子体输入主管道入气口置于湿度传感变换器件与荷电凝并器之间，距荷电凝并器距离＞4m；

所述低温氧等离子体浓度为160mg/L～360mg/L；

所述低温氧等离子体消除烟气中氮氧化物反应温度控制在5℃～120℃；

所述低温氧等离子体消除烟气中氮氧化物反应湿度控制在6％～15％；

所述低温氧等离子体消除烟气中氮氧化物处理时间在0.2s～4min；

所述低温氧等离子体消除烟气中氮氧化物反应后剩余低温氧等离子体经剩余低温氧等离子体消除器还原成O₂排空；

本发明用低温氧等离子体注入管道中消除烟气中NOx并生成硝酸，变害为宝；处理时间仅为0.2s～1min；只用一个低温氧等离子体产生器就可以实现在烟道中消除烟气中NOx，从而降低设备一次性投资和运行成本；

本发明的低温氧等离子体消除烟气中NOx方法的反应速率常数(1.8×10^-14cm³/s～1.2×10^-9cm³/s)要比现有技术高出7～8个数量级，低温氧等离子体消除烟气中氮氧化物的化学反应时间仅为0.2s～1min；本发明不同添加引发剂、还原剂、氮化剂就能消除烟气中氮氧化物，有助于解决SCR法推广应用存在的困境；本发明不产生其它污染物，对环境零污染。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明系统结构图；

图2是低温氧等离子体消除烟气中氮氧化物反应时间对氮氧化物浓度影响实验结果曲线图；

图3是低温氧等离子体与烟气中氮氧化物质量比对消除烟气中氮氧化物效率影响结果曲线图。

图中：1气阀；2气体流量计；3O₂气瓶；4CO₂气瓶；5NO标准气瓶；6N₂气瓶；7温度调节器；8温度控制器；9温度传感变换器件；10湿度调节器；11湿度控制器；12湿度传感变换器件；13烟气分析仪；14主管道；15荷电凝并器；16负离子发生器；17直流电源；18变压器；19高电压升压变压器；20直流高压电源控制器；21高压直流电源；22高电压电缆；23绝缘子；24电晕线；25芒刺；26电除酸雾器外壳；27贮酸槽；28高温控制器；29剩余低温氧等离子体消除器；30气体流量传感器；31气体流量调控器；32气体干燥装置；33过滤装置；34低温氧等离子体产生器；35高频高压电源；36高频高压变压器；37高频高压电源控制器；38低温氧等离子体浓度测试仪；39液体阀；40管道。

具体实施方式

下面结合附图详细叙述本发明的实施例：

本发明的低温氧等离子体形成烟气中NOx系统结构如图1所示，包括六个气体流量计2、六个气阀1、一个液体阀41、一个NO标准气瓶5、一个N₂标准气瓶6、一个O₂气瓶3、一个CO₂气瓶4、一个温度调节器7、一个温度控制器8、一个温度传感变换器件9、一个湿度调节器10、一个湿度控制器11、一个湿度传感变换器件12、两个烟气分析仪13、一条主管道14、三条管道40、一个荷电凝并器15、一个负离子发生器16、一个直流电源17、一个变压器18、一个高电压升压变压器19、一个直流高压电源控制器20、一个高压直流电源21、一条高电压电缆22、一根绝缘子23、一条电晕线24、数十～数百芒刺25、一个电除酸雾器外壳26、一个贮酸槽27、一个高温控制器28、一个剩余低温氧等离子体消除器29、一个气体流量传感器30、一个气体流量调控器31、一个气体干燥装置32、一个过滤装置33、一个高频高压电源控制器37、一个高频高压变压器36、一个高频高压电源35、一个低温氧等离子体产生器34、一个低温氧等离子体浓度测试仪38、一个液体阀39。

本发明低温氧等离子体消除烟气中NOx方法

含NOx烟气是由Air、标准NO气瓶5、N₂气瓶6、O₂气瓶3、CO₂气瓶4分别经气阀1、流量计2输入主管道14形成；烟气经主管道14输入温度调节器7入口端，温度传感变换器件9置于主管道14中，温度信号输入温度控制器8输入端，烟气经温度调节后从温度调节器7出口端输出；温度控制信号从温度控制器8信号出口端输出；温度控制信号从温度控制器8信号出口端输出，输入温度调节器7信号输入端，烟气温度被调控在5℃～120℃，适于消除烟气中NOx反应温度；湿度传感器件12置于主管道14中，湿度信号输入湿度控制器11信号输入端；湿度控制信号从湿度控制器11信号输出端输出，输入湿度调节器10的信号输入端，湿度调节器10通过管道40对烟气湿度进行调控，烟气湿度经湿度调节器10调控主管道14中烟气温度在6％～15％范围。O₂经气阀调控O₂流量，调控流量后O₂输入干燥装置32输入端，干燥后O₂从气体干燥装置32出口端输出后，再输入过滤装置33入口端；经流量计2计量后输入低温氧等离子体产生器34气体输入端；供电电压～220V(或～380V)输入高频高压电源控制器37输入端，经高频高压电源控制器37调频调压后，从高频高压电源控制器37输出端输出后输入高频高压变压器36输入端，经高频高压变压器36升压后从高频高压变压器36输出端输出；高频高压电从高频高压变压器36输出端输出后输入高频高压电源35输入端，高频高压电从高频高压电源35输出端输出后，输入低温氧等离子体产生器34的电源输入端；高频高压电在低温氧等离子体产生器34中形成强电离放电进而把氧电离、离解、离解电离成高浓度低温氧等离子体，低温氧等离子体经管道40输入主管道14，管道40输入主管道14的入气口置于湿度传感变换器件12和荷电凝并器15之间；低温氧等离子体经管道40输入主管道；低温氧等离子体经气阀1调控低温氧等离子体流量，流量计计量低温氧等离子体流量，低温氧等离子体检测仪38检测输送低温氧等离子体管道40中低温氧等离子体浓度；低温氧等离子体将NO氧化成NO₂，它再与烟气中水分子反应形成·OH，·OH氧化NO₂形成硝酸雾，硝酸雾经电除酸雾系统被捕集成硝酸溶液；电除酸雾系统是由直流高压电源控制器20、直流高压电源21、高电压电缆22、绝缘子23、电晕线24、芒刺24、电除酸雾器外壳26、贮酸槽27组成；直流高电电源控制器20的输入端输入～220V(或～380V)电压，经直流高压电源控制器20调控后的交流电压经直流高压电源控制器20输出端输入高电压升压变压器19输入端，经高电压升压变压器19升压后的交流高电压从高电压升压变压器19输出端输出，再输入高压直流电源21的输入端；直流高压电从高压直流电源21输出端输出后，再经高电压电缆22、绝缘子23输入电除酸雾器外壳26内的电晕线24；电晕线24上众多芒刺在直流高电压作用下形成电晕放电，并产生大量负离子(或正离子)，酸雾经与负离子(或正离子)荷电后在电场力作用下被捕集成硝酸溶液，储存于贮酸槽27。

电除酸雾系统置于荷电凝并器15之后，剩余低温氧等离子体之前。高温控制器28输入端输入～220V(或～380V)电压，经高温控制器28调控后的交流电压经高温控制器28输出端输入剩余低温氧等离子体消除器29电源入口端，剩余低温氧等离子体经剩余低温氧等离子体消除器高温热分解成O₂排空；

剩余低温氧等离子体消除器29置于电除酸雾器外壳26之后，气体流量传感器30之前；

气体流量传感器30置于剩余低温氧等离子体消除器29、气体流量调控器31之间主管道14中；

气体流量传感器30输出气体流量信号输入气体流量调控器31的信号输入端；

气体流量调控器31根据气体流量传感器30气体流量信号调控主管道14中气体流量；

输送低温氧等离子体管道40进入主管道14的入气口置于湿度传感变换器件12与荷电凝并器13之间，距荷电凝并器距离＞4m；

电除酸雾器是由电场酸雾外壳26、电晕线24、芒刺25、绝缘子23组成；

荷电凝并器15置于电除酸雾器外壳26入气口之前；

低温氧等离子体产生器34经管道40输入主管道14的低温氧等离子体浓度为160mg/L～360mg/L；

低温氧等离子体在主管道14中消除烟气中氮氧化物反应温度控制在5℃～120℃，湿度控制在6％～15％；

低温氧等离子体在主管道14中消除烟气中氮氧化物反应时间0.2s～2min；

低温氧等离子在主管道14中体消除烟气中氮氧化物反应后剩余低温氧等离子体经剩余低温氧等离子体消除器29还原成O₂排空；

低温氧等离子体消除烟气中氮氧化物反应过程检测主管道中氮氧化物变化量的烟气分析仪13分别置于输送低温氧等离子体的管道40进入主管道14的入气口之前，电除酸雾器外壳26之后。

采用图1系统消除烟气中氮氧化物的方法：

为了研究烟道中低温氧等离子体直接氧化NO成HNO₃的反应机理，我们进行低温氧等离子体与NO质量比(n)变化对氮氧化物浓度影响实验。实验是在大气压条件下，载体烟气时由Air、N₂、O₂、CO₂等气体配成，烟气在DN25耐腐蚀钛钢管道中，充分与高纯度NO气瓶(99.99％)输出NO气体混合，再将强电离放电形成低温氧等离子体产生器产生高浓度低温氧等离子体注入烟气中。质量比(n)变化是在低温氧等离子体浓度为208g/m³条件下，调节NO注入量实现的。图2是烟气分析仪(Testo)在线监测低温氧等离子体注入含有NO烟气前后，NO、NO₂浓度随时间变化。调节低温氧等离子体产生器功率，达到最佳状态时产生低温氧等离子体注入充分混合实验烟气中。改变质量比是在低温氧等离子体产生器输出低温氧等离子体量一定基础上调节高纯气瓶输出NO量实现的。实验结果如图3所示。当n从0增至1.6时，NOx浓度从91.7mg/m³降至0.72mg/m³，脱除率为99.2％；质量比再继续增至4时，NO脱除率仍然保持在96％以上，几乎没有变化。从实验结果可知质量比≥1.6就可以实现烟道中低温氧等离子体氧化NO形成HNO₃的目的。图2是烟气分析仪(Testo)在线监测低温氧等离子体注入含有NO实验烟气前后，NO、NO₂浓度随时间变化。实验条件：空气流量100L/min，温度为24℃，低温氧等离子体浓度为208mg/L，H₂O相对湿度33.7％RH。

Claims (7)

1.一种低温氧等离子体消除烟气中氮氧化物系统，其特征在于该系统主要包括低温氧等离子体产生器、高频高压电源、高频高压变压器、高频高压控制器、低温氧离子浓度测试仪、温度调节器、温度控制器、温度传感变换器件、湿度调节器、湿度控制器、湿度传感变换器件、烟气分析仪、高温控制器、剩余氧等离子体消除器、荷电凝并器、负离子发生器、直流电源、变压器、电除酸雾器外壳、电晕线、芒刺、绝缘子、高电压电缆、高压直流电源、高电压升压变压器、直流高压电源控制器、高温控制器、剩余低温氧等离子体消除器、气体流量传感器、气体流量控制器、气体干燥装置、过滤装置、气体流量计、气阀、O₂气瓶、N₂气瓶、NOx标准气瓶、CO₂气瓶、管道，所述含NOx烟气是由Air以及标准NO、O₂、N₂、CO₂等气瓶分别经气阀、流量计输入主管道形成；所述烟气经主管道输入温度调节器入口，从温度调节器出口输出；所述温度传感变换器件置于管道中，温度变换信号输入温度控制器的信号入口端；所述温度控制器的温度控制信号从温度控制器信号出口端输出；所述温度控制信号从温度控制器信号出口端输出后输入温度调节器信号输入端；所述湿度传感变换器件置于管道中，湿度信号输入湿度控制器的信号输入端；所述湿度控制信号从湿度控制器信号输出端输出，输入湿度调节器的信号输入端，湿度调节器通过管道对主管道中烟气湿度调控；所述O₂经气阀调节流量后输入气体干燥装置入口，从气体干燥装置出口端输出干燥后O₂；所述干燥后O₂从气体干燥装置出口端输出后输入过滤装置入口端；所述过滤后O₂从过滤器出口端经流量计计量后输入低温氧等离子体产生器气体输入端；所述供电电压～220V(或～380V)输入高频高压电源控制器输入端，经高频高压电源控制器调频调压后，从高频高压电源控制器输出端输出后，加入高频高压变压器输入端，经高频高压变压器升压后从高频高压变压器输出端输出；所述高频高压电从高频高压变压器输出端输出后输入高频高压电源输入端；所述高频高压从高频高压电源输出端输出后，输入低温氧等离子体产生器的电源输入端；所述低温氧等离子体产生器输出端输出低温氧等离子体经管道输入主管道，途径气阀进行流量调控，流量计计量低温氧等离子体流量，采用低温氧等离子体浓度检测仪检测低温氧等离子体浓度；所述变压器输入端输入～220V(或～380V)，经变压后电压从变压器输出端输入直流电源输入端，直流高压电从直流电源输出端输入负离子发生器输入端，负离子从负离子发生器出口端输入荷电凝并器输入端；所述荷电凝并器入气口、出气口分别接到主管道；所述荷电凝并器置于低温氧等离子体输入主管道的入气口之后电除酸雾器外壳之前；所述加到高频高压电源控制器输入端输入～220V(或～380V)，经变频后高频电压再经高频高压电源控制器输出端输入高频高压变压器输入端；所述高频高压变压器输出端输出高频高压再输入高频高压电源输入端；所述高频高电压经高频高压电源输出端输入低温氧等离子体产生器的电压输入端；所述低温氧等离子体产生器形成的低温氧等离子体经管道输入主管道；所述低温氧等离子体输入主管道入气口在湿度传感变换器件与荷电凝并器之间；所述低温氧等离子体产生器输送低温氧等离子体管道上设有低温氧等离子体浓度测试仪检测低温氧等离子体浓度，气阀调节低温氧等离子体流量，流量计测量低温氧等离子体流量；所述除酸雾系统是由直流高压电源控制器、高压直流电源、高电压电缆、绝缘子、电晕线、芒刺、除酸雾器外壳、贮酸槽等组成；所述直流高压电源控制器的输入端输入～220V(或～380V)，经直流高压电源控制器调控后的交流电压经直流高压电源控制器输出端输入高电压升压变压器输入端，经高电压升压变压器升压后的交流高电压从高电压升压变压器输出端输出后，再输入高压直流电源的输入端；所述直流高电压从高压直流电源输出端输出后再经高电压电缆、绝缘子输入到电晕线；所述电晕线上众多芒刺在直流高电压作用下形成电晕放电，并产生大量负离子(或正离子)，酸雾荷电后在电场力作用下被收集成硝酸溶液，储存于酸槽中；所述电除酸雾系统置于荷电凝并器之后，剩余低温氧等离子体消除器之前；所述高温控制器输入端输入～220V(或～380V)，经高温控制器调控后的交流电压经高温控制器输出端输入剩余低温氧等离子体消除器电源入口端；所述剩余低温氧等离子体消除器置于电除酸雾器外壳之后，气体流量传感器之前；所述气体流量传感器置于剩余低温氧等离子体消除器、气体流量调控器之间主管道上；所述气体流量传感器所输出烟气流量信号输入气体流量调控器的信号输入端；所述气体流量调控器根据气体流量传感器气体流量信号调控主管道中烟气流量。

2.根据权利要求1所述的低温氧等离子体消除烟气中氮氧化物系统，其特征在于低温氧等离子体输入主管道的入气口置于湿度传感变换器件与荷电凝并器之间，距荷电凝并器距离＞4m。

3.根据权利要求1或2所述的低温氧等离子体消除烟气中氮氧化物方法，其特征在于低温氧等离子体浓度为160mg/L～360mg/L。

4.根据权利要求3所述的低温氧等离子体消除烟气中氮氧化物方法，其特征在于低温氧等离子体消除烟气中氮氧化物反应温度控制在5℃～120℃。

5.根据权利要求4所述的低温氧等离子体消除烟气中氮氧化物方法，其特征在于低温氧等离子体消除烟气中氮氧化物反应湿度控制在6％～15％。

6.根据权利要求4或5所述的低温氧等离子体消除烟气中氮氧化物方法，其特征在于低温氧等离子体消除烟气中氮氧化物处理时间在0.2s～4min。

7.根据权利要求6所述的低温氧等离子体消除烟气中氮氧化物方法，其特征在于低温氧等离子体消除烟气中氮氧化物反应后剩余低温氧等离子体经剩余低温氧等离子体消除器还原成O₂排空。