CN107185316A - 一种烟气脱硝除尘处理装置及处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种烟气脱硝除尘处理装置及处理方法，该装置包括双极荷介质阻挡放电等离子体反应器及膜式催化反应器，等离子体反应器设有烟气进口及出口，膜式催化反应器靠近底部处设有氨气进口及烟气进口且靠近其顶部处设有烟气出口，等离子体反应器的烟气出口通过气管与膜式催化反应器的烟气进口相连；膜式催化反应器内还设有脱硝除尘一体化材料。本发明将等离子体反应器与膜式催化反应器相结合，利用等离子体放电反应使烟气中的粉尘荷电并发生聚并，同时氧化烟气中的NO，再通过膜式催化反应器过滤颗粒物并进行脱硝反应。该处理装置结构简单，能耗低，占地面积小，节约成本，能高效脱硝除微尘，特别是对PM2.5类微尘具有优良的脱除效果。

Description

一种烟气脱硝除尘处理装置及处理方法
技术领域
本发明涉及一种烟气脱硝除尘处理装置及处理方法，属于烟气净化领域。
背景技术
空气与人们生活息息相关，也是人类生存的必须要素，其重要性毋庸置疑。然而随着科技的迅速发展，社会越来越趋向于工业化，人类也面临着各种各样的环境问题。由燃煤或燃气燃油锅炉以及交通工具等所排放的烟气中的粉尘、SOx、NOx等都是主要的大气污染物之一，对环境危害作用极大，严重破坏地球生态系统健康，对人体健康产生危害。为预防大气污染，2014年7月1日起实施的锅炉大气污染物排放标准规定新建燃煤锅炉颗粒物和氮氧化物的最高允许排放标准浓度分别为50mg/m3、300mg/m3，重点地区排放标准分别为30mg/m3，200mg/m3。2017年3月1日起实施的北京市地方标准规定新建工业炉窑颗粒物和氮氧化物的最高允许排放浓度分别为10mg/m3，100mg/m3。
大气颗粒物包括液态和固态颗粒物。目前应对颗粒物的主要方法是采用除尘器以及空气净化器等，而电除尘更是一直用于补集颗粒物，改善空气质量。氮氧化物的脱除方法可以分为湿法和干法，干法主要有选择性还原法(SCR)、选择性非催化还原法(SNCR)、催化分解法、吸附法和等离子体法等。低温等离子体协同SCR法具有运行费用低，反应条件温和，抗水抗硫处理效果好等特点。
传统的处理方法是一种处理系统应对一种污染物，各种污染物的处理方法有净化效率高、技术成熟等优点，但设备投资和运行费用高、占地面积大、操作维护工作量大。因此，多种污染物联合脱除是未来的努力方向。
CN161710451A公开了一种放电等离子体与吸收相结合脱除烟气中多种污染物的方法，其是将燃煤或焚烧烟气经电除尘或布袋除尘处理后，依次通过预洗涤塔、一级吸收塔、二级放电等离子体反应器和二级吸收塔。该方法照顾全面，能有效去除多种烟气污染物。但设备复杂，对PM2.5处理效果不佳，多种污染去除并不彻底，难以达到日益严苛的国家要求。
CN106390701A公开了一种多级等离子体强化烟气超低排放控制系统及方法，该系统包括带有烟气进出口和烟气出口的反应塔，反应塔内由下至上依次为等离子体干式氧化段、齐鲁转换段、喷淋吸收段等、等离子体氧化吸收段，烟气进口位于等离子体干式氧化段下方。该方法设备简单，结构紧凑，占地面积小，可同时处理多种烟气污染物。但该方法需要大量吸收液，氢氧化钠成本较高，易腐蚀设备，操作难度大，难以推广。
CN103566722B公开了一种等离子体一体化脱硫脱硝除微尘的方法及装置，将锅炉燃烧后的烟气通过放电等离子体氧化，然后通入氮气结合，生成铵盐，作为二次产物进行回收，实现脱硫脱硝。该装置结构简单，降低能耗，节省投资，占地面积小，成本低。但处理方法过于简单，对多种污染物的处理效果并非十分显著，难以达到现有的最低排放浓度要求。
因此，本领域亟需开发一套结构简单，能耗低，占地面积小，节约成本，同时能有效脱硝除微尘，特别是PM2.5类微尘的处理装置及相应的处理方法。
发明内容
有鉴于现实需求，本发明的目的之一在于开发一种烟气脱硝除尘处理装置，该处理装置结构简单，能耗低，占地面积小，节约成本，应用该装置能高效脱硝除微尘，特别是对PM2.5类微尘具有优良的脱除效果。
本发明的另一目的在于提供一种烟气脱硝除尘处理方法，该处理方法应用本发明处理装置，该方法能高效脱硝除微尘，特别是对PM2.5类微尘具有优良的脱除效果。
为实现上述目的，本发明提供一种烟气脱硝除尘处理装置，其包括双极荷介质阻挡放电等离子体反应器及膜式催化反应器，所述双极荷介质阻挡放电等离子体反应器设有烟气进口及烟气出口，所述膜式催化反应器靠近底部处设有氨气进口及烟气进口且靠近其顶部处设有烟气出口，所述双极荷介质阻挡放电等离子体反应器的烟气出口通过气管与所述膜式催化反应器的烟气进口相连；
所述膜式催化反应器中还具有脱硝除尘一体化材料，该脱硝除尘一体化材料由下往上分别是基布材料和覆膜材料，所述覆膜材料镀膜在该基布材料外侧，所述覆膜材料上负载有脱硝催化剂。
根据处理烟气量，本发明可以调整等离子体反应器与膜式催化反应器的大小和个数，一般情况下，在基本的1个等离子体反应器和1个膜催化反应器的基础之上进行增加或调整。在增加等离子体反应器或膜催化反应器时，可将增加的等离子体反应器与基础的等离子体反应器串联，同理，可将增加的膜催化反应器与基础的膜催化反应器串联。
本发明烟气脱硝除尘处理装置主要是将等离子体反应器与膜催化反应器相结合，并同时在膜催化反应器中采用脱硝除尘一体化材料。在应用该装置处理烟气时，使烟气通过等离子体反应器的放电反应器区，放电反应器区产生的高能电子与烟气中气体分子相碰撞，使烟气中产生包括电子、带电荷的离子、中性粒子，使得微尘颗粒表面带上电荷；由于本发明采用的是双极荷介质阻挡放电等离子体反应器，其利用正负外加电场产生的介质阻挡放电使颗粒物带上正、负不同种电荷，静电原理使经过等离子体处理后的烟气相互吸引碰撞，迅速由小颗粒聚并为大颗粒；再者，烟气中含有的O2、H2O，在高能电子的作用下生成大量活性极强的自由基或自由原子，氧化烟气中NO，生成NO2。
经上述等离子体反应器处理后的烟气进入所述膜式催化反应器，膜式催化反应器中通入氨气与进入的烟气混合，通过膜式催化反应器中的基布材料可将聚并的微尘过滤去除，而烟气中的NOx与负载在覆膜材料上的脱硝催化剂接触，发生快速SCR反应与标准SCR反应，生成无污染的氮气以去除烟气中的氮氧化物，最终达到污染物的同时去除的目的。应用本发明处理装置能使除尘及脱硝工艺在一套装置中完成，相互协同促进，具有良好的脱硝除尘效果，特别是对PM2.5类微尘具有优良的效果，并且，本发明处理装置结构简单，能耗低，占地少，节约成本。此外，本发明膜式催化反应器中，将脱硝催化剂负载在多孔的覆膜材料上，由于膜的结构与渗透作用，使脱硝催化剂的表面活性得到了充分利用，从而提高了脱硝催化活性，降低催化剂使用量，节约成本。
在上述的烟气脱硝除尘处理装置中，优选地，所述双极荷介质阻挡放电等离子体反应器的电极系统由N块阴极板与N+1块阳极板，或N+1块阴极板与N块阳极板平行交替相间构成，在每个交替相间的电极之间有一块绝缘介质，绝缘介质紧靠阳极板或阴极板。更优选地，所述阴极板或阳极板与所述双极荷介质阻挡放电等离子体反应器的中心轴平行。烟气进入等离子体反应器入口后，经分流并行通过各个平行的等离子体反应放电通道，再在等离子体放电反应器出口处汇聚，经连接的气管进入膜式催化反应器。
在上述的烟气脱硝除尘处理装置中，优选地，所述双极荷介质阻挡放电等离子体反应器的电源为高频电源。采用高频的电源可节约能耗。
一般地，本发明中所述的高频是指200KHZ以上。
在上述的烟气脱硝除尘处理装置中，优选地，所述双极荷介质阻挡放电等离子体电源反应器的电源种类可为交直流电源、射频电源和脉冲电源中任意一种。
在上述的烟气脱硝除尘处理装置中，优选地，所述基布材料包括聚酰亚胺纤维、聚苯硫醚、玻璃纤维中的任意一种。
在上述的烟气脱硝除尘处理装置中，优选地，所述覆膜材料包括聚四氟乙烯、PFA塑料、聚三氟乙烯中的任意一种。
本发明对所用脱硝催化剂不作限定，只要具有脱硝作用的催化剂均可适用于本发明，在上述的烟气脱硝除尘处理装置中，脱硝催化剂优选为Mn-Ce/TiO2催化剂。
本发明中，膜式催化反应器内包含由基布材料和含有催化剂的覆膜材料组成的脱硝除尘一体化材料，该脱硝除尘一体化材料可在膜式催化反应器的横截面上单层布置，也可以多层布置，可以平行也可以不平行，可根据实际情况设置。膜式催化反应器底部通入氨气与进入的烟气混合后，与该脱硝除尘一体化材料接触。
另一方面，本发明提供一种烟气脱硝除尘处理方法，其利用本发明前述的烟气脱硝除尘处理装置，该处理方法包括：
烟气通过所述双极荷介质阻挡放电等离子体反应器被氧化和聚并；然后经所述膜式催化反应器进行过滤除尘和催化脱硝反应。
前述氧化和聚并中的氧化是指烟气中含有的O2、H2O，在高能电子的作用下生成大量活性极强的自由基或自由原子，氧化烟气中NO，生成NO2。前述氧化和聚并中的聚并是指，静电原理使经过等离子体处理后的烟气相互吸引碰撞，迅速由小颗粒聚并为大颗粒。前述过滤除尘是指基布材料将聚并的微尘过滤去除。前述催化脱硝反应是指烟气中的NOx与负载在覆膜材料上的脱硝催化剂接触，发生快速SCR反应与标准SCR反应。
在前述脱硝除尘处理方法中，在所述等离子体反应器工作过程中，控制其加载电压为大于0V～1000KV，优选大于0～200KV。
本发明对膜式催化反应器的反应温度不作限定，其可根据所使用的脱硝催化剂的性能，烟气处理量等条件作相应的调整，在前述脱硝除尘处理方法中，在所述膜式催化反应器工作过程中，控制膜式催化反应器的反应温度为0～1000℃，优选100～300℃。
在前述脱硝除尘处理方法中，所述烟气脱硝除尘处理方法将烟气通过双极荷介质阻挡放电等离子体放电反应区，使烟气中产生包括电子、带电荷的离子、中性粒子，并且使微尘颗粒表面带上电荷，同时氧化烟气中NO，生成NO2。
在前述脱硝除尘处理方法中，由正负外加电场产生的介质阻挡放电使颗粒物带上正、负不同种电荷，利用静电原理使经过双极荷介质阻挡放电等离子体处理后的烟气相互吸引碰撞，迅速的由小颗粒聚并为大颗粒。
在前述脱硝除尘处理方法中，微尘通过基布材料和覆膜材料被过滤去除，烟气与氨气混合，气体中的NOx通过覆膜材料，与催化剂接触，发生快速SCR反应与标准SCR反应，生成无污染的氮气。
综上可知，本发明提供了一种烟气脱硝除尘处理装置及处理方法，其具有如下有益效果：
(1)同时处理氮氧化物和微尘，处理效果良好，微尘去除率达到99％，氮氧化物去除率达到95％以上。
(2)处理过程无副产物产生，在处理过程中，氨气作为反应物，参与SCR反应生成无污染的氮气。
(3)本发明应用双极荷介质阻挡放电等离子体反应器，一方面，介质阻挡放电起始放电电压低，放电均匀，放电效率高，能耗低，节约运行成本；另一方面，各个通道内微尘带电电荷相反，超细颗粒尤其是粒径小于2.5微米(PM2.5)的颗粒在气管内聚并成大颗粒微尘，有利于烟气中小颗粒微尘，对细微颗粒的除去效果良好，尤其是PM2.5的除去效果良好。
(4)对烟气具有良好的适应性，可去除的微尘颗粒范围大，可应用的温度范围广，抗硫抗水，具有广泛应用的潜力。
附图说明
图1是本发明实施例1中所述的烟气脱硝除尘处理装置示意图。
图2是本发明实施例1中所述的双极荷介质阻挡放电等离子体反应器的内部结构示意图。
图3是本发明实施例1中所得脱硝催化剂的X射线衍射(XRD)。
图4是本发明实施例1中所得催化剂Mn-Ce/TiO2的Ce3d X射线光电子能谱分析(XPS)。
图5是本发明实施案1中脱硝除尘一体化材料结构示意图。
图中标号具有如有意义：
1：双极荷介质阻挡放电等离子体反应器；2：气管；3：膜式催化反应器；4：脱硝除尘一体化材料；5：排气管道；6：电极电源；7：放电电极板；8：绝缘介质板；9：电压表；10：电流表；11：进气口；12：覆膜材料；13：基布材料。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合具体实施方式进一步详细说明。但实施例具体细节仅为了说明本发明，并不代表本发明构思的全部技术方案。
实施例1
请参考图1，其为本实施例烟气脱硝除尘处理装置示意图，其包括双极荷介质阻挡放电等离子体反应器1及膜式催化反应器3，所述双极荷介质阻挡放电等离子体反应器1设有烟气进口11及烟气出口，所述膜式催化反应器3靠近底部处设有氨气进口及烟气进口且靠近其顶部处设有烟气出口，所述双极荷介质阻挡放电等离子体反应器1的烟气出口通过气管2与所述膜式催化反应器1的烟气进口相连；所述膜式催化反应器3的烟气出口与排气管道5相连；
所述膜式催化反应器中还具有脱硝除尘一体化材料4，所述的脱硝除尘一体化材料4由下往上分别是基布材料12和覆膜材料13，所述覆膜材料镀膜在该基布材料的外侧，烟气由下而上通过基布材料12和覆膜材料13；其结构示意图如图5所示。
本实施例基布材料为聚酰亚胺纤维。
本实施例覆膜材料为聚四氟乙烯，该覆膜材料上负载的脱硝催化剂为Mn-Ce/TiO2。
本实施例采用的Mn-Ce/TiO2催化剂是按常规的方法自制得到，其以纳米级锐钛矿型TiO2(P25)为催化剂载体，硝酸铈和乙酸锰为活性组分前驱物，采用过量浸渍法制备；制备得到的Mn-Ce/TiO2催化剂的X射线衍射(XRD)如图3所示，Mn-Ce/TiO2催化剂的Ce3d X射线光电子能谱分析(XPS)如图4所示。
本发明采用沉积法将催化剂颗粒负载在聚四氟乙烯材料上，将20g的催化剂进行研磨，得到的催化剂粉末与500ml乙醇混合，超声搅拌充分混合后，加入聚四氟乙烯膜，在60℃下烘干24小时，然后取出聚四氟乙烯膜在200℃下煅烧2小时。
请参考图2，其为本实施例采用的双极荷介质阻挡放电等离子体反应器内部结构示意图，该等离子体反应器的电极系统由五块阴极板，四块阳极板，平行交替相间构成，在每个交替相间的电极板7之间有一块绝缘介质板8，绝缘介质紧靠阴极板。反应器还包括电源6，电压表9，电流表10，电源6为高频交直流电源。
本实施例烟气脱硝除尘处理方法利用本实施例的烟气脱硝除尘处理装置，其包括：
使烟气通过所述等离子体反应器1的烟气进口进入工作中的所述等离子体反应器1使烟气氧化聚并；然后经所述气管2进入工作中的所述膜式催化反应器3并向所述膜式催化反应器3内通入氨气以进行过滤除尘和催化脱硝反应。
本实施例烟气为为60℃，其中含560mg/m3氮氧化物，5g/m3颗粒物，流量为1L/min，其中PM2.5的含量0.15g/m3，占总颗粒物量的3％。烟气经进气口11进入等离子体反应器1氧化并使颗粒物带电，等离子体反应器工作中电极电压为45KV；经等离子体反应器1处理后的烟气经气管2进入膜式催化反应器3中，在膜式催化反应器底部与氨气混合，自下而上通过脱硝除尘一体化材料4，在所述膜式催化反应器工作过程中，控制膜式催化反应器的反应温度为100～150℃；最后到达排气管道5的烟气中的颗粒物和氮氧化物浓度分别为20～30mg/m3、20～30mg/m3，其中PM2.5的含量为3～5mg/m3，颗粒物脱除效率99％以上，氮氧化物脱除效率95％以上。
实施例2
本实施例的装置与连接方式除双极荷介质阻挡放电等离子体反应器1所用电源为脉冲电源，其余均与实施例1相同。
待处理的烟气与处理方法与实施例1相同，反应器电极电压为45KV，在所述膜式催化反应器工作过程中，控制膜式催化反应器的反应温度为100～150℃。最后到达排气管道5的烟气中的颗粒物与氮氧化物的含量分别为10～25mg/m3、15～30mg/m3，其中PM2.5的含量为2～4mg/m3，颗粒物脱除效率99％以上，氮氧化物脱除效率95％以上。
对比例1
本对比例仅采用膜式催化反应器2，待处理烟气与实施例1相同，处理烟气的膜式催化反应器2的结构和方法与实施例1相同，即从膜式催化反应器2底部通入未经双极荷介质阻挡放电等离子体反应器1处理的烟气。最后到达排气管道5的烟气中的颗粒物与氮氧化物的含量分别为0.5g/m3、70～90mg/m3，其中PM2.5的含量为0.07～0.12g/m3，颗粒物的脱除效率90％，氮氧化物的脱除效率85％，PM2.5脱出率很低。
本发明通过上述实施案例帮助理解本发明的装置、方法和核心思想，但并不局限于上述实施案例，非必须上述详细方法才能具体实施本发明；同时，相关技术人员应该明了，对本发明的相关改进，相关操作范围内的变动与替换均属于本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种烟气脱硝除尘处理装置，其包括双极荷介质阻挡放电等离子体反应器及膜式催化反应器，所述双极荷介质阻挡放电等离子体反应器设有烟气进口及烟气出口，所述膜式催化反应器靠近底部处设有氨气进口及烟气进口且靠近其顶部处设有烟气出口，所述双极荷介质阻挡放电等离子体反应器的烟气出口通过气管与所述膜式催化反应器的烟气进口相连；
所述膜式催化反应器内还设有脱硝除尘一体化材料，该脱硝除尘一体化材料由下往上分别是基布材料和覆膜材料，所述覆膜材料镀膜在该基布材料的外侧，所述覆膜材料上负载有脱硝催化剂。
2.根据权利要求1所述的烟气脱硝除尘处理装置，其中，所述双极荷介质阻挡放电等离子体反应器的电极系统由N块阴极板与N+1块阳极板，或N+1块阴极板与N块阳极板平行交替相间构成，在每个交替相间的电极之间有一块绝缘介质，绝缘介质紧靠阳极板或阴极板；
优选地，所述阴极板或阳极板与所述双极荷介质阻挡放电等离子体反应器的中心轴平行。
3.根据权利要求1或2所述的烟气脱硝除尘处理装置，其中，所述双极荷介质阻挡放电等离子体反应器的电源为高频电源。
4.根据权利要求1或2所述的烟气脱硝除微尘处理装置，其中，所述双极荷介质阻挡放电等离子体电源反应器的电源种类为交直流电源、射频电源和脉冲电源中任意一种。
5.根据权利要求1所述的烟气脱硝除尘处理装置，其中：
所述基布材料包括聚酰亚胺纤维、聚苯硫醚、玻璃纤维中任意一种。
6.根据权利要求1所述的烟气脱硝除尘处理装置，其中：
所述覆膜材料包括聚四氟乙烯、PFA塑料、聚三氟乙烯中任意一种。
7.根据权利要求1所述的烟气脱硝除尘处理装置，其中，所述脱硝催化剂为Mn-Ce/TiO2催化剂。
8.一种烟气脱硝除尘处理方法，所述方法利用权利要求1～7中任一项所述的烟气脱硝除尘处理装置，该处理方法包括：
烟气通过所述双极荷介质阻挡放电等离子体反应器被氧化和聚并；然后经所述膜式催化反应器进行过滤除尘和催化脱硝反应。
9.根据权利要求8所述的烟气脱硝除尘处理方法，其中，在所述双极荷介质阻挡放电等离子体反应器工作过程中，控制其加载电压为大于0V～1000KV，优选大于0～200KV。
10.根据权利要求8或9所述的烟气脱硝除尘处理方法，其中，在所述膜式催化反应器工作过程中，控制膜式催化反应器的反应温度为0～1000℃，优选100～300℃。
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