CN1114236A - 烟气的放电催化还原脱硫方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明为一种烟气的放电催化还原脱硫方法及其装置。利用施加于反应器中放电电极上高压纳秒脉冲放电形成一种等离子体催化还原的特殊环境，通过将烟气中部分CO₂还原成CO，并将CO借助催化剂与SO₂反应，还原成单质硫的途径达到脱硫的目的。本发明所说的脱硫方法不需要消耗氨气，可大幅度降低初期投资及运行费用，并能实现获得重要工业原料单质硫。

Description

烟气的放电催化还原脱硫方法及其装置

本发明属于环境保护工程领域，为一种利用高压放电形成等离子体催化还原的环境，将烟气中的二氧化硫SO₂还原成单质硫SO的方法和装置。

在当今社会的环境污染问题中，酸雨的污染主要来自于排烟和排气中的SO₂和NO_x。而我国75％的能源是靠燃煤来获得，因而，SO₂的污染问题极为严重，在环境保护问题上，如何经济有效地解决脱硫问题是关系到全民健康和经济持继发展的大问题。

传统的脱硫技术有喷氧化钙、氧化镁粉的干法脱硫和石灰水洗等湿法脱硫技术，但效果不理想，且终产品不易处理。七十年代国内外开始了利用电子束脱硫技术的研究，电子束脱硫是利用加速器将电子加速成高能电子后射到烟气中，使烟气产生自由基，将SO₂氧化成SO₃并与水分子结合成H₂SO₄，通入氨气后产生硫酸铵而达到脱硫目的。八十年代，日、美、欧等国家以及在我国也开始进行用纳秒脉冲放电产生非平衡等离子体对烟气进行脱硫的研究，这种方法与电子束法一样，也是将SO₂氧化加氨生成硫酸铵，只是起氧化作用的自由基是由非平衡等离子体产生的。采用上述方法脱硫虽优于传统的脱硫技术，但仍存在下列问题：①必须消耗大量氨气。从硫酸铵的分子式(NH₄)₂SO₄可以看出，脱除1摩尔SO₂需消耗2摩尔氨气，因此为了脱硫，在燃煤发电厂旁还必须建一个制氨厂才行。②终产物硫酸铵虽然可用作肥料，但它使土壤板结，并不是一种好肥料。

1993年，我国鞍山静电研究所提出低温常压等离子体分解SO₂的方法。利用脉宽小于10μs的超高压脉冲，使气体放电产生具有很高能量的自由电子，高能电子直接轰击SO₂分子，使其分解成单质硫和氧气，即 ，这一方法不需要消耗氨气。但此法利用高能电子直接轰击SO₂分子，大部分能量浪费在与其它分子的无用碰撞中，因此需要采用超高电压的脉冲才行。

本发明的目的是提出在脉冲放电等离子体加催化剂的环境下，使烟气中的CO₂分解成CO和O₂，利用CO将SO₂还原成单质硫的放电催化还原脱硫方法及其装置。

本发明所说的放电催化还原脱硫的方法是，在反应器中安置放电电极，放电电极上施加由纳秒级高压脉冲电源装置提供的极间平均峰值场强为2～8KV/cm，重复频率为50～1000Hz的脉冲电压，在放电电极之间的放电环境中，加有催化剂。利用放电电极上产生的脉冲等离子体，高能电子碰撞CO₂分子，使烟气中的CO₂分解成CO和O₂。经碰撞后产生的CO借助于放电及催化剂与烟气中的SO₂反应生成单质硫S和二氧化碳CO₂。单质硫附着在催化剂上，将附硫催化剂定期送到再生除硫系统中进行催化剂再生以重复使用和硫回收。

本发明所说的烟气的放电催化还原脱硫装置是由放电电极系统14、气流系统15、反应器2、再生除硫系统、等部分组成。放电电极系统14可由平行排列的线——板电极或线——圆筒电极组成，并安置在反应器2中，在放电电极上加有纳秒级高压脉冲电压，气流系统15可设置在反应器2中放电电极的下部，其作用是使反应器2中的催化剂17可充分均匀地与脉冲放电等离子接触，以增强反应器中CO与SO₂的反应，促使生成单质硫。

也可以在反应器2中放电电极的上部设置催化剂17的注入器21，使催化剂17从注入器21中注入后自由落经放电电极系统区域，然后在放电电极系统14的下部收集催化剂后，通过催化剂的循环系统再重新从催化剂注入器21注入循环使用。此时亦可省略气流系统。

再生除硫系统是用于再生催化剂和硫回收的。在催化脱硫过程中，产生的硫大部分附着在催化剂表面，因此，可定期将催化剂通过温度为140～300℃的再生除硫床6，使硫升华而与催化剂分离，升华后的硫在硫回收罐9中冷凝成液态硫10后从罐中流出，然后使其在温度低于60℃时凝结成固态硫。分离后的再生催化剂7可反复使用。

本发明所说的烟气的放电催化还原脱硫方法及其装置具有以下效果：

1.利用本发明所述的放电催化还原脱硫方法所生成的终产物是单质硫，是一种重要的工业原料。在实验室中的模拟烟气实验得到的终产物已由中国地质大学检测中心确认所获得的是单质硫。

2.本发明与脉冲放电等离子体氧化加氨脱硫法相比，不需要消耗氨气，而利用的中介气体是烟气中大量存在的CO₂，因此初期投资运行费用将大为降低。

3.本发明低温常压等离子体分解法相比，具有比分解法大得多的高能电子利用率，因而不需要施加超高压脉冲，只需加较低的高压脉冲即可。本发明利用的是高能电子与占12％的CO₂气体分子的碰撞，而分解法利用的是高能电子与仅占0.1％左右的SO₂直接碰撞，因而本发明具有更大的能量利用率，并易于实现单质硫的收集。

4.本发明与脉冲等离子体分解法相比，在电极距离为50毫米时，本方法只需施加10～40KV的电压即可，而分解法需要40～280KV的高电压。

5.本发明所提出的放电催化还原脱硫法，可以在烟气温度下(70～150℃)进行，而美国利用CO经CuO/r-Al₂O₃催化还原脱SO₂法，需要在450～550℃温度条件下进行，因为他们不是在放电等离子体条件下进行的。而且，美国的方法需要消耗CO，本发明则是利用烟气中大量存在的CO₂做中介气体，不需从外部送CO去消耗。

6.本发明所述的装置具有结构简单，易于实施的优点。

附图1：本发明所述的烟气的放电催化还原脱硫方法的工艺流程图；

附图2：有气流系统的烟气的放电催化还原脱硫装置示意图；

附图3：无气流系统的烟气的放电催化还原脱硫装置示意图；

附图4：线——板电极形式示意图；

附图5：线——圆筒电极形式示意图。

附图1为本发明所述的烟气的放电催化还原脱硫方法工艺流程图。含硫烟气经除尘装置1后送入反应器2中，在70～150℃温度环境下进行放电催化脱硫，反应器2中的放电电极系统14加有高压脉冲电源3提供的脉冲电压，经放电催化脱硫后的干净烟气4经排烟道排出。经放电催化脱硫后，硫附着在催化剂上，当达到一定的附着量之后，将附硫催化剂5送到温度为140～300℃的除硫再生床6进行除硫再生，将再生催化剂7复送到反应器2中使用。经过除硫再生后，产生含单质硫气体8，将其送到硫回收罐9中，分离成液态硫10和不含单质硫的气体11，然后将液态硫10降温到60℃下形成固态硫12。不含单质硫的气体11可利用气体预热器13预热后，作为再生除硫床6的热源。气体预热器13可以利用烟道中的热能而构成。

附图2、3是有气流系统和无气流系统的烟气的放电催化还原脱硫装置原理示意图。它们都是在反应器2中安置有放电电极系统14，在放电电极上加有高压脉冲电压。

附图2中的气流系统15设置在反应器2器中放电电极系统14有下部，气流系统15可使从催化剂贮存罐16中送出的催化剂17均匀地通过放电电极，然后使催化剂17再回到催化剂贮存罐16中以再次循环使用。在本装置中，含硫烟气从进气口18送入，从排气口19送出。

附图3由于无气流系统，所以催化剂17可直接从反应器2，放电电极系统14上方加入，在反应器2的下部收集、含硫烟气从进气口18送入后，经安置有放电电极系统14和催化剂17的反应器2后，从排气口19排出干净烟气。为了使催化剂可实现自动循环，可设置催化剂传送带20，将在反应器2下部收集到的催化剂17复送到反应器2的上部催化剂注入器21中。

无论是在附图2或是附图3所说的装置中，都可以设置一套使含硫催化剂定期去再生除硫床的传送机构22和定期返回再生催化剂的装置23。

附图4和附图5是两种不同的电极，即线——板电极和线——圆筒电极。

所说的催化剂可以是硅酸盐及氧化铝加活性金属、碱金属与碱土金属氧化物。

Claims (10)

1.一种烟气的放电催化还原脱硫的方法为：

在反应器中安置放电电极；

在放电电极上施加纳秒级高压脉冲电压；

在反应器中，放电电极所处的环境中加有催化剂；

在放电等离子体的作用下，高能电子碰撞烟气中的CO₂分子，使CO₂分解成CO和O₂，即

利用CO并借助催化剂与烟气中的SO₂反应，使还原成单质硫S和CO₂，即

2.根据权利要求1所说的放电催化还原脱硫方法，其特征在于，在反应器中可设置能使催化剂均匀分布在电场中的气流系统。

3.根据权利要求1所说的放电催化还原脱硫方法，其特征在于，所说的催化剂可通过催化剂收集、循环系统不断向反应器中注入、补充。

4.根据权利要求1所说的放电催化还原脱硫方法，其特征在于，所说的催化剂可以是硅酸盐及氧化铝加活性金属、碱金属与碱土金属氧化物。

5.根据权利要求1所说的放电催化还原脱硫方法，其特征在于，所说的单质硫可利用除硫系统回收。

6.一种烟气的放电催化还原脱硫装置，其特征在于，在反应器中安置有放电电极系统，反应器中放电电极之间加有催化剂，放电电极与纳秒级高压脉冲电源装置相联接；在反应器中可设置有气流系统。

7.根据权利要求6所说的烟气的放电催化还原脱硫装置，其特征在于，所说的放电电极系统中的放电电极是以平行排列的线——板电极或线——圆筒电极方式安置在反应器中。

8.根据权利要求6所说的烟气的放电催化还原脱硫装置，其特征在于，设置有催化剂注入、收集和催化剂收集循环系统，使不断向烟道中注入、补充的催化剂保存在其收集循环系统之中。

9.根据权利要求6所说的烟气的放电催化还原脱硫装置，其特征在于，所说的气流系统可以省略。

10.根据权利要求6所说的烟气的放电催化还原脱硫装置其特征在于，所说的催化剂可以是硅酸盐及氧化铝加活性金属、碱金属与碱土金属氧化物。

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