CN112169591A - 一种脉冲放电-膜过滤催化耦合烟气净化装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种脉冲放电‑膜过滤催化耦合烟气净化装置及方法，装置包括：包括进气口(1)、装置主体(9)和出气口(10)，装置主体(9)内设置有烟气分布板(2)，装置主体(9)内还有设有膜过滤催化单元(4)和与之交替布置的放电极(5)；膜过滤催化单元(4)包括多根膜过滤催化管(400)和膜过滤催化单元固定板(3)，多根膜过滤催化管(400)通过膜过滤催化单元固定板(3)固定在装置主体(9)内；放电极(5)位于膜过滤催化管(400)之间。与现有技术相比，本发明可以将颗粒物、NOx、VOCs和Hg0等多种污染物进行同步脱除，减少了烟气净化系统的一次性投资和运行成本，且对颗粒物、NOx、VOCs和Hg0等污染物的脱除效率更高。

Description

一种脉冲放电-膜过滤催化耦合烟气净化装置及方法
技术领域
本发明涉及环境保护技术领域，具体涉及一种脉冲放电-膜过滤催化耦合烟气净化装置及方法。
背景技术
随着我国环境保护力度的不断加大，电力行业和非电行业都在逐步推行超低排放技术。工业烟气中除了颗粒物、氮氧化物和硫氧化物等常规污染物以外，还含有挥发性有机物、重金属等非常规污染物。当前大多数的烟气净化设备，如除尘器、SCR、脱硫设备等大多只能针对一种污染物进行有效去除。如果要实现多种污染物的净化需要在烟气净化系统设置多个设备，增加了烟气净化的一次性投资和运行成本。因此，开发适用于多种污染物同步脱除的集成化技术将是工业烟气污染物控制技术的发展趋势。
工业烟气污染物中的气态污染物一般可以采用催化、吸附或吸收的方法脱除。其中VOCs、NOx和Hg0等可以通过催化的方法将其直接去除或转化为更容易被捕集的形态。然而工业用的SCR催化剂对多种污染物的协同催化性能欠佳，且受烟尘的影响较大。所以，如果将除尘及催化等功能进行有效集成，就将实现多种污染物同步控制的目的。
发明专利CN105921006A公开了一种等离子体催化法烟气多污染物协同脱除系统，采用耐高温、耐腐蚀、强度高、导电性能良好的金属陶瓷材料制成的收尘极和电晕极，收尘极表面添加活性高、寿命长、经济性好的脱硫脱硝催化剂涂层，收尘极和电晕线上均有透气、透水但阻尘的微孔，能够用于高温及常温烟气除尘；采用湿式清灰方式，在清灰水中添加表面活性剂增加二氧化硫、氮氧化物在水中的溶解度，在催化剂涂层的作用下达到更好的脱硫脱硝效果；利用脉冲放电等离子体供电方式，强化二氧化硫和氮氧化物的氧化效果。但是相关技术对于脱硫脱硝的效率较低，且对于烟气中VOCs和Hg0等明显的去除作用，而且无法有效地去除烟气中的粉尘，亟待开展相关的提升技术。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种脉冲放电-膜过滤催化耦合烟气净化装置及方法，可以将颗粒物、NOx、VOCs和Hg0等多种污染物进行同步脱除，且脱除效率较高。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种脉冲放电-膜过滤催化耦合烟气净化装置，包括进气口、装置主体和出气口，所述的装置主体内设置有烟气分布板，所述的装置主体内还有设有膜过滤催化单元和与之交替布置的放电极；所述的膜过滤催化单元包括多根膜过滤催化管和膜过滤催化单元固定板，多根膜过滤催化管通过膜过滤催化单元固定板固定在装置主体内；所述的放电极位于膜过滤催化管之间。
烟气从下部的进气口进入净化装置，在烟气分布板引导下均匀地自下而上运行，然后通过膜过滤催化单元与放电极所组成的放电区，污染物经过放电区的荷电或活化后，再经过膜过滤催化管的管壁进入其内部，通过管壁的过滤及催化转化作用，将气流中的污染物去除，最后气体从顶部的出气口排出进入后续的深度净化单元。在烟气经过膜过滤催化单元与放电极所组成的放电区，烟气中的粉尘首先会被荷电，从而有利于其在膜外表面的过滤去除，充分发挥静电-过滤的优势，不仅可提高过滤效率和容易清灰，且有利于降低过滤层阻力。同时，放电所产生臭氧及其它活性物种，不仅可促进气态有机物的转化或分解，同时对可对膜表面上的催化剂起到活化作用，可降低污染物的催化转化温度，利用这些耦合作用，可实现NO、VOCs、Hg0等多种污染物的协同净化。
所述的膜过滤催化管为负载有活性组分的陶瓷管，陶瓷管一端封闭，另一端开口，其外径为60～150mm，管壁厚度5～10mm，长度为1.5～6m。
所述的多根膜过滤催化管呈正方形或正六边形排列，所述的放电极位于正方形或正六边形排列的中心；相邻膜过滤催化管的中心间距为200～300mm。膜过滤催化单元与装置主体之间设有膜过滤催化单元密封板，使烟气从膜过滤催化单元与放电极所组成的放电区进入，荷电、过滤、催化后从膜过滤催化管内部向上排出。
所述的膜过滤催化管上负载有催化活性组分；所述的催化活性组分包括锰、铈、锆、钴、钒、钛、铬、铜、钼、钨中的一种或多种，催化活性组分在膜过滤催化管上的质量百分含量为1～5％。
所述的膜过滤催化管外层包覆有具有导电作用的过滤膜，作为接地极和集尘极使用；所述的过滤膜为金属烧结结构的过滤催化膜，或在陶瓷管外表面喷涂石墨粉形成，并通过导电的膜过滤催化单元固定板与地线连接。
所述的放电极为柱状金属丝，直径为5～20mm，放电极的两端通过电极固定架固定在装置主体内。
所述的放电极的同一横截面处安装4～6根指向膜过滤催化管中心的金属棒，金属棒尖端距离膜过滤催化管外管壁的距离为50～100mm，同一横截面处的金属棒为一层，相邻层金属棒之间的垂直距离为100～150mm。
所述的放电极连接高压脉冲电源，电压范围为20～100kV；所述的放电极与高压脉冲电源的负极相连。
所述的膜过滤催化单元上方设置有清灰管，装置主体底部设置有灰斗；所述的清灰管在各个膜过滤催化管内设有开口，采用脉冲反吹或旋转反吹的方法将压缩空气吹到膜过滤催化管内，并自内向外将膜过滤催化管外表面积累的粉尘层吹落至灰斗中。
上述的脉冲放电-膜过滤催化耦合烟气净化方法，包括以下步骤：
第一步：烟气从进气口进入烟气净化装置，经过烟气分布板进入装置主体内；
第二步：烟气进入膜过滤催化单元的间隙之中，通过放电极电晕放电使得烟气中的粉尘带上电荷，并在电场驱动力的作用下向膜过滤催化管的外壁富集；
第三步：烟气自外向内穿透膜过滤催化管的管壁进入内部，烟气中的大部分的粉尘被管壁过滤去除，而过滤后的烟气通过装置主体顶部的出气口排放或输送到下级深度净化设备中；
第四步：通过外加高压脉冲电源使得放电极带电，并通过放电产生活性物质，包括臭氧、氧自由基等，所述的活性组分与膜过滤催化管上负载的催化剂活性组分协同作用，使得烟气中的气态污染物NOx、VOCs和Hg0被脱除；
第五步：将压缩空气从清灰管中喷向膜过滤催化管内，然后从管内侧向管外侧反吹滤层，将富集在膜过滤催化管外表面上的粉尘吹落到装置主体底部的灰斗中。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本发明可以将颗粒物、NOx、VOCs和Hg0等多种污染物进行同步脱除，减少了烟气净化系统的一次性投资和运行成本；
2、本发明基于脉冲放电生成的活性物质可以与催化体系协同作用，显著提升了NOx、VOCs和Hg0等污染物的去除效率；
3、本发明在电晕放电过程中生成的电荷附着在颗粒物上，使其在电场作用下在膜过滤催化单元外壁富集，提高了颗粒物的去除效率；
4、在膜过滤催化单元外壁富集的颗粒物由于带同种电荷，因此其积灰层比较蓬松，降低了常规过滤装置积灰层的阻力损失，并且能进一步提升对颗粒物的捕集效率；
5、通过清灰管内压缩空气进行清灰，可避免清灰水的大量使用，减少水资源的浪费，防止废水造成的二次污染，更加环保。
附图说明
图1为本发明脉冲放电-膜过滤催化耦合烟气净化装置示意图；
图2为本发明装置中膜过滤催化单元与放电极的正方形平面布置图；
图3为本发明装置中膜过滤催化单元与放电极的正六边形平面布置图；
图4为实施例1～3和对比例1装置中膜过滤催化单元与放电极的平面布置图；
图中：1-进气口，2-烟气分布板，3-膜过滤催化单元固定板，4-膜过滤催化单元，5-放电极，6-膜过滤催化单元密封板，7-清灰管，8-电极固定架，9-装置主体，10-出气口，11-灰斗，400-膜过滤催化管，500-金属棒。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例在以本发明技术方案前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1～3和对比例1
如图1所示，一种脉冲放电-膜过滤催化耦合烟气净化装置，包括：进气口1、烟气分布板2、膜过滤催化单元固定板3、膜过滤催化单元4、放电极5、膜过滤催化单元密封板6、清灰管7、电极固定架8、装置主体9、出气口10和灰斗11；烟气分布板2位于进气口1上方，膜过滤催化单元固定板3位于烟气分布板2上方，膜过滤催化单元固定板3上固定有膜过滤催化单元4，膜过滤催化单元4由四根膜过滤催化管400组成，膜过滤催化管400下端封闭，上端开口，膜过滤催化单元密封板6位于膜过滤催化单元4上部，且高度低于膜过滤催化管400的上端开口，膜过滤催化单元4上方设置有清灰管7，放电极5位于膜过滤催化管400之间，放电极5的两端通过电极固定架8固定，出气口10位于装置主体9的顶部，灰斗11位于装置主体9的底部，装置主体9为内径为500mm，长为2.0m的不锈钢外壳。清灰管7在各个膜过滤催化管400内设有开口，采用脉冲反吹或旋转反吹的方法将压缩空气吹到膜过滤催化管400内，并自内向外将膜过滤催化管400外表面积累的粉尘层吹落至灰斗11中。
如图4所示，四根膜过滤催化管400呈正方形排列，相邻膜过滤催化管400的中心间距为200mm，放电极5位于正方形的几何中心。
其中，膜过滤催化管400为负载有活性组分的陶瓷管，膜过滤催化管400下端封闭，上端开口，外径为100mm，管壁厚度为5mm，长度为1.5m。膜过滤催化管400上负载有催化活性组分，为氧化锰和氧化铈，催化活性组分在膜过滤催化管400上的质量百分含量为10％。膜过滤催化管400外层包覆有具有导电作用的过滤膜，作为接地极和集尘极使用，过滤膜为金属烧结而成，并通过导电的膜过滤催化单元固定板3与地线连接。
放电极5为柱状金属丝，直径为20mm，长为2.0m，放电极5的同一横截面处安装四根指向膜过滤催化管400中心的金属棒500，金属棒500为不锈钢钉，尖端距离膜过滤催化管400外管壁的距离为100mm，放电极5上共焊接了九层不锈钢钉，每层不锈钢钉之间的垂直距离为150mm，放电极5连接高压脉冲电源，电压范围为20～100kV，放电极5与高压脉冲电源的负极相连。
利用实验室的中试烟气净化装置进行实验研究，由旋转炉窑焙烧煤粉提供模拟烟气，其烟气量为100m3/h。烟气经过风冷系统后温度降低至300℃左右，烟气中含尘浓度约为1000mg/m3，PAHs为460μg/m3，Hg0为22μg/m3。
将烟气被引入到上述的脉冲放电-膜过滤催化耦合烟气净化装置中，经过以下步骤：
第一步：烟气从进气口1进入烟气净化装置，经过烟气分布板2进入装置主体9内；
第二步：烟气进入膜过滤催化单元4的间隙之中，通过放电极5电晕放电使得烟气中的粉尘带上电荷，并在电场驱动力的作用下向膜过滤催化管400的外壁富集；
第三步：烟气自外向内穿透膜过滤催化管400的管壁进入内部，烟气中的大部分的粉尘被管壁过滤去除，而过滤后的烟气通过装置主体9顶部的出气口10排放或输送到下级深度净化设备中；
第四步：通过外加高压脉冲电源使得放电极5带电，并通过放电产生活性物质，包括臭氧、氧自由基等，所述的活性组分与膜过滤催化管400上负载的催化剂活性组分协同作用，使得烟气中的气态污染物NOx、VOCs和Hg0被脱除；
第五步：将压缩空气从清灰管7中喷向膜过滤催化管400内，然后从管内侧向管外侧反吹滤层，将富集在膜过滤催化管400外表面上的粉尘吹落到装置主体9底部的灰斗11中。
对出气口10处的烟气进行测试，得到高压脉冲电源电压与污染物浓度及去除效率之间的关系如下表所示：
指标 实施例1 实施例2 实施例3 对比例1
高压脉冲电源电压(kV) 20 30 40 0
烟气颗粒物浓度(mg/m<sup>3</sup>) 68 28 9 142
烟气颗粒物去除效率(％) 93.2 97.2 99.1 85.8
PAHs浓度(μg/m<sup>3</sup>) 108 63 25 156
PAHs去除效率(％) 76.5 86.3 94.6 66.1
Hg<sup>0</sup>浓度(％) 7 5 3 10
Hg<sup>0</sup>去除效率(％) 68.2 77.3 86.4 54.5
由上表可知，本发明脉冲放电-膜过滤催化耦合烟气净化装置对烟气中的颗粒物、PAHs和Hg0均有良好的去除能力。
实施例4～6
实施例4～6的脉冲放电-膜过滤催化耦合烟气净化装置结构参数如下表所示：
Figure BDA0002698833750000061
Figure BDA0002698833750000071
利用实施例4～6的脉冲放电-膜过滤催化耦合烟气净化装置对工业烟气进行净化，测得各污染物的去除效率如下表所示：
指标 实施例4 实施例5 实施例6
烟气颗粒物去除效率(％) 99.1 98.2 98.5
NOx去除效率(％) 96.8 93.7 95.4
Hg<sup>0</sup>去除效率(％) 95.2 94.2 93.9
PAHs去除效率(％) 93.9 94.8 94.1
VOCs去除效率(％) 98.4 96.5 96.7
由上表可知本发明脉冲放电-膜过滤催化耦合烟气净化装置对工业烟气中的颗粒物、NOx、PAHs、VOCs和Hg0等污染物均具有较高的去除效率。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种脉冲放电-膜过滤催化耦合烟气净化装置，包括进气口(1)、装置主体(9)和出气口(10)，所述的装置主体(9)内设置有烟气分布板(2)，其特征在于，所述的装置主体(9)内还有设有膜过滤催化单元(4)和与之交替布置的放电极(5)；所述的膜过滤催化单元(4)包括多根膜过滤催化管(400)和膜过滤催化单元固定板(3)，多根膜过滤催化管(400)通过膜过滤催化单元固定板(3)固定在装置主体(9)内；所述的放电极(5)位于膜过滤催化管(400)之间。
2.根据权利要求1所述的脉冲放电-膜过滤催化耦合烟气净化装置，其特征在于，所述的膜过滤催化管(400)为负载有活性组分的陶瓷管，陶瓷管一端封闭，另一端开口，其外径为60～150mm，管壁厚度5～10mm，长度为1.5～6m。
3.根据权利要求1所述的脉冲放电-膜过滤催化耦合烟气净化装置，其特征在于，所述的多根膜过滤催化管(400)呈正方形或正六边形排列，所述的放电极(5)位于正方形或正六边形排列的中心；相邻膜过滤催化管(400)的中心间距为200～300mm。
4.根据权利要求1所述的脉冲放电-膜过滤催化耦合烟气净化装置，其特征在于，所述的膜过滤催化管(400)上负载有催化活性组分；所述的催化活性组分包括锰、铈、锆、钴、钒、钛、铬、铜、钼、钨中的一种或多种，催化活性组分在膜过滤催化管(400)上的质量百分含量为1～5％。
5.根据权利要求1所述的脉冲放电-膜过滤催化耦合烟气净化装置，其特征在于，所述的膜过滤催化管(400)外层包覆有具有导电作用的过滤膜，作为接地极和集尘极使用；所述的过滤膜为金属烧结结构的过滤催化膜，或在陶瓷管外表面喷涂石墨粉形成，并通过导电的膜过滤催化单元固定板(3)与地线连接。
6.根据权利要求1所述的脉冲放电-膜过滤催化耦合烟气净化装置，其特征在于，所述的放电极(5)为柱状金属丝，直径为5～20mm，放电极(5)的两端通过电极固定架(8)固定在装置主体(9)内。
7.根据权利要求1所述的脉冲放电-膜过滤催化耦合烟气净化装置，其特征在于，所述的放电极(5)的同一横截面处安装4～6根指向膜过滤催化管(400)中心的金属棒(500)，金属棒(500)尖端距离膜过滤催化管(400)外管壁的距离为50～100mm，相邻层金属棒(500)之间的垂直距离为100～150mm。
8.根据权利要求1所述的脉冲放电-膜过滤催化耦合烟气净化装置，其特征在于，所述的放电极(5)连接高压脉冲电源，电压范围为20～100kV；所述的放电极(5)与高压脉冲电源的负极相连。
9.根据权利要求1所述的脉冲放电-膜过滤催化耦合烟气净化装置，其特征在于，所述的膜过滤催化单元(4)上方设置有清灰管(7)，装置主体(9)底部设置有灰斗(11)；所述的清灰管(7)在各个膜过滤催化管(400)内设有开口，采用脉冲反吹或旋转反吹的方法将压缩空气吹到膜过滤催化管(400)内，并自内向外将膜过滤催化管(400)外表面积累的粉尘层吹落至灰斗(11)中。
10.一种如权利要求1～9中任一所述的脉冲放电-膜过滤催化耦合烟气净化方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步：烟气从进气口(1)进入烟气净化装置，经过烟气分布板(2)进入装置主体(9)内；
第二步：烟气进入膜过滤催化单元(4)的间隙之中，通过放电极(5)放电使得烟气中的粉尘带上电荷，并在电场驱动力的作用下向膜过滤催化管(400)的外壁富集；
第三步：烟气自外向内穿透膜过滤催化管(400)的管壁进入内部，烟气中的大部分的粉尘被管壁过滤去除，放电极(5)放电产生的活性物质与膜过滤催化管(400)上负载的催化剂活性组分协同作用，使得烟气中的气态污染物NOx、VOCs和Hg0被脱除，过滤后的烟气通过装置主体(9)顶部的出气口(10)排放或输送到下级深度净化设备中。
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