CN1439450A - 以触媒降低氮氧化物的方法及其系统 - Google Patents

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Abstract

一种以触媒降低氮氧化物的方法及其系统，其包含下列步骤：(A)废气引入步骤，将含有氮氧化物的废气，依该废气的含氧量，选择性地引入去氧反应室内(若废气的含氧量及温度已在需求范围内，则可不需用去氧反应室)；(B)去氧物引入步骤，依废气的含氧浓度将去氧物自储槽中引入去氧反应室(若废气的含氧量及温度已在需求范围内，则可不需用导入去氧物)；(C)去氧反应步骤，于去氧反应室内使去氧物于反应室内产生去氧反应以形成去氧作用；(D)触媒反应步骤，将去氧反应后的废气经过一触媒装置以为转化(可依需要注入适当还原剂)；(E)排放步骤，将触媒反应后的废气予以排放。

Description

以触媒降低氮氧化物的方法及其系统
技术领域
随著工业的发展，用电量的需求不断攀升，各种火力发电设备及燃烧系统亦不随著人类的需求不断的增加，而燃烧所产生的废气却造成了环保问题。氢氧化物(NOx)的主要来源为生产、生活中所用的媒、石油等燃烧的产物，其次是来自于生产或使用硝酸的工厂所排放的尾气，NOx对人体、环境的影响简述如下：
A、Nox与HC(碳氢化合物)于大气中同时存在时，经紫外线照射会产生一种有毒的化学烟雾。
B、人体长期曝露于过量的NOx浓度下，会经由呼吸系统渗透至肺细胞中，且会妨碍身体各部份氧气的输送，直接对人体的健康产生威胁。
C、会抑制蔬菜、植物的生长，对整个生态环境造成极大的影响。
D、会产生酸雨，导致水族类及植物死亡、建筑物酸蚀、头发掉落。
目前世界各国均开始对Nox氮氧化物开始严格的管制。
而目前公知的主流脱硝方法，计有：
选择性触媒还原法(Selected Catalytic Reduction，SCR)、选择性非触媒还原法(Sclected Non-Catalytic Reduction，SNCR)、与湿式除硝技术。其中又以SCR方法较为普遍与重要。
但目前SCR仍有许多不足之处，列示如下：
A、触媒价格相当的昂贵。
B、设备体积过大：触媒床的体积相当的大。
C、初设成本过高：SCR所需的还原剂需为氨或尿素(Ammonia)，需增设许多额外的储存、处理、输送设备，造成许多的成本，使初设成本大幅增加许多。在许多应用场合SCR的设置成本会比废气产生设备(柴油引擎、锅炉)的设置费用还要高。
D、二次空气污染问题：如氨(Ammonia)处理不当造成外泄时，会产生二次污染问题。
E、操作成本过高：SCR操作时需使用大量的氨或尿素(Ammonia)，所以操作成本亦相当的高。
兹将各种脱硝技术的比较表列述如下：
控制技术 费用 去除率 空间需求 原理 技术开发状况 可能的二次污染 备注
燃烧改善 低 15-30 无 利用降低燃烧区的氧气浓度，缩短在高温区中的滞留时间及降低燃烧温度等，以抑制Nox发生。 实用阶段 无 无
低Nox燃烧器 低 30-60 无 利用降低燃烧区的氧气浓度，缩短在高温区中的滞留时间及降低燃烧温度等，以抑制Nox发生。 商业化 无 去除率有限
选择性非触媒还原法(SNCR) 中 30-60 较SCR小 在高温度区无触媒条件下注入NH3，Nox还原去除，最佳反应温度870-1000℃。 商业化 氨的泄漏 对含硫份高的燃料较不适用
选择性触媒还原法(SCR) 高 80-90 装设反应器及储槽 用NH3做还原剂，触媒上的NOx由选择还原去除，最佳反应温度280-400℃。 商业化 触媒老化废弃及氨的泄漏(少量) 对含硫份高的燃料较不适用
电子光束法 高 ＞80 供电设施和反应室 排气电子线照射，使NOx被氧化，再与NH3中和，生成固体物质后被收回。 前导试验开发中 固体废弃物 与干式FGD并用
湿式除硝法 高 ＞80 装设反应器及加药装置 利用碱液、氧化剂及还原剂等，以吸收-氧化法，氧化-吸收法，吸收-还原法或氧化-吸收-还原法等，将Nox去除。 前导试验开发中 废水和固体废弃物 可发展为同时除硫脱硝系统
由上表可知，公知的去除氮氧化物的各种方法，各有利弊，难臻完美。
发明内容
本发明的目的在于提供一种以触媒降低氮氧化物的方法及其系统，可以降低氮氧化物的排放量，减少环境污染。
为实现上述目的，本发明提供的一种以触媒降低氮氧化物的方法包含下列步骤：
一废气引入步骤，将含有氮氧化物的废气，将废气的含氧浓度控制在适当范围后，引入触媒装置内；
一触媒反应步骤，将所引入的废气予以触媒转化处理；
一排放步骤，将该经触媒转化后的废气予排放。
其中得加置一去氧物导入步骤及一去氧反应步骤，该等步骤于废气的含氧量高于预设值时，先将去氧物引入废气中，并由去氧反应以降低含氧量(氧气浓度)。
其中的预设含氧量(氧气浓度)为0-5％浓度。
其得设一去氧反应室以供废气引入，且得设一输送泵或风车，以泵或风车输送去氧化物至该去氧反应室，并产生去氧反应。
其中的去氧物为选自汽油、柴油、重油、煤油、去渍油、瓦斯、天然气、煤、氢、甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、甲烷、乙烷、丙烷、苯类，及自植物所提炼出的生物油(Bio-oil)等有机化合物，或可产生剧烈氧化反应的金属如钠、镁等金属，或火药(硝化物)等去氧物。
其中的去氧反应步骤得经由点火装置以产生去氧反应；该点火装置可为：点火棒、明火、线圈、火花产生器及可使去氧化物产生剧烈氧化现象以去除废气中的氧气的等效物。
其中的去氧反应步骤，得经由一氧气侦测装置以侦测氧气浓度，以及一温度、压力、流量侦测装置以侦测温度、压力、流量，以作为去氧物引入量的参数。
其中的触媒反应步骤所使用的触媒为氧化还原性触媒，且以如铂(Pt)、钯(Pd)、铑(Rh)、银(Ag)等贵重金属；或如铝(Al)、铜(Cu)、铁(Fe)、锰(Mn)、钴(Co)、铬(Cr)、钒(V)等一般金属氧化物；或稀土族元素(镧系(La)、锕系(Ac)等为佳，但不以此为限。
其中的触媒反应步骤，得设一还原剂槽，以视需要状况注入适当的还原剂；并得于反应前和/或后加设氮氧化物浓度侦测装置，以做为注入还原剂数量的控制。
其中的触媒反应步骤后，得加置氧气浓度侦测及温度、压力、流量侦测。
本发明提供的一种以触媒降低氮氧化物的系统，其包括：
一废气引入装置，将含有氮氧化物的废气，将废气的含氧浓度控制在适当范围后，引入触媒装置；
一触媒反应装置，连通于废气引入装置，使该废气为触媒反应处理；
一排放装置，连通于触媒反应装置，以将触媒反应后的废气排出。
其中得加置一去氧物贮槽以连通于一去氧反应室，该去氧反应室则分别连通于废气引入装置及触媒装置，以含氧量高于预设值的废气可为注入去氧物及产生去氧反应；得加置一还原剂贮槽以连通于一触媒反应装置，以注入适当的还原剂以利触媒反应。
其中含氧预设值为0-5％浓度。
其中的去氧物储槽外部具一输送泵或风车，由泵或风车输送去氧物导入去氧反应室。
其中的去氧反应室与触媒反应装置间，得设至氧气侦测装置及/或温度、压力、流量侦测装置，以为去氧反应室去氧物引入的参数；并得于触媒反应前及/或后设置氮氧化物浓度侦测装置，以为触媒反应应引入还原剂的参数。
其中的触媒反应装置与排放装置间，得加置氧气、氮氧化物浓度侦测装置及/或温度、压力、流量侦测装置，以侦测触媒反应后的氧气浓度及/或温度、压力、流量。
其中的触媒反应装置的触媒为氧化还原性触媒，且以如铂(Pt)、钯(Pd)、铑(Rh)、银(Ag)等贵重金属；或氧化物如：铝(Al)、铜(Cu)、铁(Fe)锰(Mn)、钴(Co)、铬(Cr)、钒(V)等一般金属氧化物；或如镧系(La)、锕系(Ac)等稀土族元素为佳，但不以此为限。
其中的去氧物为选自汽油、柴油、重油、媒油、去渍油、瓦斯、天然气、媒、氢、甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、甲烷、乙烷、丙烷、苯类，及自植物所提炼出的生物油(Bio-oil)等有机化合物、或可产生剧烈氧化反应的金属如钠、镁等，或火药等去氧物。
附图说明
为进一步揭示本发明的具体技术内容，首先请参阅图示，其中：
图1为本发明的系统示意图。
具体实施方式
如图所示，基本上，本发明的方法，包括一废气引入步骤A，一去氧物引入步骤B，一去氧步骤C，一触媒反应步骤D，一排放步骤E所组合而成。
其中，废气引入步骤A是以管线将排放的废气引入去氧反应室1以为进一步的去氧反应，使输出的废气的含氧量达可为触媒处理的程度，故若废气的含氧量在预设范围以内，如0-5％以下时，则可无须此步骤。
去氧物引入步骤B为由一管路输送由储槽2所供应的可去氧反应去氧物质，该氛氧物质为但不限于如汽油、柴油、重油、媒油、去渍油、瓦斯、天然气、媒、氢、甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、甲烷、乙炕、丙烷、苯类，及自植物所提炼出的生物油(Bio-oil)等有机化合物，或可产生剧烈氧化反应的金属如钠、镁等金属，或火药(硝化物)等去氧物，为使其可为适量供应，故可由一输送泵/风车21以泵送，而该输送泵则可由侦测控制并计算输送量，当废气的含氧量已在预设范围内，如含氧量在0-5％范围内时，可无须此步骤。
去氧反应步骤C是由一点火装置如点火棒点火，并使前述的去氧化物产生去氧反应，以降低残存于废气中的氮氧，使该废气的含氧量达可后续触媒处理的程度，其经去氧反应去氧后的输出，可经由一氧气侦测装置11以侦测含氧量，以及一温度侦测装置12以侦测温度，用以分别调整去氧物的泵送量及废气温度，此外，为侦测氢氧浓度，故可于前后各加置一氮氧侦测装置13、14。
触媒反应步骤D使前述经由去氧反应去氧后的废气，经过一触媒装置3，该触媒为氧化还原性触媒，如钯或其他元素，但不以此为限，而其载体，则可为金属、陶瓷…等，形状亦可为板状，蜂巢排列…等，因为此俱属材料的选择，故不拟赘述，为提供还原剂，故得设一还原剂槽31，并连通于触媒装置3，而为可控制的泵送。
排放步骤E为将触媒反应后的废气，经由如烟囱排放，即可为降低氮氧化合物的废气，而达到无污染或降低污染的目的。
为证明本发明方法的可行性，经由实测，可由如下的两个实施例为进一步证实。
实施例一：
模拟实验范例：
设备：实验室内反应测试器
触媒：采用PM氧化还原触媒(CATALYST)
触媒空间速度：12,000L/H
反应测试器内控制温度：350℃
氢氧化物(NOx)模拟气体：一氧化氮(NO)
去氧物及还原剂模拟气体：丙烯(C3H8)
将浓度为1100ppm的一氧化氮(NO)气体，注入反应测试器，并同时注入浓度为900ppm的丙烯(C3H8)，将氧(O2)去除到0.5％浓度。
所得实验结果：
反应温度范围区间为100-600℃
当一氧化氮(NO)气体与丙烯(C3H8)的比例(NO/HC ratio)小于20时，一氧化氮(NO)的转化率为80％。
当丙烯(C3H8)与氧(O2)的比例(C3H8/O2 ratio)小于1.4时，一氧化氮(NO)的转化率为95％。
实施例二：
A、含氮氧化物(NOx)废气来源：
柴油引擎机组资料额定运转功率：100KW(仟佤)
I、干基排气流量：10Nm3/min(立方米/分钟，在0℃、1大气压无水气的状态)
II、废气含氧量(O2)：10％
III、氮氧化物(NOx)：501ppmdv(百万分之一，干体体积比例)
B、去氧物(燃料)：
柴油(热值约8,800kcal/liter)
C、触媒：
贵重金属触媒(钯及其他特别的元素)
触媒载体：100cell/in2(于一平方英寸面积内的孔隙数)的蜂巢金属载体。
D、控制废气含氧量的技术：
一般燃烧所产生的废气含氧量约为3-15％O2，将所选定的去氧物注入去氧反应室或排气系统中以消耗废气中的氧气。
※以本例去氧所需柴油数量计算如下：
1、废气中每分钟所含氧的莫尔数：
10Nm3/min×10％×1000liter/m3÷22.4liter/mole@0℃latm＝44.6mole/min
2、去氧反应式：
假设柴油的平均分子式为C8H18，则去氧反应每莫尔需要的氧莫耳数如下列反应式所列：
3、所需去氧物流量：将废气中氧(O2)10％浓度，降到6％氧(O2)所需注入的柴油流量为：
以本例计算：氧需由44.6mole/min降低为26.8mole/min，需消耗17.8mole/min的氧。
化学反应式为：
∵C8H18的分子量为：(12×8)+(1×18)＝114
∴消耗17.8mole/min的氧所需C8H18为
＝＞114g/mole×1.4mole/min＝159.6g/min
＝＞159.6g/min×60min/hr＝9576g/hr＝9.6kg/hr
E、废气中含氧量与脱硝效率间的关系
经实验结果显示废气中含氧量，与废气经过触媒反应后的脱硝效率成反比，即废气中含氧量越低，经触媒反应后的氮氧化物(NOx)得浓度越低。反之含氧量越高则脱硝效率越差。
F、废气中含氧量及所需去氧物的计算与量测
i、可自触媒床前端后触媒床后端量测废气的含氧量，用以计算所需注入去氧物的多寡。
ii、当废气中的所含成份、流量固定时，其中的含氧量可经量测后假设为不变，即可计算出所须固定的去氧物。
iii、当废气中的所含的成份固定时，流量改变，其中的含氧量可经量测后侦测得的，可由流量的变动量计算出所须注入去氧物的量。
iV、当废气中所含的成份、流量随去氧反应的状态而有所改变时，需由氧气侦测仪器量测，并将讯号传送至计算控制系统，以计算出所需的去氧物注入量。
※本例采用氧气侦测仪器于触媒床前端量测。
G、触媒种类的选择：
为一种氧化还原性触媒，
H、触媒载体的选择：
i、蜂巢式金属载体
ii、蜂巢式陶瓷载体
iii、发泡陶瓷载体
iv、板式触媒载体
※本例采用100cell/in2(于一平方英寸面积内的孔隙数)蜂巢式金属载体
I、脱硝触媒的反应温度及反应效率：
脱硝触媒的反应温度区间为100-610℃，在此区间内温度越高脱硝效率越高。
※本例的操作温度为475℃
J、降低初设成本及操作成本：
约为SCR(选择性触媒还原法)初设及操作成本的70-80％
所以，经由本发明的实施，其可提供一有效且成本较低的降低乃至于去除废气中氢氧化合物的排放，此对产业界以及环保而言，具卓越的页献。
本发明所揭示的只是较佳实施例的一种，举凡局部的变更或修饰而源于本发明的技术思想而为熟习该项技术的人所易于推知的，俱不脱本发明的专利权范畴。

Claims (18)

1、一种以触媒降低氮氧化物的方法，其包含下列步骤：
一废气引入步骤，将含有氮氧化物的废气，将废气的含氧浓度控制在适当范围后，引入触媒装置内；
一触媒反应步骤，将所引入的废气予以触媒转化处理；
一排放步骤，将该经触媒转化后的废气予排放。
2、如权利要求1所述的以触媒降低氮氧化物的方法，其特征在于，得加置一去氧物导入步骤及一去氧反应步骤，该等步骤于废气的含氧量高于预设值时，先将去氧物引入废气中，并由去氧反应以降低含氧量(氧气浓度)。
3、如权利要求1所述的以触媒降低氛氧化物的方法，其特征在于，其中的预设含氧量(氧气浓度)为0-5％浓度。
4、如权利要求2所述的以触媒降低氮氧化物的方法，其特征在于，其得设一去氧反应室以供废气引入，且得设一输送泵或风车，以泵或风车输送去氧化物至该去氧反应室，并产生去氧反应。
5、如权利要求2所述的以触媒降低氮氧化物的方法，其特征在于，其中的去氧物为选自汽油、柴油、重油、煤油、去渍油、瓦斯、天然气、煤、氢、甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、甲烷、乙烷、丙烷、苯类，及自植物所提炼出的生物油(Bio-oil)等有机化合物，或可产生剧烈氧化反应的金属如钠、镁等金属，或火药(硝化物)等去氧物。
6、如权利要求2所述的以触媒降低氮氧化物的方法，其特征在于，其中的去氧反应步骤得经由点火装置以产生去氧反应；该点火装置可为：点火棒、明火、线圈、火花产生器及可使去氧化物产生剧烈氧化现象以去除废气中的氧气的等效物。
7、如权利要求2所述的以触媒降低氛氧化物的方法，其特征在于，其中的去氧反应步骤，得经由一氧气侦测装置以侦测氧气浓度，以及一温度、压力、流量侦测装置以侦测温度、压力、流量，以作为去氧物引入量的参数。
8、如权利要求1或2所述的以触媒降低氢氧化物的方法，其特征在于，其中的触媒反应步骤所使用的触媒为氧化还原性触媒，且以如铂(Pt)、钯(Pd)、铑(Rh)、银(Ag)等贵重金属；或如铝(Al)、铜(Cu)、铁(Fe)、锰(Mn)、钴(Co)、铬(Cr)、钒(V)等一般金属氧化物；或稀土族元素(镧系(La)、锕系(Ac)等为佳。
9、如权利要求1或2所述的以触媒降低氛氧化物的方法，其特征在于，其中的触媒反应步骤，得设一还原剂槽，以视需要状况注入适当的还原剂；并得于反应前和/或后加设氮氧化物浓度侦测装置，以做为注入还原剂数量的控制。
10、如权利要求1所述的以触媒降低氮氧化物的方法，其特征在于，其中的触媒反应步骤后，得加置氧气浓度侦测及温度、压力、流量侦测。
11、一种以触媒降低氮氧化物的系统，其包括：
一废气引入装置，将含有氮氧化物的废气，将废气的含氧浓度控制在适当范围后，引入触媒装置；
一触媒反应装置，连通于废气引入装置，使该废气为触媒反应处理；
一排放装置，连通于触媒反应装置，以将触媒反应后的废气排出。
12、如权利要求11所述的以触媒降低氮氧化物的系统，其特征在于，得加置一去氧物贮槽以连通于一去氧反应室，该去氧反应室则分别连通于废气引入装置及触媒装置，以含氧量高于预设值的废气可为注入去氧物及产生去氧反应；得加置一还原剂贮槽以连通于一触媒反应装置，以注入适当的还原剂以利触媒反应。
13、如权利要求11所述的以触媒降低氮氧化物的系统，其特征在于，其中含氧预设值为0-5％浓度。
14、如权利要求12所述的以触媒降低氮氧化物的系统，其特征在于，其中的去氧物储槽外部具一输送泵或风车，由泵或风车输送去氧物导入去氧反应室。
15、如权利要求12所述的以触媒降低氮氧化物的系统，其特征在于，其中的去氧反应室与触媒反应装置间，得设至氧气侦测装置及/或温度、压力、流量侦测装置，以为去氧反应室去氧物引入的参数；并得于触媒反应前及/或后设置氮氧化物浓度侦测装置，以为触媒反应应引入还原剂的参数。
16、如权利要求12所述的以触媒降低氮氧化物的系统，其特征在于，其中的触媒反应装置与排放装置间，得加置氧气、氮氧化物浓度侦测装置及/或温度、压力、流量侦测装置，以侦测触媒反应后的氧气浓度及/或温度、压力、流量。
17、如权利要求11或12所述的以触媒降低氮氧化物的系统，其特征在于，其中的触媒反应装置的触媒为氧化还原性触媒，且以如铂(Pt)、钯(Pd)、铑(Rh)、银(Ag)等贵重金属；或氧化物如：铝(Al)、铜(Cu)、铁(Fe)锰(Mn)、钴(Co)、铬(Cr)、钒(V)等一般金属氧化物；或如镧系(La)、锕系(Ac)等稀土族元素为佳。
18、如权利要求12所述的以触媒降低氮氧化物的系统，其特征在于，其中的去氧物为选自汽油、柴油、重油、媒油、去渍油、瓦斯、天然气、媒、氢、甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、甲烷、乙烷、丙烷、苯类，及自植物所提炼出的生物油(Bio-oil)等有机化合物、或可产生剧烈氧化反应的金属如钠、镁等，或火药等去氧物。
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