CN202740992U

CN202740992U - 一种对燃烧系统所产生废气的脱硝装置

Info

Publication number: CN202740992U
Application number: CN 201220270627
Authority: CN
Inventors: 熊靓
Original assignee: GREENVILLE ENVIROTECH CO Ltd
Current assignee: Cestoil Chemical Inc
Priority date: 2012-06-08
Filing date: 2012-06-08
Publication date: 2013-02-20
Anticipated expiration: 2022-06-08

Abstract

本实用新型提供一种对燃烧系统所产生废气的脱硝设备，包括反应容器、载气进气系统、正负电极、电源、固体加料系统和还原反应室，电源与所述装置电连接，为所述装置的各个部分供电，正负电极设置在反应容器内，固体加料系统与载气进气系统相连接后通入反应容器中，反应容器与还原反应室相通，含NO_x的废气源也通入还原反应室内，反应容器为电子、等离子体和待气化的固体还原剂进行能量交换和反应的地方，正负电极为等离子体反应装置提供电场，在电场内产生高压放电。所述的装置大大节约固体还原剂的用量以及降低还原剂成分泄漏的风险，并且可以缩短反应的时间，提高反应装置的反应效率。

Description

一种对燃烧系统所产生废气的脱硝装置

技术领域

本实用新型涉及一种对燃烧系统所产生废气的脱硝装置，应用于含NO_x气体的净化工艺，可用于电厂烟道气、内燃机尾气及其它工业化过程所产生的含NO_x废气的污染治理。

背景技术

众所周知，燃烧过程会产生大量的含NO_x的气体，NO_x的浓度可达到几百甚至上千ppmg。NO_x是所有氮氧化合物的总称，其中约90%为NO。NO_x被释放到大气中会导致酸雨的形成、空气的污浊，NO如进入大气平流层还会造成臭氧层的破坏。烟气/尾气中的NO_x主要来自燃料中的含氮化合物的氧化，也有一部分来自空气中的分子氮的氧化。除了燃料中含氮化合物的浓度，锅炉的负荷、燃烧温度、空气的富余量以及燃烧停留时间等因素也是决定烟气中NO_x浓度的重要因素。如在实际的电厂中，仅仅锅炉负荷的变化就可以造成NO_x的排放量波动高达4倍左右。世界上的主要国家都对烟气中NO_x的排放实行限制，其排放标准有逐步严格的趋势，这对烟气中的NO_x处理会提出越来越高的要求。

现有烟气的脱NO_x技术包括已经商业化的选择性催化还原法（SCR）和选择性非催化还原法（SNCR）。选择性催化还原法在烟气中注入以氨气（NH₃）和氨水为主的化合物，氨在催化剂的作用下还原NO并生成无害的氮气和水。氨还有助于后续的电除尘中飞灰的收集从而提高该装置的运行效率。此反应必须在大约300-450 ℃之间进行，温度太低则反应效率大大降低，而太高则会使得催化剂失效。为了利用烟气中的余热，在发电厂，SCR反应装置通常设在锅炉出口后二次空气预热器之前。SNCR法采取与SCR类似的还原反应，还原剂一般采用尿素，不用催化剂催化而是选择在高温条件如1000-1200 °C下进行反应，因此使用SNCR法时还原剂一般添加到锅炉内接近出口部位具有所需要高温的区段内。

由于氨气是不稳定的危险气体，有刺激性气味，因此在制备、运输和储存氨气上有安全隐患，氨通常必须以液氨或氨水的形式储存。为了保证较高的NO_x去除率，在发电厂氨的投加量一般要适当过量，这样就会造成氨泄漏的危险。氨除了有刺激性气味，对动物和环境也有毒害作用。为了避免使用氨所带来的一系列问题，研究人员提出了许多变通的SCR或SNCR法。最为重要的变通方法是使用氨的替代物质，最为常用的氨的替代物质是尿素。尿素在常温下呈固体状，非常稳定，其运输和储存都比较方便。然而，由于是固体，尿素的计量和投加比较困难，为了投加均匀并且形成很小的颗粒，工程中常常将尿素先溶于水配成20 %的溶液，然后把溶液喷入烟气中。由于水在摄氏1000多度高温下挥发成气体需要吸收热量，因此将尿素配置成溶液来投加的方法会造成能量上的大量浪费。

现有的SCR或SNCR所需还原剂的制备和添加技术有多种选择，但都存在这样那样的问题。氨气和氰酸分子量小，它们直接被用于NO_x的还原反应，但是它们的运输和储存较为困难，且有较大的安全隐患，由于它们有刺激性，对环境有直接的危害，使用中如果泄漏将会对生活在周边的居民造成较大的影响。尿素和三聚氰酸等固体还原剂在常温常压下性质稳定，加热后它们能分解生成NO还原所需要的还原剂（如氨和氰酸等），但是由于是固体，它们的均匀添加、计量和调节存在困难。由于在大多数气相反应中，反应物的颗粒越小反应越容易进行，直接添加固体很难做到颗粒的最小化。另一种选择是把固体先溶于液体中配成较稀的溶液然后喷洒到反应中去，这样液体挥发后就会形成很小的固体颗粒。但液体挥发必然带走一部分热量，造成较大的能量浪费。在燃煤电厂使用尿素的SNCR法时，由于水的蒸发所带走的能量可能高达发电量的1%。

进一步的选择是在把尿素和三聚氰酸先分解转化为氨气或氰酸气体再投入还原反应中去，由于尿素和三聚氰酸的彻底分解需要用到约180 ℃和450 ℃以上的高温，因此，反应需要较高的能量；为了防止氰酸的聚合，反应必须在较低的压力或有较大量的载气作用下（以降低分压）进行，这样势必对运行造成不小的麻烦，特别是当用于汽车尾气NO_x排放控制时，由于尾气温度较低，往往需要严格地控制尿素的添加。

再进一步的发展是例如US Pat No 5，693，300和US Pat No 4，886，650所提出的那样通过使用金属催化剂来使得氨气和氰酸全部或部分变成自由基活性颗粒来与NO_x进行反应，这样所需的还原反应温度可以大大降低，但是，此法需要用到贵重的金属催化剂，使用成本较高，同时使用固体催化剂床其反应条件比较难以调节，其反应质量也难以进行控制。

实用新型内容

本实用新型申请即是针对目前在对烟气尾气等废气处理中存在的上述不足之处，提供一种在生产实际中更为安全可靠且运行成本低的烟气和尾气的装置。

本实用新型所述的装置是利用一种非平衡等离子体（non-equilibrium plasma）或非热等离子体（non-thermal plasma)的发生和反应装置，从尿素或三聚氰酸等含氮的固体物质来制备可用于还原NO的活性物质，以促进该反应的发生和发生的效率。

本实用新型申请所述的装置，利用等离子体反应装置制备能还原NO_x的活性自由基和其它活化激化分子，然后将制备得到的活性自由基和其它活化激化分子导入含NO_x的废气通道，在催化剂或一定温度的作用下把NO_x还原成N₂和CO₂及水等无害的气体。

具体来说，本实用新型所述的对燃烧系统所产生废气的脱硝装置，包括反应容器、载气进气系统、正负电极、电源、固体加料系统和还原反应室，电源与所述装置电连接，为所述装置的各个部分供电，正负电极设置在反应容器内，固体加料系统与载气进气系统相连接后通入反应容器中，反应容器与还原反应室相通，含NO_x的废气源也通入还原反应室内，反应容器为电子、等离子体和待气化的固体还原剂进行能量交换和反应的地方，正负电极为等离子体反应装置提供电场，在电场内产生高压放电。

进一步的，所述正负电极设置在反应容器内的上方、下方或中间。

电极的放置应保证等离子体载气的全部或绝大部分通过电极之间的空间，并在电极区及通过电极区后形成等离子体。

进一步的，所述的载气进气系统包括为反应容器提供等离子体化气体源的等离子体载气系统和为携带固体还原剂进入反应容器提供载体的辅佐载气系统，等离子体载气系统直接与反应容器相通，固体加料系统与辅佐载气系统相通后再通入反应容器。

可选择的，所述的载气进气系统仅包括等离子体载气系统，此时等离子体载气系统兼作辅佐载气系统，等离子载气系统和辅佐载气系统合二为一。

进一步的，所述的反应容器的材质包括玻璃、陶瓷、工程塑料或不锈钢制成。

进一步的，所述的反应容器的形状包括圆柱体或长方体。

进一步的，所述的等离子体载气系统的进气口设在反应容器的侧壁、上底或下底上，或以导管导入反应容器内部任何位置，进气口的数目为一个以上。

所述的辅佐载气系统通常为进料系统的组成部分，与固体加料系统配合使用。

进一步的，所述的正负电极可以是单对电极也可以是多对电极组成的电极模块，正负电极分别连接到高压电源的两极，在两电极之间产生3千伏到120千伏的电压；高压电源为等离子体反应装置提供高压直流电、高压脉冲直流电、也可以是交流电，它一般使用常规交流电源（90-240伏）经变压调频电路把常规电源变成所需的电源；固体加料装置提供固体进料的计量和投放，一般设在反应器顶部或侧部，使得固体能均匀地加入到反应器中并与在电极间产生的电子或高能等离子体发生能量交换，从而被分解。

无论采取何种电极及放电形式，在电极区所形成的自由电子的能量（电子温度）在0.9-10 eV范围之内，电子密度在10⁶-10¹⁸/cm³之间。等离子体载气在这样的电子作用下部分变成等离子体，当固体的燃烧添加剂加入反应装置内的电极区或电极区后的等离子反应区与由等离子载气产生的等离子体发生碰撞和能量交换，使得它们发生汽化、分解、成为或部分成为带电离子或激化活化的分子，气化/离子化/激化活化的还原剂成分（本实用新型中这种混合的气体被称为还原性等离子体）被引入到还原反应室（区）与NO_x进行还原反应。

进一步的，所述的等离子体载气系统内的等离子体载气包括空气、氮气、水蒸气、氢气、氩气、氦气或烟气尾气等任何有利于形成还原性等离子体的气体。可用作辅佐载气的气体种类和等离子体载气相同。

进一步的，所述的电极间高压放电的形式可以是滑弧放电（gliding arc discharge）、电晕放电(corona discharge)、或介质阻挡放电(dielectric barrier discharge)等任何放电形式。

进一步的，正负电极的布置及等离子体载气的气流可以设计成等离子体火炬（plasma torch）、等离子体喷淋（plasma shower）、等离子体喷嘴（plasma nozzle）、管状或板状等离子体发生器等形式。

固体还原剂等离子体化的反应时间随固体还原剂的种类，还原剂含水率等的不同而不同，一般在0.01-5秒之间，反应时间过长会浪费能量并有可能导致所生成的等离子体淬火而失去活性，当然，如果时间过短，能量吸收不充分，会导致等离子体化不充分。最佳的等离子反应时间应有现场的试验决定。

固体还原剂等离子化所需的温度也由固体还原剂的种类决定，可以通过控制等离子体发生装置的功率和载气的流量来获得所需的反应温度，一般等离子体的表观温度需要在100 °C以上，对温度的上限并无特殊限制，只有当使用空气或含有氧气的烟道气作载气时该温度才必须控制在还原剂的燃点以下以免发生燃烧，当使用空气或含有氧气的烟道气作载气时该温度最高不能超过1200 °C以免引起氮气的氧化生成额外的NO_x。

等离子体反应装置的高压放电方式的选择对还原性等离子体的制备并不是决定性的，不同的放电方式所具有的反应效率会略有不同，关键是电流电压及其频率和功率的调控、载气种类的选择和流量控制，相关参数的确定应以反应产物的等离子体化及保持高的NO_x还原能力为准。等离子体化反应装置的还原剂处理能力，根本性地取决于使得还原剂等离子体化所需的能量和电极所能提供的能量之间的平衡。对于选定的还原剂及其选定的等离子体放电方式、运行所需的电压频率及其功率以及载气的种类和流量这些参数的最佳值必须通过现场试验来确定。

等离子体反应装置也以设计成不带有反应容器的开放式系统，在开放式等离子体反应系统中，还原剂前体与源于等离子体载气的等离子体在电极区及电极后的开放空间发生反应，反应后所产生的还原性等离子气体迅速与接近的NO_x分子混合并发生反应。因此，开放式等离子反应装置适用于还原剂前体等离子体化反应极快的情形，并且常常设置在含NO_x的废气的通路内或NO还原反应的反应单元内。

本实用新型所述的对燃烧系统所产生废气的脱硝装置，具有以下的优点：

1、本实用新型与以往的烟气尾气还原法脱硝技术相比，采用了高压放电的方式来促进产生还原性等离子体，等离子体的产生可以通过固体还原剂的投加、载气的流量和电流功率的调节而灵活地调节，因此还原剂的投加可以随着待处理气体的流量及NO_x浓度的变化而相应地变化。这样做可以避免过量投加还原剂，从而大大节约固体还原剂的用量以及降低还原剂成分泄漏的风险；

2、由于还原性等离子体除了保留基本气体还原剂的还原特性，而且处于离子化或其它激化活化状态，因此更容易与气体的NO_x发生反应，从而可以降低还原反应发生所需的温度，也可以缩短反应的时间。这样使得还原法可以在更大的温度范围进行。而可以提高反应装置的反应效率，降低停留时间，或提高处理效果；

3、由于等离子体反应装置可以直接处理固体的还原剂，并且产生的产物为等离子化的气体，因此可以避免使用大量的水来溶解固体还原剂，从而可以节约由此造成的能耗；

4、使用本实用新型的还原剂等离子体反应装置，无须使用催化剂，这样一方面可以降低因使用催化剂所造成的成本，也可以摆脱催化剂催化反应单一的弊端，从而可以更加灵活的选择还原剂。

附图说明

图1是本实用新型申请一个实施例的工艺流程框图；

图2是本实用新型申请另一个实施例的工艺流程框图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型申请所述的对燃烧系统所产生废气的脱硝装置进行描述说明，目的是为了公众更好的理解本实用新型申请所述的技术内容，而不是对所述技术内容的限制，事实上，凡在本实用新型申请的创新精神实质内对所述装置的改进，包括相同或近似的结构，都在本实用新型申请所要求保护的技术方案之内。

实施例1

如图1所示，使用固体加料系统把固体还原剂加入到辅佐载气系统上，辅佐载气系统把固体还原剂带入反应容器内的电极区或电极区后的反应区，在该区域，固体还原剂和源自等离子体载气系统的等离子体发生碰撞和能量交换，从而得以气化，并被全部或部分转化成等离子体或激化活化分子，这种还原性等离子体被导入含NO_x的废气通道，并和该废气一起进入还原反应室，在催化剂(SCR法）或一定温度（SNCR法）的作用下把NO_x还原成N₂和CO₂及水等无害的气体，处理后的气体通过后续排放装置排放。

实施例2

如图2所示，使用固体加料系统把固体还原剂直接加入到等离子体载气系统上，等离子载气把固体还原剂带入反应容器内的电极区或电极后的反应区。随后的步骤和实施例1相同。

实施例 3

使用固体尿素作为还原剂前体；等离子反应装置使用等离子体火炬；使用空气作为在等离子体载气和辅佐载气，等离子载气的流量为60升/分，辅佐载气的流量为10升/分；电源采用电压为1万伏、频率为120赫兹的直流变频电源，额定功率为600瓦。等离子体载气通过正负电极之间的电极区，在电场作用下发生等离子体化，固体尿素颗粒在辅佐载气空气的带动下，通过专门的进气通道被输送到正负电极区的出口处，在那里与通过了电极区的等离子体载气混合，并发生能量交换；在电子和等离子体的作用下，固体尿素被气化并被全部或部分等离子化，所形成的混合等离子体从出口喷出，并形成等离子体火焰；在等离子体火焰中，尿素气体和其它等离子气体继续发生反应，形成还原性等离子气体；该气体被导入到烟道中温度达到600 - 1100 °C的地方与NO进行还原反应。该等离子体反应装置每小时处理固体尿素1公斤以上，所产生的等离子气体能处理烟气3000 立方米，NO_x的浓度从700ppmv降为300ppmv。

实施例4

等离子体反应装置采用滑弧放电设计，电源采用电压为10万伏、频率为120 赫兹、功率为20千瓦的脉冲直流电源。等离子体载气和辅佐载气均采用空气，载气和辅佐载气的流量分别为120和20立方米/小时，反应停流时间为4秒，每小时处理尿素40公斤，所产生的等离子气体通入烟道中SCR处理单元的前段与烟气中的NO_x发生混合，并在SCR处理单元中在还原催化剂的作用下与NO_x发生还原反应。该系统每小时能处理12万立方米燃煤烟气，相当于30兆瓦燃煤发电机组所产生的烟气量，处理后NO_x的浓度可达到100ppmv以下。

Claims

1.一种对燃烧系统所产生废气的脱硝装置，其特征在于：包括反应容器、载气进气系统、正负电极、电源、固体加料系统和还原反应室，电源与所述装置电连接，为所述装置的各个部分供电，正负电极设置在反应容器内，固体加料系统与载气进气系统相连接后通入反应容器中，反应容器与还原反应室相通。

2.根据权利要求1所述的脱硝装置，其特征在于：所述正负电极设置在反应容器内的上方、下方或中间。

3.根据权利要求1所述的脱硝装置，其特征在于：所述的载气进气系统包括为反应容器提供等离子体化气体源以及为携带固体还原剂进入反应容器提供载体的等离子体载气系统。

4.根据权利要求1所述的脱硝装置，其特征在于：所述的载气进气系统包括为反应容器提供等离子体化气体源的等离子体载气系统和为携带固体还原剂进入反应容器提供载体的辅佐载气系统，等离子体载气系统直接与反应容器相通，固体加料系统与辅佐载气系统相通后再通入反应容器。

5.根据权利要求1所述的脱硝装置，其特征在于：所述的反应容器的材质包括玻璃、陶瓷、工程塑料或不锈钢。

6.根据权利要求1所述的脱硝装置，其特征在于：所述的反应容器的形状包括圆柱体或长方体。

7.根据权利要求1所述的脱硝装置，其特征在于：所述的等离子体载气系统的进气口设在反应容器的侧壁、上底或下底上，或以导管导入反应容器内部，进气口的数目为一个以上。

8.根据权利要求1所述的脱硝装置，其特征在于：所述的正负电极是单对电极或多对电极组成的电极模块，正负电极分别连接到高压电源的两极，在两电极之间产生3千伏到120千伏的电压。

9.根据权利要求7所述的脱硝装置，其特征在于：所述的正负电极间高压放电的形式包括滑弧放电、电晕放电或介质阻挡放电。