CN207493496U - 催化臭氧同时氧化烟气中NO和Hg的实验测试系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种催化臭氧同时氧化烟气中NO和Hg的实验测试系统，所述实验测试系统包括臭氧发生器、臭氧检测仪、固定床反应器、烟气分析仪、测汞仪、汞发生装置、氮气瓶、氧气瓶和NO气瓶，所述的臭氧发生器的出口分两路分别连接所述臭氧检测仪和固定床反应器的进气口，所述固定床反应器的出口分两路分别连接烟气分析仪和测汞仪的入口，所述的氮气瓶、氧气瓶和NO气瓶分别直接连接固定床反应器的进气口，其中，所述氮气瓶还另引一支路依次连接所述汞发生装置和固定床反应器的进气口。与现有技术相比，本实用新型可有效检测催化剂催化臭氧同时对NO和Hg的氧化效果，适用于不同烟气组分含量的氮氧化物和汞的氧化，具有较高的NO和Hg氧化效率等。

Description

催化臭氧同时氧化烟气中NO和Hg的实验测试系统

技术领域

本实用新型涉及烟气净化领域，尤其是涉及一种催化臭氧同时氧化烟气中NO和Hg的实验测试系统。

背景技术

我国的产煤量和耗煤量均居世界之首，煤炭作为我国的主要能源，所含元素种类繁多，煤燃烧会产生诸如NO_x和汞等多种重金属污染物。氮氧化物与碳氢化合物等造成光化学烟雾现象，SO₂和NO氧化形成的酸雨，会造成建筑腐蚀，土壤酸化，并危害森林植被。金属汞具有挥发性和生物富积性，污染水体和土壤，并对人体的神经系统造成伤害，二甲基汞具有强毒性，严重威胁人类健康。

根据国家能源局统计数据，2016年我国总装机容量超15.63亿千瓦，其中火电约占67％，煤炭消耗总量约19亿吨标煤，二氧化硫排放总量为1754.99万吨，氮氧化物排放总量为1777.8万吨。我国最新执行性的《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223-2011)对污染物排放控制更加严格，其中二氧化硫排放标准为100mg/m³，重点地区少于50mg/m³，氮氧化物的排放标准为100mg/m³，汞排放量低于0.03mg/m³。

煤炭燃烧产生的氮氧化物中90％以上为NO，火电厂NO_x控制技术主要有两种：低NO_x燃烧技术和烟气脱硝技术，低NO_x燃烧技术主要是采用空气分级，烟气分级，烟气再循环和低NO_x燃烧器等措施控制燃烧过程由不同反应机理产生的氮氧化物。烟气脱硝技术包括炉膛喷射氨基物质，选择性催化还原(SCR)和选择性非催化还原(SNCR)等技术，向炉膛喷射尿素和氨等物质，成本低，但NO_x的脱除效率仅30％～70％，SCR技术相比于炉膛喷射法具有较高氮氧化物脱除效率，技术成熟，应用也最广泛。

煤燃烧过程中产生的汞以三种形式存在，即颗粒态汞(Hg^p)、二价汞(Hg²⁺)和元素汞(Hg⁰)。Hg^p可随飞灰壳在烟气除尘设备如ESP或布袋除尘器中去除，Hg²⁺易溶于水，携带Hg^{2 +}的烟气流经过湿法烟气脱硫装置(WFGD)后二价汞被去除。由于Hg⁰具有高的挥发性且不溶于水，不易通过以上烟气污染物控制装置脱除，因此汞污染物控制技术集中于脱除烟气单质态汞。根据煤燃烧过程，可将烟气中汞污染物脱除技术分为燃烧前脱汞，燃烧中脱汞和燃烧后脱汞。燃烧前脱汞是采用洗煤技术，根据汞与煤炭密度不同，将汞从煤炭中分离出来，或采用低温热解技术等，从源头上对汞进行控制。燃烧中脱汞技术是在燃烧过程中添加卤化物，提高Hg²⁺生成量，从而提高汞的脱除效率，是简接控制汞污染物的方法。燃烧后脱汞技术分为吸附法和化学氧化法，吸附法脱汞是在火电厂中的粉尘处理装置上游喷射诸如活性炭等强吸附剂，达到对元素汞的脱除效果，但吸附剂成本高。将元素汞氧化为易于水的二价汞，在湿法脱硫设备中除去，成为目前汞污染物控制的研究热点，氧化法脱汞目前主要有光催化氧化，热催化氧化以及新型脱汞技术，如电催化和紫外照射等。

传统污染物脱除技术是烟气各污染物单独分步控制，燃煤电厂多应用选择性催化还原脱硝(SCR)+活性炭喷射脱汞(ACI)+湿法烟气脱硫(WFGD)的烟气净化装置的串联形式，传统烟气脱除工艺应用最广泛，技术也最为成熟，但控制系统庞大复杂，投资治理成本高，配合程度差，不易管理。烟气脱除一体化技术是指在同一烟气控制设备中脱除两种或多种污染物的工艺。污染物控制一体化技术可以有效避免传统工艺的弊端，降低成本，简化系统。

实用新型内容

本实用新型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催化臭氧同时氧化烟气中NO和Hg的实验测试系统。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种催化臭氧同时氧化烟气中NO和Hg的实验测试系统，包括臭氧发生器、臭氧检测仪、固定床反应器、烟气分析仪、测汞仪、汞发生装置、氮气瓶、氧气瓶和NO气瓶，所述的臭氧发生器的出口分两路分别连接所述臭氧检测仪和固定床反应器的进气口，所述固定床反应器的出口分两路分别连接烟气分析仪和测汞仪的入口，所述的氮气瓶、氧气瓶和NO气瓶分别直接连接固定床反应器的进气口，其中，所述氮气瓶还另引一支路依次连接所述汞发生装置和固定床反应器的进气口。

优选的，所述的测汞仪和烟气分析仪的出口还连接有尾气处理装置。

更优选的，所述尾气处理装置为活性炭罐。

优选的，所述的汞发生装置包括水浴锅和置于所述水浴锅中的U型管，其中，U型管内置用于加热产生汞蒸气的汞试剂，U型管入口连接所述氮气瓶，出口通过管道连接所述固定床反应器的反应部件入口。

更优选的，所述的U型管出口与固定床反应器的反应部件入口之间管道采用加热带环绕。

优选的，所述的固定床反应器内置温控式反应炉，其按原料气流动方向分为三段，其中，反应炉前段为空管段，其入口分别连接所述氮气瓶、氧气瓶、NO气瓶、汞发生装置和臭氧发生器的出口，并保证分别经NO气瓶、汞发生装置和臭氧发生器输出的NO、汞蒸气和臭氧在前段混合；

反应炉中段中装有催化剂。

更优选的，所述的催化剂为Mn/TiO₂催化剂，其中，Mn/Ti摩尔比为0.6。

催化臭氧同时氧化烟气中NO和Hg的实验测试系统的测试方法，优选包括以下步骤：

(a)：分别调节氮气瓶、氧气瓶、NO气瓶、臭氧发生器和汞发生装置，将氮气、氧气、NO、臭氧和汞蒸气按照设定浓度通入装有催化剂的固定床反应器中，并保证气体在被催化剂催化氧化前先完成预热和混合；

(b)：在固定床反应器催化臭氧氧化反应后，反应后气体分别进入烟气分析仪和测汞仪，检测反应后NO和Hg⁰浓度，即完成测试。

上述的催化臭氧同时氧化烟气中NO和Hg的方法的反应机理如下：

臭氧与催化剂表面羟基官能团反应生成具有强氧化性的羟基自由基，·OH与吸附在催化剂表面的Hg，NO和SO₂反应，以达到同时氧化的目的，具体见方程式(1)-(9)。

NO+O₃→NO₂+O₂ (1)

NO₂+·OH→HNO₃ (2)

NO+·OH→HNO₂ (3)

HNO₂+O₃→HNO₃+O₂ (4)

HNO₂+·OH→HNO₃+·H (5)

·H+·OH→H₂O (6)

2Hg⁰+2·OH+O₂→Hg₂O+H₂O+2·O (7)

Hg₂O+2·OH+O₂→2HgO+H₂O+2·O (8)

Hg₂O+·O→2HgO (9)

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

(1)本实用新型可以通过改变氮气、氧气、NO、臭氧和汞蒸气浓度，以及反应温度和催化剂种类剂量等因素，测试针对不同浓度NO和汞蒸气浓度的混合气体所对应的其余因素的最佳范围，进而为实际烟气中NO和汞的处理提供实验数据指导。

(2)本实用新型有效利用了固定床的三段温控式反应炉，实验时催化剂置于加热炉中段，进入石英玻璃管反应器的汞蒸气和固定床侧的气体在加热炉前段有效混合，有效减少气体混合不均匀带来的实验误差。

(3)本实用新型可有效检测催化剂催化臭氧同时对NO和Hg的氧化效果，适用于不同烟气组分含量的氮氧化物和汞的氧化，臭氧与催化剂反应可以产生具有强氧化性的羟基自由基，具有较高的NO和Hg氧化效率，是一种新型的烟气同时氧化NO和Hg的方法，有利于环保。系统简单，便于操作。

附图说明

图1为本实用新型的实验测试装置的示意图；

图2为本实用新型的固定床反应器的进气示意图；

图中，1-NO气瓶，2-氧气瓶，3-氮气瓶，4-质量流量计，5-三通阀，6-汞发生装置，7-水浴锅，8-加热带，9-臭氧发生器，10-臭氧检测仪，11-固定床反应器，12-测汞仪，13-烟气分析仪，14-尾气处理装置，15-温控式反应炉。

具体实施方式

一种催化臭氧同时氧化烟气中NO和Hg的实验测试系统，包括臭氧发生器9、臭氧检测仪10、固定床反应器11、烟气分析仪13、测汞仪12、汞发生装置6、氮气瓶3、氧气瓶2和NO气瓶1，臭氧发生器9的出口分两路分别连接臭氧检测仪10和固定床反应器11的进气口，固定床反应器11的出口分两路分别连接烟气分析仪13和测汞仪12的入口，氮气瓶3、氧气瓶2和NO气瓶1分别直接连接固定床反应器11的进气口，其中，氮气瓶3还另引一支路依次连接汞发生装置6和固定床反应器11的进气口。

作为本实用新型的一种优选的实施方式，测汞仪12和烟气分析仪13的出口还连接有尾气处理装置14。更优选的，尾气处理装置14为活性炭罐。

作为本实用新型的一种优选的实施方式，汞发生装置6包括水浴锅7和置于水浴锅7中的U型管，其中，U型管内置用于加热产生汞蒸气的汞试剂，U型管入口连接氮气瓶3，出口通过管道连接固定床反应器11的反应部件入口。更优选的，U型管出口与固定床反应器11的反应部件入口之间管道采用加热带8环绕。

作为本实用新型的一种优选的实施方式，固定床反应器11内置温控式反应炉15，其按原料气流动方向分为三段，其中，反应炉前段为空管段，其入口分别连接氮气瓶3、氧气瓶2、NO气瓶1、汞发生装置6和臭氧发生器9的出口，并保证分别经NO气瓶1、汞发生装置6和臭氧发生器9输出的NO.汞蒸气和臭氧在前段混合；反应炉中段中装有催化剂。更优选的，催化剂为Mn/TiO₂催化剂，其中，Mn/Ti摩尔比为0.6。

催化臭氧同时氧化烟气中NO和Hg的实验测试系统的测试方法，优选包括以下步骤：

(1)分别调节氮气瓶3、氧气瓶2、NO气瓶1、臭氧发生器9和汞发生装置6，将氮气、氧气、NO、臭氧和汞蒸气按照设定浓度通入装有催化剂的固定床反应器11中，并保证气体在被催化剂催化氧化前先完成预热和混合；

(2)在固定床反应器11催化臭氧氧化反应后，反应后气体分别进入烟气分析仪13和测汞仪12，检测反应后NO和Hg⁰浓度，即完成测试。

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。

本实用新型在具体实验时，NO和Hg的脱除效率的计算方法如下：

臭氧和催化剂同时存在时，这两种物质反应会产生具有强氧化性的羟基自由基，可将NO和Hg同时氧化。为表达催化臭氧同时氧化NO和Hg的氧化效果，设定在不装催化剂，混合气体通过石英玻璃反应空管时，烟气分析仪13和测汞仪12采集的数据分别作为NO和Hg气体的初始浓度，记为C₁和C₂；加装催化剂，经催化臭氧氧化后，出口NO和Hg的浓度分别记为C₃和C₄。催化臭氧氧化NO和Hg的氧化效率分别为：

实施例1

一种催化臭氧同时氧化烟气中NO和Hg的实验测试系统，其结构如图1所示，包括臭氧发生器9、臭氧检测仪10、固定床反应器11、烟气分析仪13、测汞仪12、汞发生装置6、氮气瓶3、氧气瓶2和NO气瓶1，臭氧发生器9的出口通过三通阀5分两路分别连接臭氧检测仪10和固定床反应器11的进气口，固定床反应器11的出口分两路分别连接烟气分析仪13和测汞仪12的入口，氮气瓶3、氧气瓶2和NO气瓶1分别直接连接固定床反应器11的进气口，其中，氮气瓶3还另引一支路依次连接汞发生装置6和固定床反应器11的进气口。

本实施例中，测汞仪12和烟气分析仪13的出口还连接有尾气处理装置14。尾气处理装置14采用活性炭罐。

本实施例中，汞发生装置6包括水浴锅7和置于水浴锅7中的U型管，其中，U型管内置用于加热产生汞蒸气的汞试剂，U型管入口连接氮气瓶3，出口通过管道连接固定床反应器11的反应部件入口。更优选的，U型管出口与固定床反应器11的反应部件入口之间管道采用加热带8环绕。

本实施例中，固定床反应器11内置温控式反应炉15，其按原料气流动方向分为三段，其中，反应炉前段为空管段，其入口分别连接氮气瓶3、氧气瓶2、NO气瓶1、汞发生装置6和臭氧发生器9的出口，并保证分别经NO气瓶1、汞发生装置6和臭氧发生器9输出的NO、汞蒸气和臭氧在前段混合；反应炉中段中装有催化剂，如图2所示。

在具体实验测试时，NO气瓶1、氧气瓶2和氮气瓶3的出口分别连接固定床反应器11的入口，在固定床反应器11内完成流量的设定、混合和加热过程，其中，氮气瓶3出口分两路，一路直接连接固定床反应器11的入口，在固定床反应器11内与其他气体混合稀释，另一路气体经质量流量计4后，进入汞发生装置6携带汞蒸气，汞蒸气经过加热带8被预热，而后进入固定床反应器11的温控式反应炉15中。

在温控式反应炉15中，汞蒸气与来自固定床反应器11侧的气体混合，混合气体中的O₃和催化剂反应生成具有强氧化性的羟基自由基，在催化剂表面反应，NO和Hg分别被氧化。

反应后的混合气体一路流入烟气分析仪13，另一路流入测汞仪12，而后经过尾气处理装置14处理后排出。

在上述测试过程中，气体的浓度通过控制气体流量在总流量中的占比进行调节，汞蒸汽浓度通过控制携气流量和水浴加热的温度控制，温控式反应炉15的温度由固定床反应器11控制。

经上述过程测试，采用Mn/Ti摩尔比为0.6的Mn/TiO₂催化剂，催化剂剂量为0.2g，反应温度为160℃，臭氧浓度为400ppm，NO初始浓度为500ppm，汞初始浓度为75μg/m³时，经过催化臭氧氧化后，NO氧化效率为95.1％，汞氧化效率为96.1％。从实验结果中可以看出催化臭氧同时氧化NO和Hg获得较高的氧化效率。

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实用新型。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，本实用新型不限于上述实施例，本领域技术人员根据本实用新型的揭示，不脱离本实用新型范畴所做出的改进和修改都应该在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种催化臭氧同时氧化烟气中NO和Hg的实验测试系统，其特征在于，包括臭氧发生器(9)、臭氧检测仪(10)、固定床反应器(11)、烟气分析仪(13)、测汞仪(12)、汞发生装置(6)、氮气瓶(3)、氧气瓶(2)和NO气瓶(1)，所述的臭氧发生器(9)的出口分两路分别连接所述臭氧检测仪(10)和固定床反应器(11)的进气口，所述固定床反应器(11)的出口分两路分别连接烟气分析仪(13)和测汞仪(12)的入口，所述的氮气瓶(3)、氧气瓶(2)和NO气瓶(1)分别直接连接固定床反应器(11)的进气口，其中，所述氮气瓶(3)还另引一支路依次连接所述汞发生装置(6)和固定床反应器(11)的进气口。

2.根据权利要求1所述的一种催化臭氧同时氧化烟气中NO和Hg的实验测试系统，其特征在于，所述的测汞仪(12)和烟气分析仪(13)的出口还连接有尾气处理装置(14)。

3.根据权利要求1所述的一种催化臭氧同时氧化烟气中NO和Hg的实验测试系统，其特征在于，所述的汞发生装置(6)包括水浴锅(7)和置于所述水浴锅(7)中的U型管，其中，U型管内置用于加热产生汞蒸气的汞试剂，U型管入口连接所述氮气瓶(3)，出口通过管道连接所述固定床反应器(11)的反应部件入口。

4.根据权利要求1所述的一种催化臭氧同时氧化烟气中NO和Hg的实验测试系统，其特征在于，所述的固定床反应器(11)内置温控式反应炉(15)，其按原料气流动方向分为三段，其中，反应炉前段为空管段，其入口分别连接所述氮气瓶(3)、氧气瓶(2)、NO气瓶(1)、汞发生装置(6)和臭氧发生器(9)的出口，并保证分别经NO气瓶(1)、汞发生装置(6)和臭氧发生器(9)输出的NO、汞蒸气和臭氧在前段混合；

反应炉中段中装有催化剂。

5.根据权利要求4所述的一种催化臭氧同时氧化烟气中NO和Hg的实验测试系统，其特征在于，所述的催化剂为Mn/TiO₂催化剂，其中，Mn/Ti摩尔比为0.6。