专利名称：低温等离子体吸附催化烟气脱硫装置及其脱硫方法
技术领域：
本发明是一种针对所有含硫燃煤锅炉以及以含硫物质作为燃料的锅炉的燃烧后尾气中二氧化硫的净化处理装置及方法，尤其是一种低温等离子体吸附催化烟气脱硫装置及其脱硫方法，属于废气处理中烟气脱硫的技术领域。
背景技术：
烟气脱硫(FGD)是目前控制燃煤电厂SO2气体排放最有效和应用最广的技术，按脱硫剂以及脱硫反应产物的状态一般可分为钙基脱硫和非钙基脱硫。
钙基脱硫可分为湿法、干法及半干法三大类。但这一类技术又有着突出的缺点，即设备投资大、占地面积大、产生二次污染以及运行费用高等。此外，烟气直接催化还原脱硫技术也有一定的应用，但其能耗大、催化剂依赖性强、以及二次污染气体排放等缺点在一定程度上阻碍了其发展与推广。
非钙基脱硫的技术路线包括两种SO2还原成单质硫，SO2加NH3氧化生成固体盐类去除。
80年代末期，日本原子能研究所发现利用电子射线照射烟道气体可以脱除其中的二氧化硫成分，从而产生了电子束照射法。但在随后的工业应用中发现了该技术要考虑X射线防护以及高能耗高运行费用等弊端。低温等离子体法是从电子束法发展而来的烟气脱硫技术，其机理与电子束法基本相同。该方法是靠脉冲高压电源在普通反应器中形成等离子体，产生高能电子(5～20eV)。两者主要区别是后者利用快速上升的窄脉冲电场加速而得到高能电子形成低温等离子体状态，产生大量的活性粒子，而驱动离子的能耗极小，因而较前者能量利用率高，同时获得较高的脱硫效率。低温等离子体法脱硫的工业应用还不是很多，而且其自身也面临进一步降低能耗的难题。
在低温等离子体技术的研究中，脱除SO2的反应路线有两种。一种是还原反应，即将SO2还原成单质硫，另一种是将SO2氧化成SO3，再通入NH3与氧化产物反应成为固体盐类去除。前者的缺点是单质硫不断吸附于器壁上恶化了放电环境，从而造成反应器工作效率下降，运行周期短；后者通入的NH3与烟气中SO2反应的配比难于平衡，易造成二次污染，且生成的固体铵盐也容易附着在器壁上恶化工作环境。
发明内容
技术问题本发明的目的是提供一种以低温等离子体技术为主，结合吸附催化剂，使SO2按照氧化反应的途径进行的低温等离子体吸附催化烟气脱硫装置及其脱硫方法。
技术方案本发明的低温等离子体吸附催化烟气脱硫装置由由烟气脱硫吸附器、空气压缩机、浓硫酸池、纤维除雾器顺序串联所组成；其中，烟气脱硫吸附器由两个相同的低温等离子体反应器并联连接构成；在低温等离子体反应器中装填有吸附催化剂，低温等离子体反应器的主烟气进气端与烟气进气阀相接，主流烟气出气端与出气阀相接，出气阀的出口分别接另一个低温等离子体反应器的引风端和烟囱的烟道，反应产物出口通过流量调节阀门接空气压缩机；在低温等离子体反应器的内侧设有等离子体发生器，高压脉冲电源通过能量切换装置分别与两个低温等离子体反应器的等离子体发生器相接。在低温等离子体反应器中的吸附催化剂为沸石类与金属、金属氧化物的复合物。
本发明脱硫的方法为a、将含硫烟气从进气端通入低温等离子体反应器中，与反应器中的吸附催化剂反应，将含硫烟气中的SO2吸附在反应器中，反应时间为600～3000s，b、向低温等离子体反应器内输入平均能耗为1w/m3烟气～100w/m3烟气的等离子体场，使等离子体与SO2作用，将SO2转换为SO3，作用时间1s～300s，c、将低温等离子体反应器中的一个反应器的部分主流烟气从本反应器的烟气出口引入另一个反应器的引风端，d、由引风端引入的支流烟气将SO3送入浓硫酸池使SO3转化为H2SO4，e、通过纤维除雾器排出洁净气体。
二个并联的低温等离子体反应器中的等离子体发生器由能量切换装置控制轮换使用，即第一个反应器吸附SO2过程中，已吸附饱和SO2的第二个反应器进行等离子体催化联合反应，生成SO3，SO3转换成H2SO4；待第一个反应器吸附饱和，第二个反应器轮换为吸附SO2过程中，第一个反应器进行等离子体催化联合反应，生成SO3，SO3转换成H2SO4；上述过程反复重复，产生等离子体工作时间短于吸附催化剂SO2饱和吸附时间。
在低温等离子体反应器中的吸附催化剂为沸石类与金属、金属氧化物的复合物。
其反应机理如下通过脉冲放电产生的等离子体中含有大量高能电子、离子、激发态粒子和具有很强氧化性的自由基，其中活性粒子的平均能量高于气体分子的键能。这些活性粒子和有害分子碰撞的结果一方面打开气体分子键生成一些单原子分子和固体微粒；另一方面产生大量·OH、·HO2、·O等自由基和氧化性极强的O3。由这些单原子分子、自由基和O3等组成的活性粒子所引起的化学反应最终将废气中的有害物质变成无害物质。
以上活性粒子使同样被电晕放电激活的SO2分子，经过一系列以活性粒子或自由基为基体的复杂的电化学反应
最终产物经浓硫酸洗涤，达到脱硫的目的。
本发明的工艺流程是非连续过程，吸附和等离子体催化反应分别交替进行。
等离子体催化反应过程时间约是吸附饱和时间的50％，等离子体发生器不连续工作，其工作时间仅为约50％，较连续等离子体反应器节省电力。
SO3转化为H2SO4的反应器(浓硫酸池)与等离子体催化过程的反应器连接，由引入的支流烟气将SO3带入浓硫酸池中，气体处理量是总烟气量的1％(此数值为支流烟气量与主流烟气量之比值)，SO3转化为H2SO4的反应器装置小，克服了大规模酸雾除雾的困难。
有益效果本发明无需任何脱硫剂，生成产物是工业原料硫酸，无废物排放，变废为宝，提高整体的经济效益；等离子体发生器不连续工作，其工作时间仅为约50％，较连续等离子体反应器节省电力。本发明以低温等离子体技术为主，结合吸附催化剂，使SO2按照氧化反应的途径进行，具有设备简单、投资少、占地面积小、能耗小、无二次污染、运行周期长和广泛适用于各种型号锅炉烟气脱硫等优点。
本发明采用的催化剂沸石具有很大的比表面积因而能产生较大的扩散力，是出色的吸附剂；由于吸附性能好，吸附表面积大，可以容纳相当多数量的吸附物质，因而能促使化学反应在其表面上进行，所以沸石又作为有效的催化剂和催化载体；有较强的耐热耐酸碱性；具有化学反应性、远红外辐射性、可逆脱水性等工艺性能。其最大优点是对各种极性化合物和不饱和化合物具有高度的吸附选择性。沸石吸附催化剂对SO2有强烈选择性吸附，颗粒表面SO2富集，吸附量大。质量吸附率(吸附质SO2质量/沸石吸附催化剂质量)达3％～5％。
图1是本发明的总体结构示意图。其中有烟气进气阀11；出气阀12、引风进气阀13、流量调节阀门14；低温等离子体反应器2；主烟气进气端21；引风端22；主流烟气出气端23；反应产物出口24；等离子体发生器25高压脉冲电源3；能量切换装置4；空气压缩机5；浓硫酸池6；纤维除雾器7。
具体实施例方式
沸石具有很大的比表面积因而能产生较大的扩散力，是出色的吸附剂；由于吸附性能好，吸附表面积大，可以容纳相当多数量的吸附物质，因而能促使化学反应在其表面上进行，所以沸石又作为有效的催化剂和催化载体；有较强的耐热耐酸碱性；具有化学反应性、远红外辐射性、可逆脱水性等工艺性能。其最大优点是对各种极性化合物和不饱和化合物具有高度的吸附选择性。
沸石吸附催化剂A，在条件为吸附温度为15℃，吸附气体为10000ppm的SO2气体，流量0.3L/min，其余气体为N2，不加水以及其它任何添加剂，吸附剂A质量为25g，在吸附了540s后反应器出口的SO2气体浓度仍为0，到1320s后反应器出口的SO2气体浓度才超过500ppm。质量吸附率达约3％。
沸石吸附催化剂B，吸附反应条件为吸附温度9℃，吸附剂为丝光沸石，质量为28g吸附气体为10000ppm的SO2气体，流量0.3L/min，其余气体为N2，不加水以及其它任何添加剂。在1860s之前反应器出口SO2气体读数为0，到2880秒时反应器出口SO2气体浓度才到500ppm。质量吸附率达5％以上。
沸石吸附催化剂A和沸石吸附催化剂B对SO2有强烈选择性吸附，颗粒表面SO2富集，吸附量大。
SOx(SO3和SO2的混合物)解吸效率高等离子体脱附条件为脱附剂已吸附10000ppm的SO2气体1320s后的沸石吸附催化剂A，质量为25g，脱附温度为室温15℃，输入等离子体能量首先设定为19.8W，在这个能量下约110s，SO2达到3200ppm，SO2然后大量解吸释放。将输入能量设定到31.2W，这一段时间内脱附速度极快。能量对等离子体脱附有直接的促进作用，输入能量越大，SO2气体的脱附时间越短。
沸石吸附催化剂B在等离子体作用下，短短的150s后SO2气体的浓度便超出4000ppm以上。等离子体对沸石吸附催化剂A和沸石吸附催化剂B有很高效率的解吸作用。
本发明的低温等离子体吸附催化烟气脱硫装置由烟气脱硫吸附器、空气压缩机5、浓硫酸池6、纤维除雾器7顺序串联所组成；其中，烟气脱硫吸附器由两个相同的低温等离子体反应器2并联连接构成；在低温等离子体反应器2中装填有吸附催化剂，低温等离子体反应器2的主烟气进气端21与烟气进气阀11相接，主流烟气出气端23与出气阀12相接，出气阀12的出口分别接另一个低温等离子体反应器2的引风端22和烟囱的烟道，反应产物出口24通过流量调节阀门14接空气压缩机5；在低温等离子体反应器2的内侧设有等离子体发生器25，高压脉冲电源3通过能量切换装置4分别与两个低温等离子体反应器2的等离子体发生器25相接。在低温等离子体反应器2中的吸附催化剂为沸石类与金属、金属氧化物的复合物。
烟气主流流经低温等离子体反应器2后从主流烟气出气端23由烟气出气阀12调节直接送入通往烟囱的烟道，对于并联的两个低温等离子体反应器2，从对方的烟气主流出口引入一定量的烟气由各自的低温等离子体反应器2的外侧引风端22通过引风进气阀13调节一定的流量进入其中，使各自引入的支流烟气通过低温等离子体反应器2带走反应产物，低温等离子体反应器2的反应产物出口24经过流量调节阀门14接空气压缩机5，在低温等离子体反应器2中的吸附催化剂为沸石类与金属或金属氧化物的复合物。
如沸石类采用5A分子筛、丝光沸石；金属或金属氧化物采用Al、V、Ti等或其氧化物；沸石金属或金属氧化物＝10∶1～100∶1。
本发明将由电厂除尘器尾部排出的烟气(温度通常在100℃-200℃)经过烟气进气阀11通入低温等离子体反应器2中。反应器由若干个筒式反应单元组成，其内装填有高效吸附催化剂。反应器采用间歇工作方式，即将反应器设计成两个主通路，根据烟气流量和吸附催化剂性能等参数决定烟气在某一主通路的流经时间，然后通过控制烟气进气阀11切换使烟气从另一主通路中流过。此时将已通过烟气的主通路由高压脉冲电源3(电压在30KV左右，电源频率在1-10KHz)提供能量反应驱动在反应器中产生低温等离子场进行反应，此反应可在相当短时间内完成。随后，由反应器外侧引风端从另一反应器的出气端引入一定量的主流烟气流经反应器一段时间将反应产物带出反应器进入下一流程。同时，当另一主通路尾气流经时间已到而被切换时可将能量通过能量切换装置4及时注入该通路继续运作。如此两个反应器不断交替运作。反应带出产物为含有硫酸雾的气体，保持气体温度在100℃-200℃，经由空气压缩机5将其通入浓硫酸池6中洗涤，再经过纤维除雾器7将洗涤过后残余的酸雾去除，达到脱硫的目的。该方法可使脱硫效率稳定在90％以上。
本发明的低温等离子体吸附催化烟气脱硫装置的脱硫方法为a、含硫烟气从主烟气进气端21通入低温等离子体反应器2中，与反应器中的吸附催化剂反应，将含硫烟气中的SO2吸附在反应器中，反应时间为600～3000s，b、向低温等离子体反应器2内输入平均能耗为1w/m3烟气～100w/m3烟气的等离子体场，使等离子体与SO2作用，将SO2转换为SO3，作用时间1s～300s，c、将低温等离子体反应器2中的一个反应器的部分主流烟气从本反应器的烟气出口23引入另一个反应器的引风端22，
d、由引风端22引入的支流烟气将SO3送入浓硫酸池6使SO3转化为H2SO4，e、通过纤维除雾器7排出洁净气体。
二个并联的低温等离子体反应器2中的等离子体发生器25由能量切换装置4控制轮换使用，即第一个反应器吸附SO2过程中，已吸附饱和SO2的第二个反应器进行等离子体催化联合反应，生成SO3，SO3转换成H2SO4；待第一个反应器吸附饱和，第二个反应器轮换为吸附SO2过程中，第一个反应器进行等离子体催化联合反应，生成SO3，SO3转换成H2SO4；上述过程反复重复，产生等离子体工作时间短于吸附催化剂SO2饱和吸附时间。
权利要求
1.一种低温等离子体吸附催化烟气脱硫装置，其特征在于该装置由烟气脱硫吸附器、空气压缩机(5)、浓硫酸池(6)、纤维除雾器(7)顺序串联所组成；其中，烟气脱硫吸附器由两个相同的低温等离子体反应器(2)并联连接构成；在低温等离子体反应器(2)中装填有吸附催化剂，低温等离子体反应器(2)的主烟气进气端(21)与烟气进气阀(11)阳接，主流烟气出气端(23)与出气阀(12)相接，出气阀(12)的出口分别接另一个低温等离子体反应器(2)的引风端(22)和烟囱的烟道，反应产物出口(24)通过流量调节阀门(14)接空气压缩机(5)；在低温等离子体反应器(2)的内侧设有等离子体发生器(25)，高压脉冲电源(3)通过能量切换装置(4)分别与两个低温等离子体反应器(2)的等离子体发生器(25)相接。
2.据权利要求1所述的低温等离子体吸附催化烟气脱硫的装置，其特征在于在低温等离子体反应器(2)中的吸附催化剂为沸石类与金属、金属氧化物的复合物。
3.一种用于权利要求1所述的低温等离子体吸附催化烟气脱硫装置的脱硫方法，其特征在于脱硫的方法为a、将含硫烟气从进气端21通入低温等离子体反应器2中，与反应器中的吸附催化剂反应，将含硫烟气中的SO2吸附在反应器中，反应时间为600～3000s，b、向低温等离子体反应器2内输入平均能耗为1w/m3烟气～100w/m3烟气的等离子体场，使等离子体与SO2作用，将SO2转换为SO3，作用时间1s～300s，c、将低温等离子体反应器2中的一个反应器的部分主流烟气从本反应器的烟气出口23引入另一个反应器的引风端22，d、由引风端22引入的支流烟气将SO3送入浓硫酸池6使SO3转化为H2SO4，e、通过纤维除雾器7排出洁净气体。
4.根据权利要求3所述的低温等离子体吸附催化烟气脱硫装置的脱硫方法，其特征在于二个并联的低温等离子体反应器(2)中的等离子体发生器(25)由能量切换装置(4)控制轮换使用，即第一个反应器吸附SO2过程中，已吸附饱和SO2的第二个反应器进行等离子体催化联合反应，生成SO3，SO3转换成H2SO4；待第一个反应器吸附饱和，第二个反应器轮换为吸附SO2过程中，第一个反应器进行等离子体催化联合反应，生成SO3，SO3转换成H2SO4；上述过程反复重复，产生等离子体工作时间短于吸附催化剂SO2饱和吸附时间。
全文摘要
低温等离子体吸附催化烟气脱硫装置及其脱硫方法是一种针对所有含硫物质作为燃料的锅炉的燃烧后尾气中二氧化硫的净化处理装置及方法，在反应器中装填有吸附催化剂，主烟气进气端与烟气进气阀相接，主流烟气出气端与出气阀相接，出气阀的出口分别接另一个反应器的引风端和烟囱的烟道，反应产物出口通过流量调节阀门接空气压缩机，在反应器的内设有等离子体发生器，高压脉冲电源通过能量切换装置分别与两个低温等离子体反应器相接。脱硫方法是，二个并联的低温等离子体反应器中的等离子体发生器由能量切换装置控制轮换使用，含硫烟气与反应器中的吸附催化剂反应，将SO
文档编号B01D53/50GK1597057SQ20041004145
公开日2005年3月23日 申请日期2004年7月22日 优先权日2004年7月22日
发明者顾璠, 叶丹 申请人:东南大学