一种基于等离子体的脱销装置及方法

1.本发明涉及气体吸收技术领域，更具体的，涉及一种基于等离子体的脱销装置及方法。


背景技术：

2.煤电、金属冶炼等许多工业过程会产生大量工业废气，其中氮氧化物作为重要组成部分会污染大气、引发酸雨等环境问题，因此废气脱硝一直是环境污染治理领域关注的热点方向。近年来，氮氧化物的治理重点领域已逐渐从电力行业过渡到非电行业，例如钢铁行业和化工行业。2020年前电力大气治理还有30％任务需要完成，约259亿产能，非电大气治理还有60％任务需要完成，约1000亿产能，且非电行业政策趋严，进程较快。综合来看，脱硝行业仍有较大的市场空间，本技术发明的推广应用具有极大潜力。
3.目前工业废气脱硝的主要方法分为干法和湿法两大类。干法主要是选择性催化还原法(scr)和非选择性催化还原法(sncr),两者分别在催化剂存在与否的情况下利用还原剂和高温条件将no2还原转化为n2和h2o，反应温度需要400
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1000℃，因而耗能巨大，运行成本高，同时设备投资大，虽然是目前火电行业脱硝最常见的工业化方法，脱硝效率可以达到80
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90％，但其大体量和高成本不适用于中小锅炉，在脱硝领域接下来的重点发展行业不占优势。其他方法，包括多孔材料吸附脱硝、电化学催化净化脱硝、微生物法脱硝、微波脱硝等分别具有效率低、成本高、难以工业化应用等缺陷。湿法主要是利用各类吸收剂对含氮氧化物废气进行吸收处理，氮氧化物的主要成分是no和no2。其中no水溶性差，导致湿法脱硝效率一般仅有40
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60％，通过预处理将no转化成no2，这又造成了附加资源消耗同时产生的硝酸盐、亚硝酸盐溶液难以再利用，引入了后续处理的新问题。其他方法还有液膜过滤法等，也存在处理效率低的缺点。目前为了提高氮氧化物的脱除效率，现在也常联用以上方法，通过臭氧等高级氧化手段转化no为no2后再进行下一步处理，但是耗能大，且有氧化剂污染等问题。通过对于工业烟气脱硝背景技术的对比发现，目前较主流的几大类烟气处理方式主要存在三类困扰：技术成熟同时经济成本较低的方法，烟气治理效果通常不能达到最新超低排放的标准要求；技术成熟同时可以满足超低排放标准的方法，其成本一般较高不具备大规模推广的经济性；满足超低排放标准同时经济成本低的方法，一般尚不具备足够的市场成熟度。等离子体技术应用于脱硝领域的研究目前主要是依靠氧化途径且效果欠佳，脱除率仅为40％
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60％，且传统ntp技术在高o2条件下，很难将no还原为n2，需二次处理。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种基于等离子体的脱销装置及方法，以解决现有技术存在的问题中的至少一个。
5.为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
6.本发明提供了一种基于等离子体的脱销装置，包括：
7.壳体；
8.柱状电极，位于所述壳体中央；
9.第一绝缘介质，围设于所述柱状电极的外侧；
10.第二绝缘介质，与所述第一绝缘介质同轴设置，并且位于所述第一绝缘介质外侧，所述第一绝缘介质和所述第二绝缘介质之间形成隔离腔；以及
11.接地电极，围设于所述第二绝缘介质的外侧表面，进而配合所述柱状电极接电后在所述隔离腔内产生等离子体。
12.在优选的实施例中，还包括：
13.供电设备，与所述柱状电极耦接，用于提供激励电压。
14.在优选的实施例中，还包括：旋转电机，所述旋转电机与所述第一绝缘介质的一端固定连接。
15.在优选的实施例中，还包括：
16.调压器，用于调节所述供电设备的激励电压大小。
17.在优选的实施例中，所述第一绝缘介质或者所述第二绝缘介质包括石英。
18.在优选的实施例中，还包括：
19.冷却循环管路，其中包括循环流动的冷却液，所述冷却循环管路的部分置于所述壳体内部，另一部分置于一低温场内。
20.在优选的实施例中，所述第一绝缘介质外侧壁上设置多个扰流件；或者所述第二绝缘介质的内侧壁上设置多个扰流件。
21.在优选的实施例中，所述扰流件包括凸起或者导流片。
22.本发明进一步提供一种利用如上所述的脱硝装置进行脱销的方法，包括：
23.将工业烟气输入至所述脱销装置；
24.对所述脱销装置的柱状电极通电，以使所述隔离腔内形成等离子体场，进而得到脱除氮氧化物的净化气体。
25.在优选的实施例中，还包括：
26.通过冷却循环管路将冷却液泵入所述脱硝装置。
27.本发明的有益效果
28.本发明提供了一种基于等离子体的脱销装置及方法，本发明利用介质阻挡放电法形成等离子体，通过电极结构设计和介质阻挡材料筛选，实现了放电均匀化和高能效的结合，且起始电压和运行电压均较低，工业化生产更为安全。脱硝效率高，在一定操作条件下可达到90％及以上；nox在电场的作用下还原为n2，突破以往依赖氧化途径进行no转化的传统技术，直接通过还原途径进行nox的转化，无需二次处理，简化流程并节约物质投入；整个处理技术路线简单，仅需电能供给，相对于其他同轴设计能耗低，经济性好且操作简单；装置占地面积小，适用于中小型设备的工业废气处理，尤其是硝化等特定工况；提高了等离子体脱硝的应用效果。
附图说明
29.为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，
还可以根据这些附图获得其他的附图。
30.图1示出本发明实施例中基于等离子体的脱销装置的结构示意图。
31.图2示出本发明实施例中进行氮氧化物处理的反应机理图。
32.附图1中的标记：1
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高压电极，2
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绝缘介质，3
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放电间隙(ntp反应区)，4
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绝缘介质，5
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接地电极，6
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旋转轴，7
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旋转动力装置，8
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排气口，9
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进气口，10
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同轴旋转jiezhi阻挡装置反应部件，11
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激励电源，12
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接地电极接口，13
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高压电极接口，14
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调压器，15
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同轴旋转介质阻挡装置供电部件。
具体实施方式
33.下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
34.以下公开内容提供了许多用于实现本发明的不同特征的不同实施方式或实例。下面描述了组件和布置的具体实例以简化本发明。当然，这些仅仅是实例，而不旨在限制本发明。例如，以下描述中，在第二部件上方或者上形成第一部件可以包括第一部件和第二部件直接接触形成的实施方式，并且也可以包括在第一部件和第二部件之间可以形成额外的部件，从而使得第一部件和第二部件可以不直接接触的实施方式；同样的，以下描述中，第一部件和第二部件的“耦接”，可以包括第一部件和第二部件直接接触形成的实施方式，并且也可以包括在第一部件和第二部件之间可以形成额外的部件，从而使得第一部件和第二部件可以不直接接触的实施方式。
35.而且，为便于描述，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅设置为描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施方式之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
36.为了便于理解本技术提供的技术方案，下面先对本技术技术方案的研究背景进行简单说明。
37.截至2019年底，我国火电装机容量达到11.9亿千瓦，同时我国超低排放改造进程正在从火电行业逐步向非电行业过渡，当前主要改造行业为钢铁行业，而未来随着超低排放政策的进一步收严，受其约束的行业赛道也将越拓越宽。可以预见到，各类传统非电行业(钢铁、焦化、水泥、电解铝、玻璃、陶瓷、碳素等)以及各类高污染排放的工业行业(印刷、垃圾焚烧等)都将被纳入超低排放标准控制范围内，因此一种适应脱硝行业重心转移的合适工艺亟待发明。针对目前常见脱硝方法脱除效率低、耗能大、副产物难处理等缺陷，且成熟技术更适合于处理火电厂、钢铁炼化等大型设备。针对中小装置的工业烟气脱硝处理需要经济性更好，装置建造容易，脱除效率高且无二次污染的工艺方案。
38.本发明创新性提出一种基于等离子体还原脱硝的同轴旋转介质阻挡放电装置及方法，解决的关键技术问题包括氮氧化物经装置内等离子体态的处理后可转化为绿色无害
物质，不需要二次处理且无二次污染；更适合中小锅炉等装置的工业废气配套处理；简化操作流程，具有较高的工业应用价值；在保证较高的氮氧化物脱除率的基础上(一定条件下脱硝效率达到90％以上)，实现装置放电的均匀化，提高处理过程能效，提高经济效益。
39.请参阅图1，本发明一实施例提供一种基于等离子体的脱销装置，如图1所示，包括：壳体10；柱状电极1，位于所述壳体10中央；第一绝缘介质2，围设于所述柱状电极1的外侧；第二绝缘介质4，与所述第一绝缘介质2同轴设置，并且位于所述第一绝缘介质2外侧，所述第一绝缘介质2和所述第二绝缘介质4之间形成隔离腔3；以及接地电极5，围设于所述第二绝缘介质4的外侧表面，进而配合所述柱状电极1接电后在所述隔离腔3内产生等离子体。
40.本发明利用介质阻挡放电法形成等离子体，通过电极结构设计和介质阻挡材料筛选，实现了放电均匀化和高能效的结合，且起始电压和运行电压均较低，工业化生产更为安全。脱硝效率高，在一定操作条件下可达到90％及以上；nox在电场的作用下还原为n2，突破以往依赖氧化途径进行no转化的传统技术，直接通过还原途径进行nox的转化，无需二次处理，简化流程并节约物质投入；整个处理技术路线简单，仅需电能供给，相对于其他同轴设计能耗低，经济性好且操作简单；装置占地面积小，适用于中小型设备的工业废气处理，尤其是硝化等特定工况；提高了等离子体脱硝的应用效果。
41.在优选的实施例中，还包括：供电设备，与所述柱状电极耦接，用于提供激励电压。
42.在优选的实施例中，还包括：旋转电机，所述旋转电机与所述第一绝缘介质的一端固定连接。
43.在优选的实施例中，还包括：调压器，用于调节所述供电设备的激励电压大小。
44.在优选的实施例中，所述第一绝缘介质或者所述第二绝缘介质包括石英。
45.在优选的实施例中，还包括：冷却循环管路，其中包括循环流动的冷却液，所述冷却循环管路的部分置于所述壳体内部，另一部分置于一低温场内。
46.在优选的实施例中，所述第一绝缘介质外侧壁上设置多个扰流件；或者所述第二绝缘介质的内侧壁上设置多个扰流件。
47.在优选的实施例中，所述扰流件包括凸起或者导流片。
48.本发明中，一种基于等离子体还原脱硝的同轴旋转介质阻挡放电装置及方法，其特征在于利用电场激发等离子体态，通过电能供给产生自由基、电子等大量活性粒子与no
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分子碰撞，使其解离并加入等离子体内各粒子的相互化学反应，还原形成n2，达到无害降解处理的效果。针对硝化等特定工况烟气，其成分主要为nox及水蒸气，不包含o2等氧化性气体，适用于利用等离子体的还原效应进行氮氧化物绿色脱除。
49.同轴电极起始放电电压和运行电压相比于平板式结构略低，有较高的周期传输电荷量和放电功率。为利用这一优势，本发明提出的装置及方法，主体是基于同轴介质阻挡放电反应器的普遍型式，利用双轴间气体间隙形成电流通路，同时为烟气提供进出口及反应场所。其接地电极以导电丝网为构造，包覆在绝缘材料(石英等)制成的圆管外形成接地电极
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介质复合圆管结构，高压电极为表面覆盖针电极阵列的圆柱体，其外包覆绝缘介质材料，形成高压电极
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介质复合圆柱结构，整体位于接地电极
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介质复合圆管结构内部。为改善径向电场分布的不均匀性，我们特异性地添加旋转结构，带动高压电极
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介质复合圆管结构绕轴做周向旋转运动，不仅促进了微电流通道的快速淬灭和再生，避免其向其他放电形式转化，同时增加了气体扰动，促进等离子体氛围均匀化，增加还原性自由基反应碰撞概率，
不仅提升了脱除效率，可达到90％，也在相同条件下减小了能耗，更具有经济效益。
50.根据等离子体处理氮氧化物机理，no
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及背景气体在高能电子的激发下产生大量活性粒子并发生上百种化学反应，反应会产生不同的转化结果，相互间存在竞争作用，这种竞争性会因为背景气体的组分变化而不同。在无氧状态下等离子体反应会使no
x
转化为n2和o2，即通过还原途径降解。等离子体反应装置通过外供220v交流电，经激励电源和调压器可控地产生低温等离子体，高压电极
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介质复合圆管结构以稳定角速度持续周向运转。在持续供电的条件下气体进口通入目标工况的烟气，在装置气体间隙进行自由基等活性组分反应将nox转化为n2，后通过气体出口排放。冷却水保持流通以保持合理降温。其产物无害，无二次反应及副产物，脱硝效率可达90％以上，所通烟气流量较优条件为0.6m3/h，背景气体为n2。
51.该方法利用了等离子体还原处理氮氧化物的能力，结合同轴介质阻挡放电维持电压低等特点，全新设计旋转构件提高放电的均匀和稳定性，保证较高的氮氧化物还原率前提下降低能耗，形成一种基于等离子体还原脱硝的同轴旋转介质阻挡放电方法
52.运用本技术可处理工业烟气中所含的氮氧化物，包括no、no2等。运用本技术可处理工业烟气中所含的氮氧化物使用的方法包括等离子体还原法脱硝和同轴旋转介质阻挡放电方法。运用本发明可以达到中小型工业装置的处理需求并简化了工艺流程、缩小了占地面积，节省了功耗，提高了经济效益。
53.下面结合具体案例对本发明进行详细说明。
54.实施例1
55.混合一定量的n2、no、o2、nh3形成模拟烟气，流量为0.75m3/h，其中n2为背景气体，nox浓度为800ppmv，nh3浓度为5％,分别在o2浓度为8％，6％，4％，2％。时进行测试，符合一般工业烟气的物质组成。模拟烟气温度为常温，符合低温等离子体脱硝的温度范围。模拟烟气从气体进口进入，等离子体反应器在冷却水持续流动供给的条件下对其进行处理，未启动同轴旋转构建保持反应装置静止，净化气体从气体出口排出。随着o2浓度降低，no
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的还原转化率从14％逐渐提高45.1％，no转化为no2的转化率从20％逐渐降低至10％，也证明了在氧气存在条件下，no
x
的氧化和还原途径具有竞争关系，针对硝化等特定工况的烟气，还原法具有较高的应用优势。
56.实施例2
57.混合一定量的n2、no、h2o形成模拟烟气，流量为0.75m3/h，其中n2为背景气体，nox浓度为800ppmv，o2浓度为0％，通过调节温度控制过水气体的h2o浓度，其变化范围为3％至10％，符合一般工业烟气的物质组成。在电场功率稳定为85w时进行测试。模拟烟气温度为常温，符合低温等离子体脱硝的温度范围。模拟烟气从气体进口进入，等离子体反应器在冷却水持续流动供给的条件下对其进行处理，未启动同轴旋转构建保持反应装置静止，净化气体从气体出口排出。随着含水量提高，no
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的还原转化率从28％逐渐提高44％，可证明在没有氧气存在的条件下，水在等离子体氛围下对氮氧化物的还原脱除显示积极作用。
58.实施例3
59.混合一定量的n2、no、no2形成模拟烟气，流量为1.5m3/h，其中n2为背景气体，nox浓度为1000ppmv，符合硝化等工况工业烟气的物质组成，分别以调压显示电压为15
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85v以5v等差递增时进行测试。模拟烟气温度为常温，符合低温等离子体脱硝的温度范围。模拟烟气
从气体进口进入，等离子体反应器在冷却水持续流动供给的条件下对其进行处理，启动同轴旋转构件使介质阻挡放电装置高压电机持续匀速地做周向运动。电压变化带动电场功率变化，可见气体流量为55v时本装置脱除效率较优，no
x
的还原转化率从23％％逐渐提高78％。同时在调压电压显示55v时，其能耗和脱除效率达到较优平衡。
60.实施例4
61.混合一定量的n2、no、no2形成模拟烟气，流量为变化范围为0.2
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1.6m3/h，其中n2为背景气体，nox浓度为1000ppmv，符合硝化等工况工业烟气的物质组成，分别以调压显示电压为45v、55v、65v时进行测试。模拟烟气温度为常温，符合低温等离子体脱硝的温度范围。模拟烟气从气体进口进入，等离子体反应器在冷却水持续流动供给的条件下对其进行处理，启动同轴旋转构件使介质阻挡放电装置高压电机持续匀速地做周向运动。电压变化带动电场功率变化，可见气体流量为0.6m3/h时本装置脱除效率较优，no
x
的还原转化率从30％％逐渐提高91％。同时在调压电压显示55v时，其能耗和脱除效率达到较优平衡。
62.可以看出，本发明的创新点在于：利用介质阻挡放电法形成等离子体，通过电极结构设计和介质阻挡材料筛选，实现了放电均匀化和高能效的结合，且起始电压和运行电压均较低，工业化生产更为安全。脱硝效率高，在一定操作条件下可达到90％及以上；nox在电场的作用下还原为n2，突破以往依赖氧化途径进行no转化的传统技术，直接通过还原途径进行nox的转化，无需二次处理，简化流程并节约物质投入；整个处理技术路线简单，仅需电能供给，相对于其他同轴设计能耗低，经济性好且操作简单；装置占地面积小，适用于中小型设备的工业废气处理，尤其是硝化等特定工况；提高了等离子体脱硝的应用效果。
63.本发明可处理工业烟气中所含的氮氧化物，包括no、no2等。
64.本发明进一步提供一种利用如上所述的脱硝装置进行脱销的方法，包括：
65.s1:将工业烟气输入至所述脱销装置；
66.s2:对所述脱销装置的柱状电极通电，以使所述隔离腔内形成等离子体场，进而得到脱除氮氧化物的净化气体。
67.结合上述实施例可以看出，本发明利用介质阻挡放电法形成等离子体，通过电极结构设计和介质阻挡材料筛选，实现了放电均匀化和高能效的结合，且起始电压和运行电压均较低，工业化生产更为安全。脱硝效率高，在一定操作条件下可达到90％及以上；nox在电场的作用下还原为n2，突破以往依赖氧化途径进行no转化的传统技术，直接通过还原途径进行nox的转化，无需二次处理，简化流程并节约物质投入；整个处理技术路线简单，仅需电能供给，相对于其他同轴设计能耗低，经济性好且操作简单；装置占地面积小，适用于中小型设备的工业废气处理，尤其是硝化等特定工况；提高了等离子体脱硝的应用效果。
68.进一步，本发明可在低温等离子体系中进行，即还包括：
69.s3：通过冷却循环管路将冷却液泵入所述脱硝装置。
70.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“一些实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本说明书实施方式的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施方式或示例。
71.此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施方式或示例以及不同实施方式或示例的特征进行结合和组合。以上所述仅为本说明书
实施方式的实施方式而已，并不用于限制本说明书实施方式。对于本领域技术人员来说，本说明书实施方式可以有各种更改和变化。凡在本说明书实施方式的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书实施方式的权利要求范围之内。