一种低温等离子体协同过渡金属氧化物催化剂氧化烟气中汞的方法与流程

本发明属于燃煤烟气脱汞领域，具体涉及低温等离子体协同过渡金属氧化物催化剂氧化烟气中汞的方法。

背景技术：

以煤为主的能源结构造成了我国大气污染严重的现状。煤燃烧除了向大气中排放颗粒物、SO₂以及NO等常规污染物外，还可以引起汞污染。由于汞的生物毒性、持久性以及生物累积性，燃煤烟气中汞的排放及控制近年来受到了极大的关注。

目前，国内外研究工作者研究的重点放在与现有烟气控制装置结合实现汞的排放达到标准，主要包括喷射吸附剂（活性炭粉末、飞灰、钙基吸附剂等）、喷射化学氧化剂、在烟道中装备汞催化氧化装置或利用SCR装置增强汞的氧化等技术。近些年来，低温等离子体技术因其能够生成大量的活性物质，广泛用于氧化烟气中单质汞，能够快速高效氧化烟气中单质汞，具有其他技术无可比拟的优势，得到了快速的发展。

针对低温等离子体技术存在能量利用率低、副产物多等问题，等离子体催化技术应运而生，这种技术将等离子体和催化剂结合在一起，二者之间存在协同作用，可有效降低系统能耗，减少副产物的产生。

在催化脱汞中，常用的催化剂有贵金属催化剂、过渡金属氧化物等，由于过渡金属氧化物具有良好的催化活性、低温选择性、稳定性等优点，成为研究热点。因此，将过渡金属氧化物引入等离子体催化系统中可以提高能量利用率减少副产物生成。然而，迄今为止，尚未有过渡金属氧化物应用于等离子体催化反应系统氧化烟气中单质汞的报道。

技术实现要素：

本发明的目的是针对低温等离子体放电脱除烟气中单质汞能量利用率低的技术问题，利用低温等离子体与过渡金属氧化物之间的协同作用，提供一种可实现低能耗高效氧化单质汞的方法。

本发明具体技术方案如下：

一种低温等离子体协同过渡金属氧化物脱汞的方法，具体过程为：含氧气体经过等离子体反应器放电产生含氧活性物质，然后，烟气中的部分单质汞与含氧活性物质进行反应生成汞的化合物，接下来，在催化剂的催化作用下，单质汞与催化剂表面的活性氧反应生成汞的化合物，达到氧化汞的目的。低温等离子体和催化剂相结合具有提高能量利用效率、促进催化剂表面活性物质生成等优点。因此，本文提出了低温等离子体放电协同催化剂氧化烟气中单质汞的方法。该方法具有能耗低、无二次污染等优点，实现了低能耗无污染脱除单质汞的目的。

本文所述的等离子体反应装置采用电晕放电结构或介质阻挡放电结构，电晕放电装置或介质阻挡放电装置中的高压电极为金属板、金属针、星形线、锯齿线或芒刺线，低压电极为金属板或金属网。

所用高压电源是脉冲高压电源、直流高压电源或交流高压电源，其中，交流高压电源和脉冲高压电源的电压幅值和频率根据实际工况调节。

本文所述的等离子体反应装置放置形式有两种：一种是等离子体反应器放置于烟道内，烟气直接经过等离子体反应器；另一种是等离子体反应器插于烟道中，与烟道成一定角度，反应器产生的含氧活性物质注入烟气中。

本文所述的等离子体反应装置与催化剂的放置形式为：将催化剂单独装填在一个反应器内，该反应器串联在等离子体反应器后面，形成两段式等离子体催化反应器。

本发明所述的催化剂采用浸渍法制备，制备的催化剂为MnO₂-WO₃/TiO₂、CuO-WO₃/TiO₂、CoO₄-WO₃/TiO₂和CeO₄-WO₃/TiO₂等催化剂。

与现有技术相比，本发明的优势在于：利用低温等离子体放电产生的高活性物质，降低了放电等离子体的能耗，同时提高了催化剂的反应活性。低温等离子体协同过渡金属氧化物反应器可广泛应用于大型工业装置烟气净化领域，具有节能、无污染等优势。

附图说明

图1为低温等离子体催化系统中不同过渡元素对单质汞氧化率的影响。

图2为装填过渡金属氧化物催化剂的等离子体催化系统的结构示意图。

图3为单独等离子体、单独催化剂和等离子体催化系统脱汞效率。

图4为低温等离子体催化系统中混合烟气成分对单质汞氧化率的影响。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步地具体详细描述。在

实施例1（见图1）：在低温等离子体-催化系统（见图2）中，能量密度为2.6 J L^-1，O₂含量为6%，空速为57500 h^-1，烟气温度为110 ℃，无H₂O、NH₃、NO和HCl，应用不同的催化剂MnO₂-WO₃/TiO₂、CuO-WO₃/TiO₂、CoO₄-WO₃/TiO₂或CeO₂-WO₃/TiO₂，脱汞效率分别可以达到90%，85%，89%和87%。

实施例2（见图3）：O₂含量为6%，CeO₂负载量为3%，空速为57500 h^-1，实验结果如图3所示。由图可以看出，反应温度为110 ℃，能量密度为2.6 J L^-1，放电催化体系中单质汞氧化率为86.6%，单一活性物质喷射体系单质汞氧化效率为46.7%，而单一催化体系单质汞氧化率为31.3%，因此，沿面放电活性物质喷射体系和CeO₂-WO₃/TiO₂催化体系具有协同效应。

实施例3（见图4）：在低温等离子体- CeO₂-WO₃/TiO₂催化系统中，烟气是由6%O₂、1200 ppmSO₂、360 ppmNH₃、360 ppmNO、4%H₂O、3 ppmHCl和100 µg m^-3Hg⁰组成。其它实验条件为：CeO₂负载量为3%，烟气温度为110 ℃，空速为57500 h^-1，实验结果如图所示。由图可以看出，能量密度为2.6 J L^-1，单质汞的氧化率达到84%。

上述等离子体反应器为沿面型DBD反应器，由高压电极，介质和接地电极三部分组成。高压电极是直径为0.5 mm的不锈钢丝缠绕的螺旋状弹簧，高压电极线径4 mm，弹簧螺距4 mm。介质材料是石英玻璃，外径7 mm，壁厚1.5 mm，内径是4 mm，低压电极是紧密缠绕在石英玻璃外面的铁丝网，等离子体放电长度大约为25 mm。SDBD插入模拟烟道（外径16 mm，内径13 mm，长度1000 mm）内，模拟烟道是由石英玻璃加工而成。

上述催化剂大约处于等离子体反应器下游50 mm处，重量为1.5 g。

上述所用的电源为交流电源，电压的峰值为0-30 kV，频率50 Hz.

实验系统中，模拟烟气总流量为2.0 L min^-1，相应地烟气空速分别为57500 h^-1，沿面放电等离子体喷射的气体流量为10 ml min^-1。

以上结合若干个具体实施例，示例性说明及帮助进一步理解本发明，但实施例具体细节仅是为了说明本发明，并不代表本发明构思下全部技术方案，因此不应理解为对本发明总的技术方案限定，一些在技术人员看来，不偏离发明构思的非实质性改动，例如以具有相同或相似技术效果的技术特征简单改变或替换，均属本发明保护范围。