一种氮/金属掺杂石墨烯脱汞催化应用装置的制作方法

本实用新型涉及一种催化剂应用装置，尤其涉及一种氮/金属掺杂石墨烯脱汞催化剂的应用装置。

背景技术：

来自电站锅炉燃煤排放的汞物质由于其具有毒性、挥发性并易在生物体内和食物链中永久累积富集积累，已经成为一个全球性循环污染元素，备受人们关注。汞的脱除效率极大程度上取决于它燃烧后的形态。烟气中汞的存在形式主要包括固态颗粒汞(Hg_p)和气态汞(Hg⁰和Hg²⁺)，其中Hg_p和Hg²⁺较容易被脱除，而Hg⁰的脱除问题一直是一个科研难题，因此只有提高Hg⁰的脱除率，才能有效控制燃煤电厂的总汞排放量。本领域的技术人员一般将主要的研究重点集中在如何有效地将Hg⁰氧化为Hg²⁺，降低元素Hg⁰的比例。本申请人已经开发了一种氮/金属掺杂石墨烯脱汞催化剂，可以有效的将更加有效的将Hg⁰氧化为Hg²⁺。该催化剂通过提高催化剂的催化氧化活性，以及加强Hg⁰氧化来实现催化剂的功能，该氮/金属掺杂石墨烯脱汞催化剂主要应用于SCR脱汞催化剂。

本领域的技术人员在致力于开发新型脱汞催化剂的同时，往往忽略了催化剂应用装置在催化剂发生作用过程的影响和作用。

现有技术中采用的烟气脱汞技术手段主要是通过活性炭对烟气进行脱汞处理，通过在烟气通道中设置一个或多个催化剂层，在催化剂层上添加活性炭或者其他脱汞催化剂，催化成本昂贵，在现有的催化剂应用装置下，催化剂或者活性炭使用效率低，浪费大，催化剂或者活性炭添加不灵活。

所以本领域的技术人员在开发新型脱汞催化剂的同时，需要兼顾脱汞催化剂的新型应用装置，以提高催化剂的使用效率，降低成本，并使得催化应用装置装卸灵活。

技术实现要素：

有鉴于现有技术的上述缺陷，本实用新型所要解决的技术问题是在SCR烟气脱汞技术领域中，如何开发一种新型的催化剂应用装置，可以提高催化剂的使用效率，降低成本，并使得催化应用装置装卸灵活。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种氮/金属掺杂石墨烯脱汞催化剂应用装置。具体技术方案如下：

本实用新型公开了一种氮/金属掺杂石墨烯脱汞催化剂应用装置，该装置包括层网以及置于层网上的若干单元网格。

进一步地，层网置于所述若干单元网格之下，用于支撑和放置所述若干单元网格。也就是说层网与单元网格不是固定相连的，在使用中，层网的整体形状是选择正方形、长方形还是其他的形状是不确定的，根据工作环境可以调整或者裁剪，在烟气脱汞中可以代替掉原来的催化剂层，边缘部分与所处的环境和其他装置通过多种形式连接固定，而将单元网格在朝上的表面上涂覆氮/金属掺杂石墨烯脱汞催化剂，平铺排列在层网上面，带有汞污染物的烟气通过层网的时候，涂覆在单元网格上表面的催化剂发生催化作用，实现将Hg⁰氧化为Hg²⁺。

进一步地，层网具有若干相同的网格，所述网格尺寸相同。层网在设计上考虑实际应用环境的截面形状，整体的层网可以裁剪，使得层网形状与工作环境的截面形状一致。在网格设计上，主要考虑到加工的便利，网格一般采用正方形，所有网格尺寸一致。

进一步地，单元网格置于所述层网之上。

进一步地，单元网格为长方形，具有上长边、下长边、左宽边和右宽边。单元网格设计为长方形，主要考虑到平铺的时候比较便利，也可以设置为正方形、多边形等形状。

进一步地，单元网格具有12个相同尺寸的长方格，所述12个相同尺寸的长方格在所述单元网格中分布呈整体对称状态。

进一步地，12个相同尺寸的长方格在所述单元网格中从所述上长边至下长边，分别分布在第一排、第二排、第三排，其中从所述左宽边至所述右宽边，在所述第一排依次分布第一长方格、第二长方格、第三长方格和第四长方格，在所述第二排依次分布第五长方格、第六长方格、第七长方格和第八长方格，在所述第三排依次分布第九长方格、第十长方格、第十一长方格和第十二长方格。

进一步地，网格平面面积小于所述单元网格平面面积，所述网格平面可被所述单元网格平面完全覆盖。

进一步地，层网为金属材质，所述金属材质外层镀有一层二氧化钛。主要考虑兼顾了工作环境中温度比较高，气体的成分比较复杂，要求层网在工作环境中尽量不与烟气发生反应，保证催化剂的效率。

进一步地，金属为不锈钢。

进一步地，层网中所述网格为正方形，所述正方形的边长为2cm。这里在网格尺寸的选择上主要考虑了烟气中可能携带有部分固态杂质，尺寸选择2cm，面积为4cm²，烟气中的固态杂质可以顺利通过层网。

进一步地，单元网格的所述上长边、所述下长边长度为36cm，所述单元网格的所述左宽边、所述右宽边长度为24cm，所述单元网格具有厚度，所述厚度尺寸为2cm，所述单元网格材质与所述层网材质相同，所述单元网格在表层镀有一层二氧化钛。

进一步地，单元网格中的所述12个相同尺寸的长方格的长边尺寸为6cm，宽边尺寸为4cm。

进一步地，在所述单元网格中的所述第一排中，所述第一长方格、所述第二长方格、所述第三长方格、所述第四长方格中，相邻长方格之间距离为2cm，所述第二排中，所述第五长方格、所述第六长方格、所述第七长方格、所述第八长方格中，相邻长方格之间距离为2cm，所述第三排中，所述第九长方格、所述第十长方格、所述第十一长方格、所述第十二长方格中，相邻长方格之间距离为2cm。

进一步地，所述第一长方格与所述单元网格的所述左宽边距离为3cm，所述第四长方格与所述单元网格的所述右宽边距离为3cm。

进一步地，在所述单元网格中，从所述上长边至所述下长边方向上，所述第一排的长方格与所述第二排的长方格距离为2cm，所述第二排的长方格与所述第三排的长方格距离为2cm。

进一步地，在所述单元网格中，所述第一排的长方格与所述上长边距离为4cm，所述第三排的长方格与所述下长边距离为4cm。

本实用新型公开的氮/金属掺杂石墨烯脱汞催化剂应用装置工作原理：

在煤粉锅炉尾部烟气脱汞过程中，首先根据层网拟布置的位置的截面尺寸，对层网进行裁剪，然后将层网安装在相关位置，通过铰链等形式进行固定，根据确定的层网平面面积，估算需要的单元网格数量，将氮/金属掺杂石墨烯脱汞催化剂用水打湿成浆态，涂刷在单元网格的某一面上，晾干，将单元网格涂刷有催化剂的一面朝上，平铺在层网上，带有汞污染物的烟气在通过层网的时候，催化剂发挥催化作用，实现汞⁰元素的氧化，催化剂所处的比表面积大，催化效果好，使得催化剂使用效率高，基本不存在浪费，间隔一段时候后，可以将单元网格回收，重新涂覆催化剂，在层网上平铺使用。

采用这样的装置可以使得催化剂具有合适的载体，充分与气流接触，提高脱汞转化效率，催化剂载体由若干个单元网格组成，便于单元网格的更换。层网中的网格以及单元网格中的长方格主要是便于气流以及气流中的固态杂质的通过。

本实用新型公开的氮/金属掺杂石墨烯脱汞催化剂应用装置提及的氮/金属掺杂石墨烯脱汞催化剂及其制备方法：

氮/金属掺杂石墨烯脱汞催化剂为纳米复合材料，含氮的质量百分比为30-60％，含金属的质量百分比为10-15％，含石墨烯的质量百分比为25-60％。氮/金属掺杂石墨烯脱汞催化剂中的金属为Pd-Mo/Al₂O₃。

氮/金属掺杂石墨烯脱汞催化剂通过以下步骤制备获得：

步骤一，将硝酸铝、硝酸铂、去离子水按照一定的质量比配成第一混合溶液。其中硝酸铝可以选用广州化学试剂厂生产的Al(NO₃)₃，纯度规格需要达到分析纯。其中硝酸铂可以选用上海新高化学试剂有限公司生产的Pt(NO₃)₂，纯度规格需要达到分析纯。

进一步地，硝酸铝、硝酸铂、去离子水质量比为10-15：8-10：25-30。

步骤二，将碳酸铵、氨水、钼酸铵、去离子水按照一定的质量比配成第二混合溶液。其中碳酸铵可以选用天津市博迪化工有限公司生产的(NH₄)₂CO₃，纯度规格需要达到分析纯。其中氨水可以选用成都科龙化工试剂厂生产的氨水，纯度规格需要达到分析纯。

进一步地，碳酸铵、氨水、钼酸铵、去离子水质量比为25-30：40-60：1-5：400-500。

步骤三，将第一混合溶液与第二混合溶液按照体积比1：15-20混合成第三混合溶液，将第三混合溶液放入坩埚中进行匀速搅拌，然后将所述坩埚放入80-110℃烘箱干燥10-15h，干燥后获得的固态物质放在300-400℃马弗炉中焙烧，然后研磨得到Pt-Mo/Al₂O₃粉末。

进一步地，步骤三中所述匀速搅拌时间控制为5-10min，匀速搅拌转速为20-50r/min。

进一步地，步骤三中焙烧时间为2-5h，研磨时间为10-20min。

步骤四：将所述Pt-Mo/Al₂O₃粉末放置于管式炉的石英管管中，以20-50sccm的流速通入氮气(广州盛盈气体，＞99.999％(v/v))，并对管式炉进行加热，当管式炉加热至500-550℃的时候，改变氮气的流速为20-30sccm，同时以20-30sccm的流速通入氢气，保持温度为500-550℃，保持时间为30-40min，对催化剂进行还原反应，然后停止通入氢气，将管式炉以8-12℃/min的速度加热升温到700-750℃，改变氮气通入流速为40-60sccm，恢复氢气通入，流速为8-12sccm，增加乙烯气体通入，流速为20-30sccm，保持时间为150-200min，然后停止加热，停止通入氢气和乙烯气体，保持氮气通入，流速为40-60sccm，自然冷却到室温，得到固态混合物，该固态混合物为金属掺杂的石墨烯。

其中选用的碳源为乙烯，可以选用天津科密欧试剂有限公司生产的乙烯，纯度需要达到分析纯。

步骤五：将固态混合物与尿素(天津科密欧化学试剂有限公司，分析纯)混合，研磨，然后加入管式炉中进行热处理，冷却至室温得到氮/金属掺杂石墨烯纳米复合材料。

进一步地，固态混合物与尿素质量比为1：1-1.5，研磨时间为2-3h。

进一步地，热处理温度为700-800℃，热处理时间为4-6h。

进一步地，热处理置于氮气保护气氛下，氮气的通入流速控制为40-50sccm。

制备得到的氮/金属掺杂石墨烯脱汞催化剂对Hg⁰氧化具有非常好的催化活性。

本实用新型具有如下有益效果：

1、本实用新型公开的氮/金属掺杂石墨烯脱汞催化剂应用装置有利于提高催化剂的使用效率；

2、该催化剂应用装置制造简单，成本低廉，装卸灵活，寿命长，可以很好的配合氮/金属掺杂石墨烯脱汞催化剂的使用。

3、该催化剂应用装置作为催化剂应用的载体，在使用过程中，通过涂覆的方式将催化剂打成浆态后再涂覆在单元网格上，催化剂在单元网格表面上比较均匀。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1为本实用新型的较佳实施例中的单元网格平面示意图

图2为本实用新型的较佳实施例中的层网平面示意图

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例进一步详细描述本发明。应理解，实施方式只是为了举例说明本发明，而非以任何形式限制发明的范围。

如图1所示，图1为本实用新型的较佳实施例中的单元网格平面示意图，其中1表示单元网格，101表示单元网格的上长边，102表示单元网格的下长边，103表示单元网格的左宽边，104表示单元网格的右宽边，105表示单元网格的第一长方格，106表示单元网格的第二长方格，107表示单元网格的第三长方格，108表示单元网格的第四长方格，109表示单元网格的第五长方格，110表示单元网格的第六长方格，111表示单元网格的第七长方格，112表示单元网格的第八长方格，113表示单元网格的第九长方格，114表示单元网格的第十长方格，115表示单元网格的第十一长方格，116表示单元网格的第十二长方格。

如图2所示，图2为本实用新型的较佳实施例中的层网平面示意图，其中2表示层网。

从图1、图2中可以看出，层网2具有若干相同的网格，网格尺寸相同，网格形状为正方形，正方形的边长为2cm。层网2在设计上考虑实际应用环境的截面形状，整体的层网可以裁剪，使得层网2形状与工作环境的截面形状一致。在网格设计上，主要考虑到加工的便利，网格一般采用正方形，所有网格尺寸一致。

从图1、图2中可以看出，单元网格1为长方形，单元网格1具有上长边101，下长边102，左宽边103，右宽边104，第一长方格105，第二长方格106，第三长方格107，第四长方格108，第五长方格109，第六长方格110，第七长方格111，第八长方格112，第九长方格113，第十长方格114，第十一长方格115，第十二长方格116，其中12个长方格尺寸相同，排列分布整体对称。上长边101、下长边102尺寸为36cm，左宽边103、右宽边104尺寸为24cm，单元网格1具有厚度，厚度尺寸为2cm。层网2中单个网格平面面积小于单元网格1的平面面积，网格平面可被单元网格1平面完全覆盖。单元网格1中的长方格的长边尺寸为6cm，宽边尺寸为4cm。单元网格1中的12个长方格上下左右相邻长方格之间距离为2cm。其中第一长方格105、第五长方格109、第九长方格113距离左宽边103为3cm，第四长方格108、第八长方格112、第十二长方格116距离右宽边104为3cm，第一长方格105、第二长方格106、第三长方格107、第四长方格108距离上长边101为4cm，第九长方格113、第十长方格114、第十一长方格115、第十二长方格116距离下长边102为4cm。

层网2为不锈钢金属材质，表层镀有一层二氧化钛，单元网格1为不锈钢金属材质，表层镀有一层二氧化钛。在位置设置中，单元网格1置于层网2之上，层网2置于若干单元网格1之下，用于支撑和放置所述若干单元网格1。

本较佳实施例的氮/金属掺杂石墨烯脱汞催化剂应用装置工作原理：

在煤粉锅炉尾部烟气脱汞过程中，首先根据层网2拟布置的位置的截面尺寸，对层网2进行裁剪，然后将层网2安装在相关位置，通过铰链等形式进行固定，根据确定的层网2平面面积，估算需要的单元网格1数量，将氮/金属掺杂石墨烯脱汞催化剂用水打湿成浆态，涂刷在单元网格1的某一面上，晾干，将单元网格1涂刷有催化剂的一面朝上，平铺在层网2上，带有汞污染物的烟气在通过层网2的时候，催化剂发挥催化作用，实现汞⁰元素的氧化，催化剂所处的比表面积大，催化效果好，使得催化剂使用效率高，基本不存在浪费，间隔一段时候后，可以将单元网格1回收，重新涂覆催化剂，在层网2上平铺使用。

采用这样的装置可以使得催化剂具有合适的载体，充分与气流接触，提高脱汞转化效率，催化剂载体由若干个单元网格1组成，便于单元网格1的更换。层网2中的网格以及单元网格1中的长方格主要是便于气流以及气流中的固态杂质的通过。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。