一种低温等离子体协同活性炭的烟气脱硝方法和实验系统与流程

本发明涉及烟气脱硝处理技术领域，具体而言，尤其涉及一种低温等离子体协同活性炭的烟气脱硝方法和实验系统。

背景技术：

研究表明，海事领域造成的气体污染物排放占全球的15％以上，且主要由船舶柴油机产生。船舶柴油机尾气污染物主要包括nox(no+no2，no占90％以上)和sox(so2)等。国际海事组织imo通过marpol公约附则vi对nox和sox的排放做出了严格限制。sox可通过采用低硫燃油或者废气洗涤技术达到公约的排放要求，而nox的脱除技术才是目前的研究热点和难点。目前主流的nox的脱除方法是基于nh3的scr脱硝技术，而且常用的脱硝催化剂是v2o5。但是，由于v2o5催化剂价格昂贵且有剧毒，其废弃后的处理也是目前一大难题。因此，寻找一种在较广的温度区间，尤其是低于200℃仍有较高脱硝效率，而且价格低廉、无毒的脱硝催化剂十分重要。

低温等离子体(non-thermalplasma，ntp)用于烟气后处理开始于20世纪70年代，ntp除了能够脱除sox和nox，还可以脱除包括pm、co、vocs等在内的其它烟气污染物。产生ntp的方法有多种，包括电子束法、微波法、介质阻挡放电dbd法等，ntp技术目前已成熟应用于陆地燃煤电厂的尾气脱硫脱硝。而ntp用于海事领域的脱硝还有待进一步研究。船舶柴油机尾气中的o2浓度一般在10～14％左右，在如此高o2浓度下，ntp不仅无法使nox还原生成n2，反而会氧化生成更多的nox，单一ntp技术用于船舶柴油机尾气脱硝有待进一步考察。有研究者提出先采用吸附剂对尾气中的nox进行吸附，随后在低o2浓度下利用ntp对nox进行分解脱除的方法。因此寻找一种合适的吸附剂成为关键。活性炭由于价格便宜且具有较强的吸附能力通常以循环流化床的形式应用在陆地火力发电厂、钢铁厂等的烟气脱硫脱硝领域，且需要设置活性炭的再生装置，而且由于so2比no更容易吸附在活性炭上，该方式的脱硝效率一般不超过40％。为了提高活性炭的脱硝效率，研究人员将活性炭与ntp结合，或者将金属氧化物负载到载体上并结合ntp进行了相关研究。但是，由于活性炭在较高温度时的吸附能力较差，另外，为了获得低o2浓度的环境需要n2进行吹扫，这在实际应用中受到很大限制，而且这种方式导致系统更加复杂。

技术实现要素：

根据上述提出采用低温等离子体结合活性炭进行烟气脱硝处理技术在实际应用中受到限制的问题，而提供一种低温等离子体协同活性炭的烟气脱硝方法和实验系统。本发明主要利用将待处理尾气和nh3一同通入低温等离子体协同活性炭的反应器内进行脱硝处理，有效脱除了尾气中的nox，同时还提供一种实验用的烟气脱硝实验系统。

本发明采用的技术手段如下：

一种低温等离子体协同活性炭的烟气脱硝方法，将待处理的尾气与nh3一起通入低温等离子体+活性炭反应器内进行scr脱硝处理；其中，所述nh3作为还原剂，活性炭固定于所述低温等离子体+活性炭反应器内部，所述活性炭作为scr脱硝催化剂，低温等离子体用于提高所述活性炭的催化脱硝效率。

进一步地，所述活性炭采用颗粒状活性炭或蜂窝状活性炭。

进一步地，所述低温等离子体+活性炭反应器内部通过介质阻挡放电dbd法、微波法、电晕法或者电子束法放电产生低温等离子体；所述低温等离子体+活性炭反应器与等离子电源相连接，通过等离子电源放电使低温等离子体+活性炭反应器内产生低温等离子体，等离子电源为直流电、交流电或脉冲放电。

本发明还提供一种低温等离子体协同活性炭的烟气脱硝实验系统，包括：配气单元，包括气瓶和混气室，所述气瓶包括nh3气瓶和其他用于模拟实验用待处理尾气气体成分的气瓶；低温等离子体+活性炭反应器，用于对通入的由所述配气单元得到的待处理尾气进行脱硝处理实验；温度控制单元，设置于所述低温等离子体+活性炭反应器外部，用于加热进行脱硝处理的待处理尾气；脉冲等离子体供电单元，包括等离子电源，与所述低温等离子体+活性炭反应器相连接，用于对所述低温等离子体+活性炭反应器放电产生低温等离子体；烟气分析仪，连接于所述低温等离子体+活性炭反应器的出口处，用于对经过脱硝处理的尾气进行数据分析；气体吸收装置，用于吸收脱硝处理后多余的nh3。

进一步地，所述低温等离子体+活性炭反应器包括反应器主体和活性炭，所述活性炭固定于所述反应器主体内部；所述反应器主体两端分别设置气体进口和气体出口，所述气体出口所在一端还设置有气体浓度检测口；烟气分析仪连接于所述气体浓度检测口；所述低温等离子体+活性炭反应器插入铜棒作为高压电极；所述低温等离子体+活性炭反应器外部包覆紫铜网，所述紫铜网与所述等离子电源的低压电极相连接。

进一步地，所述配气单元包括气瓶、减压阀、质量流量控制器和混气室；所述温度控制单元包括温控炉和温度控制器；所述脉冲等离子体供电单元还包括脉冲调制器、调压器、数字示波器。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明提供的低温等离子体协同活性炭的烟气脱硝方法，可以有效脱除尾气中的nox，不仅适用于船舶柴油机尾气污染物的脱除，还可用于火电厂、钢铁厂等燃煤锅炉的烟气脱硝处理。

2、本发明提供的低温等离子体协同活性炭的烟气脱硝实验系统，可用于测试不同材质的活性炭以及不同结构的反应器对脱硝性能的影响。

综上，应用本发明的技术方案将待处理尾气和nh3一同通入低温等离子体协同活性炭的反应器内进行脱硝处理，有效脱除了尾气中的nox，同时还提供一种实验用的烟气脱硝实验系统。因此，本发明的技术方案解决了现有技术中采用低温等离子体结合活性炭进行烟气脱硝处理技术在实际应用中受到限制的问题。

基于上述理由本发明可在船舶柴油机尾气污染物等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所述脱硝方法流程图。

图2为本发明所述低温等离子体协同活性炭的烟气脱硝实验系统框架图。

图3为实施例2所述低温等离子体+活性炭反应器结构示意图。

图4为不同能量密度对脱硝性能的变化曲线图。

图5为本发明所述脱硝方法脱硝性能随温度的变化曲线图。

图6为本发明所述脱硝方法脱硝稳定性实验结果曲线图。

图中：1、减压阀；2、过滤器；3、三通阀；4、质量流量控制器；5、单向阀；6、截止阀；7、混气室；8、脉冲调制器；9、等离子电源；10、数字示波器；11、调压器；12、烟气分析仪；13、气体吸收装置；14、低温等离子体+活性炭反应器；15、温控炉；16、反应器主体；17、紫铜网。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，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例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

实施例1

如图1所示，本发明提供了一种低温等离子体协同活性炭的烟气脱硝方法，将待处理的尾气与nh3一起通入低温等离子体+活性炭(ntp+ac)反应器内进行scr脱硝处理；其中，所述nh3作为还原剂，反应后产物为n2；

活性炭固定于所述低温等离子体+活性炭反应器内部，所述活性炭作为scr脱硝催化剂，基本不会有消耗；

低温等离子体用于提高所述活性炭的催化脱硝效率。

进一步地，所述活性炭作为催化剂，采用的是颗粒状活性炭或蜂窝状活性炭。

进一步地，在所述低温等离子体+活性炭反应器的出口处设置风机，用于在脱硝处理过程中进行引风。

具体地，主要根据低温等离子体+活性炭反应器前面的生成尾气的系统许用压降决定是否需要加装风机。

进一步地，所述低温等离子体+活性炭反应器内部通过介质阻挡放电dbd法、微波法、电晕法或者电子束法放电产生低温等离子体；所述低温等离子体+活性炭反应器与等离子电源相连接，通过等离子电源放电使低温等离子体+活性炭反应器内产生低温等离子体，等离子电源为直流电、交流电或脉冲放电，具体地，等离子电源将220v的市电升压至上千伏特的高压电，所述低温等离子体+活性炭反应器包括高压电极和地压电极，根据低温等离子体+活性炭反应器中高压电极和低压电极间距的不同，可优化调整放电电压。

本发明采用的是scr(selectivecatalyticreduction选择性催化还原)，我们在脱硝时使用活性炭作为催化剂，scr脱硝的主要化学反应包括：

nh3+no+1/4o2→n2+3/2h2o(1)

nh3+1/2no+1/2no2→n2+3/2h2o(2)

nh3+3/2no→5/4n2+3/2h2o(3)

柴油机尾气中no占nox的90％以上，no2一般不超过10％，因此公式(1)在scr反应中占主导地位，也被称作标准scr反应；公式(2)的活化能低于公式(1)，因此公式(2)的反应速率更高，也被称作快速scr反应；公式(3)的反应速率最慢，也被称作scr慢反应；当no/no2约等于1时反应速率最快，所以适当提高no2/nox比有助于提高scr的反应速率。

船舶柴油机尾气具有氧气浓度高、温度高等特点，从反应(1)式可知，o2是反应物，而且公式(1)是scr的主反应，所以在这种情况下o2浓度越高越有利于反应的正向进行；而且一般温度越高，催化剂的催化效率也越高，因此，高温也有利于反应的正向进行。低温等离子体用于提高所述活性炭的催化脱硝效率，因为低温等离子体可以在高氧气浓度下将no氧化为no2，而从(2)式可知no2浓度升高，scr反应速率加快。

scr脱硝反应温度一般在250-450℃(根据使用的催化剂不同，最佳温度也不同)，本发明使用的是活性炭，可以高效脱硝的温度范围甚至可以在常温至450℃，温度过高主要会影响活性炭的稳定性，所以一般的使用温度可在常温至300℃。

进一步地，nh3通过nh3发生装置产生或者向所述低温等离子体+活性炭反应器中喷入尿素溶液，由尿素溶液水解产生。

优选地，通入nh3时，氨氮比不会超过1.2，主要是为了避免氨逃逸。

进一步地，低温等离子体+活性炭反应器的结构为板式或圆筒形；低温等离子体+活性炭反应器包括放电电极，所述放电电极为圆形或板式。

进一步地，所述活性炭的材质为煤质、椰壳、木质或活性炭纤维。

进一步地，产生所述低温等离子体的方式为：连续式，前期以高功率提供，用于对活性炭进行改性，后期以低功率提供，用于降低能耗；功率高低通过等离子电源上用于调节电流大小的旋钮实现；

或者间断式，即根据需要选择是否开启等离子电源，例如，可以根据低温等离子体+活性炭反应器的出口处no的浓度大小选择是否开启等离子电源。

实施例2

如图2-3所示，基于实施例1所述的低温等离子体协同活性炭的烟气脱硝方法，本发明还提供一种低温等离子体协同活性炭的烟气脱硝实验系统，包括：

配气单元，包括气瓶和混气室7，所述气瓶包括nh3气瓶和其他用于模拟实验用待处理尾气气体成分的气瓶；

低温等离子体+活性炭反应器14，用于对通入的由所述配气单元得到的待处理尾气进行脱硝处理实验；

温度控制单元，设置于所述低温等离子体+活性炭反应器14外部，用于加热进行脱硝处理的待处理尾气；

脉冲等离子体供电单元，包括等离子电源9，与所述低温等离子体+活性炭反应器14相连接，用于对所述低温等离子体+活性炭反应器14放电产生低温等离子体；

烟气分析仪12，连接于所述低温等离子体+活性炭反应器14的出口处，用于对经过脱硝处理的尾气进行数据分析；

气体吸收装置13，用于吸收脱硝处理后多余的nh3。

进一步地，所述低温等离子体+活性炭反应器14包括反应器主体16和活性炭，所述活性炭固定于所述反应器主体16内部；所述反应器主体16两端分别设置气体进口和气体出口，所述气体出口所在一端还设置有气体浓度检测口；烟气分析仪连接于所述气体浓度检测口；所述低温等离子体+活性炭反应器14插入铜棒作为高压电极；所述低温等离子体+活性炭反应器14外部包覆紫铜网17，所述紫铜网17与所述等离子电源9的低压电极相连接。

进一步地，所述铜棒表面加工有螺纹；为了更易放电且使放电更加均匀，铜棒表面加工有螺距2mm，深1mm的螺纹。

进一步地，所述反应器主体16采用石英玻璃制成；石英介质厚度为1.5mm，放电间距为4.5mm。

进一步地，所述气体进口和所述气体出口的内径为4mm，外径7mm。

进一步地，所述反应器主体16的内径为24mm，外径27mm。

进一步地，所述铜棒的长度为550mm，直径为15mm，表面螺纹的螺距为2mm，深度为1mm。

进一步地，所述反应器14外部包覆60目的紫铜网17。

进一步地，所述配气单元包括气瓶、减压阀1、质量流量控制器4和混气室；所述温度控制单元包括温控炉15和温度控制器；所述脉冲等离子体供电单元还包括脉冲调制器8、调压器11、数字示波器10，其中，所述脉冲调制器8用于调节等离子电源的输出频率、占空比等参数；调压器11可以调节输入等离子电源的功率，属于间接的控制等离子电源的输出功率；数字示波器10可以测量等离子电源输出的电压、电流、频率等参数。

进一步地，所述配气单元还包括过滤器2、三通阀3、单向阀5和截止阀6，用于模拟待处理尾气气体成分。

在采用本发明所述的实验系统进行实验时，在配气单元所用的n2和o2为高纯标准气，no和nh3是浓度10％、载气为n2的标准气；具体实验步骤包括：

(1)通过配气单元的气瓶模拟实验用待处理尾气气体成分，并将模拟的待处理尾气和nh3一起通入低温等离子体+活性炭反应器14内进行scr脱硝处理实验；为了模拟船舶尾气，通过设置于所述低温等离子体+活性炭反应器14外部的温度控制单元加热气体；

(2)通过等离子电源9对所述低温等离子体+活性炭反应器14放电产生低温等离子体，反应器内部发生scr脱硝反应；

(3)通过设置于所述低温等离子体+活性炭反应器14出口处的烟气分析仪12对经过脱硝处理的尾气进行数据分析；

(4)通过气体吸收装置13吸收脱硝处理后多余的nh3。

该实验系统可用于测试不同材质的活性炭以及不同结构的低温等离子体反应器对脱硝性能的影响。

下面结合图4-6具体说明本发明所述低温等离子体协同活性炭的烟气脱硝方法的脱硝效果：

如图4所示，进气为2l/min，1000μl/lno+5％o2(如有需要nh3为1000μl/l)温度300℃时，不同条件下等离子能量密度ed对脱硝性能的影响。从图中可以看出，随着ed的增加，四种条件下的脱硝率均会先增加，最后趋于稳定(除ntp+ac+nh3在高ed下略有下降)，当ed相同时，脱硝率有ηntp+ac+nh3>ηntp+ac>ηntp+nh3>ηntp。表明活性炭的加入对ntp脱硝性能有较大提高，而且当同时加入ac和nh3的脱硝率最高。1kj/l能量密度下获得的最高脱硝率达到了80％。

如图5所示，进气为2l/min，1000μl/lno+1000μl/lnh3+5％o2，在温度100～300℃范围内，系统的脱硝率随着能量密度的增加也是先增加后减小，且在1kj/l能量密度下不同温度时的脱硝率都在70％以上(100℃时除外)。

如图6所示，进气为2l/min，1000μl/lno+1000μl/lnh3+5％o2，在温度300℃、不同能量密度ed下的耐久性脱硝实验。实验开始时活性炭的吸附性能很好，但是随着时间的增加活性炭逐渐吸附饱和，因此脱硝率先迅速下降。而随着ntp的作用，活性炭表面被改性，其催化脱硝的性能逐渐提高，在0.5kj的能量密度下，脱硝率最高达到了92％。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。