CN103961987B - 一种基于微波等离子体的氮氧化合物脱除装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于微波等离子体的氮氧化合物脱除装置，创造性地将微波等立体产生技术应用于烟气脱硝中，即在现有微波等离子体发生器的基础上，增加化学反应器，使还原剂、烟气处于电离即等离子体状态，即形成的等离子体火炬。等离子体火炬中不仅含有正离子、负离子，更重要的是存在自由基和电子，增加物质之间的相互碰撞，强化并加快反应速率，提高反应转化率，从而减小还原剂的消耗。实验证明，本发明基于微波等离子体的氮氧化合物脱除装置氮氧化合物脱除率能达到90％以上，解决了烟气这种氮氧化合物含量很小，不容易达到高效脱除的技术难题。
Description
技术领域
本发明属于环境保护中的烟气脱硝技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于微波等离子体的氮氧化合物脱除装置。
背景技术
烟气主要来源于大型燃煤锅炉，其主要成分是N2,CO2,O2,SO2,NOx等，其含量前三种占主要成份，后两种虽然很少，但却能够给环境和人类带来更大的危害。NOx和SO2不仅可以刺激人的呼吸系统，损害人的身体健康，而且还是“酸雨”最重要的贡献者，破坏地球的生态环境。因此必须脱除烟气中的硫氧化物(SO2)和氮氧化物(NOx)，才能更好地保护人类和地球环境。
众所周知，SO2和NOx是排放量多、危害大的两大主要大气污染物。前者易产生酸雨，后者易造成光化学烟雾。在工业上，烟气脱硫技术已经相对成熟，但脱硝工艺仍存在许多技术和经济缺陷。
NO的水溶性很低，不像SO2易被水等溶剂吸收，脱硝技术主要可分为还原法和氧化法两种。目前，投入工业应用的脱硝技术以催化还原法最多(如SCR等)，但采用现有催化还原法脱除NOx，不仅NOx脱除率低，并且还要消耗大量的还原剂，造成资源浪费。同时，SO2的共存易使NOx催化氧化剂中毒，这是国际上多年来未能解决的难题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于微波等离子体的氮氧化合物脱除装置，以减小还原剂的消耗，并避免使用催化氧化剂，从而根本上解决催化氧化剂中毒的技术问题。
为实现上述发明目的，本发明基于微波等离子体的氮氧化合物脱除装置，包括微波等离子体发生器；
其特征在于，还包括：一化学反应器，包含氮氧化物的烟气首先在微波等离子体发生器的作用下电离，电离后的等离子体在化学反应器中与还原剂进行还原反应，将烟气中的氮氧化合物脱除。
作为进一步的改进，为适应固体还原剂使用的需要，在化学反应部分内放置有网状隔板，用于放置固体还原剂。
本发明的发明目的是这样实现的：
本发明基于微波等离子体的氮氧化合物脱除装置，创造性地将微波等立体产生技术应用于烟气脱硝中，即在现有微波等离子体发生器的基础上，增加化学反应器，使还原剂、烟气处于电离即等离子体状态，即形成的等离子体火炬。等离子体火炬中不仅含有正离子、负离子，更重要的是存在自由基和电子，增加物质之间的相互碰撞，强化并加快反应速率，提高反应转化率，从而减小还原剂的消耗。同时，采用常压微波等离子体和还原剂协同作用，还原氮氧化物，不仅能够直接将氮氧化物还原成无危害的氮气等，达到净化烟气目的，而且还避免了催化剂中毒的问题。此外，实验证明，本发明基于微波等离子体的氮氧化合物脱除装置氮氧化合物脱除率能达到90％以上，解决了烟气这种氮氧化合物含量很小，不容易达到高效脱除的技术难题。
附图说明
图1是本发明基于微波等离子体的氮氧化合物脱除装置一种具体实施方式原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
图1是本发明基于微波等离子体的氮氧化合物脱除装置一种具体实施方式原理示意图。
在本实施例中，如图1所示，本发明基于微波等离子体的氮氧化合物脱除装置包括微波等离子体发生器1以及化学反应器2：
与微波功率馈入系统连接的微波等离子体发生器1包括由标准矩形波导101、渐变矩形波导102以及窄边压缩矩形波导压缩波导103组成的压缩波导以及阻抗匹配器104，标准矩形波导的始端与微波功率馈入系统连接，微波功率馈入系统向标准矩形波导101输入大功率微波；渐变矩形波导102始端与标准矩形波导的末端101连接；渐变矩形波导102从始端到末端，其窄边按线性规律压缩；窄边压缩矩形波103导始端与渐变矩形波导102末端相连，并且与渐变矩形波导末端窄边高度一致，末端为金属短路板；窄边压缩矩形波导102的上下两面分别开有一个圆孔，其圆心在波导宽边中心轴线上距离末端1/4波导波长，且两个圆孔的圆心连线与窄边压缩矩形波导的上下两面垂直；阻抗匹配器104安装在标准矩形波导上，用于调节微波等离子体发生器阻抗，使得在窄边压缩矩形波导的上下两面的圆孔圆心处获得最大微波场强，提供产生等离子体火炬的微波源。
微波等离子体发生器还包括一石英玻璃管105，穿过窄边压缩矩形波导103的上下两面的圆孔即穿过微波等离子体发生器最大微波场强处用于提供微波等离子体火炬3产生并维持的空间。
还原剂分为还原气体和固定还原剂，为适应两种不同的还原剂，在本实施例中，化学反应器采用以下结构：
化学反应器2分为还原气体进气201和化学反应202两个部分；还原气体进气部分201位于石英玻璃管105下端，还原气体进入还原气体进气部分201后(通过进气口2011)，在进入石英玻璃管105，形成等离子体火炬；化学反应部分202位于石英玻璃管上端105，其下部开有进气口2021，用于烟气送入化学反应部分202，进气口2021的高度与石英玻璃管105上端相当，烟气在微波等离子体发生器的作用下电离，并与等离子体火炬中的还原气体或固定还原剂进行还原反应，将烟气中的氮氧化合物脱其上部开有出气口2022，用于氮氧化合物脱除后的烟气排出；此外，在在化学反应部分202内放置有网状隔板2023，用于放置固体还原剂。
在本发明中，微波等离子体产生属于现有技术，如2009年03月04日公开的、公告号为CN101378615A的中国发明专利申请公开说明书公开的微波等离子体点燃器，只不过其是将等离子体火炬3用于点燃。
本发明基于微波等离子体的氮氧化合物脱除装置与电极放电相比，不存在电极的蒸发污染问题，等离子体火炬3的生成空间不受电极间隙的限制，而且产生的等离子体和能量源能实现分离，可以实现大气压下开放式等离子体，也不需要放电管，不会造成“二次污染”。所以本发明基于微波等离子体的氮氧化合物脱除装置为常压的开放式体系，易于实现工业化，非常适合处理烟气等有害气体，对气体的温度、压力和通入方式没有特别的限制。
微波能量，实质上仍然是一种电磁能量，能够在化学反应器2的有效范围内提供高达103-104V/m的电场，其强度足以电离工作气体，形成等离子体火炬3，形成的等离子体火炬3中不仅含有正离子、负离子，更重要的是存在自由基和电子，在适当的生存周期和一定的浓度(>1013/cm3)下，增加物质之间的相互碰撞，强化并加快反应速率，提高反应转化率。其化学反应式可以是(具体视采用的还原气体或固定还原剂而定，可以是氢气、一氧化碳、甲烷、氨气或碳)如下：
NOx+H2→N2+H2O
NOx+C(s)→N2+CO2
NOx+CO→N2+CO2
NOx+CH4→N2+H2O+CO2
本发明基于微波等离子体的氮氧化合物脱除装置，在常压状态下还原氮氧化物，解决环境污染的问题。利用微波能量，将还原气体、氮氧化物等离子体化，在保证没有二次污染的情况下，使氮氧化物还原成氮气和水，保护人类以及其耐以生存的地球。
在本发明中，还原气体从石英玻璃管下进入石英玻璃管105，首先形成等离子体火炬，然后，与石英玻璃管上端进入的烟气形成混合的等离子体，进行还原反应，对氮氧化合物进行脱除处理，脱除氮氧化合物后的烟气从化学反应器2上部出气口2022排出。本发明的化学反应器2的上述结构保证了足够的反应时间。
在本实施例中，采用频率为915MHz的磁控管作为微波源，功率25KW，通过微波功率馈入系统送入微波等离子体发生器1，其明显的特点是常压开放体系，针对含有氮氧化合物的废气，本发明在无催化剂存在的条件下，通过瞬间产生的等离子体，启动化学反应，将废气中的氮氧化物还原，使废气转换为水蒸汽和氮气等无污染的气体。
在本实施例中，作为进一步的改进，在窄边压缩矩形波103上环绕有水冷管4，以对其进行冷却，避免长时间工作，带来温度过高的问题。
实验
在本实验中，微波能量为1KW，还原气体、烟气为常温时，做了氮氧化合物脱除实验。
1、打开水冷管的冷却水，然后打开微波源的电源，预热五分钟；
2、调整输入功率到1千瓦，通入压缩空气产生等离子体火炬；
3、将空气切换成氩气，保证空气被全部置换；
4、按规定流量(见表1)加入氮氧化物气体即模拟烟气；
5、按规定流量(见表1)加入还原气体；
6、工作稳定后取烟气气体样品并分析；
7、调整氩气流量，最终关闭氩气；
8、用压缩空气置换氩气，继续三分钟；
9、将输入功率调到零，关闭微波源的电源，延时五分钟；
10、关闭氮氧化物气体和还原性气体、以及冷却水开关。
实验条件与结果如下：
表1
从表1中，我们可以看出NO的脱除率为92.34％，NO2的脱除率为95.27％。本发明实现了不使用催化氧化剂达到高效脱硝的发明目的，同时，加入的还原气体也比较少即还原剂的消耗比较小。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
Claims (2)
1.一种基于微波等离子体的氮氧化合物脱除装置，包括微波等离子体发生器；
其特征在于，还包括：一化学反应器，包含氮氧化物的烟气首先在等离子体发生器的作用下电离，电离后的等离子体在化学反应器中与还原剂进行还原反应，将烟气中的氮氧化合物脱除；
在化学反应部分内放置有网状隔板，用于放置固体还原剂；
所述的微波等离子体发生器还包括一石英玻璃管，其穿过微波等离子体发生器最大微波场强处用于提供微波等离子体火炬产生并维持的空间；
所述的化学反应器分为还原气体进气和化学反应两个部分；还原气体进气部分位于石英玻璃管下端，还原气体进入还原气体进气部分后，在进入石英玻璃管，形成等离子体火炬；化学反应部分位于石英玻璃管上端，其下部开有进气口，用于烟气送入化学反应部分，进气口的高度与石英玻璃管上端相当，烟气在微波等离子体发生器的作用下电离，并与等离子体火炬中的还原气体或网状隔板上的固定还原剂进行还原反应，将烟气中的氮氧化合物脱其上部开有出气口，用于氮氧化合物脱除后的烟气排出。
2.权利要求1所述的氮氧化合物脱除装置，其特征在于，所述的还原剂为氢气、一氧化碳、甲烷、氨气或碳。
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