CN113176374A - 一种光催化脱硝测试系统及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光催化脱硝测试系统和使用方法，该光催化脱硝测试系统主要包括进气系统、反应系统、尾气处理系统和自控系统，反应系统包括磁力搅拌器、反应室和氙灯装置，磁力搅拌器位于反应室的下方，氙灯装置位于反应室的上方，反应室的顶部为玻璃板，反应室的内部设置有温度监测仪和搅拌子，反应室的一侧设置有冷却循环水入口和进气接口，另一侧设置有冷却循环水出口和出气接口，进气系统通过进气管路与反应室的进气接口连接，尾气处理系统与反应室的出气接口连接；本发明可有效解决现有测试装置中存在的装置结构和操作复杂、占地大、脱硝活性不高的问题，同时可实现实验室光催化剂的筛选和连续流低流量低浓度的光催化脱硝反应。

Description

一种光催化脱硝测试系统及其使用方法

技术领域

本发明涉及光催化脱硝技术领域，具体涉及到一种光催化脱硝测试系统及其使用方法。

背景技术

随着现代社会科技与经济的快速发展，社会对于能源消耗需求日益增长，来自钢铁企业、火电厂等行业的大气污染物也日益增长，特别是氮氧化物(NOx)的超高排放，带来一系列环境问题，甚至还会危害人类健康，大气污染不容小觑。随着人们环境意识的提高，我国开始采取积极对策解决氮氧化物污染。经过多年持续的研究探索，开发出了一系列的脱硝新技术，例如低温SCR脱硝技术、SNCR脱硝技术等，但是这些脱硝技术通常用于控制高浓度高流速的氮氧化物排放。对于低浓度低流量的氮氧化物排放，光催化技术被认为是一种利用太阳能非常绿色且有效的脱硝方法，并且已经被广泛应用。为了更加高效、绿色经济地利用光催化技术降解氮氧化物，许多科研者目前还在积极研究开发更高效的光催化剂以及光催化脱硝系统。新的光催化脱硝新技术在投入实际使用之前，对其脱硝性能、应用工艺条件及相关性能要进行实验测试。

在光催化剂脱硝工艺发展过程中，工艺关键除了制备高效光催化剂之外，反应系统特别是反应室设计也很重要。反应室尺寸形状影响了混合气与催化剂是否充分接触，反应器尺寸太大会导致混合气与催化剂接触不够充分，落在催化剂表面的气体分子会减少，进而导致脱硝活性较低；而且在实验室研究阶段，尺寸太大占地较大。除此之外，反应室设计还应充分考虑催化剂的装载方式，光源如何能充分利用，如何避免反应过程中因为灯源强度温度升高问题，如何解决气路多而杂乱的问题，如何避免二次污染以及如何增强污染气体与光催化剂的接触面积。鉴于此，提供一种安全便捷，特别适合处理低流量低浓度的一氧化氮污染气体的光催化脱硝测试系统及其使用方法也就显得十分的有意义。

发明内容

针对上述的不足或缺陷，本发明的目的是提供一种光催化脱硝测试系统及其使用方法，可有效解决现有测试装置中存在的装置结构和操作复杂、占地大、脱硝活性不高的问题，同时可实现实验室光催化剂的筛选和连续流低流量低浓度的光催化脱硝反应。

为达上述目的，本发明采取如下的技术方案：

本发明提供一种光催化脱硝测试系统，包括进气系统、反应系统、尾气处理系统和自控系统，反应系统包括磁力搅拌器、反应室和氙灯装置，磁力搅拌器位于反应室的下方，氙灯装置位于反应室的上方，反应室的顶部为玻璃板，反应室的内部设置有温度监测仪和搅拌子，反应室的一侧设置有冷却循环水入口和进气接口，另一侧设置有冷却循环水出口和出气接口，进气系统通过进气管路与反应室的进气接口连接，尾气处理系统与反应室的出气接口连接，自控系统与温度监测仪电性连接。

本发明光催化脱硝反应系统将自控系统(包括温度监测仪、流量控制器等仪表)以及整个反应系统设计为一个整体箱，氙灯装置为光催化脱硝测试模拟太阳光提供光源，循环冷却水系统与反应室为一个整体，对整个反应室进行降温，防止反应室因为氙灯照射温度过高，这极大简化了测试装置的复杂程度，操作简单，使用时只需打开进气系统、尾气处理系统和通入循环冷却水，顶部玻璃板可采用石英玻璃板，即可进行光催化脱硝反应；可充分节省实验室场地，也能避免气路多、杂乱的问题；磁力搅拌器置于反应室下面，控制气体从反应室的底部进入从顶部以螺旋方式排出，气体螺旋上升的运动增加了气体的停留时间，使得催化剂与气体接触时间增长，气体与催化剂完全接触，反应更加彻底，提高了脱硝效率；通过温度监测仪、流量控制器等仪表组成自控系统，可实时显示对应位置的温度以及精准调控各进气管路的气体流量等数据。

进一步地，反应室为圆柱型双层反应室，双层之间为空气层，反应室的直径6～9厘米，高度3～5厘米；反应室内部设置有玻璃皿，玻璃皿的直径为3～5厘米，高度1～2厘米。

本发明中反应室为自行设计定制，与光催化脱硝测试的要求契合。圆柱型反应器的材质可为耐腐蚀装置，可采用不锈钢，容积优选为0.2L(直径8厘米，高度4厘米)；双层之间为空气层可供外部循环冷却水系统的冷却水通过，反应过程中可以对整个反应室进行降温，以保证反应过程中温差恒定；反应器内部放置玻璃皿，其直径优选为4厘米，高度优选为1厘米，可实现一定质量的催化剂、吸附剂等材料的装载，合理设计了反应室尺寸及形状，充分考虑了催化剂的装载方式，能充分利用光源。

进一步地，进气系统包括一氧化氮储气瓶、氧气储气瓶和氮气储气瓶，各储气瓶通过各自的单一进气管路合流汇入混合气体进气主路，单一进气管路上设置有带有显示功能的流量控制仪，混合气体进气主路与反应系统中反应室的进气接口连接，混合气体进气管路上设置有三通阀一和三通阀二，三通阀一和三通阀二之间设置有饱和增湿装置，自控系统与流量控制与显示仪电性连接。

本发明中进气系统包括光催化脱硝测试过程用到的一氧化氮、氧气、氮气以及水蒸气四种气体，在进行反应室之前，除水蒸气外，其它几路气体要先经流量控制仪精准控制浓度并进行混合，充分混匀后的混合气再通入反应器进行测试；在加水性光催化脱硝测试过程中，混匀后的混合气在进入反应器前进入饱和增湿装置，饱和增湿装置提供水蒸气，从而得到具有一定湿度的模拟废气后，打开氙灯进行光催化脱硝测试；进气系统氮气、一氧化氮和氧气分别由各自的流量控制与显示仪精准控制，按测试要求配气，流量浓度等各参数能在反应过程中保持稳定且易于调控。并且可以精准控制各路气体流量，实时监测反应过程中的温度以及尾气一氧化氮、二氧化氮浓度，可以更加高效地完成光催化脱硝测试和加水性光催化脱硝测试，整个系统也更加安全便捷。

进一步地，尾气处理系统包括气液分离器、烟气分析仪和尾气吸收装置，反应室的出气接口与气液分离器连接，气液分离器、烟气分析仪和尾气吸收装置通过出气管路依次连接。

本发明中尾气处理系统先将测试后的尾气通过气液分离装置，去除其中的水蒸气，以免造成烟气分析仪的损坏；烟气分析仪实时测定尾气中NO、NO₂等组分的含量，并存储数据；尾气吸收装置通过设置碱液吸收烟气分析仪尾气或者旁路配气过程产生尾气，吸收净化后的尾气排空。

进一步地，反应室的进气接口与混合气体进气主路之间设置有主路气路控制阀，反应室的出气接口与气液分离器之间设置有三通阀三。

本发明中通过设置主路气路控制阀等可按测试要求配气，流量浓度等各参数能在反应过程中保持稳定且易于调控。

进一步地，反应室设置有应急旁路，应急旁路上设置有旁路气路控制阀，旁路气路控制阀两端分别三通阀二和三通阀三连接。

本发明中进气系统之后有两条气路，一条为反应气路，通往反应室进行正常测试，另一条跳过反应室通往后续装置，作为应急、调试的旁路，有效提高整个系统也更加安全便捷。

本发明还提供上述光催化脱硝测试系统的使用方法，具体包括以下步骤：

S1:进气系统选择一氧化氮、氮气和氧气三种气体，按测试要求控制流量配成混合气体，先接通旁路进行配气，等气路各组分稳定之后通过三通阀关掉旁路并接通脱硝反应器气路，混合气体通入反应系统；

S2:反应系统中通入混合气体后，打开氙灯开始脱硝测试，并通入冷却循环水，温度监测仪实时监测反应过程中的温度；

S3:将S2中测试后的气体进入尾气处理系统，首先经气液分离装置后通入红外烟气分析仪实时检测，检测后的尾气经尾气处理系统净化后排空。

进一步地，进行加水性光催化脱硝测试时，S1的过程具体为：进气系统选择一氧化氮、氮气、氧气和水蒸气，按测试要求控制流量配成混合气，然后进入饱和增湿装置，得到一氧化氮、氧气、氮气和水蒸气混合而成的含水废气，含水废气先接通旁路进行配气，等气路各组分稳定之后通过三通阀关掉旁路并接通脱硝反应器气路，含水废气通入反应系统。

综上所述，本发明具有以下优点：

1、本发明提供的光催化脱硝测试系统，不仅可以处理连续流的低流量低浓度NOx废气，而且在实验室研究阶段可以完成光催化剂的筛选功能。它能够进行光催化脱硝测试以及加水性光催化脱硝测试；光催化脱硝等测试所需的几路气体分别与精密流量仪连接起来，可以精准控制各路流量，系统配气等操作过程更加便捷，气路更加稳定；自主设计了与常规不同的反应室，能够充分利用光源，催化剂与气体分子接触更充分以及反应越彻底，而且采用双层不锈钢结构，可在反应过程中连接冷却水循环泵对整个反应室进行降温，保证温度恒定；自控系统包括了温度监测仪、流量控制与显示仪等仪表，可以实时显示温度、流量等数据并调控，方便快捷；反应室与冷却循环水为一个整体，特别是所有流量显示仪表、控制仪器、温度显示仪这些自控系统与反应系统(反应室、外部循环系统、搅拌器、氙灯等)为一个整体装置，连接气瓶、尾气分析仪、尾气处理装置即可进行实验，气路整齐明了，装置简单，调控便捷；

2、本发明提供的光催化脱硝测试系统中流量控制、整个反应系统(包括温度计、磁力搅拌器、反应室、反应室外部循环冷却水系统、氙灯装置等)为一个整体设计装置，在进行反应时只需连接气瓶、烟气分析仪、尾气处理装置等，操作简便，光催化脱硝系统搭建拆卸极为方便。其他大多数光催化脱硝系统就只设计了单一反应室结构，整个系统靠各部分仪器搭建，容易泄露气体，搭建拆卸极为不方便，气路多而杂乱；特别是单一结构的反应室，采用全石英玻璃，一方面气体在反应室内与催化剂接触存在不充分情况，另一方面反应室外部无冷却装置，在反应过程中无法保持反应温度稳定；

3、本发明自主设计了与其他常规不同的反应室，自主设计的反应室采取圆柱型双层反应室，双层之间留有空间供外部循环冷却水系统的冷却水通过，反应过程中可以对整个反应室进行降温，以保证反应过程中温差变化较小。在反应室顶部覆盖有如石英材质的玻璃板，以便光线能够顺利进入反应室中，起着密封透光作用。将反应室置于装置配备的搅拌器上，搭配搅拌子使得气体在反应室呈现螺旋上升的运动轨迹，增加了气体的停留时间，使得催化剂与气体接触时间增长，反应越彻底；同时反应室可以通过冷却水对整个反应室进行降温，保持温度稳定，解决了在反应过程中由氙灯照射带来的温度升高问题。

附图说明

图1为本发明光催化脱硝测试系统的示意图；

其中，1-1、氮气储气瓶；1-2、一氧化氮储气瓶；1-3、氧气储气瓶；2-1、流量控制仪一；2-2、流量控制仪二；2-3、流量控制仪三；3-1、三通阀一；3-2、三通阀二；3-3、三通阀三；4、饱和增湿装置；5、氙灯；6、玻璃板；7、催化剂；8、搅拌子；9、磁力搅拌器；10、冷却循环水入口；11、冷却循环水出口；12、气液分离器；13、红外烟气分析仪；14、尾气吸收装置；15、温度监测仪；16-1、旁路气路控制阀；16-2、主路气路控制阀；17-1、氮气进气管路；17-2、一氧化氮进气管路；17-3、氧气进气管路；18、混合气体进气主路；19、进气接口；20、出气接口。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。

需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例1

对于光催化脱硝测试，气体储气瓶所用气体包括氮气1-1、一氧化氮1-2、氧气1-3三种气体，气体储气瓶包含的三路气体通过各自管路(17-1、氮气进气管路；17-2、一氧化氮进气管路；17-3、氧气进气管路)输送，各个管路的气体流量通过各自带有显示功能的流量控制仪(2-1、流量控制仪一；2-2、流量控制仪二；2-3、流量控制仪三)分别监测和调控；之后，氮气1-1、一氧化氮1-2、氧气1-3三路气体合流为一条混合气体进气主路18，之后混合气有两条支路，一条是正常的测试流程，另一条是用于调节、应急的旁路；首先关闭经过反应室的气路上主路气路控制阀16-2打开旁路上的旁路气路控制阀16-1，让混合气不经过反应室而直接经过后续的气液分离器12、烟气分析仪13(具体为在线红外烟气分析仪)和尾气吸收装置14，进行配气；正常测试时上的旁路气路控制阀16-1关闭，将上述配比好的混合气通入装载有一定质量催化剂的光催化脱硝反应系统(石英玻璃板6、催化剂7、搅拌子8、磁力搅拌器9、冷却循环水进口10、冷却循环水11出口)；反应室整体为不锈钢制成圆柱型，容积为0.2L(直径8厘米，高度4厘米)，顶部覆盖玻璃板6(具体为石英玻璃板)，起着密封、透光的作用，搅拌子8和磁力搅拌器9搭配搅动反应室气体，使得气体从反应室的底部进入从顶部以螺旋方式排出，这有利于气体与催化剂完全接触；反应器外部连有循环冷却水系统(冷却循环水10进口、冷却循环水11出口)，防止光反应过程中反应器内部温度上升过快；之后由300W的氙灯5提供光源用于模拟太阳光照射进行光催化脱硝实验。脱硝后的尾气先经过气液分离器12完成气液分离，以免液体进入在线红外烟气分析仪13造成仪器损坏；气液分离处理后的尾气通入在线红外烟气分析仪13进行尾气成分及含量的检测，分析数据实时显示并存档，供后续的数据分析使用，分析完的尾气再通入尾气吸收装置14用碱液进行净化吸收后排空；自控系统中的控制器为欧姆龙CP1H-X40DT-D型PLC控制器，整个过程温度、流量可实时显示并调控。

实施例二

对于加水性光催化脱硝测试，气体储气瓶所用气体包括氮气1-1、一氧化氮1-2、氧气1-3三种气体，水蒸气由饱和增湿装置4提供。气体储气瓶包含的三路气体通过各自管路输送，各个管路的气体流量通过各自带有显示功能的流量控制仪分别监测、调控，之后，氮气1-1、一氧化氮1-2、氧气1-3三路气体合流为一条混合气体进气主路18，然后混合气通过饱和增湿装置4变为含一定水分的废气。加入水蒸气的混合气有两条支路，一条是正常的测试流程，另一条是用于调节、应急的旁路；首先关闭经过反应室的气路上主路气路控制阀16-2打开旁路上的旁路气路控制阀16-1，让混合气不经过反应室而直接经过后续的气液分离器12、烟气分析仪13(具体为在线红外烟气分析仪)和尾气吸收装置14，进行配气；正常测试时上的旁路气路控制阀16-1关闭，将上述配比好的预热后混合气通入装载有一定质量催化剂的脱硝反应系统(石英玻璃板6、催化剂7、搅拌子8、磁力搅拌器9、冷却循环水进口10、冷却循环水11出口)；反应室整体为不锈钢制成圆柱型，容积为0.2L(直径8厘米，高度4厘米)，顶部覆盖石英玻璃板6，起着密封、透光的作用；搅拌子8和磁力搅拌器9搭配搅动反应室气体，使得气体从反应室的底部进入从顶部以螺旋方式排出，这有利于气体与催化剂完全接触。反应器外部连有循环冷却水系统(冷却循环水进口10、冷却循环水11出口)，防止光反应过程中反应器内部温度上升过快。之后由300W的氙灯5提供光源用于模拟太阳光照射进行光催化脱硝实验。脱硝后的尾气先经过气液分离器12完成气液分离，以免液体进入在线红外烟气分析仪13造成仪器损坏；气液分离处理后的尾气通入在线红外烟气分析仪13进行尾气成分及含量的检测，分析数据实时显示并存档，供后续的数据分析使用，分析完的尾气再通入尾气吸收装置14用碱液进行净化吸收后排空；自控系统中的控制器为欧姆龙CP1H-X40DT-D型PLC控制器，整个过程温度、流量可实时显示并调控。

以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明，所属本领域的技术人员不经创造性劳动即对所描述的具体实施例做的修改或补充或采用类似的方式替代仍属本专利的保护范围。

Claims (9)

1.一种光催化脱硝测试系统，其特征在于，包括进气系统、反应系统、尾气处理系统和自控系统，反应系统包括磁力搅拌器(9)、反应室和氙灯装置，所述磁力搅拌器(9)位于所述反应室的下方，所述氙灯装置位于所述反应室的上方，所述反应室的顶部为玻璃板(6)，所述反应室的内部设置有温度监测仪(15)和搅拌子(8)，所述反应室的一侧设置有冷却循环水入口(10)和进气接口(19)，另一侧设置有冷却循环水出口(11)和出气接口(20)，所述进气系统通过进气管路与所述反应室的进气接口(19)连接，所述尾气处理系统与所述反应室的出气接口(20)连接，所述自控系统与所述温度监测仪(15)电性连接。

2.如权利要求1所述的光催化脱硝测试系统，其特征在于，所述反应室为圆柱型双层反应室，双层之间为空气层；反应室的直径6～9厘米，高度3～5厘米。

3.如权利要求1所述的光催化脱硝测试系统，其特征在于，所述反应室内部设置有玻璃皿，玻璃皿的直径为3～5厘米，高度1～2厘米。

4.如权利要求1所述的光催化脱硝测试系统，其特征在于，所述进气系统包括一氧化氮储气瓶(1-2)、氧气储气瓶(1-3)和氮气储气瓶(1-1)，各储气瓶通过各自的单一进气管路合流汇入混合气体进气主路(18)，单一进气管路上设置有带有显示功能的流量控制仪，所述混合气体进气主路(18)与反应系统中反应室的进气接口(19)连接，所述混合气体进气管路(18)上设置有三通阀一(3-1)和三通阀二(3-2)，所述三通阀一(3-1)和所述三通阀二(3-2)之间设置有饱和增湿装置(4)，自控系统与流量控制与显示仪电性连接。

5.如权利要求4所述的光催化脱硝测试系统，其特征在于，所述反应室的进气接口(19)与所述混合气体进气主路(18)之间设置有主路气路控制阀(16-2)，所述反应室的出气接口(20)与所述气液分离器(12)设置有三通阀三(3-3)。

6.如权利要求1所述的光催化脱硝测试系统，其特征在于，所述尾气处理系统包括气液分离器(12)、烟气分析仪(13)和尾气吸收装置(14)，所述反应室的出气接口(20)与所述气液分离器(12)连接，所述气液分离器(12)、烟气分析仪(13)和尾气吸收装置(14)通过出气管路依次连接。

7.如权利要求1所述的光催化脱硝测试系统，其特征在于，所述反应室设置有应急旁路，所述应急旁路上设置有旁路气路控制阀(16-1)，所述旁路气路控制阀(16-1)两端分别所述三通阀二(3-2)和所述三通阀三(3-3)连接。

8.权利要求1-7项任一项所述的光催化脱硝测试系统的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1:进气系统选择一氧化氮、氮气和氧气三种气体，按测试要求控制流量配成混合气体，先接通旁路进行配气，等气路各组分稳定之后通过三通阀关掉旁路并接通脱硝反应器气路，混合气体通入反应系统；

S2:反应系统中通入混合气体后，打开氙灯开始脱硝测试，并通入冷却循环水，温度监测仪实时监测反应过程中的温度；

S3:S2中测试后的气体进入尾气处理系统，首先经气液分离装置后通入红外烟气分析仪实时检测，检测后的尾气经尾气处理系统净化后排空。

9.如权利要求8所述的光催化脱硝测试系统的使用方法，其特征在于，加水性光催化脱硝测试时，S1的过程具体为：进气系统选择一氧化氮、氮气、氧气和水蒸气，按测试要求控制流量配成混合气，然后进入饱和增湿装置，得到一氧化氮、氧气、氮气和水蒸气混合而成的含水废气，含水废气先接通旁路进行配气，等气路各组分稳定之后通过三通阀关掉旁路并接通脱硝反应器气路，含水废气通入反应系统。

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