一种高效脱除烟气中NOSUBX/SUB的方法.pdf

本发明公开了一种高效脱除烟气中NOx的方法，具体为：基于选择性非催化还原原理，先在锅炉炉膛内或紧靠炉膛出口的烟道位置，利用尿素或氨使烟气中的部分NOx还原为N2；然后，烟气进入配有放电等离子体反应单元的电除尘器，或通过布袋除尘器内后进入专用放电等离子体反应器，在实现高效除尘的同时，也使NO氧化为NO2；最后，烟气进入湿式吸收塔，在高效脱硫的同时，也实现NOx的进一步脱除。本发明提供的方法只需对常规的选择性非催化还原脱硝、电除尘或布袋除尘、湿法脱硫烟气净化工艺稍加改造，即可在投资和运行费用增大很小的情况下，实现85％以上的NOx脱除效率，95％以上的SO2脱除效率和99％以上的除尘效率。

1.  一种高效脱除烟气中NO_x的方法，其特征在于：首先，基于选择性非催化还原原理，将氨或尿素喷至锅炉炉膛或紧靠炉膛的出口烟道，使烟气中部分NO_x还原为N₂，其中x＝1，2；然后，烟气进入配有放电等离子体反应单元的电除尘器，或通过布袋除尘器之后，进入专用放电等离子体反应器，在实现高效除尘的同时，放电产生的非热等离子体使烟气中的NO氧化为NO₂；最后，烟气进入湿式吸收塔，使NO_x被进一步吸收脱除。

2.  根据权利要求1所述的高效脱除烟气中NO_x的方法，其特征在于：所述的放电等离子体反应单元是将常规电除尘器的部分电场空间改造所形成的，改造内容是调整极板和极线的匹配方式，用正极性的高压电源替代负极性的高压电源供电。

3.  根据权利要求1或2所述的高效脱除烟气中NO_x的方法，其特征在于：所述的放电等离子体反应单元位于电除尘器的入口端；或者位于电除尘器的出口端；或者位于电除尘器的中部。

4.  根据权利要求1所述的高效脱除烟气中NO_x的方法，其特征在于：所述的专用放电等离子体反应器的极板和极线与常规电除尘器相同，但极线与极线间距和极线与极板的间距小于常规电除尘器，而且采用正极性的高压电源为反应器供电。

5.  根据权利要求1或2所述的高效脱除烟气中NO_x的方法，其特征在于：所述的放电等离子体反应单元的极板和极线与常规电除尘器相同，但极线与极线和极线与极板的间距小于常规电除尘器。

6.  根据权利要求2或4所述的高效脱除烟气中NO_x的方法，其特征在于：所述的正极性的高压电源为正极性直流高压电源；或正极性直流高压叠加交流的高压电源；或正极性的脉冲电源。

一种高效脱除烟气中NO_x的方法
技术领域
本发明属于环境保护领域，涉及一种高效脱除烟气中NO_x的方法，具体地说，是指一种通过选择性非催化还原NO_x、放电等离子体氧化NO为NO₂和碱液吸收NO_x的结合，实现高效脱除燃煤烟气中NO_x的方法。
背景技术
燃煤烟气的主要污染物包括烟尘、SO₂和NO_x等。先利用选择性非催化还原或选择性催化还原技术脱硝；然后，利用电除尘器或布袋除尘分离烟尘；最后，利用湿式脱硫系统脱硫是常规的烟气净化方法。
燃煤烟气中的NO_x主要包括NO和NO₂，其中NO约占95％。选择性催化还原是指在催化剂的作用下，以NH₃为还原剂，选择性地与烟气中的NO_x反应，并生成N₂和H₂O。选择性催化还原是一种成熟的烟气脱硝技术。在NH₃/NO摩尔比为1的情况下，可以获得80％以上的NO_x脱除率。然而，选择性催化还原需要消耗大量的催化剂，因此投资和运行费用高。统计表明，选择性催化还原系统的催化剂费用通常占到系统初始投资的30-50％左右，其运行成本也受制于催化剂的寿命。一般每隔2至3年，就要更换一次催化剂。目前我国自主生产选择性催化还原脱硝催化剂的能力非常有限，因而该技术的推广受到限制。除此之外，对于改造机组，采用选择性催化还原技术还存在场地限制，设备安装困难等问题。
选择性非催化还原是在不使用催化剂的情况下，将NH₃、尿素或其它氨基还原剂直接喷入锅炉炉膛或紧靠炉膛出口的烟道，在温度为800℃～1100℃的区域内，还原剂选择性与NO_x反应，使其还原为N₂和H₂O。通常，设计合理的选择性非催化还原系统能达到40％左右的NO_x脱除效率。与选择性催化还原相比，选择性非催化还原运行费用低，旧设备改造少，尤其适合于改造机组，而且仅需要氨水贮槽和喷射装置，因而投资也较选择性催化还原低得多。但是，选择性非催化还原的NO_x脱除效率较低，随着排放标准日趋严格，仅依靠选择性非催化还原不能满足日益严格的排放标准。
实际上，当烟气中NO₂占NO_x的比例达到50％以上时，利用常规碱液脱硫系统，即可实现高效脱除NO_x的目的。因此，在烟气进入碱液吸收脱硫系统之前，先利用放电等离子体部分氧化NO为NO₂，然后，利用常规碱液脱硫系统实现同步脱硫脱硝，是高效脱除烟气NO_x的途径之一。不过，放电等离子体氧化NO的能耗与NO浓度密切相关，当NO浓度较高时，仅采用放电等离子体氧化与吸收相结合的处理方法，会造成能耗过高，难以推广应用。近年来，基于放电等离子体氧化与吸收相结合脱除SO₂和NO_x的思路，国内外学者做了不少工作，如美国Powerspan公司开发了一种称为电催化氧化的烟气污染物同时脱除技术，宣称对SO₂、NO_x和Hg的脱除效率分别达到98％、90％和80％以上。但该技术用到的电催化氧化反应器电耗高且结构复杂，因而投资和运行费用皆较高，维护管理难度也大，难以推广应用。另外，国内学者申请的专利包括集流光放电等离子体烟气污染物同步净化方法(ZL200410029622.3)、一种等离子体燃煤锅炉烟气净化新工艺(ZL200310121117.7)、资源化同时脱除烟气中二氧化硫、氮氧化物的臭氧氧化干法(CN101337152)等。值得注意的是，这些专利技术皆建立在仅借助等离子体氧化与吸收相结合脱除NO_x的设想之上，没有注意到NO氧化所需的高能耗。正因为如此，这些技术迄今为止均未在燃煤烟气净化中得到应用。
发明内容
本发明的目的是针对常规烟气处理工艺，即选择性非催化还原脱硝→电除尘或布袋除尘→湿法脱硫工艺路线，提出一种在电除尘器内配置等离子体反应单元；或者在布袋除尘器和湿式吸收塔之间增设一个专用放电等离子体反应器，实现高效脱除烟气中NO_x的方法，既适用于现有系统改造，也适用于新系统的设计和建设。本发明提供的方法能在改造工程量小，对投资和运行费用影响不大的前提下，实现烟气中SO₂、NO_x和烟尘的高效脱除，SO₂、NO_x和烟尘的去除效率分别达到95％、85％和99％以上。
本发明提出的高效脱除烟气中NO_x的方法建立在选择性非催化还原脱硝→电除尘或布袋除尘→湿法脱硫的烟气净化工艺路线之上，即只有采用这一工艺路线，再通过在电除尘器内配置等离子体反应单元，或在布袋除尘器与湿式吸收塔之间增设专用放电等离子体反应器，才能实现高效脱除烟气中NO_x的目的。否则，若烟气净化工艺中缺少选择性非催化还原和湿式烟气脱硫两个环节中的任何一个，或将烟气脱硫的湿式吸收塔置于电除尘器或专用等离子体反应器之前，皆无法实现本发明的高效脱硝之目的。
所述的在电除尘器内配置等离子体反应单元，是将电除尘器的部分电场空间改造成正极性流光放电的等离子体反应单元，该反应单元可位于电除尘器的入口端、出口端或电除尘器中部任意位置。专用等离子体反应器则是一个配有阴阳两极，并采用正极性电源供电的反应器。在等离子体反应单元或专用放电等离子体反应器内，借助高压放电产生的等离子体可使NO高效氧化为NO₂。同时，也发生烟尘荷电，并在电场力作用下，定向迁移至极板或极线的过程。
整个高效脱除烟气中NO_x的过程包括如下三个主要步骤：
1)基于选择性非催化还原脱硝原理，将氨或尿素之类还原剂喷入锅炉炉膛或紧靠锅炉出口的烟道，使其选择性地与NO_x作用，还原部分NO_x为N₂。
2)烟气从锅炉排出后进入电除尘器或布袋除尘器，若采用电除尘器，则在电除尘器的放电等离子体反应单元，基于正极性流光放电产生的非热等离子体将NO氧化为NO₂，与此同时，在该反应单元内，也有部分烟尘荷电，并在电场力作用下定向运动，沉积到极板或极线上。对于未改造的电除尘器电场区域，依旧按照常规的方式进行除尘。
若采用布袋除尘器，则烟气从锅炉排出并通过布袋除尘器之后，进入专用放电等离子体反应器。同样地，在该专用放电等离子体反应器内，基于正极性流光放电产生的非热等离子体将NO氧化为NO₂。与此同时，在该反应区域内，也有部分烟尘荷电，并在电场力作用下定向运动，沉积到极板或极线上。
3)从电除尘器或专用放电等离子体反应器排出的烟气进入湿式吸收塔，该湿式吸收塔以石灰/石灰石浆液或其它碱性溶液作吸收液，可有效吸收脱除烟气中的SO₂和具有一定氧化度的NO_x。
与传统的选择性非催化还原法脱硝→电除尘或布袋除尘→湿法脱硫烟气净化方法相比，该法的优点是仅需在电除尘器内配置放电等离子体反应单元，或在布袋除尘器与湿式吸收塔之间增设专用放电等离子体反应器，在投资、运行费用比设置选择性性催化还原脱硝小得多的前提下，即可使传统烟气净化工艺系统获得高效脱除烟气中NO_x的功能。
与现有技术中提出的放电等离子体与吸收相结合处理烟气中多种污染物的方法相比，本发明的优势在于，充分认识到氧化NO所需的能耗高，在可接受的能量消耗水平前提下，借助等离子体氧化烟气中高浓度NO难以实现这一认识。通过设计先利用选择性非催化还原方法脱除部分NO_x，再在配有放电等离子体反应单元的电除尘器或专用放电等离子体反应器中，氧化NO为NO₂的工艺方案，规避了放电等离子体氧化高浓度NO存在的能耗过高的不足。
附图说明
图1为本发明涉及的对应采用电除尘器的烟气净化工艺流程示意图；
图2为本发明涉及的对应采用布袋除尘器的烟气净化工艺流程示意图；
图3至图5为配有放电等离子体反应单元的电除尘器的三种布置方式；
图6为专用放电等离子体反应器的示意图。
图中：
1.锅炉；2.配有放电等离子体反应单元的电除尘器；  3.湿式吸收塔；4.烟囱；
5.布袋除尘器；        6.专用放电等离子体反应器；7.负极性高压电源；
8.电除尘常规除尘区域；9.正极性高压电源；        10.放电等离子体反应单元；
11.放电等离子体反应单元的极线；  12.放电等离子体反应单元的极板；
13.专用放电等离子体反应器的极线；14.专用放电等离子体反应器的极板。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明提供的通过配置放电等离子体反应单元的电除尘器或在布袋除尘器与湿式脱硫吸收塔之间设置专用放电等离子体反应器实现高效脱硝的方法进行说明。
当采用电除尘器时，本发明提供的烟气净化工艺流程如图1所示，具体如下：
(1)将氨或尿素之类还原剂喷至锅炉1的炉膛或者紧靠炉膛出口烟道位置，还原剂选择性地与NO_x作用，使部分NO_x还原为N₂。
(2)烟气从锅炉1排出后，进入配有放电等离子体反应单元的电除尘器2，基于正极性流光放电诱导产生的等离子体氧化NO为NO₂。与此同时，在该反应区域内，也有少量烟尘荷电，并在电场力作用下定向运动，沉积到极板或板线上。在电除尘器2的其它区域，发生常规的电除尘过程。
(3)从电除尘器2排出的烟气进入湿式吸收塔3，该湿式吸收塔3采用石灰/石灰石浆液或其它碱性水溶液作吸收液，可有效吸收脱除烟气中的SO₂和NO_x(NO₂占NO_x的比例达50％以上)。最后烟气从烟囱4排出。
步骤(2)所述的配有放电等离子体反应单元的电除尘器2内部设置了放电等离子体反应单元10，使其具有氧化NO功能，如图3、图4和图5所示。放电等离子体反应单元10的极板12和极线11的结构型式与常规电除尘区域8相同，但极线11与极线11、极线11与极板12的间距小于常规电除尘区域8。
图3中，放电等离子体反应单元10设置在电除尘器2的入口端，即常规电除尘区域8之前；图4中，放电等离子体反应单元10设置在电除尘器2的出口端，即常规电除尘区域8之后；图5中，放电等离子体反应单元10设置在电除尘器的中部，即将常规电除尘区域8分成两个部分，放电等离子体反应单元位于两个常规电除尘区域之间。放电等离子体反应单元10由正极性高压电源9供电；常规电除尘区域8由负极性高压电源7供电。
当采用布袋除尘时，本发明提供的烟气净化工艺流程如图2所示，具体如下：
(1)将氨或尿素之类还原剂喷至锅炉1的炉膛或者紧靠炉膛出口位置，还原剂选择性地与NO_x作用，使部分NO_x还原为N₂。
(2)烟气从锅炉1排出后，进入布袋除尘器5，分离烟尘。
(3)从布袋除尘器5排出的烟气，进入专用放电等离子体反应器6。在专用放电等离子体反应器6中，基于正极性流光放电诱导产生的等离子体氧化NO为NO₂。与此同时，在该反应区域内，也有少量烟尘荷电，并在电场力作用下定向运动，沉积到极板或板线上。
(4)从专用放电等离子体反应器6排出的烟气进入湿式吸收塔3，该湿式吸收塔3采用石灰/石灰石或其它碱性水溶液作吸收液，可有效吸收脱除烟气中的SO₂和NO_x(NO₂占NOx的50％以上)。最后烟气从烟囱4排出。
专用放电等离子体反应器6如图6所示。专用放电等离子体反应器6由正极性高压电源9供电，其极板14和极线13与常规电除尘器2相同，但极线13与极线13的间距、极线13与极板14的间距小于常规电除尘器。
实施例1：
从锅炉1(配有尿素选择性非催化还原脱硝系统)排出燃煤烟气，不向锅炉1喷尿素时，排出烟气中NO_x浓度为520mg/m³；向锅炉1喷尿素时，排出烟气含2700mg/m³SO₂、310mg/m³NO_x和10.2g/m³烟尘，流量为120000m³/h。经过电除尘器2(等离子体反应单元10与常规电除尘单元8的布置如图3所示)和湿式吸收塔3(采用石灰石浆液作吸收液)后，SO₂、NO_x和烟尘的浓度分别降为135mg/m³、73mg/m³和52mg/m³。SO₂、NO_x和烟尘的去除效率分别为95％、86％和99.5％。
实施例2：
从锅炉1(配有尿素选择性非催化还原脱硝系统)排出燃煤烟气，不向锅炉1喷尿素时，排出烟气中NO_x浓度为420mg/m³；向锅炉1喷尿素时，排出烟气含2220mg/m³SO₂、232mg/m³NO_x和7.8g/m³烟尘，流量为60000m³/h。经过电除尘器2(等离子体反应单元10与常规电除尘单元8的布置如图4所示)和湿式吸收塔3(采用废碱液作吸收液)后，SO₂、NO_x和烟尘的浓度分别降为96mg/m³、59mg/m³和34mg/m³。SO₂、NO_x和烟尘的去除效率分别为95.7％、86％和99.6％。
实施例3：
从锅炉1(配有氨选择性非催化还原脱硝系统)排出燃煤烟气，不向锅炉1喷氨时，排出烟气中NOx浓度为490mg/m³；向锅炉1喷氨时，排出烟气含1890mg/m³SO₂、301mg/m³NO_x和9.1g/m³烟尘，流量为12000m³/h。经过电除尘器2(等离子体反应单元与常规电除尘单元的布置如图5所示)和湿式吸收塔3(采用石灰浆液作吸收液)后，SO₂、NO_x和烟尘的浓度分别降为68mg/m³、72mg/m³和65mg/m³。SO₂、NO_x和烟尘的去除效率分别为96.4％、85.3％和99.3％。
实施例4：
从锅炉1(配有尿素选择性非催化还原脱硝系统)排出燃煤烟气，不向锅炉1喷尿素时，排出烟气中NOx浓度为535mg/m³；向锅炉1喷尿素时，排出烟气含2170mg/m³SO₂、327mg/m³NO_x和9.8g/m³烟尘，流量为72000m³/h。经过布袋除尘器5、专用等离子体反应器6和湿式吸收塔3(采用废碱液作吸收液)后，SO₂、NO_x和烟尘的浓度分别降为58mg/m³、71mg/m³和15mg/m³。SO₂、NO_x和烟尘的去除效率分别为97.3％、86.7％和99.8％。
实施例5：
从锅炉1(配有氨选择性非催化还原脱硝系统)排出燃煤烟气，不向锅炉1喷氨时，排出烟气中NOx浓度为496mg/m³；向锅炉1喷氨时，排出烟气含1620mg/m³SO₂、302mg/m³NO_x和10.6g/m³烟尘，流量为15300m³/h。经过布袋除尘器5、专用等离子体反应器6和湿式吸收塔3(采用石灰浆液作吸收液)后，SO₂、NO_x和烟尘的浓度分别降为63mg/m³、71mg/m³和25mg/m³。SO₂、NO_x和烟尘的去除效率分别为96.1％、85.7％和99.8％。