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利用 微波 等离子体的氮 氧化物消减系统

阅读：984发布：2020-05-14

专利汇可以提供利用微波等离子体的氮氧化物消减系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及一种利用微波等离子体的氮氧化物消减系统，可通过低温等离子体反应器和高温氛围的微波等离子体反应器对从废气产生源排出的含有氮氧化物的废气实施脱氮工艺。本发明还可将脱硫器配置在微波等离子体反应器的下游，从而实施脱硫工艺。，下面是利用微波等离子体的氮氧化物消减系统专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种利用微波等离子体的氮氧化物消减系统，其为将从废气产生源(1000)排出的含有氮氧化物的废气与还原剂进行化学反应的氮氧化物消减系统，包括：
储存池(100)，储存并保管还原剂；
微波等离子体反应器(500)，通过输送管T1接收从所述废气产生源(1000)排出的含有氮氧化物的废气，将所述还原剂转换为高温的气相并促进所述氮氧化物的解离；
计量供给模块(200)，根据供给至所述微波等离子体反应器(500)中的所述氮氧化物的流入量，供给保管在所述储存池(100)中的所述还原剂；
微波产生器(300)，根据电源的施加，产生微波；以及
等离子体产生器(400)，配置在所述微波产生器(300)与所述微波等离子体反应器(500)之间，通过引导管T3将微波引导到所述微波等离子体反应器(500)内部以产生火焰，所述微波等离子体反应器(500)通过将所述等离子体产生器(400)的火焰用作热源，使所述还原剂与所述氮氧化物接触以进行脱氮还原反应。
2.根据权利要求1所述的氮氧化物消减系统，其还包括，
将从所述废气产生源(1000)排出的一氧化氮氧化成二氧化氮的低温等离子体反应器(700)。
3.根据权利要求2所述的氮氧化物消减系统，其中，
所述低温等离子体反应器(700)配置在所述废气产生源(1000)与所述微波等离子体反应器(500)之间。
4.根据权利要求1所述的氮氧化物消减系统，其中，
在所述微波等离子体反应器(500)的下游还包括脱硫器(800)。
5.根据权利要求1所述的氮氧化物消减系统，其中，
所述微波等离子体反应器(500)内部设有旋流器(510)。
6.根据权利要求1所述的氮氧化物消减系统，其中，
所述微波等离子体反应器(500)设置为将所述输送管(T1)穿入到所述微波等离子体反应器(500)内部，将所述引导管(T3)从所述微波等离子体反应器(500)的上部朝向下部穿入。
7.根据权利要求6所述的氮氧化物消减系统，其中，
所述输送管(T1)设置为所述输送管的管末端朝向上侧方向。
8.根据权利要求1所述的氮氧化物消减系统，其中，
所述储存池(100)通过供给管(T2)将所述还原剂供给至所述微波等离子体反应器(500)中，
所述供给管(T2)与所述引导管(T3)汇合，从而将还原剂向下引导。
9.根据权利要求1所述的氮氧化物消减系统，其中，
所述还原剂由含有水分的水溶性还原剂构成。

说明书全文

利用微波 等离子体的氮 氧化物消减系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种利用微波等离子体的氮氧化物消减系统，尤其，涉及一种能够向微波等离子体供给用于脱氮的还原剂的氮氧化物消减系统。

背景技术

[0002] 一般来说，需要使用各种方法最大限度地消减在工厂或燃烧装置等中燃烧化石燃料所产生的生成物中的有害废气的氮氧化物，从而保持大气环境为清净状态。

[0003] 如上所述，目前公知的代表性的氮氧化物的消减方法有选择性催化还原法和选择性非催化还原法。所述选择性催化还原法和所述选择性非催化还原法是众所周知的公知技术，因此省略对其的详细说明。

[0004] 基本上，选择性催化还原法(Selective Catalytic Reduction，SCR)通过氨注入设备(AIG)向燃烧装置的下游供给作为还原剂的氨，从而在催化反应塔中引发还原反应，以消减氮氧化物。所述选择性催化还原法中，当燃烧装置处于低负荷(low load)状态或流入催化反应塔的废气温度低时，通常产生氮氧化物的反应显著变慢的现象，从而产生氨与废气一起直接排出的滑脱现象，因此对后端设备可能造成不良影响。

[0005] 此外，选择性非催化还原法(Selective Non-Catalytic Reduction，SNCR)直接向燃烧装置内喷射氨水或尿素水，并在燃烧装置内与燃烧化石燃料而产生的氮氧化物反应，从而降低氮氧化物。如上所述，所述选择性非催化还原法中，向燃烧装置内部供给液相氨和尿素水，因此始终暗含着危险，比如当还原剂向燃烧装置内部喷射时，如果水滴与锅炉管接触，会引起意想不到的大型事故，事实上有些企业也因此而受到过很大的损失。

[0006] 并且，利用选择性非催化还原法的脱氮系统中，当燃烧装置处于低负荷时，虽然能够得到高效率，但是存在脱氮率降低的局限性。现有技术文献

[0007] (专利文献1)韩国专利申请：第10-2007-0007369号

发明内容

[0008] (一)要解决的技术问题

[0009] 本发明的目的在于，提供一种在高温的微波等离子体火焰下，分解氮氧化物并将其去除的氮氧化物消减系统。

[0010] (二)技术方案

[0011] 为了实现所述目的，本发明作为利用微波等离子体消减氮氧化物的脱氮设备，包括：储存池，储存并保管还原剂；微波等离子体反应器，通过输送管接收从所述废气产生源排出的含有氮氧化物的废气，将通过供给管提供的还原剂转换为高温的气相，并在促进氮氧化物的解离的高温氛围下，进行还原反应；计量供给模块，根据供给到所述微波等离子体反应器的所述氮氧化物的流入量，供给保管在储存池中的还原剂；微波产生器，根据电源的施加，产生微波；以及等离子体产生器，配置在微波产生器与微波等离子体反应器之间，通过引导管将微波引导到微波等离子体反应器内部以产生火焰，尤其，微波等离子体反应器将等离子体产生器的火焰用作热源，使还原剂与氮氧化物接触以进行脱氮还原反应。

[0012] 本发明的优选实施例还可以包括低温等离子体反应器，所述低温等离子体反应器配置氧化区，其能够将从废气产生源排出的氮氧化物中的一氧化氮氧化成二氧化氮，从而提高NO2/NO比例。能够提高供给到微波等离子体反应器内的废气中的二氧化氮的组成比例，从而使脱氮效果极大化。

[0013] 因此，将低温等离子体反应器配置在废气产生源与微波等离子体反应器之间。

[0014] 本发明还可以在微波等离子体反应器的下游配置脱硫器。脱硫器通过去除从废气产生源排出的废气内含有的硫氧化物，以将对人体无害的水蒸气、氮等气体通过烟囱排出到外部。

[0015] 本发明还可以包括旋流器，能够实现(高速)回旋以促进供给到微波等离子体反应器内部的废气与还原剂在反应器内部顺利接触而进行反应。

[0016] 具体地，微波等离子体反应器中，输送管的管末端配置成朝向微波等离子体反应器的上部，以使废气向上流动，另外，可以将引导管的管末端从等离子体反应器的上部朝向下部穿入，以使火焰方向朝下。输送管的管末端和引导管的管末端配置在相同轴线上，从而能够改善向下流动的还原剂、火焰以及向上流动的废气的接触。可选择地，供给管也可以从微波等离子体反应器的上部朝向下部穿入，以使还原剂向下流动。

[0017] 可选择地，从储存池向长度方向延伸的供给管的管末端与引导管汇合，从而能够通过引导管向微波等离子体反应器内部引导。

[0018] 优选地，还原剂由含有水分的水溶性还原剂组成，以在高温氛围下的微波等离子体反应器中，提高接触反应速度。

[0019] 本发明的特征及优点可通过基于附图的以下详细说明而变得更清楚。

[0020] 在此之前，本说明书及权利要求中使用的术语或单词不应该被解释为普通的含义或词典上的含义，应在发明人为了以最佳的方法说明本发明而能够适当地定义术语概念的原则的角度，解释为符合本发明的技术的含义和概念。

[0021] (三)有益效果

[0022] 以上，根据本发明的说明，本发明提供一种能够通过微波等离子体消减废气内含有的氮氧化物的结构。

[0023] 尤其，本发明将高温的等离子体火焰用作微波等离子体反应器的热源，因此与现有技术不同，本发明不需要为了替换产生火焰所需的点火器等而中断脱氮系统的操作，从而本发明能够连续执行脱氮工艺。

[0024] 本发明能够在高温的微波等离子体区域内，使废气中的氮氧化物脱氮，因此，能够简化系统结构的同时提高脱氮率。

[0025] 本发明中，在微波等离子体反应器上游设有低温等离子体反应器，以便在微波等离子体反应器内提高脱氮率。

附图说明

[0026] 图1是示意表示本发明的优选实施例的利用微波等离子体的氮氧化物消减系统的工艺图。

[0027] 图2是示意表示图1中示出的微波等离子体反应器内部的纵剖视图。

[0028] 图3是以图2中的A-A线截取的微波等离子体反应器的横剖视图。

具体实施方式

[0029] 本发明的优点、特征以及实施方法将通过附图和后述的实施例而变得清楚。对于每个附图中的组件的附图标记，整个说明书中的相同的附图标记表示相同或相似的组件。并且，当本说明书中的有关公知技术的详细说明使本发明的主旨不清楚时，省略其详细说明。

[0030] 下面，参照附图对本发明的利用微波等离子体的氮氧化物消减系统进行详细说明。

[0031] 参照图1，本发明的优选实施例的氮氧化物消减系统包括：储存池100，其储存诸如尿素水、氨水、氨、尿素等还原剂；计量供给模块200(chemical metering module)，能够调节从所述储存池100供给的还原剂而适量供给；以及微波等离子体反应器500(microwave plasma reactor)，在高温的等离子体火焰下，对从废弃产生源1000排出的废弃中含有的氮氧化物和从储存池100供给的还原剂进行分解和/或还原，从而转换成氮、二氧化碳、水等气体。其中，废弃产生源1000可以是燃烧炉、工艺加热炉、内燃机，也可以是通过燃烧、合成、分解物质等而排出氮氧化物和/或硫氧化物等有害气体的装置。

[0032] 可选择地，本发明的优选实施例的氮氧化物消减系统可以在废弃产生源1000与微波等离子体反应器500之间进一步包括低温等离子体反应器700。即，本发明由利用高温的微波等离子体反应器500和低温等离子体反应器700的复合工艺的氮氧化物消减系统构成。低温是指低于微波等离子体反应器内的等离子体火焰的温度。

[0033] 储存池100是提供至微波等离子体反应器500的还原剂的供给源，根据引导至微波等离子体反应器500中的氮氧化物的流入量，利用计量供给模块200，将储存池100中的预定量的还原剂提供至微波等离子体反应器500等后端设备。如上所述，所述计量供给模块200决定微波等离子体反应器500中所需要的流量速度，根据当量比计算从废弃产生源1000产生的废弃中含有的氮氧化物的排出量或从低温等离子体反应器700排出的氮氧化物的排出量和其需要的尿素量(氨量)，并通过计量供给模块200供给还原剂。通过计量供给模块200控制的还原剂将发送到微波等离子体反应器500。

[0034] 为了提高还原剂的流动性并确保稳定性，储存池100通常容纳液相或气相还原剂，但并不限定于此，可以容纳如尿素水、尿素(NH2CONH2)、氨(NH3)、碳酸铵(NH4CO3)、异氰酸(HNCO)等还原剂。如上所述，本发明的还原剂可以是尿素，但是，所述尿素可以在常温下的水溶液中慢慢水解成碳酸铵，在熔点以上升华并转换成氨和异氰酸。

[0035] 本发明可以将如上所述的氨或尿素等各种还原剂强制供给至微波等离子体反应器500内，并在高温氛围下引发分解或从液相到气相的相变。

[0036] 微波等离子体反应器500接收诸如尿素(尿素水)的还原剂之后，可以将所述尿素通过如化学式1所示的热水解反应重整为氨，而且可以使如化学式2所示的热水解反应发生在微波等离子体反应器500中。

[0037] [化学式1]

[0038]

[0039] [化学式2]

[0040]

[0041] 在进行如化学式2所示的反应之后，生成氨和异氰酸。为了实现所述热水解反应，微波等离子体反应器500需要相当高温的热量。

[0042] 换句话说，微波等离子体反应器500利用高温的火焰，即利用热量将液相的尿素水等相变为作为尿素的分解气体的气相氨等还原剂。为了实现所述相变过程，可以将微波产生器300和等离子体产生器400的火焰用作所需热量的热源。

[0043] 作为生成物的氨和异氰酸在微波等离子体反应器等脱氮设备内与氮氧化物发生反应。通过各种反应机制转换成气相的氨还原剂，从而使氮氧化物的脱氮反应发生在高温的反应器500中。所述气相还原剂与从废弃产生源1000中通过化石燃料的燃烧而产生的氮氧化物通过以下化学式3或化学式4等反应而进行脱氮。

[0044] [化学式3]

[0045] NH3+OH→NH2+H2O

[0046] NH2+NO→N2+H2O

[0047] 如所述化学式3所示，氨在微波等离子体反应器500内被水解的同时，与氮氧化物发生反应，因此，生成对人体无害的氮(N2)和水(H2O)。最终，氮和水通过烟囱600排出，因此具有能够预防大气环境的污染的效果。

[0048] [化学式4]

[0049] HNCO+OH→NCO+H2O

[0050] NCO+NO→N2O+CO→N2+CO2

[0051] 如化学式4所示，从储存池100供给或通过化学式2生成的异氰酸能够引起与氮氧化物的反应，进行化学反应的同时，将有害的氮氧化物转换成诸如氮和二氧化碳(CO2)等与大气污染无关的物质。作为参照，二氧化碳的生成量小于几ppm，其生成量极少，不至于成为环境污染源。

[0052] 可选择地，容纳在储存池100中的还原剂优选由水溶性还原剂构成。如化学式4所示，水溶性还原剂具有在水分(humidity)中产生的羟基(OH-)，因此容易与其他性质的反应基实现化学结合。具体地，负离子的羟基与氢(H+)快速结合并转换成水，提高氮氧化物的接触反应效率，从而能够降低氮氧化物在微波等离子体反应器500内的残留时间。

[0053] 如上所述，本发明是能够在高温的微波等离子体反应器500中将各种还原剂转换成气相以及氨，而且能够同时引发脱氮反应的还原区(reduction zone)。

[0054] 需要注意的是，微波等离子体反应器500可以通过以下方式接收高温的热源，除了以下方法，也可以使用能够生成微波等离子体的其他方式。

[0055] 微波产生器300通过施加电源而驱动，并产生微波。微波通过波导等引导到等离子体产生器400，另外，等离子体产生器400通过延伸至微波等离子体反应器500内部的引导管T3，将等离子体产生气体排除到反应器内部。众所周知，微波作为极超短波，是具有30MHz～30GHz的频率范围的电磁波，并用于产生等离子体。当微波照射到电介质时，电介质的分子做回旋运动的同时，因分子间的冲撞而产生热量。

[0056] 等离子体产生器400通过将诸如用于产生等离子体的蒸汽(Steam)、细微喷水(water)、惰性气体等的等离子体产生气体暴露在从微波产生器300引导的微波的振动中，从而产生高热量，并因产生的高热量，在微波等离子体反应器500生成火焰。在微波等离子体反应器500内产生的火焰(等离子体)温度可以为2000℃～4000℃。在所述高温的反应器500内产生持续的等离子体。等离子体是电离为带负电荷的电子和带正电荷的阳离子的气体，电离的电子和/或阳离子等会提高有害气体的分解能力。

[0057] 众所周知，等离子体产生气体可以使用空气、氮、燃气，但本发明的目的在于，在微波等离子体反应器内，还原氮氧化物和/或硫氧化物。即，在反应器内，为了防止空气中的氮(N2)重新转换成一氧化氮(NO)，优选将蒸汽、细微喷水或惰性气体用作等离子体产生气体。

[0058] 如上所述，等离子体产生器400可以以微波的振动为介质，产生基于高热量的火焰，因此不需要额外的点火器等，从而能够简化本发明的氮氧化物消减系统的结构并提高耐久性。

[0059] 如上所述，废弃(氮氧化物)与气相还原剂在微波等离子体反应器500中通过所述化学式等进行脱氮反应。去除氮氧化物之后，高温的排出气体通过烟囱600排出。本发明的优选实施例的氮氧化物消减系统可以在微波等离子体反应器500的下游，即，微波等离子体反应器500与烟囱600之间进一步配置额外的脱硫器800。在微波等离子体反应器500内，将硫氧化物(SOx)中的硫(S)与氢发生反应并转换成硫化氢(H2S)，并利用脱硫器800稳定地分解和/或捕捉硫化氢，从而能够消减硫氧化物的排出量。

[0060] 根据本发明的优选实施例的氮氧化物消减系统可以在微波等离子体反应器500的上游，换句话说，可以在废弃产生源1000与微波等离子体反应器500之间进一步包括低温等离子体反应器700。低温等离子体反应器700可以在低温(15℃～200℃)下，对从废弃产生源1000排出的100℃～550℃的废弃进行脱氮反应。低温等离子体反应器是将一氧化氮(NO)氧化成二氧化氮(NO2)或硝酸(HNO3)的氧化区(oxidation zone)。换句话说，低温等离子体反应器700通过一氧化氮的氧化反应降低一氧化氮的浓度，增加二氧化氮的浓度，从而促进NO2/NO比例的提高。氮氧化物中，随着二氧化氮的比例增加，在微波等离子体反应器500内，提高氮氧化物(NOx)的分解速度，从而提高脱氮效率，而且可以降低功耗提高经济效益。结果，氮氧化物连续通过低温等离子体反应器700的氧化区和微波等离子体反应器500的还原区，从而能够将一氧化氮和二氧化氮降低至低水平。如上所述，本发明能够在微波等离子体反应器500内结合通过等离子体和还原剂的反应工艺，从而使脱氮率上升并提高经济性。此外，本发明能够通过还原剂的活性化显著减少还原剂的消耗量。低温等离子体反应器700也可以是微脉冲电晕等离子体反应器(micro pulse corona plasma discharge)。

[0061] 换句话说，本发明的氮氧化物消减系统在低温等离子体反应器700中通过一氧化氮的氧化反应降低一氧化氮的浓度，增加二氧化氮的浓度，从而增加二氧化氮/一氧化氮的比例。随着二氧化氮比例的增加，微波等离子体反应器500中的氮氧化物去除效率提高，因此通过微波等离子体反应器500而排出的废气中一氧化氮和二氧化氮均降低至低水平。

[0062] 图2是示意表示图1中示出的微波等离子体反应器内部的纵剖视图，图3是图2中示出的微波等离子体反应器的横剖视图。

[0063] 如图所示，在微波等离子体反应器500的上侧配置等离子体产生器400，等离子体产生器400的引导管T3位于微波等离子体反应器500的轴线上并朝下部穿入。

[0064] 从储存池100向长度方向延伸的还原剂供给管T2也穿入微波等离子体反应器500内部，从而能够将还原剂供给到反应器500内部。还原剂供给管T2贯通微波等离子体反应器500的上侧并朝下部穿入，以使还原剂向下流动。尤其，还原剂供给管T2的管末端与引导管T3汇合，从而能够使引导管T3的管末端向反应器内部喷射火焰和还原剂。

[0065] 此外，微波等离子体反应器500喷射将被注入到反应器内部的氮氧化物、硫氧化物等废气，以使其能够在反应器500内部向上回旋。为此，本发明将废气产生源1000和/或从低温等离子体反应器700延伸的用于废气的输送管T1穿入微波等离子体反应器500内部，并以输送管T1的管末端朝向反应器500的上侧的方式设置所述输送管。通过输送管T1引导的废气形成为沿着反应器内侧面高速回旋的回旋气流，从而能够向上方移动。

[0066] 本发明中，微波等离子体反应器500以对流(counter flow)方式持续供给向下引导的还原剂和向上引导的废气，从而能够增加还原剂与废气的接触机会。如图所示，火焰和还原剂形成为向下流动，增加与向上回旋的废气的接触时间，促进还原反应，从而能够期待最佳脱氮效果。

[0067] 可选择地，本发明将向上方开放的用于废气的输送管T1的管末端和能够向下方喷射的引导管T3的管末端配置在反应器的长度方向的相同的轴线上，以能够使还原剂与废气的直接接触加倍。

[0068] 可选择地，微波等离子体反应器500的内部设有旋流器510(swirler)，从而能够促进废气与还原剂的旋流移动。

[0069] 以上通过具体实施例对本发明进行详细说明，但这仅仅用于详细说明本发明，根据本发明的利用微波等离子体的氮氧化物消减系统并不限定于此，在本发明的技术思想内，本发明所属技术领域的普通技术人员能够进行变换或计量。

[0070] 本发明的简单的变换以及变更均属于本发明的领域，本发明的具体保护范围可通过所述权利要求而变明确。

[0071] 附图标记说明

[0072] 100：储存池

[0073] 200：计量供给模块

[0074] 300：微波产生器

[0075] 400：等离子体产生器

[0076] 500：微波等离子体反应器

[0077] 600：烟囱

[0078] 700：低温等离子体反应器

[0079] 800：脱硫器

[0080] 1000：废气产生源

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