專利名稱：一種等離子體增強甲烷選擇催化還原氮氧化物的方法
技術領域：
本發(fā)明屬于污染控制與技術領域，涉及到甲烷選擇催化還原氮氧化物的方法，尤其涉及到一種在低溫區(qū)等離子體增強甲烷選擇催化還原氮氧化物的方法。
背景技術：
氮氧化物NOx(一般主要是NO和NO2，其中NO占95％)是最主要的空氣污染物之一，是產生酸雨、光化學煙霧及有關環(huán)境破壞的主要因素。全世界每年排入大氣中的NOx總量達5000萬噸以上，其主要來自火力發(fā)電廠、高溫燃燒鍋爐、以汽油或柴油為燃料的發(fā)動機排氣及硝酸或硝酸鹽廠的尾氣。
目前已工業(yè)化的NOx脫除方法主要有氨選擇催化還原(NH3-SCR)和三效催化劑兩大類。前者雖然較成功地應用于消除固定污染源(如火力發(fā)電廠)排放的氮氧化物，但缺點是氨需精確計量控制、氨具有很強的腐蝕性、氨的泄露等造成二次污染、運行成本高以及不適用于移動源的治理。而后者采用負載型貴金屬(Pt、Rh、Pd)催化劑，只能在嚴格的空燃比(約14.6)條件下使用。但為了提高燃料的利用率和降低CO2的排放量，富氧燃燒發(fā)動機已越來越多地被使用。三效催化劑在現(xiàn)代發(fā)動機的富氧條件下幾乎不能控制NOx的排放。Iwamoto M.和Held W.研究小組于1990年首先報導了Cu-ZSM-5催化劑可在氧化氣氛下利用烴類選擇性催化還原(HC-SCR)NOx，自此HC-SCR被認為是富氧條件下繼NH3-SCR后最具發(fā)展前景的NOx消除方法。
在烴類還原劑選擇方面，因甲烷儲量豐富，遠比其它烴類更容易獲得，且在烴類還原劑研究中又最具代表性；另外對以天然氣(主要為甲烷)為燃料的貧燃發(fā)動機排氣和燃氣電廠尾氣的NOx治理，無疑甲烷選擇催化還原(CH4-SCR)技術最為理想。因此，NOx的CH4-SCR研究受到國內外學者的高度重視。在對NOx的CH4-SCR研究中發(fā)現(xiàn)，金屬離子交換的分子篩體系(如CuZSM-5、CoZSM-5等)催化劑和非分子篩體系催化劑(包括堿性金屬氧化物催化劑、負載型Ga2O3催化劑等)只有在高溫區(qū)(350℃--650℃)才展現(xiàn)出較高的活性，但在低溫區(qū)(室溫--350℃)幾乎沒有催化活性。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種在低溫區(qū)等離子體增強甲烷選擇催化還原氮氧化物的方法。依靠單純催化作用，氮氧化物只有在高溫區(qū)才能被甲烷選擇催化還原。本發(fā)明設計一種等離子體與催化劑相結合的裝置，在低溫區(qū)通過等離子體與催化劑的共同作用來實現(xiàn)甲烷選擇催化還原氮氧化物，在高溫區(qū)僅通過催化劑的單獨作用(自動關閉等離子體電源)來實現(xiàn)甲烷選擇催化還原氮氧化物。
本發(fā)明的技術方案是采用沿催化劑表面的介質阻擋放電產生冷等離子體。該介質阻擋放電反應器的高壓電極和接地電極可采用同軸式或板-板式結構，兩電極同時覆蓋介質層或其中一電極覆蓋介質層或一介質阻擋層置于兩電極之間。催化劑(球狀、粒狀、單塊蜂窩狀或單塊泡沫狀)全部填充或部分填充于電極與介質層之間的放電間隙中。催化劑直接選擇在350℃--650℃溫度區(qū)間能夠發(fā)生甲烷選擇催化還原氮氧化物反應的催化劑，如負載型In2O3、Ga2O3、Ag催化劑等。反應器的入口處安裝一溫度傳感器。當溫度較低(室溫--350℃)的含有氮氧化物的氣體流經該裝填有催化劑的介質阻擋放電反應器時，通過溫度傳感器控制開關自動打開高壓電源，將50Hz-50kHz的交流高壓或窄脈沖方波直流高壓施加于此反應器上，通過等離子體與催化劑的共同作用使甲烷在低溫區(qū)選擇催化還原氮氧化物；當溫度超過350℃(350℃--650℃)的含有氮氧化物的氣體流經此反應器時，通過溫度傳感器控制開關自動關閉高壓電源，在同一裝置上利用催化劑的單獨作用使甲烷選擇催化還原氮氧化物。
本發(fā)明的效果和益處是，所提供的在低溫區(qū)等離子體增強甲烷選擇催化還原氮氧化物的方法，既可使廢氣中氮氧化物在室溫-350℃的低溫區(qū)通過等離子體與催化劑的共同作用被甲烷選擇催化還原，又可使廢氣中氮氧化物在350℃--650℃的高溫區(qū)通過催化劑的單獨作用(自動關閉等離子體電源)被甲烷選擇催化還原。應用此方法和裝置，即可在室溫--650℃的寬溫度窗口內實現(xiàn)甲烷選擇催化還原氮氧化物。該方法裝置簡單、操作方便、節(jié)省能耗。
具體實施例方式
實施例1一同軸式介質阻擋放電反應器直徑3mm的不銹鋼高壓電極置于內徑10mm的石英玻璃管的軸心，不銹鋼網接地電極緊密纏繞在石英玻璃管外側。將3ml In/HZSM-5催化劑裝填于此介質阻擋放電反應器的高壓電極與石英介質的放電間隙中。反應器在N2氣流中加熱至250℃維持恒定。將反應氣(300ppm NO，530ppm CH4，2％O2，N2平衡)切換通入反應器。頻率為50Hz正弦波交流高壓施加于該介質阻擋放電反應器，當輸入功率為8W，氣體空速為7200h-1時，NO和NOx的脫除率分別為57％和53％。
實施例2一同軸式介質阻擋放電反應器直徑3mm的不銹鋼高壓電極置于內徑10mm的石英玻璃管的軸心，不銹鋼網接地電極緊密纏繞在石英玻璃管外側。將3ml In/HZSM-5催化劑裝填于此介質阻擋放電反應器的高壓電極與石英介質的放電間隙中。反應器在N2氣流中加熱至300℃維持恒定。將反應氣(300ppm NO，530ppm CH4，2％O2，N2平衡)切換通入反應器。頻率為50Hz正弦波交流高壓施加于該介質阻擋放電反應器，當氣體空速為7200h-1時，NO和NOx的脫除率隨輸入功率的變化如下

實施例3一同軸式介質阻擋放電反應器直徑3mm的不銹鋼高壓電極置于內徑10mm的石英玻璃管的軸心，不銹鋼網接地電極緊密纏繞在石英玻璃管外側。將3ml In/HZSM-5催化劑裝填于此介質阻擋放電反應器的高壓電極與石英介質的放電間隙中。反應器在N2氣流中加熱至350℃維持恒定。將反應氣(300ppm NO，530ppm CH4，2％O2，N2平衡)切換通入反應器。頻率為50Hz正弦波交流高壓施加于該介質阻擋放電反應器，當輸入功率為6W，氣體空速為7200h-1時，NO和NOx的脫除率分別為82％和78％。
實施例4一同軸式介質阻擋放電反應器直徑3mm的不銹鋼高壓電極置于內徑10mm的石英玻璃管的軸心，不銹鋼網接地電極緊密纏繞在石英玻璃管外側。將3ml In/HZSM-5催化劑裝填于此介質阻擋放電反應器的高壓電極與石英介質的放電間隙中。反應器在N2氣流中加熱至400℃維持恒定。通過一溫度傳感器控制開關自動關閉等離子體電源。將反應氣(300ppm NO，530ppm CH4，2％O2，N2平衡)切換通入反應器。當氣體空速為7200h-1時，NOx脫除率為80％。
權利要求
1.一種等離子體增強甲烷選擇催化還原氮氧化物的方法，其特征是采用裝填有催化劑的介質阻擋放電反應器，溫度為室溫--350℃的含有氮氧化物的氣體與添加的甲烷氣體混合后流經此反應器，通過等離子體與催化劑的共同作用來實現(xiàn)甲烷選擇催化還原氮氧化物。
2.根據權利要求1所述的一種等離子體增強甲烷選擇催化還原氮氧化物的方法，其特征在于高壓電極和接地電極采用同軸式或板-板式結構，兩電極同時覆蓋介質層或其中一電極覆蓋介質層或一介質阻擋層置于兩電極之間。
3.根據權利要求1或權利要求2所述的一種等離子體增強甲烷選擇催化還原氮氧化物的方法，其特征在于催化劑填充于電極與介質層之間的放電間隙中；催化劑直接選擇在350℃--650℃溫度區(qū)間能夠發(fā)生甲烷選擇催化還原氮氧化物反應的催化劑。
4.根據權利要求1所述的一種等離子體增強甲烷選擇催化還原氮氧化物的方法，其特征在于反應器的入口處安裝一溫度傳感器，通過溫度傳感器控制開關自動開啟、關閉等離子體電源；當氣體溫度在室溫--350℃區(qū)間，自動開啟等離子體電源，實現(xiàn)等離子體增強甲烷選擇催化還原氮氧化物反應；當氣體溫度超過350℃時，自動關閉等離子體電源，在同一裝置上利用催化劑的單獨作用實現(xiàn)甲烷選擇催化還原氮氧化物反應。
全文摘要
本發(fā)明屬于污染控制與技術領域，涉及到一種等離子體增強甲烷選擇催化還原氮氧化物的方法。其特征是采用裝填有催化劑的介質阻擋放電反應器，溫度為室溫－350℃的含有氮氧化物的氣體與添加的甲烷氣體混合后流經此反應器，通過反應器入口處安裝的溫度傳感器控制開關自動開啟等離子體電源，利用等離子體與催化劑的共同作用實現(xiàn)甲烷選擇催化還原氮氧化物。氣體溫度超過350℃時，自動關閉等離子體電源，在同一裝置上利用催化劑的單獨作用實現(xiàn)甲烷選擇催化還原氮氧化物。利用該方法可在室溫－650℃的寬溫度窗口內實現(xiàn)甲烷選擇催化還原氮氧化物。本發(fā)明的效果和益處是該方法裝置簡單、操作方便、節(jié)省能耗。
文檔編號B01D53/86GK1613544SQ200410050548
公開日2005年5月11日 申請日期2004年9月30日 優(yōu)先權日2004年9月30日
發(fā)明者朱愛民, 石川, 牛金海, 楊學鋒, 宋志民, 徐勇 申請人:大連理工大學