低溫等離子體協同CuO/γ—Al2O3聯合脫硝研究

高巖++彭吉偉++欒濤

摘 要：利用自行設計搭建的實驗平臺與所配置的CuO/Al2O3催化劑，研究測試了僅采用不同功率、不同溫度下低溫等離子體NO脫除效率，等離子體和催化劑協同作用下的脫硝效率，并對三者進行對比，發現僅采用等離子體時脫硝效率隨溫度變化不大，等離子體和催化劑協同作用下，NO的脫除效率受溫度和功率變化的影響，呈現出逐步升高的趨勢，并在300℃，35W下達到最大脫硝效率。結果表明，等離子體和CuO/Al2O3催化劑的協同作用能提高其單一作用時的脫硝效率，并受溫度和功率影響，是一種提高電廠中脫硝效率的有效方法。

關鍵詞：脫硝效率； 等離子體； 協同作用

1 引言

近年來隨著經濟的發展，天然氣、煤和石油等化石類燃料得到大規模使用，產生的污染使得我國的環境問題日益嚴重，更引起世界上各個國家的廣泛關注[1]。化石類燃料（天然氣、石油、煤等）燃燒所產生的主要產物是氮氧化物、碳氧化物和硫氧化物，其中產生的氣體中氮氧化物引起的環境危害最為嚴重，是構成環境中污染的主要污染源之一[2]。

NOx可以與空氣中的水發生化學反應生成污染性物質硝酸，進而形成酸雨，對環境和人體健康等許多方面造成嚴重的危害。因此，治理污染性氣體NOx是改善人類的生存環境并需要進行深入研究的課題[3-6]。

近年來，國內外利用CuO負載在γ-Al2O3載體上制得的脫硝催化劑作為同時脫除SO2和NOx的表現性能良好的催化劑得到廣泛關注。這種脫硝催化劑利用負載于載體γ-Al2O3上的CuO物質與燃煤機組煙氣中的SO2和O2發生化學反應生成CuSO4來達到脫除二氧化硫的目的。在煙氣中存在NH3和O2的前提下，CuO 、CuSO4又可以作為催化氮氧化物的還原劑。當脫硝催化劑中吸收SO2達到一定程度時，可利用還原性氣體CH4、H2將脫硝催化劑還原再生，得到反應產物的Cu和SO2，產生的SO2經過一定的處理可以產生硫酸硫磺等物質用來工業生產，Cu與煙氣中O2又可生成還原劑CuO繼續發生催化還原反應。該方法既避免了傳統的濕法脫硫中遇到的種種困難，又不是單一脫硫處理與脫硝處理的簡單結合。與其他脫硫脫硝方式相比，以CuO為還原劑的脫硫脫硝催化劑在氮氧化物和硫氧化物方面已體現出其成本方面的獨特優勢。與其他催化劑相比，CuO/γ-Al2O3有其自身的優勢：原料為銅的化合物，同已得到廣泛工業應用的釩基催化劑相比原料中沒有重金屬，不僅減少了成本費用，而且減少了對環境的破壞，避免了催化劑對環境所產生的二次污染，同時可以生成工業所需的硫酸硫磺等物質用以回收利用。

低溫等離子體技術用于處理污染物具有處理效果好、應用范圍廣、能同時處理大氣中多種污染物和凈化徹底等優點，利用低溫等離子體技術處理廢氣以及機動車尾氣成為近來研究的熱點[7-9]。利用氣體放電等離子脫硫脫硝是一種頗具發展前途和應用前途的干法煙氣脫硫脫硝新方式。

為了研究低溫等離子體協同催化劑脫除NO的效率，利用自主搭建的實驗平臺（見圖1）對該方法進行性能測試。

2 實驗部分

2.1 催化劑的配置

為了方便測試實驗室自制催化劑的性能，本實驗中測試的催化劑為粉末狀。目前，催化劑的制備方法有很多，常見的有浸漬法制備、沉淀法制備、物理混合法制備以及離子混合法制備催化劑。

具體操作流程如下：首先，按催化劑中Cu的負載量為8%計算，用電子天平稱取24.3gCu（NO3）·3H2O，92g研磨好的Al2O3粉末（粒徑0.38 mm-0.6 mm）備用。取一500 ml燒杯，加入50ml自來水，將燒杯放入恒溫水浴鍋中，設置保溫溫度為70℃，達到70℃時，加入稱取好的Cu（NO3）·3H2O，邊加入邊攪拌15 min硝酸銅完全溶解。然后，將研磨好的氧化鋁粉末加入到燒杯中并始終勻速攪拌，使每種藥品都能充分溶解。等到兩者混合均勻且溶液無氣泡冒出時表明浸漬過程完成，調節攪拌器轉速，增大轉速加快攪拌15 min，溶液最終會成為泥漿狀的粘稠液，再恒溫水箱中保持70℃兩小時后取出燒杯靜置至粘稠液冷卻定型。將燒杯放至烘箱內干燒12 h，溫度設定為110℃，烘干完成后將燒杯中的藥品搗碎放入坩堝中，然后將坩堝放入馬弗爐焙燒，焙燒溫度和時間分別為450℃，4.5小時。焙燒完成后，將藥品放置于馬弗爐內冷卻至室溫，催化劑制備完成。取適量制備好的催化劑樣品放入研缽中研磨成顆粒，取用0.38mm～0.6mm（即40目與60目篩子之間）10ml供實驗使用。

2.2 催化劑活性試驗臺

（1）配氣系統。N2、O2、NH3、NO和SO2組成測試系統中的模擬煙氣。燃煤機組所產生的煙氣中NO占氮氧化物整體含量的95%以上，其中二氧化氮的含量非常少，因此模擬煙氣中采用NO氣體來模擬燃煤機組的氮氧化物。首先各個氣體源進入氣體混合器中混合均勻，以模擬最佳的煙氣環境，模擬后的煙氣進入SCR反應器進行催化還原反應。為了防止催化還原反應中氨氣提前被氧化影響催化劑的真實脫硝效率，氨氣在反應段前加入以減少混合時間 （如圖1所示）。

（2）實驗平臺的設計與搭建。

（3）SCR預熱段。電廠實際投入應用的催化劑發生催化還原反應的的反應溫度為較高，為了更加準確的模擬燃煤機組的SCR脫硝反應，首先將反應的氣體進行預熱反應來加熱氣體，使煙氣更加接近反應所需的溫度。

（4）煙氣分析儀器。采用德國MRU煙氣分析儀對脫硝催化劑的的反應結果進行分析測試，可以對反應物中的 NO，NO2和SO2，NH3等需要測量的化學物質進行準確測量。

2.3 實驗步驟

（1）首先將各設備如圖1所示用橡膠管連接好，各管路接頭處用生膠帶和硅膠密封，檢測流程的氣密性；

（2）打開N2鋼瓶，NO鋼瓶和O2鋼瓶，按照預先配制好的流量開閥，待混合器中的空氣排出后，預混合均勻；endprint

（3）用煙氣分析儀測量入口處NO的即時濃度，待氣流穩定后，可進行實驗操作；

（4）不加入催化劑，打開Plasma發生器，在保持NO進口濃度不變的情況下，用管式爐加熱反應氣體，測量不同功率不同溫度下對NO脫除率的影響；

（5）向反應器中加入研磨好的CuO/Al2O3催化劑，保持NO進口濃度不變，用管式爐加熱反應氣體，測量在協同等離子體情況下不同溫度對NO脫除及NO2生成的影響。

3 實驗結果和討論

3.1 不同功率催化劑對脫硝率的影響

本實驗就溫度保持在室溫，NO進口濃度500ppm，以N2作載氣，常壓下考察在不同放電功率時等離子體反應器對NO的脫除效率的影響。根據測出的NO進出濃度，計算得出NO的轉化率，作出NO轉化率隨溫度變化的折線圖如圖2所示。

從圖中可以看出，在溫度一樣的情況下，隨著功率的提高，NO脫除率呈現出先升高后降低的趨勢，在功率為35W時反應器的NO脫除率最高，為59%左右。這是由于隨著功率的增大，反應器的放電能力增強，在高電壓的作用下產生了更多的活性粒子，促進了NO與活性粒子發生反應，因此在反應的開始階段NO脫除率降低。當功率增大到一定程度時，產生的活性粒子數量過多，阻礙了NO與活性粒子的接觸，所以導致NO脫除率呈現先增大后減小的趨勢。

3.2 不同溫度對脫硝率的影響

本實驗就放電功率保持在35W，NO進口濃度500ppm，以N2作載氣，常壓下考察在不同溫度時等離子體反應器對NO的脫除效率的影響。根據測出的NO進出濃度，計算得出NO的轉化率，作出NO轉化率隨溫度變化的折線圖如圖3所示。

從圖中可以看出，當放電功率保持不變時，隨著溫度的升高，反應器的NO脫除率基本保持不變，維持在55%左右。這是由于在高電壓下，活性粒子的產生主要受功率的影響，溫度的改變不能使反應的程度發生改變。因此提高溫度對反應器的NO脫除率影響作用不明顯。

3.3 低溫等離子體與催化劑協同作用對脫硝率的影響

本實驗就放電功率保持在35W，NO進口濃度500ppm，以N2作載氣，常壓下考察在不同溫度時有無催化劑對NO的脫除效率的影響。根據測出的NO進出濃度，計算得出NO的轉化率，作出NO轉化率隨溫度變化的折線圖如圖4所示。

從圖中可以得出，在沒有催化劑時，NO脫除率基本保持不變，維持在55%左右。當加入CuO/Al2O3催化劑后，隨著溫度的升高，NO脫除率呈現逐步升高的趨勢，當溫度達到300℃時，反應器的NO脫除率穩定在95%左右。一方面由于在CuO/Al2O3催化劑加入時，增加了NO在反應器中的停留時間，促使反應器的NO脫除率提高。另一方面，由于CuO/Al2O3催化劑的作用，促進了催化還原反應的發生，CuO/Al2O3催化劑對NO的還原隨著反應溫度的升高而逐漸升高，在300℃時脫硝效率最佳。

4 結論

利用自行設計搭建的實驗平臺與所配置的CuO/Al2O3催化劑，研究測試了采用不同功率、不同溫度下低溫等離子體NO脫除效率，等離子體和催化劑協同作用下的脫硝效率，得出了以下結論：（1）隨著功率的提高，NO脫除率呈現出先升高后降低的趨勢，在功率為35W時反應器的NO脫除率最高；（2）等離子體脫硝效率隨溫度變化不大；（3）等離子體和催化劑協同作用下，NO的脫除效率受溫度和功率變化的影響，呈現出逐步升高的趨勢，并在300℃，35W下達到最大脫硝效率。

參考文獻：

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[3]沈伯雄，熊麗仙，劉亭等.納米負載型 V2O5-WO3/TiO2催化劑堿中毒及再生研究[J].燃料化學學報，2010，38（01）：85-90.

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[8]高旭東，孫保民，肖海平，尹水娥，王磊，孫紅華，周志培.介質阻擋放電脫除NOx反應器的評價方法及運行流量特性分析[J].中國電機工程學報，2011，30（11）.

[9]尹水娥，孫保民，高旭東，肖海平.介質阻擋放電中煙氣相對濕度對脫硫脫硝的影響[J].動力工程學報，2010，30（01）.

*通訊作者：欒濤endprint