联合评价脱硝脱汞催化剂活性的装置以及评价方法
阅读说明：本技术 联合评价脱硝脱汞催化剂活性的装置以及评价方法 (Device and method for jointly evaluating activity of denitration and demercuration catalyst ) 是由 王红妍 王宝冬 李永龙 孙琦 徐文强 刘子林 李歌 于 2019-08-29 设计创作，主要内容包括：本发明属于环境保护技术领域,公开了一种联合评价脱硝脱汞催化剂活性的装置以及评价方法。其中,所述装置的结构包括配气单元、反应单元和分析检测单元,所述反应单元包括石英反应器,所述石英反应器包括由内管和外管构成的内外套管,所述内管包括顶端的中间进气口,以及所述外管包括左侧进气口、右侧进气口和下端排气口。该装置稳定可靠、方便实用,通过改变各气相组分浓度来模拟不同燃煤电厂的气氛,以考察筛选联合脱硝脱汞催化剂。(The invention belongs to the technical field of environmental protection, and discloses a device and an evaluation method for jointly evaluating the activity of a denitration and demercuration catalyst. The structure of the device comprises a gas distribution unit, a reaction unit and an analysis detection unit, wherein the reaction unit comprises a quartz reactor, the quartz reactor comprises an inner sleeve and an outer sleeve, the inner sleeve comprises an inner tube and an outer tube, the inner tube comprises a middle gas inlet at the top end, and the outer tube comprises a left gas inlet, a right gas inlet and a lower gas outlet. The device is stable and reliable, convenient and practical, and simulates the atmosphere of different coal-fired power plants by changing the concentration of each gas-phase component so as to investigate and screen the combined denitration and demercuration catalyst.)
技术领域
本发明涉及环境保护技术领域，具体涉及一种联合评价脱硝脱汞催化剂活性的装置以及评价方法。
背景技术
煤炭的燃烧向大气环境中排放大量污染物，如氮氧化物(NOx)和重金属汞(Hg)等，危害环境和人类健康。NOx是造成区域性灰霾、酸雨、光化学烟雾等的重要前体物。汞因具有极强的挥发性、持久性、剧毒性以及生物富集效应，也越来越受到国际社会的关注。因此，加强燃煤NOx及汞的控制迫在眉睫。
根据有关规定，燃煤锅炉汞及其化合物排放量限制为30μg/m3。此外，对燃煤机组排放提出新要求，要求范围内的机组NOx排放量低于50mg/Nm3。这无疑对烟气脱硝脱汞技术有了更严格的要求。
目前国内现有的联合评价装置大都是脱硝或脱汞单一联合评价装置，由于种种原因例如气体混合、相互干扰等因素，同时检测脱硝脱汞活性以及准确性都难以实现，这将使得NOx和Hg的联合脱除技术的研发受到很大制约。相对于单独应用脱硝和脱汞技术，联合脱硝脱汞技术在经济性、资源利用效率方面具有优势。
CN204065045U公开了一种脱硝脱汞催化剂活性测评装置，包含供气系统、反应系统和检测系统，该装置通过模拟燃煤烟气，选择出烟气脱硝和脱汞效果均好的催化剂。但在评价过程中汞氧化需要HCl气体的参与，而HCl气体在反应器里不可避免地会与SCR反应的NH3发生反应，影响催化剂脱硝脱汞性能评价结果，并且该装置还未考虑到实际烟气中H2O的影响。
CN103926370B也公开了一种联合评价催化剂脱硝和脱汞性能的装置及方法，该装置虽然考虑到NH3与HCl间的相互作用，但是NH3与含HCl在反应器上部接触后依然会先发生反应，影响真实的评价结果。此外，该装置中Hg蒸气进入预热混合罐中混合过程可能吸附在混合罐壁上，同样没有考虑到实际烟气中H2O的影响，不能真实的模拟实际烟气。
因此，研究和开发一种抗干扰准确度高的联合评价脱硝脱汞催化剂活性的装置及方法具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中存在的联合评价脱硝脱汞催化剂活性的装置及方法中，在评价过程中HCl气体会与SCR反应的NH3、H2O发生反应，影响催化剂脱硝脱汞性能评价结果以及管路腐蚀等缺陷问题，提供一种联合评价脱硝脱汞催化剂活性的装置及方法，该装置稳定可靠、方便实用，通过改变各气相组分浓度来模拟不同燃煤电厂的气氛，以考察筛选联合脱硝脱汞催化剂。
为了实现上述目的，本发明第一方面提供了一种联合评价脱硝脱汞催化剂活性的装置，所述装置的结构包括配气单元、反应单元和分析检测单元，所述反应单元包括石英反应器11，所述石英反应器11包括由内管和外管构成的内外套管，其中，所述内管包括顶端的中间进气口22，以及所述外管包括左侧进气口19、右侧进气口20和下端排气口21。
本发明第二方面提供了一种联合评价脱硝脱汞催化剂活性的方法，其中，该方法在前述所述的装置中进行，该方法包括：
(a)将催化剂置于所述石英反应器11中；
(b)打开总电源，通入载气N2，同时调节加热炉10和伴热带6的温度；
(c)待所述预热混合罐7和所述伴热带6温度达到设定温度后，开通所述管路II和所述管路III，通入水蒸气以及O2、SO2和NO，使各气体在所述预热混合罐7的内部的中下部盘旋预热，以及在所述预热混合罐7上部的混合罐8中混合均匀；
(d)经步骤(c)后的混合气体经所述预热混合罐7的顶端设置的排气管路与管路Ⅰ连接后经电磁阀12和13控制分为主路和旁路两条支路，其中，所述旁路直接进入烟气分析仪14和汞分析仪15，待数值稳定后记录原始气体中各气体组分含量；
(e)控制电磁阀12和13，关闭所述旁路，打开所述主路，调节加热炉18的温度，同时引入NH3和HCl，通过质量流量计调节NH3和HCl气体流量，该气体与所述预热混合罐7排出的气体以及管路Ⅰ中的气体一起进入所述石英反应器11中，在催化剂作用下发生反应；
(f)催化反应后的气体进入所述烟气分析仪14和所述汞分析仪15，待分析仪数值稳定后，记录反应后气体中各组分含量；
(g)将催化反应前后采集到的数据进行对比，计算催化剂的活性；
(h)实验结束后用N2吹扫系统，关闭各仪器，待所述石英反应器11冷却后将催化剂卸出。
通过上述技术方案，本装置的结构设置简单，能够方便、快速、稳定的产生不同配比的烟气，模拟出燃煤电厂的实际烟气状况，通过阀门与烟气分析仪和汞分析仪的配合，实时检测烟气中的NOx和Hg0的浓度。通过更换不同种类的催化剂，选择出针对特定烟气脱硝和脱汞效果均好的催化剂。通过气体混合方式以及反应器设计，较好的解决了烟气混合以及相互干扰的问题，评价结果更准确。管路设计方便实用，耐酸、耐高温(＜200℃)；尾气处理系统完善，对反应后以及检测后的复杂气体均进行较好的处理，可以有效避免对大气环境的污染。因而本发明更具有全面性与实用性。
附图说明
图1是本发明的联合评价脱硝脱汞催化剂活性的装置的示意图；
图2是本发明的石英反应器11的结构示意图。
附图标记说明
1-气罐 2-质量流量控制器 3-汞蒸发模块 4-进水器
5-计量泵 6-伴热带 7-预热混合罐 8-混合区域
9-进气盘管 10-加热炉 11-石英反应管 12-电磁阀
13-电磁阀 14-烟气分析仪 15-汞分析仪 16-碱吸收液模块
17-活性炭吸附模块
具体实施方式
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
本发明第一方面提供了一种联合评价脱硝脱汞催化剂活性的装置，其中，所述装置的结构包括配气单元、反应单元和分析检测单元，所述反应单元包括石英反应器11，如图2所示，所述石英反应器11包括由内管和外管构成的内外套管，其中，所述内管包括顶端的中间进气口22，以及所述外管包括左侧进气口19、右侧进气口20和下端排气口21。
根据本发明，在本发明中，根据图1和图2进行描述。
根据本发明，所述装置的管路(进气管路)至少包括第一进气管路、第二进气管路和第三进气管路。
根据本发明，所述第一进气管路为与由N2气罐、质量流量控制器和汞蒸发模块3连接形成的输送汞蒸气的管路I。
根据本发明，所述N2气罐的其中一出口管道与所述汞蒸发模块3的进口管道通过质量流量控制器连接，所述汞蒸发模块3的出口管道与所述第一进气管路连接至所述预热混合罐7的顶端的排气管路；在本发明中，优选情况下，所述汞蒸发模块3的出口管道可以配置有伴热带6，在本发明中，在恒定的温度和恒定的N2流量下，在汞蒸发模块3中的汞渗透管中产生的特定浓度的汞蒸气，汞蒸发模块3采用电加热方式，并且从汞蒸发模块3出口到所述预热混合罐的顶端的排气管路都配有伴热带6，保证汞以蒸气的形式存在，并且所述汞蒸发模块3的管路选用聚四氟乙烯材质，能够有效避免汞蒸气吸附。
根据本发明，所述第二进气管路为与由进水器4和计量泵5连接形成的输送水蒸气的管路II；在本发明中，所述计量泵5可以控制所述进水器4中的水的流量，所述进水器4的出口管道可以与所述第二进气管路连接至所述预热混合罐7中的进气盘管9中；在本发明中，优选情况下，模拟烟气中的H2O经过进气盘管9进行充分预热气化，最后再在预热混合罐7的上端部位的混合区域8中充分混合。在本发明中，需要说明的是，水蒸气是通过计量泵将水定量注入气路并在高温下气化来提供的。
根据本发明，所述第三进气管路为由O2气罐、SO2气罐、NO气罐和N2气罐连接形成的输送O2、SO2、NO和N2的管路III；优选情况下，O2气罐、SO2气罐、NO气罐和N2气罐各自的出口管道分别经过各自的质量流量控制器后汇集后在预热混合罐7中的进气盘管9中盘旋充分预热后进入所述混合区域8中。如图1所示，O2、SO2、NO和N2分别置于气罐中，该气罐可以用来储存标准气体，模拟烟气中的氯化氢、氧气、二氧化硫、一氧化氮和氮气，每种气体分别由各自的质量流量控制器来精确控制流量，模拟烟气各组分在经过各自的质量流量控制器后、进入石英反应器11前，先进入预热混合罐7以使各气体组分预热及充分混合；在本发明中，优选情况下，为了各气体组分充分预热，模拟烟气中的气体(O2、SO2、NO和N2)在进气盘管9中进行预热，最后再在预热混合罐7的上端部位的混合区域8中与水蒸气充分混合。
在本发明中，除汞蒸气气路采用聚四氟乙烯管，其他气路均采用不锈钢管，以减少管壁与器体检的物化反应对气体组分的影响。
所述配气单元包括预热混合罐7和设置在所述预热混合罐7的外围的加热炉10，以及内置于所述预热混合罐7中的进气盘管9；其中，所述第二进气管路输送的水蒸气和所述第三进气管路输送的气体，在所述预热混合罐7的内部的中下部盘管9中盘旋预热，以及在所述预热混合罐7上部的混合罐8中混合均匀；优选地，所述中下部位为所述预热混合罐7高度的1/2-3/4处的区域。
根据本发明，所述预热混合罐7的顶端设置有排气管路，所述排气管路的外壁缠绕有伴热带；优选地，所述预热混合罐7的顶端的排气管路与第一进气管路连接，再通过电磁阀12控制分为主路和旁路两条支路，其中，所述主路与石英反应器11外管的左侧进气口19连接，所述旁路通过电磁阀13控制与烟气分析仪14和汞分析仪15连接；在本发明中，优选情况下，所述排气管路的外壁缠绕有伴热带，可以有效避免气体冷凝吸附。
根据本发明，优选情况下，预热混合罐7中的模拟烟气(N2、O2、NO、SO2和H2O)与Hg蒸气混合后由所述石英反应器11的外管的左侧进气口进入外管，NH3从所述石英反应器11的外管的右侧进气口19进入外管，HCl从所述石英反应器11的内管的中间进气口22进入内管；内管末端位于外管内部，催化剂上方，以尽量减少NH3对HCl的干扰。
根据本发明，所述外管的内壁上设置有石英砂筛板，其中，催化剂可以置于所述石英砂筛板上，即，所述石英砂筛板可以用来承载催化剂。另外，在本发明中，承载催化剂的石英砂筛板位于恒温区，固定在外管内壁和内管下部的位置。石英反应器底部设置有出气口与后续分析检测单元连接。
根据本发明，所述石英反应器11的外围可以设置有加热炉18，以用来加热所述石英反应器11。
根据本发明，所述烟气分析仪14与所述汞分析仪15还可以设置有与其依次连接的碱吸收液模块16和活性炭吸附模块17。
根据本发明，所述装置包括NH3气罐，且所述NH3气罐中的NH3经所述石英反应器11的外管的右侧进气口20可以直接进入所述石英反应器11的外管中。
根据本发明，所述装置包括HCl气罐，且所述HCl气罐中的HCl经所述石英反应器11的内管的中间进气口22可以直接进入所述石英反应器11的内管中。
根据本发明，所述装置还包括反应单元和分析检测单元。
其中，所述反应单元包括石英反应器11和设置所述石英反应器11的外围的加热炉18，在本发明中，本发明中的配气参考了燃煤电厂SCR反应器内的实际气氛条件，能够方便快捷地对制备得到的催化剂的脱硝脱汞活性进行评价，其准确度高。
其中，所述分析检测单元包括烟气分析仪14和汞分析仪15，在靠近石英反应器11下端出气口设有气体采样点。另外，所述分析检测单元还包括尾气处理系统，分析后的气体依次经过碱吸收液16和活性炭吸附装置17来吸收和净化尾气中残余的少量有害气体组分。在本发明中，该尾气处理系统完善，对检测后的复杂气体具有较好的处理效果，可以有效避免对大气环境的污染。因而本发明更具有全面性与实用性。
本发明第二方面提供了一种联合评价脱硝脱汞催化剂活性的方法，其中，该方法在前述所述的装置中进行，该方法包括：
(a)将催化剂置于所述石英反应器11中；
(b)打开总电源，通入载气N2，同时调节加热炉10和伴热带6的温度；
(c)待所述预热混合罐7和所述伴热带6温度达到设定温度后，开通所述管路II和所述管路III，通入水蒸气以及O2、SO2和NO，使各气体在所述预热混合罐7的内部的中下部盘旋预热，以及在所述预热混合罐7上部的混合罐8中混合均匀；
(d)经步骤(c)后的混合气体经所述预热混合罐7的顶端设置的排气管路与管路Ⅰ连接后经电磁阀12和13控制分为主路和旁路两条支路，其中，所述旁路直接进入烟气分析仪14和汞分析仪15，待数值稳定后记录原始气体中各气体组分含量；
(e)控制电磁阀12和13，关闭所述旁路，打开所述主路，调节加热炉18的温度，同时引入NH3和HCl，通过质量流量计调节NH3和HCl气体流量，该气体与所述预热混合罐7排出的气体以及管路Ⅰ中的气体一起进入所述石英反应器11中，在催化剂作用下发生反应；
(f)催化反应后的气体进入所述烟气分析仪14和所述汞分析仪15，待分析仪数值稳定后，记录反应后气体中各组分含量；
(g)将催化反应前后采集到的数据进行对比，计算催化剂的活性；
(h)实验结束后用N2吹扫系统，关闭各仪器，待所述石英反应器11冷却后将催化剂卸出。
根据本发明，在本发明的联合评价脱硝脱汞催化剂活性的方法中，其中，所述加热炉18的温度为200-550℃，优选为200-380℃。
根据本发明，可以根据研究需要，通过改变催化剂、气相组成和反应温度，从而筛选不同工况条件下合适的催化剂。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。
实施例1
本实施例在与说明采用本发明的装置进行的联合评价脱硝脱汞催化剂活性的方法。
如图1和图2所示：
(a)将催化剂试样加入到石英反应器11的外管内部，轻轻振打石英反应器11的外管，使催化剂均匀分布于石英砂筛板上；
(b)打开总电源，通入载气N2，同时调节预热混合罐7外围的加热炉10的温度以及伴热带6的温度；
(c)待所述预热混合罐7和所述伴热带6分别达到设定温度后，开通管路II和管路III，通入NO、SO2、O2以及水蒸气使各气体在所述预热混合罐7的内部的中下部进气盘管9盘旋预热，以及在所述预热混合罐7上部的混合罐(8)中混合均匀；
(d)经步骤(c)后的混合气体经所述预热混合罐7的顶端设置的排气管路与管路Ⅰ连接后经电磁阀12和13控制分为主路和旁路两条支路，其中，所述旁路直接进入所述烟气分析仪14和所述汞分析仪15，待数值稳定后记录原始气体中NO和Hg的浓度，NO为310ppm，Hg为75.9ug/m3；
(e)控制电磁阀12和13，关闭所述旁路，打开所述主路，调节所述加热炉18的温度为380℃，同时启动NH3和HCl，通过质量流量计调节NH3和HCl气体流量，该气体与所述预热混合罐7排出的气体以及管路Ⅰ中的气体一起进入所述石英反应器11中，在催化剂作用下发生反应；
(f)催化反应后的气体进入所述烟气分析仪14和所述汞分析仪15，待分析仪数值稳定后，记录反应后气体中原始气体中NO和Hg的浓度，NO为79ppm，Hg为20.7ug/m3；
(g)将催化反应前后采集到的数据进行对比，计算催化剂的活性，该催化剂的脱硝率为74.5％，脱汞率为72.7％。
(h)实验结束后用N2吹扫系统，关闭各仪器，待石英反应器11冷却后将催化剂卸出。
该装置稳定可靠、方便实用，通过改变各气相组分浓度(75.0μg/m3Hg0,3％O2,5ppmHCl,300ppm NO,NH3/NO:1/1,500ppm SO2,8％H2O)来模拟不同燃煤电厂的气氛，以考察筛选联合脱硝脱汞催化剂。
实施例2
本实施例在与说明采用本发明的装置进行的联合评价脱硝脱汞催化剂活性的方法。
按照与实施例1相同的方法联合评价脱硝脱汞催化剂活性，所不同之处在于：气相组成75.0μg/m3Hg0,3％O2,5ppm HCl,300ppm NO,NH3/NO:1/1,1000ppm SO2,8％H2O；反应温度为320℃。
该装置稳定可靠、方便实用，脱硝率和脱汞率分别为65.3％，为15.5％。
结果筛选出高硫工况条件下合适的联合脱硝脱汞催化剂。
实施例3
本实施例在与说明采用本发明的装置进行的联合评价脱硝脱汞催化剂活性的方法。
按照与实施例1相同的方法联合评价脱硝脱汞催化剂活性，所不同之处在于：气相组成75.0μg/m3Hg0,3％O2,2ppm HCl,300ppm NO,NH3/NO:1/1,500ppm SO2,8％H2O；反应温度200℃。
该装置稳定可靠、方便实用，脱硝率和脱汞率分别为25.3％，为59.1％。结果筛选出低氯煤燃烧烟气下合适的联合脱硝脱汞催化剂。
对比例1
采用现有技术中的CN204065045U装置，按照与实施例1相同的烟气条件，结果由于NH3与HCl发生反应，脱硝率和脱汞率均偏低，误差较大。不能筛选出符合实际烟气工况条件下合适的催化剂。
对比例2
采用现有技术中的CN103926370B装置(或者按照背景技术中提供的CN103926370B中的装置)按照与实施例1相同的烟气条件，结果由于Hg蒸气吸附在混合罐上，导致气体中Hg浓度偏低，同时由于NH3与HCl在反应器上端发生反应，脱硝率和脱汞率均偏低，不能真实模拟相应的燃煤烟气，不能筛选出符合实际烟气工况条件下合适的催化剂。
通过实施例和对比例的结果可以看出，采用本发明的装置，通过改变各气相组分浓度来模拟不同燃煤电厂的气氛，以考察筛选联合脱硝脱汞催化剂，并且，该装置稳定可靠、方便实用。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。
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