一種基于光活化過硫酸銨的脫硫脫硝脫汞的系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于光活化過硫酸銨的脫硫脫硝脫汞的系統(tǒng)，主要設有鍋爐或窯爐、除塵器、煙氣溫度調節(jié)器、光化學反應器、噴液系統(tǒng)以及產物后處理系統(tǒng)。來自鍋爐或窯爐排放的煙氣經過除塵和調溫后進入設在煙道上的光化學反應器，而來自噴液系統(tǒng)的過硫酸銨溶液以霧狀噴入光化學反應器。光化學反應器內的紫外燈發(fā)射紫外光催化分解過硫酸銨，并釋放具有強氧化性的硫酸根自由基(SO4-·)同時氧化脫除煙氣中的SO2、NOx和汞。氧化產物經過產物后處理系統(tǒng)處理后實現(xiàn)資源化利用。該方法能夠同時脫除燃煤煙氣多種污染物、脫除過程無二次污染，且易于實現(xiàn)老機組改造等突出優(yōu)勢，是一種具有廣闊應用前景的新型煙氣凈化系統(tǒng)。
【專利說明】
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及煙氣排放污染物的控制，尤其涉及一種基于光活化過硫酸銨脫硫脫硝 脫汞系統(tǒng)及方法。 一種基于光活化過硫酸銨的脫硫脫硝脫汞的系統(tǒng)

【背景技術】
[0002] 工業(yè)化生產的燃燒過程中產生的硫氧化物、氮氧化物以及汞能夠引起酸雨、光 化學煙霧，甚至有致癌和致畸等嚴重危害。因此，研發(fā)有效的煙氣脫硫脫硝脫汞方法是各 國環(huán)?？萍既藛T的重要任務之一。近些年來，盡管人們開發(fā)了大量的煙氣脫硫脫硝脫汞技 術，但由于人類認識過程的局限性和科學技術發(fā)展的漸進性，現(xiàn)有的各種脫硫脫硝脫汞技 術在研發(fā)當初僅針對單一污染物為脫除目標，一般無法實現(xiàn)煙氣多污染物的同時脫除。例 如，目前應用較多的煙氣脫硫脫硝技術主要為濕法石灰石-石膏法煙氣脫硫技術和氨選擇 性催化還原法。這兩種方法雖然可以分別單獨脫硫脫硝，但均無法在一個反應器內實現(xiàn)同 時脫除。兩種工藝的聯(lián)合疊加使用雖然可以實現(xiàn)同時脫硫脫硝，但同時也造成整個系統(tǒng)復 雜，占地面積大，投資和運彳丁成本商等不足。專利號為201010296492. 5,名稱為"一種基于 光化學高級氧化的同時脫硫脫硝系統(tǒng)"，公開了一種采用紫外光激發(fā)分解過氧化氫，產生強 氧化性的羥基自由基（·〇Η)與煙氣在噴淋塔內接觸后發(fā)生氣液吸收反應，氧化脫除煙氣中 的NOx與S02,但是沒有公開脫硫脫硝的過程中同時脫汞的裝置及方法。隨著人類對環(huán)保要 求的不斷提高，針對煙氣中汞排放控制的法律法規(guī)也逐漸出臺，但目前還沒有一種經濟有 效的煙氣脫汞技術獲得大規(guī)模商業(yè)應用。如果在現(xiàn)有的脫硫和脫硝系統(tǒng)尾部再次增加單獨 的煙氣脫汞系統(tǒng)，則勢必將造成整個系統(tǒng)的初始投資和運行費用進一步急劇增加，最終很 難在發(fā)展中國家獲得大規(guī)模商業(yè)應用。
[0003] 綜上所述，如果能夠在一個反應器內將硫氧化物、氮氧化物和汞實現(xiàn)同時脫除， 則有望大大降低系統(tǒng)的復雜性和占地面積，進而減少系統(tǒng)的投資與運行費用。濕法煙氣凈 化技術是一種傳統(tǒng)的煙氣處理技術，具有初投資小、工藝流程簡單和易于實現(xiàn)多污染物同 時脫除等特點，是一種具有良好開發(fā)和應用前景的煙氣凈化技術，但傳統(tǒng)的濕法煙氣凈化 技術的研究進展卻一直相對緩慢，其主要原因就在于煙氣氮氧化物和汞元素中分別含有 90%以上難溶的N0和40-80%難溶的Hg°。由雙膜理論可知，氣相分子必須首先由氣態(tài)經傳 質和擴散過程溶入液相，然后才能發(fā)生化學反應固定到吸收液中，而N0與Hg°難溶的特性 使得其在液相的吸收傳質阻力大大增加，僅通過調控吸收液pH和溫度的方法難以顯著提 高N0與Hg°在液相的溶解度，這一特性造成了傳統(tǒng)的濕法脫硫脫硝脫汞技術普遍存在脫硫 效率高，但脫硝和脫汞效率低等不足，實際上無法實現(xiàn)真正的同時脫硫脫硝脫汞。因此，尋 找能夠將N0與Hg°快速轉化為易溶形態(tài)的有效方法是解決該問題的關鍵之一。


【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明公開了一種基于光活化過硫酸銨的脫硫脫硝脫汞的系統(tǒng)及方法，利用紫外 燈發(fā)射紫外光催化分解過硫酸銨，并釋放具有強氧化性的硫酸根自由基（SCV·)同時氧化 脫除煙氣中的so2、nox和汞。氧化產物經過產物后處理系統(tǒng)處理后實現(xiàn)資源化利用。該方 法能夠同時脫除燃煤煙氣多種污染物、脫除過程無二次污染，且易于用來實現(xiàn)老機組改造 等突出優(yōu)勢，是一種具有廣闊應用前景的新型煙氣凈化系統(tǒng)。
[0005] 為實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明采用的實施方案如下：
[0006] 一種基于光活化過硫酸銨的脫硫脫硝脫汞的方法，煙氣經過除塵和調溫后進入 設在煙道上的光化學反應器，噴液系統(tǒng)的過硫酸銨溶液以霧狀噴入光化學反應器；光化學 反應器內的紫外燈發(fā)射紫外光催化分解過硫酸銨，并釋放具有強氧化性的硫酸根自由基 (S04- ·)，硫酸根自由基（S04- ·)同時氧化脫除煙氣中的S02、N0x和汞。
[0007] 光化學反應器入口的煙氣溫度保持在20°C -75°C之間，噴入光化學反應器的溶液 溫度位于20°C -75°C之間；因為如果溫度太高，則紫外燈會無法正常工作，且污染物在液相 的脫除效率會降低。但如果溫度太低，將會增加煙氣冷卻系統(tǒng)的工作負荷，造成能耗增加。 光化學反應器的液氣比為5L/m 3-25L/m3,因為太高會造成能耗增加，反應器體積龐大，但太 低則會造成脫除效率不達標。過硫酸銨的濃度太高會造成氧化劑自分解率增加，過低則會 導致脫除效率下降。因此，過硫酸銨的最佳摩爾濃度在0.2m 〇l/L-2.5m〇l/L之間。溶液的 pH太低會造成脫除效率下降，但太高則容易與煙氣中的二氧化碳發(fā)生復雜反應，故溶液的 pH位一般可控制在3. 0-8. 0之間。
[0008] 鍋爐或窯爐煙氣中的二氧化硫、氮氧化物和汞的入口濃度范圍分別在 50ppm-2500ppm、50ppm-1000ppm 和 2 μ g/m3-200 μ g/m3。
[0009] 一種基于光活化過硫酸銨的脫硫脫硝脫汞的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括鍋爐或窯爐、除 塵器、煙氣溫度調節(jié)器、光化學反應器、噴液系統(tǒng)以及產物后處理系統(tǒng)；鍋爐或窯爐與除塵 器的入口連接，除塵器的出口連接第一煙氣溫度調節(jié)器的入口，第一煙氣溫度調節(jié)器的出 口連接光化學反應器，噴液系統(tǒng)通過循環(huán)泵接入光化學反應器，噴液系統(tǒng)中裝有過硫酸銨 溶液光化學反應器的出口分為兩路，一路是煙氣管道，另一路是氧化產物的產物后處理系 統(tǒng)。
[0010] 光化學反應器內設有紫外燈管和霧化噴嘴，所述的紫外燈管和霧化噴嘴間隔排 列；紫外燈管中心線與光化學反應器中軸線平行布置，紫外燈管中心線與光化學反應器中 軸線需要平行布置，以保證光化學反應器內紫外光能的充分利用，同時還可有效降低光化 學反應器內流體的流動阻力。光化學反應器內的紫外光輻射強度為15 μ w/cm2-150 μ W/cm2， 紫外線輻射強度太小則無法催化分解過硫酸銨釋放足夠量的硫酸根自由基，但輻射強度太 大則會造成能耗太高。紫外線有效波長為160nm-290nm紫外線波長太長，光子能量低，無法 有效分解過硫酸銨，但波長太短則紫外光穿透距離降低。因此，紫外光輻射強度和波長應當 在一個合適范圍內。當需要布置多根紫外燈管時，紫外燈管需采用順列布置，以保證溶液的 霧化以及紫外光的傳遞效果達到最佳。紫外燈管外應當套有石英套管，用于保護紫外燈管 正常工作。紫外燈管的長度在30 Cm-200cm之間，因為燈管如果太短，則污染物缺乏足夠的 反應時間，太長則造成反應器體積龐大，應用成本增高。
[0011] 紫外燈管之間的最小間距不小于20cm。最大間距的確定方法是：根據現(xiàn)場采用紫 外燈功率大小的不同，一般需要現(xiàn)場采用紫外線輻照計進行測量。一般需要保證兩根紫外 燈管之間中間線處的紫外線輻射強度不小于15 μ W/cm2,以此來確定紫外燈管所允許的最 大間距。
[0012] 光化學反應器內布設的霧化噴嘴均為實心錐形噴嘴，金屬對過硫酸銨具有催化分 解功能，且塑料制噴嘴很容易被氧化性物質降解所述噴嘴采用陶瓷或碳化硅等材料；霧化 液滴粒徑如果太大則導致氣液接觸面積太小，脫除效率較低，無法滿足要求，但如果霧化液 滴太小，則液滴容易隨煙氣逃逸出反應器，給溶液搜集和后處理造成困難。。因此，噴嘴的霧 化液滴直徑位于10微米-100微米之間；噴嘴布置在紫外燈管之間的中間線處，噴嘴的橫 向間距可由布置好的紫外燈管間距確定，而噴嘴的縱向間距一般可根據噴嘴的霧化夾角確 定，一般需要至少保證兩只噴嘴之間的霧化有一定的交叉覆蓋，以保證具有良好的霧化覆 蓋率，噴嘴的縱向間距不大于20cm。
[0013] 所述的光化學反應器的一路出口設有煙氣管道，煙氣管道與煙囪連接；煙氣管道 與煙囪之間設有第二煙氣溫度調節(jié)器和引風機。
[0014] 所述的光化學反應器的一路出口的氧化產物的產物后處理系統(tǒng)，包括汞分離塔和 后處理塔。
[0015] 本發(fā)明系統(tǒng)的反應過程原理：
[0016] 1、光活化過硫酸銨首先是釋放了具有強氧化性的硫酸根自由基，具體過程可用如 下的化學反應（1)表示：
[0017] S2082-+hv->2SO；· (1)
[0018] 2、產生的強氧化性的硫酸根自由基可將煙氣中的S02、N0X以及Hg°氧化生成 H2S04、ΗΝ03和Hg2+混合溶液，從而達到脫除目的：
[0019] SO； · +N0 ^ N02 + SO； · (2)
[0020] SO^ +S0: ^ S0 ; + SO； · (3)
[0021] S0；-+Hg° ^HgO + SOj· (4)
[0022] 2S0?+H20-0H + 2H'+2S〇f (5)
[0023] ?OH + NO^-H' +N〇2 (6)
[0024] ?0H + N0- ^-Ν〇3 + ·Η (7)
[0025] 2 · 0H+S02 - H2S04 (8)
[0026] · 0H+Hg〇 - HgO+H · (9)
[0027] H20+S03 - H2S04 (10)
[0028] 3N02 + H20^-2H' +2NO；. + NO (11)
[0029] 3、反應產生的Hg2+能夠被添加的S2+吸收并反應生成難溶的HgS沉淀物，然后經過 沉淀分離后回收利用：
[0030] Hg2++S2- -HgS I (12)
[0031] 4、在重金屬汞元素被捕獲回收以后，溶液中僅剩下高濃度的硫酸銨與硝酸銨混合 溶液可作為工業(yè)原料回收利用（例如通過提純和結晶來制取肥料)，整個一體化脫硫脫硝脫 汞過程無二次污染。
[0032] 本發(fā)明的優(yōu)點及顯著效果：
[0033] 與發(fā)明專利201010296492. 5相比，本發(fā)明具有以下明顯的優(yōu)勢：
[0034] (1)隨著人們對環(huán)保要求的不斷提高，針對煙氣中汞排放控制的法律法規(guī)也逐漸 出臺，本發(fā)明可以在一個反應器內實現(xiàn)硫氧化物、氮氧化物和重金屬元素汞等三種污染物 的同時脫除，因而能夠進一步降低系統(tǒng)的初始投資和運行費用。隨著人類對環(huán)保要求的不 斷提高，本發(fā)明的這一優(yōu)勢將得到逐漸凸顯，而發(fā)明專利201010296492. 5無法在同一個反 應器內實現(xiàn)三種污染物的同時脫除。
[0035] (2)本發(fā)明采用的過硫酸銨氧化劑的價格與發(fā)明專利201010296492. 5中采用的 雙氧水價格相當，但過硫酸銨是固體氧化劑，其在運輸和儲存安全性以及經濟性方面比液 體氧化劑具有巨大優(yōu)勢。另外發(fā)明專利201010296492. 5最終的反應產物是硫酸和硝酸稀 溶液，會對反應設備造成嚴重的腐蝕作用，另外，產物的后處理需要耗費大量的能量來濃縮 液體，后處理成本大大增加。而本發(fā)明的一種基于光活化過硫酸銨的同時脫硫脫硝脫汞裝 置及系統(tǒng)，其最終脫除產物主要是汞以及硫酸銨和硝酸銨，且產物濃度較高，后處理成本 低，產物利用范圍廣泛，具有更好的應用前景。
[0036] (3)與發(fā)明專利201010296492. 5相比，本發(fā)明所述的一種基于光活化過硫酸銨的 同時脫硫脫硝脫汞裝置及系統(tǒng)，既可以作為新機組的煙氣處理系統(tǒng)單獨設立。也可以在現(xiàn) 有老機組的煙道上直接改造，這有利于對現(xiàn)有大量老舊鍋爐系統(tǒng)進行改造利用，從而大大 降低了應用成本，拓寬了應用范圍。而發(fā)明專利201010296492. 5的系統(tǒng)主要是針對新機組 設計的，無法在煙道上直接改造利用，故應用范圍小得多。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0037] 圖1是本發(fā)明系統(tǒng)的工藝流程圖。
[0038] 圖2是本發(fā)明中光化學反應器內紫外燈管和噴嘴布置的主視圖。
[0039] 圖3是本發(fā)明中光化學反應器內紫外燈管和噴嘴布置的左視圖。
[0040] 圖4(a)酸性條件下測定光活化過硫酸鹽系統(tǒng)的電子自旋共振（ESR)波普圖。
[0041] 圖4(b)堿性條件下測定光活化過硫酸鹽系統(tǒng)的電子自旋共振（ESR)波普圖。

【具體實施方式】
[0042] 下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步的說明。
[0043] 如圖1所示，來自鍋爐或窯爐1中含有一定濃度S02、N0X和Hg°的煙氣首先經過 除塵器2,所述的除塵器2可以是靜電除塵器和布袋除塵器中的一種或兩種的組合使用，除 去煙氣中粒徑大于20微米的顆粒物。除塵后的煙氣通過第一煙氣溫度調節(jié)器3將煙氣溫 度調節(jié)到20°C _75°C。煙氣通過煙氣布風板4均勻布風后進入光化學反應器6,光化學反應 器6由支架7支撐。來自溶液配制系統(tǒng)10的過硫酸銨溶液，由循環(huán)泵9通過噴嘴噴入光化 學反應器6,并在紫外燈8發(fā)射的紫外光催化作用下分解為強氧化性的硫酸根自由基，硫酸 根自由基可以將煙氣中的硫氧化物、氮氧化物和汞同時氧化脫除。經過凈化的煙氣進入第 二煙氣溫度調節(jié)器15將煙氣溫度再次加熱到高于110°C，然后通過引風機16,由煙囪17排 入大氣。反應過程產生的溶液由循環(huán)泵11通入汞分離塔12,通過添加二價硫離子生成硫化 汞沉淀分離回收，剩余的溶液通過循環(huán)泵13通入后處理塔14,通過預處理、分離、結晶、純 化等多個步驟處理后制備硫酸銨和硝酸銨等工業(yè)原料或農業(yè)化肥。
[0044] 如圖2所示，光化學反應6的煙氣入口處設有煙氣布風板4,紫外燈管8按一定的 順序排列，霧化噴嘴18在紫外燈管8之間的中間線處。
[0045] 如圖3所示，A-反應器截面紫外燈管堅直方向等間間距；B-反應器截面噴嘴堅直 方向等間間距；C-反應器截面紫外燈管截面水平方向等間間距；D-反應器截面噴嘴水平方 向等間間距；L-噴嘴軸向等間間距。
[0046] 如圖4 (a)和圖4 (b)所示，采用電子自旋共振波（ESR)普儀結合DMP0電子加合 物可測定到系統(tǒng)中產生了硫酸根自由基，表明采用該技術進行同時氧化脫硫脫硝脫汞在技 術和方法上具有可行性。
[0047] 實施例1.煙氣中的S02、N0X與Hg°濃度分別為2000ppm，400ppm以及50ug/m 3， 煙氣溫度為55°C，紫外光波長為254nm，UV輻射強度為ZOyW/cm2,過硫酸銨摩爾濃度為 1. 5mol/L，液氣比為15L/m3,紫外燈長度為40cm，紫外燈間距20cm，噴嘴縱向間距為20cm， 噴嘴橫向間距也為20cm，噴嘴的霧化夾角為45度。在小型實驗系統(tǒng)上的試驗結果為：煙氣 中S0 2、N0X與Hg°的同時脫除效率可分別達到99. 1%，80. 9%和98. 8%。
[0048] 實施例2.煙氣中的S02、N0X與Hg°濃度分別為3000ppm，600ppm以及l(fā)OOug/ m3,煙氣溫度為35°C，紫外光波長為254nm，UV輻射強度為20 μ W/cm2,過硫酸銨摩爾濃度為 1. 5mol/L，液氣比為5L/m3,紫外燈長度為40cm，紫外燈間距20cm，噴嘴縱向間距為20cm，噴 嘴橫向間距也為20cm，噴嘴的霧化夾角為45度。在小型實驗系統(tǒng)上的試驗結果為：煙氣中 S02、N0X與Hg°的同時脫除效率可分別達到98. 1%，70. 9%和88. 2%。
[0049] 實施例3.煙氣中的S02、N0X與Hg°濃度分別為1500ppm，800ppm以及l(fā)OOug/ m3,煙氣溫度為65°C，紫外光波長為254nm，UV輻射強度為10 μ W/cm2,過硫酸銨摩爾濃度為 1. 5mol/L，液氣比為5L/m3,紫外燈長度為40cm，紫外燈間距20cm，噴嘴縱向間距為20cm，噴 嘴橫向間距也為20cm，噴嘴的霧化夾角為45度。在小型實驗系統(tǒng)上的試驗結果為：煙氣中 S02、N0X與Hg°的同時脫除效率可分別達到96. 1%，75. 9%和89. 2%。
[0050] 實施例4.煙氣中的S02、N0X與Hg°濃度分別為2500ppm，300ppm以及30ug/m 3， 煙氣溫度為65°C，紫外光波長為254nm，UV輻射強度為lSyW/cm2,過硫酸銨摩爾濃度為 1. 0m〇l/L，液氣比為10L/m3,紫外燈長度為40cm，紫外燈間距20cm，噴嘴縱向間距為20cm， 噴嘴橫向間距也為20cm，噴嘴的霧化夾角為45度。在小型實驗系統(tǒng)上的試驗結果為：煙氣 中S0 2、N0X與Hg°的同時脫除效率可分別達到95. 1%，76. 9%和87. 2%。
[0051] 綜上所述，實施例1具有最佳的同時脫硫脫硝脫汞效果，可作為最佳實施例參照 使用。
【權利要求】
1. 一種基于光活化過硫酸銨的脫硫脫硝脫汞的系統(tǒng)，其特征在于：所述系統(tǒng)包括鍋爐 或窯爐、除塵器、煙氣溫度調節(jié)器、光化學反應器、噴液系統(tǒng)以及產物后處理系統(tǒng)；鍋爐或窯 爐與除塵器的入口連接，除塵器的出口連接第一煙氣溫度調節(jié)器的入口，第一煙氣溫度調 節(jié)器的出口連接光化學反應器，噴液系統(tǒng)通過循環(huán)泵接入光化學反應器，噴液系統(tǒng)中裝有 過硫酸銨溶液，光化學反應器的出口分為兩路，一路是煙氣管道，另一路是氧化產物的產物 后處理系統(tǒng)。
2. 根據權利要求1所述的一種基于光活化過硫酸銨的脫硫脫硝脫汞的系統(tǒng)，其特征在 于：光化學反應器內設有紫外燈管和霧化噴嘴，所述的紫外燈管和霧化噴嘴間隔排列；紫 外燈管中心線與光化學反應器中軸線平行布置，光化學反應器內的紫外光輻射強度為15 iiW/cm2 -150 pW/cm2,紫外線有效波長為 160nm-290nm。
3. 根據權利要求1所述的一種基于光活化過硫酸銨的脫硫脫硝脫汞的系統(tǒng)，其特征在 于：紫外燈管采用順列布置，紫外燈管外套有石英套管，紫外燈管的長度在30 Cm-200cm之 間。
4. 根據權利要求1所述的一種基于光活化過硫酸銨的脫硫脫硝脫汞的系統(tǒng)，其特征在 于：紫外燈管之間的最小間距不小于20cm，兩根紫外燈管之間中心處的紫外線輻射強度不 小于 15 pW/cm2。
5. 根據權利要求1所述的一種基于光活化過硫酸銨的脫硫脫硝脫汞的系統(tǒng)，其特征在 于：光化學反應器內布設的霧化噴嘴均為實心錐形噴嘴，所述噴嘴采用陶瓷；噴嘴布置在 紫外燈管之間的中間線處，噴嘴的縱向間距不大于20cm。
6. 根據權利要求1所述的一種基于光活化過硫酸銨的脫硫脫硝脫汞的系統(tǒng)，其特征在 于：所述的光化學反應器的一路出口設有煙氣管道，煙氣管道與煙?連接；煙氣管道與煙 囪之間設有第二煙氣溫度調節(jié)器和引風機。
7. 根據權利要求1所述的一種基于光活化過硫酸銨的脫硫脫硝脫汞的系統(tǒng)，其特征在 于：所述的光化學反應器的一路出口的氧化產物的產物后處理系統(tǒng)，包括汞分離塔和后處 理塔。
【文檔編號】B01D53/60GK203899431SQ201320825210
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2013年12月13日 優(yōu)先權日:2013年12月13日
【發(fā)明者】劉楊先, 張軍, 潘劍鋒 申請人:江蘇大學