光电协同催化氧化及湿法吸收汞硝一体化脱除系统的制作方法

1.本实用新型涉及一种高效脱除燃煤烟气中汞和氮的系统，具体涉及一种光电协同催化氧化及湿法吸收汞硝一体化脱除系统。


背景技术：

2.汞是一种重金属元素，不论是汞的单质还是它的化合物，都具有很强的生物毒性，对人类、植物和动物产生各种直接或间接的危害。国际环境界和卫生界已经对汞的危害问题给予越来越大的关注。汞对于环境的污染来源，主要包括两个方面：天然释放和人为排放，其中，煤燃烧汞排放数量比例占到约三分之一。在湿法脱硫的过程中，调节各种运行参数，并且使用h2s和加入少许的乙二胺四乙酸(edta)试剂，可以明显增加脱硫系统的汞捕集效率。选择性催化还原脱硝装置 (scr)，不但可以将no
x
还原成为氮气n2，而且对单质汞hg0也具有一定的氧化效果。但这些烟气净化装置对汞的脱除能力有限，尤其是燃煤烟气中的单质汞hg0，具有极强的挥发性，通常可以穿过常规的烟气净化装置而不被捕获。由此看来，对于单质汞hg0的控制，是影响总汞排放控制的关键。针对高浓度的汞源有很多控制技术，可是这些技术对燃煤电站低浓度的汞难以奏效且成本比较高。目前，燃烧后烟气脱汞技术主要包括干法脱除(喷射吸附剂)和湿法脱除(添加氧化剂)。干法脱汞效率有限，成本较高，且会影响锅炉内部流场，因此湿法脱汞是比较好的选择，且可以利用强氧化性溶液把单质汞hg0氧化为离子汞hg
2
，并将后者截留在氧化剂溶液中，为了避免汞元素形成二次污染，再对二价汞溶液进行合理的处理。但是，一套湿法脱汞设备，对于新电厂和已运行电厂，无论是建设场地还是投资都难以接受。
3.目前独立的强制氧化脱汞的设备建设成本很高，因此，需要提出一种具有高效性和经济性要求的湿法脱汞方法，并能够利用电厂现有设备，同时进行汞和其他污染物的联合脱除，满足日益严格的燃煤电站烟气中污染物的排放标准。


技术实现要素：

4.为解决上述现有技术中存在的问题，本实用新型的目的在于提供一种光电协同催化氧化及湿法吸收汞硝一体化脱除系统，是高效脱除燃煤烟气中汞和氮氧化物的方法，使用强制氧化 溶液吸收，是一种相对可靠且效率较高的脱除气态hg0和氮氧化物的方法。实用新型
5.为达到上述目的，本实用新型所采用的技术方案是：
6.一种光电协同催化氧化及湿法吸收汞硝一体化脱除系统，由烟气管道1、溶液喷嘴2、电极板3、紫外光光源4、正负电极5、电化学富集池6、止回阀7、循环泵8、喷淋装置9所组成；
7.所述烟气管道1为整个系统的主体和依附，为一段进口平直管段连接一个中间竖直管段，中间竖直管段底部封死留有长方体区域作电化学富集池6，中间竖直管段顶部连接出口平直管段，溶液喷嘴2安装在烟气管道1的进口平直管段的上壁面处；电极板3安装在烟
气管道1的进口平直管段的上下壁面，电极板3位置在溶液喷嘴2之后；紫外光光源4安装在电极板3的上电极板上；正负电极5安装在烟气管道1的中间竖直管段底部两侧壁面上，正负电极5处于电化学富集池6内；电化学富集池6的出口经由止回阀7连接至循环泵8的入口，循环泵8的出口则连接至喷淋装置9，喷淋装置9位于烟气管道1的中间竖直管段上部；所述溶液喷嘴2向烟气管道1中喷洒的是含有六水合硫酸亚铁的过氧化氢溶液，电化学富集池6中盛装的是氧化剂。
8.实用新型
9.溶液喷嘴2将含有六水合硫酸亚铁的过氧化氢溶液均匀喷入管道中，待处理的含有hg0和no的烟气与雾化形成的液体颗粒一起继续前进，流经溶液喷嘴2后方电极板3布置的电场，并受到紫外光光源4的照射，单质汞被高效催化氧化成为二价汞；之后烟气进入烟气管道1的中间竖直管段进行湿法脱氮：在电化学富集池6中，通过正负电极5的作用，将hg
2
富集在阴极统一进行处理，可以直接电解生成单质汞回收；而电化学富集池6中的廉价氧化剂溶液通过止回阀7 经由循环泵8输送到喷淋装置9，在烟气管道1的中间竖直管段上部由上往下喷洒，进一步处理的含hg
2
和no2及剩余的少部分hg0和 no的烟气与雾化形成的氧化剂液体颗粒相向而行，脱除完毕后回到电化学富集池6。经光电协同催化氧化单质汞和汞、氮元素的湿法吸收脱除后，汞和氮元素被同时处理并留在液相中，最终得到净化的烟气。
10.所述电极板3布置的电场和紫外光光源4的照射共同作用下，氧化剂催化氧化单质汞，即光电协同催化氧化。
11.所述电极板3布置的电场强度和紫外光光源4强度，根据净化烟气中单质汞的浓度在300～3000μw/cm2之间选择。
12.电化学富集池6中盛装的是ph值为4-6的氧化剂ca(clo)2溶液。
13.所述含有六水合硫酸亚铁的过氧化氢溶液的ph值为3～4。
14.为保证液体颗粒在烟气管道中的均匀分散和充分的气液吸收反应，溶液喷嘴2应使用喷射角度大，雾化颗粒小的类型。
15.所述的一种光电协同催化氧化汞硝一体化脱除系统的运行方法，采用光电协同催化氧化单质汞和汞、氮元素的湿法吸收脱除在单个系统的结合，具体如下：
16.光电协同催化氧化：
17.脱硫完成后，含有hg0和no的烟气进入烟气管道1中，此时烟气中尚有未被脱除的单质汞及氮氧化物，进入烟气管道1的进口平直管段中。
18.在电极板3前端，烟气管道1的进口平直管段顶部中心处设置溶液喷嘴2，将含有六水合硫酸亚铁的过氧化氢溶液喷射入烟气管道中，和烟气接触，使烟气中的单质汞被氧化为二价汞。过氧化氢中加入六水合硫酸亚铁(ii)铵(即fe(nh4)2·
(so4)2·
6h2o)后形成fenton溶液，具有很强的氧化性，反应方程如下：
[0019][0020][0021]
铁离子催化h2o2分解主要是通过fe2 与fe
3
之间的相互转化来进行的。其中，在ph等于3左右时，三价铁离子主要以fe(oh)
2
络合物离子形式存在；
[0022]
在溶液喷嘴2之后，烟气管道1的进口平直管段上下布置的电极板3产生电场，电场
强度约0.1～100kv/cm。微小液滴容易受到静电场作用而发生电荷分离，利用这个效用，在静电场作用下，两种不同电荷的离子会向不同的方向汇聚，在中部的离子浓度减少，推动可逆反应的化学平衡向解离更多的oh
·
方向移动，生成更多的活性氧化粒子oh
·
。即静电场能强化h2o2离解，从而帮助h2o2离解反应进行得更快更彻底。由于此时电场的作用只是帮助溶液中 h2o2的离解生成
·
oh，而不是电离o2生成臭氧o3，所以，电压和电耗低，能耗低于电离氧化法。电场强度大小在使用中可通过脱除效率的检测来调整，如果单质汞的脱除率低，则增加电场强度，这样既能保证物质的充分利用，也能减少能耗；
[0023]
烟气管道1的进口平直管段安装短波连续紫外光光源4，紫外光可以促进h2o2分解产生
·
oh，紫外光和fe
2
对h2o2催化分解存在协同效应，即此时的h2o2的分解速率远大于fe
2
催化或紫外光激发h2o2分解速率的简单加和，这是由于三价铁的羟基络合物可发生光敏化反应生成
·
oh所致，反应方程式为：
[0024][0025]
oh
·
具有强氧化性，可以在液滴的表面捕捉气态的hg0并发生氧化反应：
[0026]
2oh
·
hg
→
hg
2
2oh-[0027]
以上反应中将难溶的零价汞hg0强制氧化成水溶性的hg
2
，从而实现对汞元素的完全捕捉；
[0028]
经过脱硫之后的含有hg0和no的烟气，在管道中与喷入的 h2o2/fe
2
溶液的混合之后，在紫外光和电场的联合作用下，发生强制氧化反应，将大部分hg0和no转化为hg
2
和no2，至此光电协同催化氧化部分结束，汞单质大部分脱除；
[0029]
湿法吸收：
[0030]
烟气通过电极板3流出后进行湿法脱氮，可以采用成熟的湿法工艺，保证nox的脱除，烟气管道1的中间竖直管段底部电化学富集池6中可采用廉价氧化剂ca(clo)2溶液，质量浓度控制在25-30％比较经济，为了保证脱硝效率，ph控制在4-6，同时也可以实现汞单质的捕捉。
[0031]
在湿法脱氮过程中，可在电化学富集池6下部两侧布置正负电极 5，作为电解装置，通过电解吸收液，在阴极实现汞单质的还原回收：液态的hg
2
和no
3-在富集池中，通过电极的作用，将hg
2
富集在阴极统一进行处理，可以直接电解生成单质汞回收，也可以加入硫元素进行固化，而不随燃煤灰渣或脱硫石膏排入环境，又避免了二次污染；
[0032]
电化学富集池6中的溶液通过止回阀7经由循环泵8输送至位于烟气管道1的中间竖直管段上部的喷淋装置9，将氧化剂ca(clo)2溶液喷入烟气管道1的中间竖直管段，使得进一步处理的含hg
2
和no2及剩余的少部分hg0和no的烟气与雾化形成的ca(clo)2液体颗粒相向而行，增加了湿法吸收脱除的反应面积和反应动力学，从而对烟气中尚未完全完成氧化的hg0/no进行进一步的氧化吸收。
[0033]
相对于常规的独立的强制氧化脱汞的设备，本实用新型中的光电协同催化氧化及湿法吸收汞硝一体化脱除系统结合了光电协同催化氧化单质汞和湿法吸收脱除汞、氮元素，能够利用电厂现有设备，同时进行汞和其他污染物的联合脱除，满足日益严格的燃煤电站烟气中污染物的排放标准，同时有望取得显著的节能及经济效益，可以达到如下有益效果：
[0034]
(1)本实用新型利用“铁离子催化”、“紫外光激发”和“静电场的强化”三种作用，可
以对h2o2离解生成更多的活性氧化粒子oh
·
脱除单质汞做出贡献。
[0035]
(2)本实用新型利用已成熟的湿法脱氮工艺，同时对烟气中的单质汞和no存在氧化并吸收，即汞和氮两种污染物的协同脱除，并且采用电解工艺，可以实现汞的回收再利用。
[0036]
(3)本实用新型可以根据烟气中污染物的浓度和排放要求在线调节氧化剂喷射量、光强、电场强度，从而调控运行能耗，在节能减排上具有较好的优势。
附图说明：
[0037]
图1是本实用新型系统的结构示意图。
具体实施方式：
[0038]
如图1所示，一种光电协同催化氧化及湿法吸收汞硝一体化脱除系统，由烟气管道1、溶液喷嘴2、电极板3、紫外光光源4、正负电极5、电化学富集池6、止回阀7、循环泵8、喷淋装置9所组成；
[0039]
所述烟气管道1为整个系统的主体和依附，为一段进口平直管段连接一个中间竖直管段，中间竖直管段底部封死留有长方体区域作电化学富集池，中间竖直管段顶部连接出口平直管段，形状如图1所示；溶液喷嘴2安装在烟气管道1的进口平直管段的上壁面处；电极板3 安装在烟气管道1的进口平直管段的上下壁面，电极板3位置在溶液喷嘴2之后；紫外光光源4安装在电极板3的上电极板上；正负电极 5安装在烟气管道1的中间竖直管段底部两侧壁面上，正负电极5处于电化学富集池6内；电化学富集池6位于烟气管道1的中间竖直管段底部、电化学富集池6的出口经由止回阀7连接至循环泵8的入口，循环泵8的出口则连接至喷淋装置9，喷淋装置9位于烟气管道1的中间竖直管段上部。所述溶液喷嘴2向烟气管道1中喷洒的是含有六水合硫酸亚铁的过氧化氢溶液，电化学富集池6中盛装的是氧化剂。
[0040]
本实用新型利用“铁离子催化”、“紫外光激发”和“静电场的强化”三种作用，可以对h2o2离解生成更多的活性氧化粒子oh
·
脱除单质汞做出贡献，再加上已成熟的湿法脱氮工艺，同时对烟气中的单质汞和no存在氧化并吸收，即汞和氮两种污染物的协同脱除，并且采用电解工艺，可以实现汞的回收再利用。该方法可以根据烟气中污染物的浓度和排放要求在线调节氧化剂喷射量、光强、电场强度，从而调控运行能耗，在节能减排上具有较好的优势。
[0041]
本实用新型光电协同催化氧化汞硝一体化脱除系统的运行方法，采用光电协同催化氧化单质汞和汞、氮元素的湿法吸收脱除在单个系统的结合，具体运行方法如下：
[0042]
光电协同催化氧化：
[0043]
脱硫完成的含有hg0和no的烟气进入烟气管道1中，此时烟气中尚有未被脱除的单质汞及氮氧化物，进入烟气管道1的进口平直管段中。
[0044]
在电极板3前端，烟气管道1的进口平直管段顶部中心处设置溶液喷嘴2，将含有六水合硫酸亚铁的过氧化氢溶液(ph值约为3～4) 喷射入烟气管道中，和烟气接触，使烟气中的单质汞被氧化为二价汞。过氧化氢中加入六水合硫酸亚铁(ii)铵(即fe(nh4)2·
(so4)2·
6h2o)后形成fenton溶液，具有很强的氧化性，反应方程如下：
[0045][0046][0047]
铁离子催化h2o2分解主要是通过fe2 与fe
3
之间的相互转化来进行的。其中，在ph等于3左右时，三价铁离子主要以fe(oh)
2
络合物离子形式存在；
[0048]
为保证液体颗粒在管道中的均匀分散和充分的气液吸收反应，溶液喷嘴2应使用喷射角度较大，雾化颗粒较小的类型；
[0049]
在溶液喷嘴2之后，烟气管道1的进口平直管段上下布置尺寸合适的电极板3，该装置产生合理的电场，电场强度约0.1～100kv/cm。微小液滴容易受到静电场作用而发生电荷分离，利用这个效用，在静电场作用下，两种不同电荷的离子会向不同的方向汇聚，在中部的离子浓度减少，推动可逆反应的化学平衡向解离更多的oh
·
方向移动，生成更多的活性氧化粒子oh
·
。即静电场能强化 h2o2离解，从而帮助h2o2离解反应进行得更快更彻底。由于此时电场的作用只是帮助溶液中h2o2的离解生成
·
oh，而不是电离o2生成臭氧o3，所以，不需要很高的电压和电耗，能耗低于电离氧化法。电场强度大小在使用中可通过脱除效率的检测来调整，如果单质汞的脱除率低，则增加电场强度，这样既能保证物质的充分利用，也能减少能耗；
[0050]
烟气管道1的进口平直管段合适位置处安装短波连续紫外光光源4，紫外光可以促进h2o2分解产生
·
oh，因此应在溶液喷嘴2后、电极板3上板处的管道合适位置处安装紫外光源。紫外光和fe
2
对 h2o2催化分解存在协同效应，即此时的h2o2的分解速率远大于fe2 催化或紫外光激发h2o2分解速率的简单加和，这是由于三价铁的羟基络合物可发生光敏化反应生成
·
oh所致，反应方程式为：
[0051][0052]
oh
·
具有强氧化性，可以在液滴的表面捕捉气态的hg0并发生氧化反应：
[0053]
2oh
·
hg
→
hg
2
2oh-[0054]
以上反应中将难溶的零价汞hg0强制氧化成水溶性的hg
2
，从而实现对汞元素的完全捕捉。因此，设置紫外光光源4促进单质汞的氧化反应，紫外光强的大小(300～3000μw/cm2)可通过脱除效率的检测来调整，保证节能减排的需要；
[0055]
经过脱硫之后的含有hg0和no的烟气，在管道中与喷入的 h2o2/fe
2
溶液的混合之后，在紫外光和电场的联合作用下，发生强制氧化反应，将大部分hg0和no转化为hg
2
和no2，至此光电协同催化氧化部分结束，汞单质大部分脱除。
[0056]
湿法吸收：
[0057]
烟气通过电极板3流出后进行湿法脱氮，可以采用成熟的湿法工艺，保证nox的脱除，烟气管道1的中间竖直管段底部电化学富集池6中可采用廉价氧化剂ca(clo)2溶液，质量浓度控制在30％左右比较经济，为了保证脱硝效率，ph控制在5左右，同时也可以实现汞单质的捕捉。
[0058]
在湿法脱氮过程中，可在电化学富集池6下部两侧布置正负电极 5，作为电解装置，左侧为正电极，右侧为负电极。通过电解吸收液，在阴极实现汞单质的还原回收：液态的hg
2
和no
3-在富集池中，通过电极的作用，将hg
2
富集在阴极统一进行处理，可以直接电解生成单质汞回收，也可以加入硫元素进行固化，而不随燃煤灰渣或脱硫石膏排入环境，又避免
了二次污染。
[0059]
电化学富集池6中的溶液通过止回阀7经由循环泵8输送至位于烟气管道1的中间竖直管段上部的喷淋装置9，将氧化剂ca(clo)2溶液喷入烟气管道1的中间竖直管段，使得进一步处理的含hg
2
和no2及剩余的少部分hg0和no的烟气与雾化形成的ca(clo)2液体颗粒相向而行，增加了湿法吸收脱除的反应面积和反应动力学，从而对烟气中尚未完全完成氧化的hg0/no进行进一步的氧化吸收。
[0060]
以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。