CN101496986B - 同时脱除烟气中PM2.5颗粒、SO2和NOx并回收副产物的方法 - Google Patents

同时脱除烟气中PM2.5颗粒、SO2和NOx并回收副产物的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种同时脱除烟气中PM2.5颗粒、SO2和NOx并回收副产物的方法,将待处理烟气通入脉冲电晕电场,同时喷洒吸收液以净化烟气;脉冲电晕电场由与负脉冲高压相连的针状电晕线,和环绕针状电晕线与正脉冲电压相连的网状金属电极产生;吸收液喷洒在网状金属电极上形成液膜,PM2.5颗粒荷电后受到静电力作用向液膜运动,被液膜吸附捕集,而烟气中的水蒸气和氧气被分解成O、OH、O3、HO2等氧化性自由基,将烟气中的SO2和NO氧化成易于吸收的高价态物质,之后被吸收液吸收;反应后的吸收液经过待处理烟气的显热干燥,结晶生成可回收副产物。本发明方法实现了烟气中的PM2.5颗粒、SO2以及NOx的同时脱除并将脱除副产物资源化。

Description

同时脱除烟气中PM2. 5颗粒、SO2和NOx并回收副产物的方法技术领域[0001] 本发明涉及一种烟气处理方法,特别是一种利用湿式脉冲电晕同时脱除烟气中 PM2. 5颗粒、SO2以及NOx并将脱除副产物资源化的方法。背景技术[0002] 我国能源资源的基本特点是富煤、贫油、少气,煤炭资源总量远远超过石油和天然 气资源。我国煤炭在全国一次能源生产和消费中的比例长期占70%以上。2007年,我国能 源消费的总量达到26. 5亿吨标煤,其中煤炭消费量18亿吨标煤,原油消费量3. 4亿吨,天 然气消费673亿立方米。我国正处于重化工阶段和世界工厂的现状,而且产业结构在未来 几十年内发生大调整的可能性较小,能源消耗还会持续上升。根据国际能源机构(IEA)估 计,到2020年,中国一次能源需求在25〜33亿吨标准煤之间,其中煤炭是21〜四亿吨, 石油4. 5〜6. 1亿吨,天然气1453〜16M亿立方米,煤炭在我国一次能源构成中仍将占主 体地位。[0003] 目前,我国对煤的主要利用方式还是以燃烧为主,占煤炭总量的80%。煤炭的直接 燃烧虽然简单廉价,但污染严重。煤炭燃烧排放的粉尘、S02、NOx已经成为我国最大的大气 污染源,排放总量极大。我国70%的烟尘、90%的SOJP 67%的NOx都来自于燃煤。“十一五” 以来的年排放总量都在2500万吨左右的高位运行;而NOx的排放形势更为严峻,2005 年火电行业NOx排放已经超过700万吨。如果政府不采取更强有力的减排措施,NOx的排 放将会持续增长;对烟尘而言,虽然TSP排放呈逐年下降趋势,但对PM2. 5缺乏有效控制手 段,致使PM2. 5的排放从2000年的750万吨逐渐上升到2007年的1000万吨。粉尘、SO2, NOx的大量排放给生态环境和人类健康带来极大威胁。[0004] 目前,静电分离仍然是控制烟气中粉尘的主要手段,电除尘器是烟气除尘中应用 最广的设备之一。静电分离具有效率高,收集效果好等优点。虽然目前使用的静电除尘器 其除尘效率可达99%以上,然而对PM2. 5以下的颗粒却无能为力。这是因为目前静电除尘 器普遍采用直流电源供电和钢极板振打方式。关于供电方式,采用直流供电造成峰值电压 Vp与平均电压Va权差达到30〜50 %,而且与除尘效率直接有关的Vp. Va偏小,使得PM2. 5 的颗粒荷电不充分。关于极板振打,采用振打清灰存在着二个问题:一是振打不能清除粘牢 的粉尘,极板腐蚀严重;二是在振打时间内,粉尘返混严重(达50%),导致电除尘器工作失 效,PM2. 5颗粒的除尘效率大幅降低。[0005] 目前对烟气中SA脱除主要采用湿法烟气脱硫技术(WFGD),占总装机容量的80% 以上,但是典型的WF⑶初期投资和运行成本都很高,而且系统非常复杂;而对NOx的控制, 通常采用空气分级、燃料分级或者低NOx燃烧器等燃烧控制方式,但是燃烧控制技术只能 达到30〜50%的脱硝率,无法满足日后的NOx排放标准,所以需要加装选择性催化还原 烟气脱硝装置(SCR)。但SCR装置的催化剂价格昂贵,且要定期更换,致使运行费用达到 2000 〜3000 元 / 吨 NOx。[0006] 另外,我国煤的综合利用水平较低。煤中所含的S、N等元素大部分转化成了低附 加值的产品。钙基脱硫主要以石膏形式回收S,而SCR脱硝则把NOx最终转化为N2。因此, 开展燃煤烟气污染物脱除过程中S、N等资源的回收利用,对于建设资源节约型社会具有重 要意义。[0007] 烟气污染物控制不仅是环境问题,同时也是技术经济问题。随着烟气中所需控制 的污染物越来越多,污染物排放标准越来越严格,如果我们还是采用“1+1”的方式,对不同 的污染物使用不同的方法逐一脱除,这势必将导致巨大的投资运行成本以及复杂的净化系 统,而且各工艺之间的集成也会遇到诸多困难。并且从循环经济的角度出发,实现烟气污染 物脱除副产物的综合利用,达到污染物脱除和资源回收的有机结合,最终实现环境友好、资 源节约的燃煤烟气污染物控制技术。所以开发烟气中多种污染物同时脱除综合利用技术, 实现一塔多脱,并且实现脱除副产物的资源化,已成为烟气治理的新趋势。发明内容[0008] 本发明提供一种湿式脉冲电晕烟气处理方法,可以同时脱除烟气中PM2. 5颗粒、 SO2以及NOx并可实现脱除副产物的资源化。[0009] 一种同时脱除烟气中PM2. 5颗粒、SO2以及NOx并将脱除副产物的资源化的方法, 将待处理烟气通入脉冲电晕电场,同时喷洒吸收液以净化烟气,所述的脉冲电晕电场由与 负脉冲高压相连的针状电晕线,和环绕针状电晕线与正脉冲电压相连的网状金属电极产 生;所述的吸收液喷洒在网状金属电极上,用于吸收PM2. 5颗粒、SO2和NOx ;反应后的吸收 液经过待处理烟气的显热干燥,结晶生成副产物。[0010] 本发明方法可通过筒式结构的电晕放电反应器实现,反应器中间垂直放置针状电 晕线,反应器内壁设置不锈钢网,并向其喷射吸收液形成液膜作为流水极板;针状电晕线接 负脉冲高压,流水极板接正脉冲高压,在针状电晕线和流水极板之间形成强烈的脉冲电晕, 此时,PM2. 5颗粒在脉冲电场中荷电后受到静电力作用向流水极板运动,进而被水膜吸附捕 集而得到清除;而烟气中的水蒸气和氧气在电晕区被分解成0,0Η,03,Η02等氧化性自由基, 之后这些氧化性自由基把烟气中的SO2和NO氧化成易于吸收的S03、H2S04、N&和HNO3,最终 在流水极板的水膜表面被吸收液吸收,这样就实现了 PM2. 5颗粒、SO2以及NOx在同一反应 器中的同时脱除。随后,吸收后的液体喷入待处理烟气的烟道,通过高温烟气的显热蒸发, 结晶成可利用的工业原料,实现脱除副产物的资源化。[0011] 为了能够在不锈钢网上形成更加均勻液膜,同时尽可能的节省材料,一般选择圆 孔不锈钢网,而且开孔率在50〜60%。另外,过低的PH值将会生成硫酸氢铵,而过高的pH 值会导致氨水的浪费。所以为了获得硫酸铵的副产物,必须控制吸收液的PH值,一般要求 吸收液的PH值在5. 6〜5. 7之间。考虑到吸收后形成的亚硫酸铵容易在高温下分解, 为了获得更高的SO2吸收效果,进入电晕放电反应器的烟气温度需要控制在80°C以下。[0012] 本发明采用流水极板替代金属极板,无需振打清灰装置,不存在极板腐蚀、粘结问 题,从本质上避免了常规电除尘设备粉尘返混率高、净化效果不佳、腐蚀严重等致命问题, 有效改善运行性能,降低反应器钢耗(达40% )。而脉冲供电方式与直流供电方式相比能 够显著提高峰值电压以及自由电子的平均能量和数量,大大促进小颗粒的脱除以及0、0H、 O3等自由基的生成。而0、OH、O3等自由基能有效氧化烟气中的和N0,使之转化为S03、H2SO4, NO2和HNO3,最后在流水极板上的水膜表面上实现高效传质吸收。另外,吸收后的液 体喷入电晕放电反应器前的高温烟道,通过高温烟气的显热蒸发,干燥结晶成可利用的工 业原料,实现脱除副产物的资源化。这样一来,不仅实现了脱除副产物的资源化,而且进入 电晕放电反应器的温度明显降低,大大促进Sh和NOx的氧化吸收脱除效果。[0013] 所述的针状电晕线为外圆周面上设有多组芒刺对的不锈钢圆形管,不锈钢圆形管 的半径和芒刺的长度可根据具体情况加以改变,优选为每组芒刺对的芒刺数量为四个,成 对称分布,芒刺的长度为3〜7mm,四个芒刺的对称分布,能够产生更多的自由基,并使自由 基在反应器截面上的分布更加均勻,有利于污染物的脱除。电晕的产生很大程度上取决于 电极之间的距离,电极间距过大电晕不易稳定且难以产生,而间距过小又使烟气处理量减 小,所以芒刺尖端与流水极板之间的距离最优选择40〜70mm。电晕放电的难易也与电极的 材料有关,一般来说钨、不锈钢以及铜都是较好的电极材料,本发明考虑到烟气中酸性气体 的腐蚀,所以电极采用不锈钢材料。[0014] 本发明方法使用单一技术就解决了烟气中PM2. 5颗粒、SO2以及NOx的同时脱除, 同时可获得硫酸铵资源。大大减少烟气净化的投资运行成本和系统的复杂性,实现烟气污 染物脱除副产物的综合利用,适应烟气净化领域的发展趋势。附图说明[0015] 图1是利用本发明方法对烟气进行处理的一种可实施的工艺流程简图;[0016] 图2是本发明方法中的筒式电晕反应器结构示意图;[0017] 图3是针状电晕线的芒刺分布示意图。[0018] 图中:锅炉1、除尘器2、湿式电晕反应器3、脉冲电源4、碱液出料池5、风机6、烟囱 7、碱液罐8、碱液循环池9 ;高温烟道干燥器10、壳体11、进气口 12、出气口 13、流水极板14、 喷水器15、针状电晕线16、出水口 17、喷水器进水口 18、喷水器出水口 19 ;圆形管20、芒刺 21。具体实施方式[0019] 如图1所示,从锅炉1出来的烟气首先经过除尘器2脱除烟气中的大粒径粉尘,再 进入湿式电晕反应器3进行PM2. 5,SO2和NOx同时脱除反应。湿式电晕反应器采用脉冲高 压电源4,针状电晕线16接负脉冲高压,流水极板14接正脉冲高压。接通脉冲高压电源4 后,针状电晕线和流水极板之间就能形成强烈的电晕放电。同时从喷水器15靠近反应器内 壁的四周溢出氨水,在流水极板上形成一层薄薄的水膜。此时,PM2. 5颗粒在脉冲电场中受 到高能电子撞击后荷电,进而在强电场作用下向流水极板运动,进而被水膜吸附捕集而得 到清除。同时,烟气中的水蒸气和氧气在电晕区被分解成0、0Η、03、Η02等氧化性自由基,之 后这些氧化性自由基把烟气中的和NO氧化成易于吸收的S03、H2SO4, NO2, HNO2和ΗΝ03。 在流水极板表面所形成的水膜能够强化S02、S03、H2S04、N0、N02、HN02和HNO3的吸收,实现和NOx的同时吸收脱除。反应后副产物随吸收液从湿式电晕反应器3底部流出进入碱液出 料池5,碱液出料池5中上层清液由泵打入碱液循环池9。同时为了控制吸收液的pH值由 碱液罐8向碱液循环池9补充新鲜氨水,之后碱液循环池9中的吸收液打入喷水器15进行 湿式吸收。另外,碱液出料池5底部的高浓度吸收液打入高温烟道干燥器10,利用150°C左右高温烟气的显热,蒸发掉水分,形成干燥的副产物晶体,降温后的烟气进入电晕反应器进 行脱除反应。最后,经过湿式电晕反应器净化后的烟气通过引风机6,最后从烟囱7排入大气。[0020] 如图2所示,湿式电晕反应器具有圆筒形壳体11,壳体下端设有进气口 12,壳体上 端设有出气口 13,处理的烟气自下而上流动。壳体内壁紧贴有不锈钢网,壳体上部设置喷水 器15,喷水器15设有两个进水口 18,在喷水器靠近壳体内壁四周均勻开设多个出水口 19, 吸收液就自上而下沿着不锈钢网流动,形成流水极板14。最后吸收液在壳体底部的出水口 17汇集,流入碱液出料池5。壳体中央设置有针状电晕线16,针状电晕线16接电源负脉冲 高压,流水极板14接正脉冲高压,湿式脉冲电晕放电一方面能强化小颗粒捕集,另一方面 也能强化和NO氧化吸收,最终实现了 PM2. 5、SO2已经NOx的同时吸收脱除。[0021] 如图3所示,针状电晕线包括圆形管20,圆形管20的外圆周面上设有多组对称分 布的芒刺21,每组芒刺数量为四个。芒刺的长度为3-7mm。针状电晕线的材料为不锈钢,圆 形管和芒刺的半径以及长度可根据具体情况加以改变。由于芒刺曲率半径很小,和极板之 间容易形成很强的电场,从而引发电晕放电。而且四个芒刺的对称分布,能够产生更多的自 由基,并使自由基在反应器截面上的分布更加均勻,有利于污染物的脱除。[0022] 以pH值为5. 6〜5. 7的氨水作为吸收液,施加30kV脉冲电压,处理烟尘浓度IOmg/ m3, S02浓度IOOOppm和的NOx浓度200ppm的烟气,能同时取得80%以上的PM2. 5颗粒脱 除率,90%以上脱硫率以及80%以上的脱硝率,并可同时回收硫酸铵晶体。

Claims (7)

1. 一种同时脱除烟气中PM2. 5颗粒、SO2和NOx并回收副产物的方法,包括,将待处理 烟气通入脉冲电晕电场,同时喷洒吸收液以净化烟气,最后利用反应后的吸收液回收副产 物,其特征在于:所述的脉冲电晕电场由与负脉冲高压相连的针状电晕线,和环绕针状电晕 线与正脉冲电压相连的网状金属电极产生;所述的吸收液喷洒在网状金属电极上形成流水 极板,用于吸收PM2. 5颗粒、SO2和NOx ;反应后的吸收液经过待处理烟气的显热干燥,结晶, 回收副产物。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于:所述的吸收液为pH值为5. 6〜5. 7的氨水溶液。
3.如权利要求1所述的方法,其特征在于:所述的网状金属电极为开孔率50〜60%的 圆孔不锈钢网。
4.如权利要求1所述的方法,其特征在于:所述的针状电晕线为外圆周面上设有多组 芒刺对的不锈钢圆形管。
5.如权利要求4所述的方法,其特征在于:每组芒刺对包括四个成对分布的芒刺。
6.如权利要求5所述的方法,其特征在于:所述的芒刺尖端与网状金属电极之间的距 离为40〜70mm。
7.如权利要求5所述的方法,其特征在于:所述的芒刺的长度为3〜7mm。
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