CN102430328B - 一种光催化脱除烟气汞的装置及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光催化脱除烟气中气态汞的装置，即采用纳米TiO₂-SiO₂负载在钛丝网纤维上，中间安装UV紫外光源的方法，通过多分支型分段可拆卸双筒管道布置在烟道中，将流通过钛丝网纤维中的烟气气态汞氧化为Hg²⁺，然后通过湿法脱硫设备的石灰浆液而脱除。本发明的一种光催化脱除烟气中气态汞的装置，反应段采用分体连接，拆卸、更换方便，脱除效率在60%以上，经济性良好。同时整个装置具有占用空间小、拆卸更换方便、经济性良好等特点。可应用于电厂烟气脱汞、工业锅炉烟气脱汞、燃煤设备烟气脱汞等相关领域，在环境汞污染治理技术推广与应用方面具有广阔的前景。

Description

一种光催化脱除烟气汞的装置及其应用

技术领域

本发明涉及一种光催化脱除烟气汞的装置及其在电厂烟气、工业锅炉烟气、燃煤设备烟气中进行脱除汞的应用，主要应用于燃煤烟气污染物控制领域，是一种脱汞效率高、操作更换方便、经济成本低的烟气汞脱除装置。

背景技术

    汞是一种广泛存在于环境中的元素，但它不是生物体在生命活动所必须的物质，而且对高等生物具有强烈的毒性。更为可怕的是进入大气圈、水圈和土壤中的汞及其化合物在多数情况下能通过食物链在生物体内富集到很高的浓度。环境中的汞通过动植物的生命活动，向动植物中转移并蓄积，最后进入人体。当人体中汞的积累达到一定程度，就会使人体发生形态学、电生理学和生物化学的改变，危害人的神经系统，造成反应迟钝，严重时产生抽筋、震颤，孕妇、胎儿、婴儿最易受到伤害。各国对汞污染的研究都非常重视。在对汞污染的排放源的研究中，人们发现煤的燃烧是人为汞排放的主要污染源。我国是一个以煤为能源主体的国家，而且我国煤炭中的汞含量明显高于国外煤炭中汞含量的平均水平，随着煤耗的不断增长，环保标准的日益严格，燃煤锅炉烟气中汞的排放正在成为我们面临的一个重要的环境问题，寻找一种高效、低成本的脱汞方法迫在眉睫。本发明就是针对以上问题而设计的。

汞( Hg )是人们熟知的环境污染物，它存在于大气、土壤、水体、岩层中，在生态系统中循环，给人类及生态环境造成极大危害。煤的燃烧是人为汞排放的主要污染源。目前烟气汞脱除方法主要有以下几种：燃烧前脱汞、燃烧中脱汞、燃烧后脱汞。燃烧前脱汞主要采用的方法是洗煤技术以及煤的热处理技术；国内外关于燃烧中脱汞的研究较少，主要是利用改进燃烧方式，在降低NO_x的同时，抑制一部分汞的排放。燃烧后脱汞主要可以分为两个手段：一个手段是通过电厂现有的烟气处理设备对汞进行脱除，另外一个手段就是通过在电厂锅炉炉膛出口尾部烟道喷射吸附剂来进行脱除。从吸附剂的应用来说，活性碳应用最广，但由于其控制汞的成本过高，目前在实际电厂中没有进行很好的推广。钙基类吸附剂虽然可以达到同时脱除硫氧化物和汞的目的，但是其本身的脱除效率并不高，需要采用一定的方法来提高它的脱除效率。新型的吸附剂现有的研究还不多，而且存在着来源的问题。

   目前关于烟气汞脱除方面公开的专利主要有：

1、中国环境科学研究院的王凡、张凡等人的一种烟气脱硫脱汞的方法，专利号CN200910244547.5

2. 华电环保系统工程有限公司、中国华电工程（集团）有限公司的李建浏等人发明的一种燃煤电厂烟气的脱汞方法及其所用的脱汞剂，专利号CN201110030287.9

3. 山西省太原市长治路33号经典家园3号楼2单元1605房的李鹏举发明的一种综合烟气脱硫脱汞脱硝工艺及装置，专利号CN201010585407.7

4. 华北电力大学的赵毅、刘松涛等人发明的锅炉烟气同时脱硫脱硝脱汞的方法及装置，专利号CN200610102077.5

5. 上海交通大学的申哲民、梅志坚等人发明的催化氧化烟气脱汞方法，专利号CN200510024939.2

目前公开的专利中，对于光催化的应用主要在净水与净化空气两方面，它主要是针对空气中的污染物，而对于烟气中汞的光催化装置及方法报道得很少。在目前专门用于烟气脱汞的方法中，工艺比较复杂，成本高昂，目前还没有一种可推广应用的脱汞技术。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述的技术问题而提出了一种光催化脱除烟气汞的装置及其在电厂烟气、工业锅炉烟气、燃煤设备烟气中进行脱除汞的应用。本发明的光催化脱汞装置在燃煤电厂烟气汞脱除方面则表现出明显的优势：成本低廉、脱除效率高、结构简单、操作方便。

    电厂烟气中的气态汞很难在现有脱硫脱硝及除尘设备中被脱除，大部分随烟气进入大气环境中。气态汞可以在大气中存留很长时间，长达0.5~2年之久，伴随着大气运动，由污染源长距离传播，形成区域性污染，乃至参与全球汞循环，给人类健康带来巨大的威胁。汞在大气中主要以干湿两种方式沉降到大地。到目前为止，国内尚未有一种成熟的脱汞技术，最有可能成为脱汞应用技术的烟道吸附剂喷射法也因为其高昂的费用至今尚未采用。如何寻找一种低成本高效率的脱汞方法成为亟需解决的问题。

本发明装置针对烟气气态汞难于脱除，而易在UV紫外线照射下被纳米TiO₂光催化氧化这一特性，设计出一种光催化脱除烟气中气态汞的装置及方法。

本发明的技术原理

一种光催化脱除烟气中气态汞的装置，即采用纳米TiO₂-SiO₂负载在钛丝网纤维上，中间安装UV紫外光源的方法，通过多分支型分段可拆卸双筒管道布置在烟道中，将流通过钛丝网纤维中的烟气气态汞氧化为Hg²⁺，然后通过湿法脱硫设备的石灰浆液而脱除。

为了保证紫外光源正常工作，延长其使用寿命，外加冷却风系统，该冷却风系统包括送风机、冷却风流通管道、引风机。送风机位于烟道外，冷却风流通管道包括烟道外管道和烟道内管道两个部分，它们在烟道通风管进口处连接；送风机将空气送入冷却风流通管道，然后分流进入两个UV灯管防护石英玻璃管内，通过对流换热等方式将UV灯管冷却，以保证其正常工作；经过加热的冷却风由冷却风出口排入大气。同时，该冷却风出口配有温度检测设备，以用来作为调节冷却风机通风量的参考依据。

同时为了保证UV灯管适宜的工作环境温度。在UV灯管外罩一透光性能好的石英玻璃防护管作为冷却风通风风道，由送风机将空气送入石英玻璃防护管内以冷却光源，冷却风由冷却出口送入大气。

该装置在载体末端配有烟气在线检测设备，该检测设备烟气取样口位于反应段下端冷却风入口处，以用来观察烟气汞含量，当发现烟气汞含量超出正常值时，需要进行更换调整载体等操作。

本发明的技术方案

一种光催化脱除烟气中气态汞的装置，包括上、下主烟道，2~5个分别与上、下主烟道连接的上、下分支烟道，每个对应的上、下分支烟道之间分别连有至少为一节的光催化反应段； 

所述的光催化反应段优选为3～5节，各节之间通过连接法兰连接而成为一个整体反应段烟道，光催化反应段的各节长度不宜过长，一般在1.5～2米之间，连接法兰可以方便打开拆分出各个分段，以方便维修。

每节光催化反应段包括光催化反应段烟道壳体管道，2套UV光源系统及UV光源的风冷却系统、负载纳米TiO₂-SiO₂钛丝纤维网；

所述的光催化反应段烟道壳体管道上设有冷却风风道入口及冷却风风道出口；

负载纳米TiO₂-SiO₂钛丝纤维网固定在光催化反应段的UV光源冷却系统的冷却风风道入口及冷却风风道出口之间的光催化反应段烟道壳体管道上，且距与上、下的分支烟道相连接阀门不宜太远，以方便拆卸；所用的负载纳米TiO₂-SiO₂钛丝网的丝径规格可选用丝径在0.1mm左右的钛丝做成的柱状钛丝纤维体置入光催化反应段烟道壳体管道上冷却风风道入口及冷却风风道出口之间。钛丝网纤维不宜过密，以保证烟气的正常流通，装置光催化反应段烟道壳体管道直径及UV光源功率视不同电厂烟气流量特征而定。

UV光源系统主要包括UV灯管、UV灯管防护石英玻璃管，UV灯管导线等，UV灯管及UV灯管导线位于UV灯管防护石英玻璃管内，整个光源系统位于光催化反应段壳体管道内的负载纳米TiO₂-SiO₂钛丝纤维网之中，所述的UV灯管的光辐射强度应该在10 mW/cm²～2×10⁴mW/cm²，功率为3kW～10kW。

所述的光催化反应段设有UV光源的冷却系统，包括送风机、引风机，冷却风送风机送出的空气，与光催化反应段的冷却风入口相连；冷却风引风机与光催化反应段的冷却风出口相连；以保证各UV光源良好的冷却效果。

另外，所述的一种光催化脱除烟气中气态汞的装置还包括烟气汞在线检测装置，该检测设备烟气取样口位于光催化反应段下端的UV光源的风冷却系统的冷却风的入口处，以用来观察烟气汞含量，当发现烟气汞含量超出正常值时，需要进行更换负载纳米TiO₂-SiO₂钛丝纤维网等操作。

所述的一种光催化脱除烟气中气态汞的装置在烟道中的布置应该位于ESP（静电除尘器）与FGD（湿法脱硫装置）之间的烟道某一位置，即烟气温度为120℃~170℃之间的位置，以取得适宜反应温度环境作为布置位置参考，尽量避免粉尘对装置的影响，优选位于ESP后烟气环境参考温度为135℃~150℃左右的位置。

另外，所述的一种光催化脱除烟气中气态汞的装置还包括烟气汞在线检测装置，该检测设备烟气取样口位于光催化反应段下端的UV光源冷却系统的冷却风的入口处。

   上述的一种光催化脱除烟气中气态汞的装置的工作路线如下：

  经过ESP（静电除尘器）除尘装置的烟气由主烟道1通过各上分烟道分别进入相应的光催化反应段中，当烟气在流过负载有纳米TiO₂-SiO₂的柱状钛丝纤维网过程中，在高强度紫外灯的照射下，纳米TiO₂-SiO₂对烟气汞进行了催化氧化，将零价汞氧化为可被湿法脱硫装置吸收的二价汞，完成了烟气气态汞的脱除。脱除零价汞后的烟气由各下分烟道回到主烟道中。

    本发明的有益效果

本发明的一种光催化脱除烟气中气态汞的装置，采用的V型管道分段连接、烟气可通断阀体控制装置，使得主烟道中烟气分流经过左右分支烟道（依据该原理，也可以推广采用3分支、4分支等方式），当某一分支烟道装置需要更换光催化设备或者维修等需要时，可以通过分支烟道的阀体关闭该烟道，让烟气通过另一分支烟道，进而实现在不停机状态下更换设备，具有拆卸、更换方便的特点。

采用的紫外线结合催化载体纳米TiO₂-SiO₂催化氧化烟气中气态汞的方法，使得烟气中气态汞大部分可以被氧化为二价汞，通过湿法脱硫装置，二价汞从烟气中被固定下来，在低成本运行条件下达到脱除烟气汞的目的，光催化氧化烟气中气态汞技术，具有脱除效率高，无二次污染、运行成本低等特点。整个装置具有占用空间小、拆卸更换方便、经济性良好等特点。

另外，由于本发明的一种光催化脱除烟气中气态汞的装置，结构简单、运行费用低、操作方便，可应用于电厂烟气脱汞、工业锅炉烟气脱汞、燃煤设备烟气脱汞等相关领域，在环境汞污染治理技术推广与应用方面具有广阔的前景。

附图说明

图1、光催化脱除烟气汞的装置示意图，其中11 为上主烟道、12为下主烟道、   21 为右上分支烟道 22为右下分支烟道、23为左上分支烟道、24为左上分支烟道、31、32分别为光催化反应段、41为左上分支烟道与光催化反应段31连接所用的截止阀、42为左下分支烟道与光催化反应段31连接所用的截止阀、43为右上分支烟道与光催化反应段32连接所用的截止阀、44为右下分支烟道与光催化反应段32连接所用的截止阀；

图2、光催化反应段31的结构示意图，图中311为渡纳米TiO₂-SiO₂钛丝纤维网、312为光源冷却风通道、313 为UV灯管、314为UV灯源导线、315为冷却风入口风道、316为冷却风出口风道、317为UV灯管石英玻璃防护罩、318为光催化反应段烟道壳体管；

图3、反应段烟道壳体A-A向俯视图。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图对本发明进一步阐述，但并不限制本发明。 

实施例1

一种光催化脱除烟气中气态汞的装置，包括上主烟道，2个分别与主烟道连接的上分支烟道，与上分支烟道数量对应的光催化反应段及下分支烟道。具体如图1所示，包括上主烟道11、左上分支烟道21、右上分支烟道23、光催化反应段31，光催化反应段32，左下分支烟道22，右下分支烟道24，下主烟道12；其中11 为上主烟道、12为下主烟道、21为右上分支烟道 22为右下分支烟道、23为左上分支烟道、24为左上分支烟道、31、32分别为光催化反应段、41为左上分支烟道与光催化反应段31连接所用的法兰截止阀、42为左下分支烟道与光催化反应段31连接所用的法兰截止阀、43为右上分支烟道与光催化反应段32连接所用的法兰截止阀、44为右下分支烟道与光催化反应段32连接所用的法兰截止阀；

所述的直径为40mm的左上分支烟道21、右上分支烟道23的入口分别与直径为80mm的主烟道11相连，左21上分支烟道、右上分支烟道23的出口分别通过连接所用的法兰截止阀41、43与光催化反应段31与32的相连，光催化反应段31与32的另一端亦分别通过连接所用的法兰截止阀42、44与直径分别为40mm的左下分支烟道42、右下分支烟道44的入口相连，左下分支烟道42、右下分支烟道44的出口与直径为80mm的主烟道12相连，其中主烟道11与主烟道12的中心线重合；

所述的光催化反应段32的结构与光催化反应段31相同，以光催化反应段31为例，光催化反应段31为一节，长度为1.5～2米。

所述的光催化反应段31的结构示意图如图2所示，包括光催化反应段烟道壳体管道318，2套UV光源系统及UV光源的风冷却系统、负载纳米TiO₂-SiO₂钛丝纤维网311；

其中311为负载纳米TiO₂-SiO₂钛丝纤维网、312为光源冷却风通道、313为UV灯管、314为灯源导线、315为冷却风风道入口、316为冷却风风道出口、317为UV灯管石英玻璃防护罩、318为光催化反应段烟道壳体管道；

所述的光催化反应段31的A-A方向的俯视图如图3所示，图中311为负载纳米TiO₂-SiO₂钛丝纤维网、312为UV光源冷却风通道、313为UV灯管、315为冷却风风道入口、316为冷却风风道出口、317为UV灯管石英玻璃防护罩、318为光催化反应段烟道壳体管道；

负载纳米TiO₂-SiO₂钛丝纤维网311固定在光催化反应段烟道壳体管道上的冷却风风道入口315及冷却风风道出口316之间；其中所用的负载纳米TiO₂-SiO₂钛丝网311的丝径规格选用丝径在0.1mm左右的钛丝做成的柱状钛丝纤维体；

所述的2套UV光源系统，以其中的一套为例，其中UV灯管313和UV灯管导线314位于UV灯管石英玻璃防护罩317内，UV灯管石英玻璃防护罩317安装在光催化反应段烟道壳体管道318内的负载纳米TiO₂-SiO₂钛丝纤维网311之中；所述的光催化反应段的UV灯管313的光辐射强度15mw/cm²，单节UV灯管功率为1KW；

所述的UV光源的风冷却系统中，冷却风送风机送出的空气，分为两路分别与光催化反应段31及光催化反应段32的冷却风入口相连；冷却风引风机分别与光催化反应段31及光催化反应段32的冷却风出口相连；

以光催化反应段31为例，冷却风送风机送出的空气，通过光催化反应段31的冷却风道入口315进入UV光源冷却风通道312；冷却风引风机将UV光源冷却风通道312产生的热空气经光催化反应段31的冷却风风道出口316抽出，以保证UV光源良好的冷却效果。

另外，所述的一种光催化脱除烟气中气态汞的装置还包括烟气汞在线检测装置，该检测设备烟气取样口位于光催化反应段31下端冷却风道入口处。以用来观察烟气汞含量，当发现烟气汞含量超出正常值时，需要进行更换负载纳米TiO₂-SiO₂钛丝纤维网等操作。

应用实施例1

将实施例1所述的一种光催化脱除烟气中气态汞的装置应用于模拟电厂的烟气中气态汞的脱除应用中，模拟烟气流量为2L/min，模拟烟气温度为135℃，模拟烟气中汞含量为25.0                                                

。

所述的一种光催化脱除烟气中气态汞的装置在烟道中的布置位于ESP（静电除尘器）之后，FGD（湿法脱硫装置）之前的烟气温度为135℃的烟道位置，尽量避免粉尘对装置的影响。

最终模拟烟气经本发明的一种光催化脱除烟气中气态汞的装置后的烟气中的气态汞含量为8.3

，比不使用本发明的光催化脱除烟气中气态汞的装置排放烟气中的气态汞的含量减少了66.8%，因此表明了在模拟电厂实际烟气条件下，该方法对烟气中气态汞具有较好的脱除效果。

    以上所述内容仅为本发明构思下的基本说明，而依据本发明的技术方案所作的任何等效变换，均应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种光催化脱除烟气中气态汞的装置，包括上、下主烟道，其特征在于还包括2~5个分别与上、下主烟道连接的上、下分支烟道，每个对应的上、下分支烟道之间分别连有至少为一节的光催化反应段；

每节光催化反应段包括光催化反应段烟道壳体管道，2套UV光源系统及UV光源的风冷却系统、负载纳米TiO₂-SiO₂钛丝纤维网；所述的光催化反应段烟道壳体管道上设有冷却风风道入口及冷却风风道出口；

负载纳米TiO₂-SiO₂钛丝纤维网固定在光催化反应段的UV光源风冷却系统的冷却风风道入口及冷却风风道出口之间的光催化反应段烟道壳体管道上；所用的负载纳米TiO₂-SiO₂钛丝网的丝径规格为丝径在0.1mm左右的钛丝做成的柱状钛丝纤维体；

每套UV光源系统包括UV灯管、UV灯管防护石英玻璃管，UV灯管导线；UV灯管及UV灯管导线位于UV灯管防护石英玻璃管内，整个UV光源系统位于光催化反应段烟道壳体管道内的负载纳米TiO₂-SiO₂钛丝纤维网之中；

所述的UV灯管的光辐射强度在10mW/cm²～2×10⁴mW/cm²，功率为3 kW～10kW；

所述的光催化反应段的UV光源风冷却系统包括送风机、引风机，送风机送出的空气，与光催化反应段的冷却风风道入口相连；引风机与光催化反应段的冷却风风道出口相连。

2.如权利要求1所述的一种光催化脱除烟气中气态汞的装置，其特征在于所述的上、下分支烟道优选为2个。

3.如权利要求1或2所述的一种光催化脱除烟气中气态汞的装置，其特征在于所述的至少为一节的光催化反应段，各节之间通过法兰连接而成为一个整体光催化反应段，各节长度在1.5～2米之间。

4.如权利要求3所述的一种光催化脱除烟气中气态汞的装置，其特征在于所述的光催化反应段优选为3~5节。

5.如权利要求4所述的一种光催化脱除烟气中气态汞的装置，其特征在于还包括烟气汞在线检测装置，该检测设备烟气取样口位于光催化反应段下端的UV光源冷却系统的冷却风的入口处。

6.如权利要求1或2所述的一种光催化脱除烟气中气态汞的装置在电厂烟气、工业锅炉烟气、燃煤设备烟气中进行脱除汞的应用。

7.如权利要求6所述的一种光催化脱除烟气中气态汞的装置在电厂烟气、工业锅炉烟气、燃煤设备烟气中进行脱除汞的应用，其特征在于其在烟道中位于静电除尘器与湿法脱硫装置之间的烟气温度为120℃~170℃之间的位置。

8.如权利要求7所述的一种光催化脱除烟气中气态汞的装置在电厂烟气、工业锅炉烟气、燃煤设备烟气中进行脱除汞的应用，其特征在于其在烟道中位于静电除尘器与湿法脱硫装置之间的烟气温度为135℃~150℃之间的位置。

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