CN102614776B

CN102614776B - 微波诱导催化联合脱硫脱硝脱汞的装置及其方法

Info

Publication number: CN102614776B
Application number: CN201210044587.7A
Authority: CN
Inventors: 吴韬; 赵海涛; 史楷岐; 严洁峰
Original assignee: University of Nottingham Ningbo China
Current assignee: University of Nottingham Ningbo China
Priority date: 2012-02-27
Filing date: 2012-02-27
Publication date: 2014-04-09
Anticipated expiration: 2032-02-27
Also published as: CN102614776A

Abstract

本发明公开了一种微波诱导催化联合脱硫脱硝脱汞的装置及方法，它包括反应器和微波传输及控制装置，它还包括至少三个单模微波源，所述的反应器内至少设有三个带微波馈口的反应腔，所述的各反应腔分别通过微波传输及控制装置与单模微波源连通；所述的各反应腔内还设有与单模微波源微波馈口位置相对的短路活塞，所述的反应腔之间设有可供烟气顺利通过且能有效防止相邻反应腔内单模微波互相干扰的隔断；所述的反应腔内还分别设有主要针对烟气中二氧化硫、氮氧化物、单质汞的氧化还原反应的催化剂/催化剂载体。该装置对电厂烟气污染物联合脱除效率较高、成本低且设备占用空间小。

Description

微波诱导催化联合脱硫脱硝脱汞的装置及其方法

技术领域

本发明属于燃煤发电厂烟气综合处理领域，具体涉及微波诱导催化联合脱硫脱硝脱汞的装置及其方法。

背景技术

与世界大多数国家相比，我国是一个“富煤、贫油、少气”的能源消费大国。目前煤炭占一次能源生产和消费的70%左右，在未来30～50年内，我国以煤为主的能源结构不会发生根本性改变。截止到2010年底，我国火力发电装机容量占总发电装机量的73.7%，发电能力装机容量大约为7亿千瓦。燃煤电厂在生产电力的同时也排放了大量的污染物，主要包括SO₂、NOx等气体污染物和汞(Hg)等重金属污染物。这些污染物对环境和生态的影响非常严重。长期以来，燃煤电厂SO₂、NOx和Hg的排放控制一直是世界能源利用和环境控制问题的焦点。随着我国日益严格的环保要求，国家出台新标准后，火电行业烟气污染物排放将受到更加严格的法律约束。因此，高效而且经济的脱硫脱硝脱汞的装置及其方法有很好的应用前景。另外，为了降低燃煤烟气净化设备的投资运行费用，简化设备进而缩小占地面积，开发烟气中主要污染物的联合脱除新技术、新装置已成为烟气净化的一种趋势。

现有技术中对联合脱硫脱硝脱汞的研究一般采用的是电催化反应器，如一种现有技术的燃煤烟气脱硫脱硝脱汞的联合装置及方法，采用电催化氧化器、氧化塔结构，采用催化剂和氧化还原反应脱除烟气中的SO₂、NOx和单质Hg。另一种现有技术超声波一体化脱硫脱硝脱汞方法及装置利用超声波在反应液中产生空化效应时释放出的具有强氧化性的羟基自由基OH^－与SO₂、NOx和Hg发生氧化脱除反应达到脱硫脱硝脱汞的目的。现有技术存在的缺点是脱除效率和能量利用率较低。

随着微波技术的发展，由于微波作为加热源对于催化剂/催化剂载体有选择性加热的功能，某些催化剂活性组分能够吸收微波迅速升温，某些催化剂载体则对微波透明而不吸收微波，匹配良好的催化活性组分及载体在微波作用下，在催化剂活性点位达到较佳反应转化率和选择性的温度条件下，主体反应温度较低，从而实现较高的能量利用率。近些年国内开始了将微波技术应用于脱硫脱硝的方法和装置中。如一种现有技术用微波辐射含硫、氮化合物的烟气通过的活性碳芯，活性很高的碳原子可以顺利将SO₂、NOx还原变成游离的硫磺和氮气。另一种现有技术在每立方米活性炭中加入10 kg～30 kg 的CuCl催化剂，利用微波选择性加热性能，降低了脱硫脱硝反应温度的同时也减少了活性炭的损失。还有一种现有技术发明了由微波装置提供反应所需的热源，采用金属和金属氧化物或纳米材料作为烟气脱硫脱硝的敏化剂，该烟气净化产物为硫磺和氮气。还有一种现有技术选用氧化锰、二氧化锰、氧化铁、氧化铜中的一种或二种作为催化剂的活性组分，选用活性炭、氧化铝、硅藻土、粉煤灰中的一种或多种作为催化剂的载体，将烟气用微波加热至150℃，其脱硫率可达95%，脱硝率可达87%。在这个发明的基础上，还有一种现有技术发明了一种含五氧化二钒、二氧化钛和活性碳作为吸微波催化剂应用在微波辐射净化烟气的方法。

现有技术的脱硫脱硝脱汞装置存在的缺点是：一类现有技术的脱硫脱硝脱汞装置氧化还原反应在一个反应腔中内完成，采用同样的催化剂，容易造成SO₂、NOx和Hg中的一种或多种脱除不充分，联合脱除效率较低；另一类现有技术的脱硫脱硝脱汞装置采用多个反应设备，分别针对SO₂、NOx和Hg设置催化剂单项脱除，导致成本高且设备占用空间大。

现有脱硫脱硝脱汞的方法存在的缺点是：现有技术大都集中在脱硫脱硝的方法研究中，采用电能、超声波等作为热源，不仅选择加热性差、催化剂升温慢导致反应速度较慢和能量利用率低，且在一个反应腔内脱硫脱硝脱汞容易造成SO₂、NOx和Hg中的一种或多种脱除不充分，联合脱除效率较低。而在现有公开的专利、杂志和学术期刊上，利用微波脱硫脱硝的方法研究基本都采用多模微波作为热源，没有见到使用单模微波诱导催化联合脱硫脱硝脱汞的方法的研究，而多模微波相对单模微波来说功率较低、均匀性差。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种电厂烟气污染物联合脱除效率较高、成本低且设备占用空间小的微波诱导催化联合脱硫脱硝脱汞的装置。

本发明的技术解决方案是，提供一种微波诱导催化联合脱硫脱硝脱汞的装置，它包括反应器和微波传输及控制装置，它还包括至少三个单模微波源，所述的反应器内至少设有三个带微波馈口的反应腔，所述的各反应腔分别通过微波传输及控制装置与单模微波源连通；所述的各反应腔内还设有与单模微波源微波馈口位置相对的短路活塞，所述的反应腔之间设有可供烟气顺利通过且能有效防止相邻反应腔内单模微波互相干扰的隔断；所述的反应腔内还分别设有主要针对烟气中二氧化硫、氮氧化物、单质汞的氧化还原反应的催化剂/催化剂载体。

采用以上结构后，本发明的微波诱导催化联合脱硫脱硝脱汞的装置与现有技术相比，具有以下优点：

由于本发明的微波诱导催化联合脱硫脱硝脱汞的装置，采用一个反应器，所述的反应器内至少设有三个反应腔，所述的反应腔内分别设有针对烟气中二氧化硫、氮氧化物、汞的氧化还原反应的催化剂/催化剂载体，针对二氧化硫、氮氧化物、单质汞的单项脱除能力较强，且兼顾其他污染物的协同脱除；烟气依序通过各反应腔，如从左至右的顺序通过各反应腔，前一个反应腔中未来得及反应的二氧化硫、氮氧化物、单质汞在后一个反应腔中能继续被还原或者被氧化生成易于被脱除的物质而除去；每一独立的反应腔主要针对二氧化硫、氮氧化物和单质汞中的一种进行脱除，同时也能协同脱除另外两种中的一种或两种，如主要脱除二氧化硫的反应腔也能辅助脱除部分的氮氧化物和单质汞，从而实现对二氧化硫、氮氧化物、单质汞的联合脱除且联合脱除效率高；采用一个反应器就能达到联合脱硫脱硝脱汞的目的，节省了设备投资和空间，相比多个反应器，成本低且设备占用空间小。

作为本发明的一种改进，所述的短路活塞为轴向可移动式活塞，所述的短路活塞的轴心位置与相对应的微波馈口轴心位置之间的距离为所使用微波波长的0～0.75倍，通过调节短路活塞与单模微波谐振腔中心位置的距离，调节单模微波谐振腔中微波能量场的分布。

作为本发明的另一种改进，所述的反应腔之间的隔断为耐腐蚀金属材料制作而成的多孔状隔断。所述的多孔状隔断可以有效地降低烟气通过时的压力降，且避免相邻反应腔中微波的相互干扰。

作为优选，所述的隔断的厚度为单模微波源波长的0.25～0.75倍。

作为本发明的还有一种改进，所述的催化剂/催化剂载体为立体蜂窝状的催化剂/催化剂载体，立体蜂窝状可以增大催化剂/催化剂载体与烟气的接触面积，减小反应器内压力降。所使用催化剂载体对微波能量不吸收或者吸收能力极低。

本发明要解决的另一技术问题是，提供一种采用以上微波诱导催化联合脱硫脱硝脱汞装置的方法，该方法采用单模微波作为热源、联合脱硫脱硝脱汞且联合脱除效率较高。

本发明的技术解决方案是，提供一种微波诱导催化联合脱硫脱硝脱汞的方法，采用单模微波源作为反应器内各反应腔的热源并在各反应腔内形成单模微波谐振腔，所述的反应器内至少有三个单模微波谐振腔，所述的单模微波谐振腔内分别设有针对脱除烟气中二氧化硫、氮氧化物、单质汞的氧化还原反应的催化剂/催化剂载体；除尘后的烟气从反应器入口导入，所述的烟气依序通过反应器内的各反应腔，所述的反应腔内有单模微波谐振腔，烟气中的二氧化硫、硝氧化物和单质汞在单模微波谐振腔内的催化剂作用下发生氧化还原反应并生成惰性物质或易被脱除的物质，实现二氧化硫、硝氧化物和单质汞联合脱除后的烟气从反应器出口排出。

采用以上方法后，本发明的微波诱导催化联合脱硫脱硝脱汞的方法具有以下优点：

本发明的微波诱导催化联合脱硫脱硝脱汞的方法采用单模微波源作为反应器内各反应腔的热源有强化催化的作用，且在各反应腔内形成单模微波谐振腔，所述的单模微波谐振腔内分别设有主要针对脱除烟气中二氧化硫、氮氧化物、单质汞的氧化还原反应设置催化剂/催化剂载体，所述的单模微波谐振腔是在反应腔单模微波源作用下形成的具有高度能量分布均匀性、较高功率密度能量场，所述的催化剂活性组分在吸收单模微波谐振腔内的微波能量而实现局部温度升高，活性增强进而在强化反应腔内选择性催化氧化还原反应过程，提高二氧化硫、氮氧化物、单质汞等的脱除效率，如针对二氧化硫设置的反应腔能脱除绝大部分的二氧化硫；所述的烟气通过各反应腔后将实现SO₂被还原为硫单质、NOx被还原为N₂、单质汞被氧化为Hg²⁺在后续工段中脱除，从而达到在同一反应器中硫氧化物、氮氧化物、单质汞联合脱除的目的，通过三个反应腔的整合，在前一个反应腔中未来得及完全反应的SO₂、NOx或单质汞在后一个反应腔中能继续被还原或者被氧化而脱除，如前一个反应腔采用的催化剂为钒与钨的氧化物，强化催化还原脱硝，辅助脱硫脱汞；后一个反应腔采用钌的氧化物做催化剂，强化催化还原脱硫，辅助脱硫脱汞；也就是说前一个反应腔未脱除的NOx，在后一个反应腔中还能继续被被催化还原为N₂而去除，通过三个反应腔的整合，实现高效率联合脱除硫氧化物、氮氧化物和单质汞等的目的。

作为优选，所述的催化剂/催化剂载体中的催化剂活性组分分别为钒、钨、钼、锰、钌的氧化物中的一种或多种。针对烟气中的氮氧化物、硫氧化物和汞的催化剂的主要活性组分分别为钒、钨、锰、钌的氧化物，所述的钒、钨、锰、钌的氧化物对微波均具有很好的吸收能力。所述的钒的氧化物有利于将NOx还原为N₂，有利于将Hg氧化为易于处理的Hg²⁺，且抗SO₂中毒能力强，吸收微波能力较强，活化温度也较低；钨的氧化物有助于抑制SO₂向SO₃的转化而促使其转化为硫单质；催化剂Ru具有很强的脱硫能力；锰的氧化物具有催化还原作用。所述的烟气依序通过分别装填含有一种或者多种上述金属氧化物的催化剂的反应腔，先除氮氧化物，在催化剂作用下将氮氧化物还原转化为N₂，SO₂还原为硫单质，脱汞一般放在最后，前面SO₂生成的硫单质基本被去除，不容易在脱汞时产生H₂S。

作为优选，所述的各反应腔的温度为200℃-450℃，在这个温度范围内脱除效率较高。

附图说明

图1所示是本发明的微波诱导催化联合脱硫脱硝脱汞的装置的结构示意图。

图2所示是图1中反应器的结构示意图。

图中所示：1、反应器，1.1、第一级反应腔，1.2、第二级反应腔，1.3、第三级反应腔， 2、微波传输及控制装置，3、微波馈口，4、催化剂/催化剂载体，5、隔断，6、短路活塞，7、单模微波源，8、参量监测孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

请参照图1和图2所示，本发明的微波诱导催化联合脱硫脱硝脱汞的装置，它包括反应器1和微波传输及控制装置2，它还包括至少三个单模微波源7，所述的反应器1内至少设有三个带微波馈口3的反应腔，所述的各反应腔分别通过微波传输及控制装置2与单模微波源7连通；所述的各反应腔内还设有与单模微波源7微波馈口3位置相对的短路活塞6，所述的反应腔之间设有可供烟气顺利通过且能有效防止相邻反应腔内单模微波互相干扰的隔断5；所述的反应腔内还分别设有主要针对烟气中二氧化硫、氮氧化物、单质汞的氧化还原反应的催化剂/催化剂载体4。

在本实施例中，所述的反应器1为横向放置，所述的反应器1内从左至右依次设有针对脱硝的第一级反应腔1.1、针对脱硫的第二级反应腔1.2、针对脱汞的第三级反应腔1.3这三个反应腔。实际应用时可以根据烟气中的二氧化硫、氮氧化物、单质汞各成分浓度不同而增设反应腔，如原料煤中的硫含量较高，必然导致烟气中二氧化硫浓度较高，本发明的反应器可以在第二级反应腔1.2和第三级反应腔1.3之间加设一个或多个第二级反应腔1.2；若烟气中二氧化硫和氮氧化物浓度都很高，可以设置两个或以上第一级反应腔1.1、两个或以上第二级反应腔1.2和一个第三级反应腔1.3。所述的微波传输及控制装置2中的微波传输一般采用波导，所述的波导是由引导电磁波的一组物质边界或构件制成的传输通道。

所述的短路活塞6为可移动式短路活塞6,所述的短路活塞6的轴心位置与相对应的微波馈口3轴心位置之间的距离为所使用微波波长的0～0.75倍。所述的可移动式短路活塞6可以相对微波反应器中心位置上下移动而调整所在反应腔内的单模微波谐振腔能量场分布，如向上移动，使得最大波峰值出现的位置上移，从而影响催化剂的温度场的分布。短路活塞6的轴心位置与微波馈口3中心位置的相对距离X根据不同催化剂和所采用的单模微波源７的波长λ来确定，其绝对值为0<X<0.75λ。通过不同X值的采用，达到控制微波谐振腔中微波场分布的目的。

所述的单模微波谐振腔是在单模微波源7作用下反应腔中形成的特定的、具有高度能量分布的能量场，所述的单模微波谐振腔对于催化剂活性组分有选择性加热的功能，催化剂活性组分吸收微波能量而迅速升温，催化剂载体则不吸收或者吸收剂少量的微波而温度升高缓慢，从而提高能量利用率。

所述的反应腔之间的隔断5为耐腐蚀金属材料制作而成的的多孔状隔断5。所述的耐腐蚀金属材料如钒、钨等。所述的隔断5可供烟气顺利通过且能有效防止相邻反应腔内单模微波互相干扰是指所述的反应腔之间设置隔断5，隔断上设有多个孔，烟气能顺利通过隔断进入下一个反应腔；并且能有效地防止不同反应腔中微波的相互干扰，从而提高相邻反应腔能量场分布的可控性。

所述的隔断5的厚度为单模微波源7波长的0.25～0.75倍。

所述的催化剂/催化剂载体4为立体蜂窝状的催化剂/催化剂载体4。

采用以上装置的微波诱导催化联合脱硫脱硝脱汞的方法采用单模微波源作为反应器1内各反应腔的热源并在各反应腔内形成单模微波谐振腔，所述的反应器1内至少有三个单模微波谐振腔，所述的单模微波谐振腔内分别设有针对脱除烟气中二氧化硫、氮氧化物、单质汞的氧化还原反应的催化剂/催化剂载体4；除尘后的烟气从反应器1入口导入，所述的烟气依序通过反应器1内的各反应腔，所述的反应腔内有单模微波谐振腔，烟气中的二氧化硫、硝氧化物和单质汞在单模微波谐振腔内的催化剂作用下发生氧化还原反应并生成惰性物质或易被脱除的物质，实现二氧化硫、硝氧化物和单质汞联合脱除后的烟气从反应器1出口排出。

所述的催化剂/催化剂载体4中的催化剂活性组分分别为钒、钨、钼、锰、钌的氧化物中的一种或多种。本实施例中采用V₂O₅作为催化剂活性组分。

所述的各反应腔的温度为200℃～450℃。

最后从第三级反应腔1.3出来的烟气由反应器1出口排出，通过检测反应器1进口和出口烟气中二氧化硫、氮氧化物和汞的含量，脱硫效率>95%，脱硝效率>90%，脱汞效率>94%。

以上为本发明的具体实施方式，本发明不限于以上具体实施方式，还可做多种变化，如所述的反应器1的各反应腔上还设有方便检测烟气中各成分含量的参量监测孔8，所述的催化剂/催化剂载体4为其它规则形状等，都在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种微波诱导催化联合脱硫脱硝脱汞的装置，它包括反应器（1）和微波传输及控制装置（2），其特征在于：它还包括至少三个单模微波源（7），所述的反应器（1）内至少设有三个带微波馈口（3）的反应腔，所述的各反应腔分别通过微波传输及控制装置（2）与单模微波源（7）连通；所述的各反应腔内还设有与单模微波源（7）微波馈口（3）位置相对的短路活塞（6），所述的反应腔之间设有可供烟气顺利通过且能有效防止相邻反应腔内单模微波互相干扰的隔断（5）；所述的反应腔内还分别设有主要针对烟气中二氧化硫、氮氧化物、单质汞的氧化还原反应的催化剂/催化剂载体（4）；

所述的短路活塞（6）为可移动式短路活塞（6）,所述的短路活塞（6）的轴心位置与相对应的微波馈口（3）轴心位置之间的距离为所使用微波波长的0～0.75倍。

2.根据权利要求1所述的微波诱导催化联合脱硫脱硝脱汞的装置，其特征在于：所述的反应腔之间的隔断（5）为耐腐蚀金属材料制作而成的多孔状隔断（5）。

3.根据权利要求2所述的微波诱导催化联合脱硫脱硝脱汞的装置，其特征在于：所述的隔断（5）的厚度为单模微波源（7）波长的0.25～0.75倍。

4.根据权利要求1所述的微波诱导催化联合脱硫脱硝脱汞的装置，其特征在于：所述的催化剂/催化剂载体（4）为立体蜂窝状的催化剂/催化剂载体（4）。

5.一种运用权利要求1所述的装置进行微波诱导催化联合脱硫脱硝脱汞的方法,其特征在于：采用单模微波源作为反应器（1）内各反应腔的热源并在各反应腔内形成单模微波谐振腔，所述的反应器（1）内至少有三个单模微波谐振腔，所述的单模微波谐振腔内分别设有针对脱除烟气中二氧化硫、氮氧化物、单质汞的催化剂/催化剂载体（4）；除尘后的烟气从反应器（1）入口导入，所述的烟气依序通过反应器（1）内的各反应腔，所述的反应腔内有单模微波谐振腔，烟气中的二氧化硫、氮氧化物和单质汞在单模微波谐振腔内的催化剂作用下发生氧化还原反应并生成惰性物质或易被脱除的物质，实现二氧化硫、氮氧化物和单质汞联合脱除后的烟气从反应器（1）出口排出。

6.根据权利要求5所述的微波诱导催化联合脱硫脱硝脱汞的方法，其特征在于：所述的催化剂/催化剂载体（4）中的活性组分为钒、钨、钼、锰、钌的氧化物中的一种或多种。

7.根据权利要求5所述的微波诱导催化联合脱硫脱硝脱汞的方法，其特征在于：所述的各反应腔的温度为200℃～450℃。