CN103691280B - 一种基于超声波激发过硫酸钠脱除烟气汞的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于超声波激发过硫酸钠脱除烟气汞的方法及系统，主要设有锅炉、烟气温度调节器、声化学反应器、新液系统以及产物后处理系统。来自锅炉排放的烟气经过烟气温度调节器调温后进入声化学反应器。来自新液系统的过硫酸钠溶液由循环泵通过超细雾化喷头喷入声化学反应器。被雾化的过硫酸钠在超声波的激发作用下释放强氧化性的硫酸根自由基氧化脱除烟气中的汞，反应产物主要是可资源化利用的二价汞离子和硫酸钠，通过添加二价硫离子沉淀分离后即可回收利用。该装置及系统能够高效脱除烟气中的汞，并且脱除过程无二次污染，是一种具有广阔应用前景的新型烟气脱汞装置及系统。

Description

一种基于超声波激发过硫酸钠脱除烟气汞的方法及系统

技术领域

[0001] 本发明涉及燃烧烟气污染物控制领域，具体涉及一种基于超声波激发过硫酸钠脱除烟气汞的方法及系统。

背景技术

[0002] 汞是一种剧毒性和在生物体内易于沉积的重金属痕量元素，对人体健康和生态环境具有极大的危害。联合国环境规划署在发表的一份调查报告中指出，燃煤锅炉是汞排放的最大人为污染源。我国是世界第一大煤炭消费国，能源结构中煤炭的比例高达75%，并且这种格局在今后相当长的一段时间内仍不会有大的改变。随着燃煤污染物大气环保标准的日益严格，预计在不久的将来，燃煤烟气汞污染控制标准的出台将是必然趋势。因此，研究和开发有效的燃煤烟气汞污染控制方法是我国环保科技人员面临的重要任务之一。

[0003] 近年来，国内外学者在研究脱汞新理论和新技术领域做了大量卓有成效的工作。目前，在众多脱汞方法中，吸附剂吸附和湿法洗涤被认为是燃煤烟气脱汞领域的两个最有发展潜力的主流脱汞技术。湿法洗涤脱汞技术中研究最多的是应用现有的湿法烟气脱硫系统联合洗涤脱汞。该技术可以实现较高的Hg2+(g)脱除率，但是对难溶的Hg°(g)没有明显的脱除效果，部分氧化态汞还可能被还原为单质汞。不少学者尝试用一些氧化技术在脱硫塔前将烟气中的Hg° (g)先氧化为Hg2+ (g)，然后再用湿法烟气脱硫系统洗涤脱除Hg2+ (g)。目前研究较多的选择性催化还原(SCR)催化氧化脱汞可实现部分Hg°(g)转化为Hg2+(g)，但脱汞效果受到燃煤组分、催化剂类型、燃烧方式以及燃烧器结构的明显影响，相关催化氧化机理仍不十分清楚。其它氧化技术，例如等离子体氧化、光催化氧化和臭氧氧化等尚处于实验室探索阶段。利用高锰酸钾、过硫酸钾和亚氯酸钠等传统氧化剂在吸收塔中氧化吸收Hg°(g)也取得了良好效果，但也存在吸收剂昂贵或产物成分复杂难处理等不足，相关技术还有待于进一步完善。吸附法主要是通过活性炭或者其它吸附剂吸附烟气中的Hg2+(g)和Hg° (g)，先将其转化为颗粒汞，然后利用现有的除尘设备将其捕获而达到脱汞目的。目前研究较多且技术最成熟的活性炭吸附法具有较高的脱汞效率，但应用成本极高，企业难以承受。其它吸附剂，例如贵金属、金属氧化物、飞灰、活性焦、钙基材料、分子筛以及天然矿物材料等虽然具有潜在的发展前景，但由于在应用成本，脱汞效率，吸附剂稳定性以及吸附机理研究等方面的欠缺与不足，目前还无法获得大规模工业应用。综上所述，目前还没有一种适合于大规模商业化的燃煤烟气脱汞技术。因此，在完善现有脱汞技术的同时，积极开发经济高效的新型燃煤烟气脱汞技术具有重要理论和现实意义。

发明内容

[0004] 本发明公开了一种基于超声波激发过硫酸钠脱除烟气汞的方法及系统，利用超声波激发过硫酸钠分解释放具有强氧化性的硫酸根自由基(S04.)氧化脱除烟气中的汞。反应产物主要是可资源化利用的二价汞离子和硫酸钠，通过添加二价硫离子生成硫化汞沉淀分离后即可回收利用。该装置及系统能够高效脱除烟气中的汞，并且脱除过程无二次污染，是一种具有广阔应用前景的新型烟气脱汞装置及系统。

[0005] 为实现以上目的，本发明采用的实施方案如下:

[0006] —种基于超声波激发过硫酸钠脱除烟气汞的方法，来自锅炉排放的烟气经过烟气温度调节器调温后进入声化学反应器；来自新液系统的过硫酸钠溶液由循环栗通过超细雾化喷嘴由顶部喷入声化学反应器；被雾化的过硫酸钠在超声波的激发作用下释放强氧化性的硫酸根自由基，硫酸根自由基氧化脱除烟气中的汞。硫酸根自由基氧化脱除烟气中的汞的反应产物是二价汞离子和硫酸钠，添加二价硫离子，二价汞离子沉淀，分离。

[0007] 声化学反应器入口的烟气温度不高于60°C，通入声化学反应器的溶液温度也不高于60°C ;声化学反应器内的超声波的有效频率范围为18KHz-60KHz，有效辐射强度为30W/cm2-300ff/cm2。

[0008] 声化学反应器的有效液气比为5L/m3-35L/m3，过硫酸钠的物质的量浓度在0.2mol/L-3.0mol/L之间，溶液的pH位于1.5-9.5之间，溶液温度为10。。-60°C ;来自锅炉烟气中汞的有效入口浓度为0-300 μ g/m3。

[0009] 所述系统包括锅炉、烟气温度调节器、声化学反应器、新液系统以及产物后处理系统；锅炉通过烟道与烟气温度调节器的入口连接，烟气温度调节器的出口与声化学反应器的烟气入口连接，声化学反应器的烟气出口通过烟道与烟囱连通；所述的声化学反应器的顶部设有超细雾化喷嘴，两垂直垂直侧壁设有超声波发射器；声化学反应器的底部的溶液出口与产物后处理系统连接；新液系统中盛有过硫酸钠溶液，新液系统与超细雾化喷嘴连接。

[0010] 声化学反应器截面为矩形或正方形，两个垂直侧面上均设有超声波发射器，且超声波发射器均与声化学反应器两侧面垂直布置。

[0011] 多根超声波发射器在声化学反应器侧面上呈顺排布置；超声波发射器之间的间隔不小于10cm，长度不大于15cm ;多个超声波发射器发射的超声波频率必须保持相同。

[0012] 声化学反应器中的超细雾化喷嘴布置在声化学反应器的顶部，采用顺排布置；超细雾化喷嘴采用的是实心喷嘴，喷雾夹角为45度-90度，喷出的雾滴直径为1微米-10微米；超细雾化喷嘴之间的间隔在20cm-50cm。

[0013] 多个声化学反应器并联构成大型声化学反应器，适应大烟气量处理要求。

[0014] 本发明系统的反应过程原理:

[0015] 1、超声波激发分解过硫酸钠首先是释放了具有强氧化性的硫酸根自由基，具体过程可用如下的化学反应(1)表示:

[0016] S20s2+US — 2S0 4.(1)

[0017] 2、产生的强氧化性的硫酸根自由基可将烟气中的汞氧化脱除:

[0018] S0 4.+Hg°— Hg0+S0 3.(2)

[0019] 3、反应产生的汞可作为工业原料回收利用(例如通过添加二价硫离子产生硫化汞沉淀，分离提纯后即可回收利用)，整个脱汞过程无二次污染。

[0020] 本发明的优点及显著效果:

[0021] 与发明专利201010296592.8相比，本发明采用的过硫酸铵氧化剂的价格与发明专利201010296592.8中采用的双氧水价格相当，但过硫酸铵是固体氧化剂，其在运输和储存安全性以及经济性方面比液体氧化剂具有巨大的优势。以液体过氧化氢(工业级过氧化氢的质量分数一般为27.5%，含有大量的水分)为氧化剂的反应产物的后处理需要耗费大量的能量来浓缩液体，后处理成本大大增加。而本发明所述的一种基于超声波激发分解过硫酸钠的烟气脱汞装置及系统，其最终脱除产物主要是高浓度的汞溶液，后处理成本低。另外，超声波在溶液中的穿透距离远远大于紫外光，单位处理能力更强，反应器体积更加紧凑，因此投资成本低，具有更好的应用前景和开发价值。

附图说明

[0022] 图1 一种基于超声波激发过硫酸钠脱除烟气汞的电子自旋共振(ESR)光普图。

[0023] 图2是本发明系统的工艺流程图。

[0024] 图3是本发明中声化学反应器内超声波发射器和超细雾化喷嘴布置的主视图。

[0025] 图4是本发明中声化学反应器内超声波发射器和超细雾化喷嘴布置的的俯视图。

具体实施方式

[0026] 如图1所示，采用电子自旋共振(ESR)光普仪可测定到系统中产生了硫酸根自由基。

[0027] 如图2所示，来自锅炉1中含有汞的烟气进入烟气温度调节器2，经过温度调节后的烟气进入声化学反应器3。来自新液系统7的过流酸钠溶液由第一循环栗6通过超细雾化喷嘴4喷入声化学反应器3。声化学反应器3内的过硫酸钠在超声波发射器5发射的超声波的激发作用下分解为硫酸根自由基。烟气中的汞与溶液中的硫酸根自由基发生氧化反应并产生二价汞。经过洗涤后的烟气由引风机10牵引进入烟囱11并排入大气。反应后产生的硫酸钠和汞混合溶液由第二循环栗8排入产物后处理系统9，经过一系列后处理后可制备硫酸纳和萊等工业广品。

[0028] 如图3和图4所示，所述的声化学反应器3的顶部设有超细雾化喷嘴4，两垂直垂直侧壁设有超声波发射器5 ;声化学反应器3的底部的溶液出口 F与产物后处理系统连接；新液系统7中盛有过硫酸钠溶液，新液系统7与超细雾化喷嘴4连接，新液系统7通过声化学反应器3的溶液入口 G，与超细雾化喷嘴4连接。带有汞的烟气由烟气入口 Μ进入声化学反应器3，洗涤过的烟气由声化学反应器3的烟气出口 Ν，进入烟囱，排入大气。

[0029] 声化学反应器3的截面为矩形或正方形。

[0030] 多根超声波发射器5在声化学反应器3侧面上呈顺排布置；超声波发射器5之间的间隔为a不小于10cm，长度不大于15cm;多个超声波发射器发射的超声波频率必须保持相同。

[0031] 声化学反应器3中的超细雾化喷嘴4布置在声化学反应器3的顶部，采用顺排布置；超细雾化喷嘴4采用的是实心喷嘴，喷雾夹角为45度-90度，喷出的雾滴直径为1微米-10微米；超细雾化喷嘴之间的间隔为b，b在20cm-50cm。

[0032] 实施例1.烟气中汞的浓度为60yg/m3，烟气温度为35°C，声化学反应器内的溶液温度为40°C，过硫酸钠物质的量浓度为2.0mol/L,液气比为20L/m3，溶液pH为4.5，超声波的频率为20KHz，超声波辐射强度为150W/cm2。在小型实验系统上的试验结果为:烟气中汞的脱除效率达到93.9%。

[0033] 实施例2.烟气中汞的浓度为80 μ g/m3，烟气温度为35°C，声化学反应器内的溶液温度为40°C，过硫酸钠物质的量浓度为1.0mol/L,液气比为20L/m3，溶液pH为4.5，超声波的频率为20KHz，超声波辐射强度为200W/cm2。在小型实验系统上的试验结果为:烟气中汞的脱除效率达到88.1%。

[0034] 实施例3.烟气中汞的浓度为80 μ g/m3，烟气温度为35°C，声化学反应器内的溶液温度为40°C，过硫酸钠物质的量浓度为1.0mol/L,液气比为20L/m3，溶液pH为4.5，超声波的频率为20KHz，超声波辐射强度为lOOW/cm2。在小型实验系统上的试验结果为:烟气中汞的脱除效率达到85.5%。

[0035] 实施例4.烟气中汞的浓度为80 μ g/m3,烟气温度为35°C，声化学反应器内的溶液温度为40 °C，过硫酸钠物质的量浓度为1.0mol/L,液气比为20L/m3，溶液pH为4.5，超声波的频率为20KHz，超声波辐射强度为50W/cm2。在小型实验系统上的试验结果为:烟气中汞的脱除效率达到65.2%。

[0036] 实施例5.烟气中汞的浓度为150 μ g/m3，烟气温度为55°C，声化学反应器内的溶液温度为40 °C，过硫酸钠物质的量浓度为1.5mol/L,液气比为10L/m3，溶液pH为4.5，超声波的频率为20KHz，超声波辐射强度为200W/cm2。在小型实验系统上的试验结果为:烟气中汞的脱除效率达到89.6%。

[0037] 实施例6.烟气中汞的浓度为40 μ g/m3,烟气温度为35°C，声化学反应器内的溶液温度为35°C，过硫酸钠物质的量浓度为2.5mol/L,液气比为20L/m3，溶液pH为4.5，超声波的频率为20KHz，超声波辐射强度为200W/cm2。在小型实验系统上的试验结果为:烟气中汞的脱除效率达到96.8%。

[0038] 经过以上实施例的综合对比可知，实施例1具有最佳的脱汞效果，可作为最佳实施例参照使用。

Claims (3)

1.一种基于超声波激发过硫酸钠脱除烟气汞的方法，其特征在于，来自锅炉排放的烟气经过烟气温度调节器调温后进入声化学反应器；来自新液系统的过硫酸钠溶液由循环栗通过超细雾化喷嘴由顶部喷入声化学反应器；被雾化的过硫酸钠在超声波的激发作用下释放强氧化性的硫酸根自由基，硫酸根自由基氧化脱除烟气中的汞；硫酸根自由基氧化脱除烟气中的汞的反应产物是二价汞离子和硫酸钠，添加二价硫离子与二价汞离子反应后可实现汞的沉淀分离；声化学反应器入口的烟气温度为35°c -60°c，通入声化学反应器的溶液温度为35°C -60°C ;声化学反应器内的超声波的有效频率范围为18KHz-60KHz，有效辐射强度为200W/cm2-300W/cm2;声化学反应器的有效液气比为35L/m 3，过硫酸钠的物质的量浓度为2.5mol/L,溶液的pH位于4.5-9.5之间，溶液温度为10°C -60°C ;来自锅炉烟气中汞的有效入口浓度为0-300 μ g/m3。

2.—种基于超声波激发过硫酸钠脱除烟气汞的系统，其特征在于:所述系统包括锅炉、烟气温度调节器、声化学反应器、新液系统以及产物后处理系统；锅炉通过烟道与烟气温度调节器的入口连接，烟气温度调节器的出口与声化学反应器的烟气入口连接，声化学反应器的烟气出口通过烟道与烟囱连通；所述的声化学反应器的顶部设有超细雾化喷嘴，两垂直侧壁设有超声波发射器；声化学反应器的底部的溶液出口与产物后处理系统连接；新液系统中盛有过硫酸钠溶液，新液系统与超细雾化喷嘴连接；声化学反应器截面为矩形或正方形，两个垂直侧面上均设有超声波发射器，且超声波发射器均与声化学反应器两侧面垂直布置；声化学反应器中的超细雾化喷嘴布置在声化学反应器的顶部，采用顺排布置；超细雾化喷嘴采用的是实心喷嘴，喷雾夹角为45度-90度，喷出的雾滴直径为1微米-10微米；超细雾化喷嘴之间的间隔在20cm-50cm ;多根超声波发射器在声化学反应器侧面上呈顺排布置；超声波发射器之间的间隔不小于10cm，长度不大于15cm ;多个超声波发射器发射的超声波频率必须保持相同。

3.根据权利要求2所述的一种基于超声波激发过硫酸钠脱除烟气汞的系统，其特征在于:多个声化学反应器并联构成大型声化学反应器，适应大烟气量处理要求。