CN104785077B - 一种基于光化学上下对喷雾化床的硫化氢脱除方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光解过氧化物的上下对喷雾化床硫化氢脱除方法。主要设有排放源、风机、除尘器、烟气冷却器、上下对喷雾化床、循环泵一和循环泵二、填料层、紫外灯管、雾化喷嘴、除雾器、储液箱以及产物后处理系统。来自排放源的硫化氢与紫外光分解过氧化物产生的硫酸根和羟基自由基反应产生可资源化利用的硫酸溶液。该系统能够高效脱除烟气中的硫化氢，且脱除产物可实现资源化利用，无二次污染，是一种具有广阔应用前景的新型烟气净化系统。
Description
技术领域
本发明涉及大气污染控制领域，具体涉及一种光解过氧化物的上下对喷雾化床硫化氢脱除方法。
背景技术
硫化氢是一种高刺激性的剧毒气体，是大气污染物之一。在有氧和湿热条件下，硫化氢不仅会引起设备腐蚀和催化剂中毒，还会严重威胁人身安全。随着经济的快速发展和人们环保意识的提高，工业废气中硫化氢脱除问题越来越受到人们的关注。同时国家也制定了相应的法律法规对硫化氢的排放作了严格的限制。研究开发硫化氢的高效脱除技术已成为世界各国关注的热点问题。在过去的几十年中，国内外研究人员对废气中硫化氢脱除问题作了大量的研究并开发了许多硫化氢脱除方法。按照脱除过程的干湿形态，废气硫化氢脱除方法大体可分为干法和湿法两大类。干法是利用硫化氢的还原性和可燃性，以固定氧化剂或吸收剂来脱硫或直接燃烧。该方法包括克劳斯法、不可再生的固定床吸附法、膜分离法、分子筛法、变压吸附(PSA)法、低温分离法等。所用脱硫剂、催化剂主要有活性炭、氧化铁、氧化锌、二氧化锰及铝矾土等，一般可回收硫磺、二氧化硫、硫酸和硫酸盐等资源。干法脱除工艺效率较高、但存在设备投资大、脱硫剂需间歇再生和硫容量低等不足，一般适于气体的精细脱硫。克劳斯法虽然可以用于高浓度硫化氢的脱除，但存在脱除效率差等不足。
湿法脱除技术按照脱除机理可以分为化学吸收法、物理吸收法、物理化学吸收法和湿式氧化法。化学吸收法是利用硫化氢与化学溶剂之间发生的可逆反应来脱除硫化氢。常用方法包括胺法、热碳酸盐法和氨法等。物理吸收法是利用不同组分在特定溶剂中溶解度差异而脱除硫化氢，然后通过降压闪蒸等措施析出硫化氢而再生吸收剂。常用的物理溶剂法包括低温甲醇法、聚乙二醇二甲醚法、N-甲基吡咯烷酮法等。物理化学吸收法是将物理溶剂和化学溶剂混合，使其兼有两种溶剂的特性，其典型代表为砜胺法。湿式氧化法是指采用氧化剂将硫化氢氧化为单质硫或硫酸溶液进行回收。根据氧化机理的不同，湿式氧化法主要可分为以铁基、钒基等为代表的催化氧化法和以双氧水、高锰酸钾等为代表的直接氧化法。目前，硫化氢湿法脱除工艺也存在很多问题，例如新合成的各种有机吸收剂或氧化剂价格高﹑性能不稳定﹑甚至还具有毒性。高锰酸钾等氧化剂反应过程会产生复杂的副产物，导致产物利用困难。双氧水等氧化剂虽然洁净环保，但氧化效率低，导致脱除效率无法满足日益严格的环保要求。综上所述，目前还没有一种稳定可靠﹑经济高效，且适合于中低浓度废气硫化氢脱除的工艺。因此，在完善现有脱除技术的同时，积极开发经济高效的新型废气硫化氢脱除技术具有重要理论和现实意义。
发明内容
本发明涉及一种基于光化学上下对喷雾化床的硫化氢脱除方法，来自排放源的硫化氢与紫外光分解过氧化物产生的硫酸根和羟基自由基反应产生可资源化利用的硫酸溶液。该系统能够高效脱除烟气中的硫化氢，且脱除产物可实现资源化利用，无二次污染，是一种具有广阔应用前景的新型烟气净化系统。
本发明脱除硫化氢方法的原理及反应过程如下：
1﹑由图1所示，采用电子自旋共振(ESR)仪可测定到系统中产生了硫酸根自由基和羟基自由基。因此，光辐射过氧化物首先是释放了具有强氧化性的硫酸根自由基和羟基自由基，具体过程可用如下的化学反应(1)-(5)表示：
H2O2+UV→2·OH (1)
S2O8 2-+UV→2SO- 4· (2)
O3+UV→·O+O2 (3)
H2O2→HO- 2+H+ (4)
O3+HO- 2→·OH+O- 2+O2 (5)
·O+H2O2→·OH+HO2· (6)
2、产生的强氧化性的硫酸根和羟基自由基可将烟气中的硫化氢氧化脱除，具体过程可用如下的化学反应(7)-(8)表示：
2·OH+H2S→H2SO4+H2O (7)
2SO- 4·+H2S→2H2SO4+other products (8)
3、反应产生的硫酸溶液可作为工业原料回收利用。例如，可通过添加氨中和硫酸产生硫酸铵溶液，利用锅炉烟气余热蒸发结晶后获得可用于农业肥料的固态硫酸铵，整个脱汞过程无二次污染。
为实现以上目的，本发明采用的实施方案如下：
一种基于光化学上下对喷雾化床的硫化氢脱除方法，排放源的烟气经过风机引入除尘器，经除尘器除尘后进入烟气冷却器，经过烟气冷却器降温后，经填料层布风后由上下对喷雾化床的底部进入。发明人经过系统的实验和检测分析后发现，烟气中硫化氢的含量太高将导致脱除效率大幅度下降，尾部未被吸收的硫化氢逃逸量大幅度增加，容易造成严重的二次污染物，故经过研究后发现，烟气中硫化氢含量不高于2000ppm。
由于上下对喷雾化床的烟气入口温度过高会导致过氧化物发生提前自分解而浪费昂贵的氧化剂，但如果温度太低又将导致化学反应速率降低，进而影响脱除效率。发明人的研究发现，上下对喷雾化床的最佳烟气入口温度为20-70℃。液气比过低，污染物的脱除效率太低，无法满足环保要求，但液气比设置的太高，循环泵的功率过大会导致系统的能耗大大增加。发明人的研究发现，有效液气比为0.1-3.0L/m3。
储液箱通过循环泵一将储液箱内的过氧化物溶液由雾化喷嘴雾化后喷入上下对喷雾化床，反应后的过氧化物溶液经过循环泵二引入储液箱循环利用，过氧化物浓度太低无法释放充足的自由基氧化脱除污染物，但一次投放太高浓度的过氧化物会导致额外的自分解和副反应，自分解会导致过氧化物氧化剂消耗严重，增加运行成本，副反应会导致反应产物中产生各种有害成分，影响最终产物的循环利用。经过发明人的实验和检测分析后发现，过氧化物的最佳浓度为0.1mol/L-3.5mol/L。
过氧化物溶液的pH太高会导致过氧化物加速自分解而消耗，增加应用成本，但pH过低时会抑制化学吸收平衡，导致污染物脱除效率保持在低水平，无法满足环保指标。发明人经过系统的实验研究﹑理论研究和检测分析后发现，溶液的pH位于1.0-9.5之间。溶液温度过高会导致过氧化物发生提前自分解浪费氧化剂，但如果温度过低则会降低化学反应速率，从而降低污染物脱除效率。20-70℃是发明人根据正交实验和综合分析后获得的最佳溶液温度。
所述的上下对喷雾化床的雾化喷嘴相对设置，雾化的过氧化物溶液喷射撞击，所述相对设置的雾化喷嘴中间设有紫外灯管，紫外灯发射的紫外光激化过氧化物产生羟基自由基，氧化烟气中的硫化氢。发明人采用电子自旋共振技术检测后发现，紫外光有效辐射强度设置的太低将无法生成足够浓度的自由基氧化脱除污染物，但紫外光辐射强度太高将会导致系统的能耗大幅度提高，降低系统的经济性。因此，紫外光的有效辐射强度为10μW/cm2-300μW/cm2。紫外线有效波长如果选择太短，则紫外光在反应器内的传播距离太短，单位功率下的污染物处理量大大降低，无法满足基本的处理要求，但紫外光波长如果选择的太长，紫外光子的能量将明显降低，低能量的紫外光子无法破坏过氧化物的分子键，从而无法产生足够浓度的自由基氧化脱除污染物。经过综合的检测分析后发现，紫外线有效波长为150nm-365nm。
经过净化的烟气由上下对喷雾化床的顶部烟气出口排出；反应后产生的反应产物由上下对喷雾化床的产物出口d通入产物后处理系统；反应产物由上下对喷雾化床的产物出口d通入产物后处理系统实现可资源化利用；通过添加氨中和后产生硫酸铵农业肥料回收利用。
优选的技术参数，烟气中的硫化氢浓度为500ppm，上下对喷雾化床的烟气入口温度为55℃，液气比为1.0L/m3，过硫酸铵浓度为1.0mol/L，溶液pH为3.5，溶液温度为50℃，紫外光有效辐射强度为40μW/cm2，紫外线有效波长为254nm。
优选的技术参数，烟气中的硫化氢浓度为500ppm，上下对喷雾化床的烟气入口温度为55℃，液气比为0.5L/m3，过硫酸铵浓度为0.5mol/L，溶液pH为3.5，溶液温度为50℃，紫外光有效辐射强度为40μW/cm2，紫外线有效波长为254nm。
优选的技术参数，烟气中的硫化氢浓度为1000ppm，上下对喷雾化床的烟气入口温度为55℃，液气比为0.5L/m3，双氧水浓度为0.5mol/L，溶液pH为3.5，溶液温度为50℃，紫外光有效辐射强度为40μW/cm2，紫外线有效波长为254nm。
一种光解过氧化物的上下对喷雾化床硫化氢脱除方法所基于的系统，所述系统设有排放源、风机、除尘器、烟气冷却器、上下对喷雾化床、循环泵一和循环泵二、储液箱以及产物后处理系统；所述上下对喷雾化床自上而下依次设有烟气出口、除雾器、雾化喷嘴、紫外灯管、填料层以及底部出口；排放源通过烟道连接除尘器入口，除尘器的出口连接烟气冷却器的入口，所述烟气冷却器的出口连接上下对喷雾化床的底部，所述储液箱通过管道进入上下对喷雾化床内，所述管道上设有至少一组上下对称的雾化喷嘴；所述上下对喷雾化床内上下对称的雾化喷嘴之间设有紫外灯管排。
上下对喷雾化床的截面为正方形或矩形，内部设有一组以上的紫外灯管排，每组紫外灯管排上下均设有雾化喷嘴。紫外灯管排上部的雾化喷嘴向下喷溶液，紫外灯管排下部的雾化喷嘴向上喷溶液。雾化喷嘴喷出的溶液粒径不大于20微米。相邻两组紫外灯管排之间的距离A位于10cm-50cm之间。紫外灯管排中相邻两根紫外灯管的间距B位于2cm-50cm之间，以达到最佳的光辐射效果。紫外灯管一端(右端)插入后固定在上下对喷雾化床壁中，另一端(左端)穿过上下对喷雾化床壁面后预留1cm以上便于紫外灯管更换和维修。每组紫外灯管排垂直方向(上下方向)上布置的最佳紫外灯管数目是5-10跟，水平方向布置的最佳紫外灯管数目可由上下对喷雾化床的截面积和选择的紫外灯管间距计算确定。
所述的过氧化物包括双氧水和过硫酸铵中的一种或两种的混合。所述的排放源包括燃煤锅炉﹑工业窑炉﹑冶炼/炼焦尾气﹑垃圾焚烧炉以及石油化工设备尾气中的一种或多种的组合。
需要特别注意的是：以上选择的各种优化参数，均是发明人通过大量的综合实验﹑理论计算和检测分析后才获得的。由于每个操作参数通常还会受到其它一个或多个参数的综合影响或干扰，因此无法通过简单的现场单因素实验或文献对比获得。另外本发明提供的优化参数是在小型设备和放大后的设备上综合对比后确定的，综合考虑了设备放大过程可能产生的“放大效应”，故现场技术人员不能通过对现有设备简单分析后推测获得安全可靠的优化参数。
本发明的优点及显著效果：
1.中国专利(ZL201210075896.0)提出了双氧水氧化吸收和尾部膜分离的硫化氢脱除方法和工艺，但该方法所用的双氧水吸收剂氧化能力差﹑脱除效率低，只能脱除低浓度硫化氢，且尾部的膜容易被双氧水腐蚀，导致系统运行费用高﹑系统可靠性差。本发明所述的一种光解过氧化物的上下对喷雾化床硫化氢脱除系统产生的羟基或硫酸根自由基的氧化性比双氧水强得多，具有高得多的硫化氢脱除率。另外，本发明所述的上下对喷雾化床和紫外灯系统在烟气净化领域已有广泛的成功运行案例，故系统可靠性高，技术更加成熟可靠。
2.中国专利(ZL 201310490922.0)提出了一种利用碳酸钠吸收硫化氢，并用氧气再生的脱除方法和工艺，但该方法工艺复杂，且反应产生的含有杂质的碳酸氢钠副产物无法回收再利用，而本发明提出的工艺相对简单，尤其是产生的反应产物硫酸铵是一种良好的农业肥料，故整个脱除过程没有二次污染。
3.中国专利(ZL201210410079.6)提出了一种利用铁系脱除剂催化分解硫化氢的方法及工艺，但该方法提出的脱除剂制备方法非常复杂，吸收剂稳定性不高，而本发明所述的工艺运行可靠性更高，可实现系统的连续运行，具有更好的工业应用前景。
4.中国专利(ZL201310648205.6)提出了一种利用离子液体捕获硫化氢的方法，但该方法使用的离子液体合成方法非常复杂，应用成本高，吸收剂性能不稳定，且产物分离困难。中国专利(ZL201310648205.6)提出了一种利用离子液体捕获硫化氢的方法，但该方法使用的离子液体合成方法非常复杂，应用成本高，吸收剂性能不稳定，且产物分离困难。本发明采用的方法相对简单，脱除过程稳定可靠，应用成本较低。
附图说明
图1光解过氧化物上下对喷雾化床的电子自旋共振图。
图2是本发明所述系统的工艺流程图。
图3是上下对喷雾化床结构图。
图4是上下对喷雾化床的截面及灯管布置图。
图5是本发明的产物后处理系统。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。
如图2所示，一种基于光化学上下对喷雾化床的硫化氢脱除方法基于的系统，所述系统设有排放源1、风机2、除尘器3、烟气冷却器4、上下对喷雾化床6、循环泵一7和循环泵二8、储液箱9以及产物后处理系统5；所述上下对喷雾化床6自上而下依次设有烟气出口c、除雾器10、雾化喷嘴11、紫外灯管12、填料层13以及底部出口d；排放源1通过烟道连接除尘器2入口，除尘器2的出口连接烟气冷却器3的入口，所述烟气冷却器3的出口连接上下对喷雾化床6的底部，所述储液箱9通过管道进入上下对喷雾化床6内，所述管道上设有至少一组上下对称的雾化喷嘴11；所述上下对喷雾化床6内上下对称的雾化喷嘴11之间设有紫外灯12组成的紫外灯管排。
如图3和图4所示，上下对喷雾化床6的截面为正方形或矩形，内部设有一组以上的紫外灯管排，每组紫外灯管排上下均设有雾化喷嘴11。紫外灯管排上部的雾化喷嘴11向下喷溶液，紫外灯管排下部的雾化喷嘴11向上喷溶液。雾化喷嘴11喷出的溶液粒径不大于20微米。相邻两组紫外灯管排之间的距离A位于10cm-50cm之间。紫外灯管排中相邻两根紫外灯管12的间距B位于2cm-50cm之间，以达到最佳的光辐射效果。紫外灯管12一端(右端)插入后固定在上下对喷雾化床壁中，另一端(左端)穿过上下对喷雾化床壁面后预留1cm以上便于紫外灯管更换和维修。每组紫外灯管排垂直方向(上下方向)上布置的最佳紫外灯管数目是5-10跟，水平方向布置的最佳紫外灯管数目可由上下对喷雾化床的截面积和选择的紫外灯管间距计算确定。
如图5所示，上下对喷雾化床6的底部的产物出口d与产物后处理系统5连接，产物后处理系统5包括为产物提供动力的溶液循环泵14以及加入氨的中和塔14以及蒸发结晶塔16，所述的蒸发结晶塔16采用烟气余热利用系统17。
反应过程如下：来自排放源1的烟气由风机2牵引，经除尘器3除尘和烟气冷却器4降温后，再由填料层13布风后进入上下对喷雾化床6。来自储液箱9的过氧化物溶液由循环泵一7抽吸，并由雾化喷嘴11雾化后喷入上下对喷雾化床6。紫外灯12辐射紫外光激发过氧化物产生硫酸根和羟基自由基氧化硫化氢产生可资源化利用的硫酸溶液。上下对喷雾化床6上部回落的硫酸溶液由出口b，经循环泵二8重新吸入储液箱9循环雾化喷淋。反应产物由上下对喷雾化床6的产物出口d通入产物后处理系统5实现可资源化利用。例如，通过添加氨中和后产生硫酸铵农业肥料回收利用。
实施例1.烟气中的硫化氢浓度为1000ppm，上下对喷雾化床的烟气入口温度为55℃，液气比为0.5L/m3，双氧水浓度为0.5mol/L，溶液pH为3.5，溶液温度为50℃，紫外光有效辐射强度为40μW/cm2，紫外线有效波长为254nm。小试结果为：烟气中硫化氢的脱除效率为73.3％。
实施例2.烟气中的硫化氢浓度为1000ppm，上下对喷雾化床的烟气入口温度为55℃，液气比为0.5L/m3，过硫酸铵浓度为0.5mol/L，溶液pH为3.5，溶液温度为50℃，紫外光有效辐射强度为40μW/cm2，紫外线有效波长为254nm。小试结果为：烟气中硫化氢的脱除效率为70.1％。
实施例3.烟气中的硫化氢浓度为500ppm，上下对喷雾化床的烟气入口温度为55℃，液气比为0.5L/m3，双氧水浓度为0.5mol/L，溶液pH为3.5，溶液温度为50℃，紫外光有效辐射强度为40μW/cm2，紫外线有效波长为254nm。小试结果为：烟气中硫化氢的脱除效率为80.5％。
实施例4.烟气中的硫化氢浓度为500ppm，上下对喷雾化床的烟气入口温度为55℃，液气比为0.5L/m3，过硫酸铵浓度为0.5mol/L，溶液pH为3.5，溶液温度为50℃，紫外光有效辐射强度为40μW/cm2，紫外线有效波长为254nm。小试结果为：烟气中硫化氢的脱除效率为77.2％。
实施例5.烟气中的硫化氢浓度为500ppm，上下对喷雾化床的烟气入口温度为55℃，液气比为1.0L/m3，双氧水浓度为0.5mol/L，溶液pH为3.5，溶液温度为50℃，紫外光有效辐射强度为40μW/cm2，紫外线有效波长为254nm。小试结果为：烟气中硫化氢的脱除效率为90.4％。
实施例6.烟气中的硫化氢浓度为500ppm，上下对喷雾化床的烟气入口温度为55℃，液气比为1.0L/m3，过硫酸铵浓度为0.5mol/L，溶液pH为3.5，溶液温度为50℃，紫外光有效辐射强度为40μW/cm2，紫外线有效波长为254nm。小试结果为：烟气中硫化氢的脱除效率为88.9％。
实施例7.烟气中的硫化氢浓度为500ppm，上下对喷雾化床的烟气入口温度为55℃，液气比为1.0L/m3，双氧水浓度为1.0mol/L，溶液pH为3.5，溶液温度为50℃，紫外光有效辐射强度为40μW/cm2，紫外线有效波长为254nm。小试结果为：烟气中硫化氢的脱除效率为100％。
实施例8.烟气中的硫化氢浓度为500ppm，上下对喷雾化床的烟气入口温度为55℃，液气比为1.0L/m3，过硫酸铵浓度为1.0mol/L，溶液pH为3.5，溶液温度为50℃，紫外光有效辐射强度为40μW/cm2，紫外线有效波长为254nm。小试结果为：烟气中硫化氢的脱除效率为100％。
经过以上实施例的综合对比可知，实施例7和8具有最佳的硫化氢脱除效果，可作为最佳实施例参照使用。
Claims (6)
1.一种基于光化学上下对喷雾化床的硫化氢脱除方法，其特征在于，排放源的烟气经过风机引入除尘器，经除尘器除尘后进入烟气冷却器，经过烟气冷却器降温后，由上下对喷雾化床的底部进入，上下对喷雾化床的烟气入口温度为20-70℃，有效液气比为0.1-3.0L/m3；储液箱通过循环泵一将储液箱内的过氧化物溶液由雾化喷嘴雾化后喷入上下对喷雾化床，反应后的过氧化物溶液经过循环泵二引入储液箱循环利用，过氧化物的浓度位于0.1mol/L-0.3mol/L之间，溶液的pH位于1.0-9.5之间，溶液温度为20-70℃，所述的上下对喷雾化床的雾化喷嘴相对设置，雾化的过氧化物溶液喷射撞击，所述相对设置的雾化喷嘴中间设有紫外灯管，紫外灯发射的紫外光激化过氧化物产生羟基自由基氧化烟气中的硫化氢，紫外光的有效辐射强度为10- 300，紫外线有效波长为150nm-365nm；经过净化的烟气由上下对喷雾化床的顶部烟气出口排出；反应后产生的反应产物由上下对喷雾化床的产物出口通入产物后处理系统；烟气中硫化氢含量不高于2000ppm。
2.根据权利要求1所述的一种基于光化学上下对喷雾化床的硫化氢脱除方法，其特征在于，烟气中的硫化氢浓度为500ppm，上下对喷雾化床的烟气入口温度为55℃，液气比为1.0L/m3，过硫酸铵浓度为1.0mol/L，溶液pH为3.5，溶液温度为50℃，紫外光有效辐射强度为40，紫外线有效波长为254nm。
3.根据权利要求1所述的一种基于光化学上下对喷雾化床的硫化氢脱除方法，其特征在于，烟气中的硫化氢浓度为500ppm，上下对喷雾化床的烟气入口温度为55℃，液气比为0.5L/m3，过硫酸铵浓度为0.5mol/L，溶液pH为3.5，溶液温度为50℃，紫外光有效辐射强度为40，紫外线有效波长为254nm。
4.根据权利要求1所述的一种基于光化学上下对喷雾化床的硫化氢脱除方法，其特征在于，烟气中的硫化氢浓度为1000ppm，上下对喷雾化床的烟气入口温度为55℃，液气比为0.5L/m3，双氧水浓度为0.5mol/L，溶液pH为3.5，溶液温度为50℃，紫外光有效辐射强度为40，紫外线有效波长为254nm。
5.根据权利要求1所述的一种基于光化学上下对喷雾化床的硫化氢脱除方法，其特征在于：所述的过氧化物包括双氧水和过硫酸铵中的一种或两种的混合。
6.根据权利要求1所述的一种基于光化学上下对喷雾化床的硫化氢脱除方法，其特征在于：所述的排放源包括燃煤锅炉﹑内燃机﹑工业窑炉﹑冶炼/炼焦尾气﹑垃圾焚烧炉以及石油化工设备尾气中的一种或多种的组合。
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2015
- 2015-04-21 CN CN201510192493.8A patent/CN104785077B/zh active Active
Patent Citations (2)
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