CN105413418B - 基于电解再生的同步脱硫脱硝反应塔 - Google Patents

基于电解再生的同步脱硫脱硝反应塔 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于电解再生的同步脱硫脱硝反应塔，解决了现有反应塔存在的功能单一，反应效率低等问题。技术方案包括塔体，所述塔体顶部设有烟气出口、中部设有烟气入口，塔体底部设循环吸收液出口，所述循环吸收液出口经循环泵与塔体上部的喷淋层连通，所述喷淋层下方塔体内设有填料层，所述烟气入口下方的塔体内设有电解再生层，所述电解再生层由三层电极室组成，分为阴极室和阳极室，相邻两个电极室相互绝缘且极向相反，所述电极室为导电材料制成的网状结构；所述电解再生层通过接线柱与电源相接。本发明结构简单、反应效率高、运行成本低，特别适用于烟气中二氧化硫、氮氧化物、微细颗粒物、二噁英等多污染物的协同治理。

Description

基于电解再生的同步脱硫脱硝反应塔
技术领域
本发明涉及一种用于工业烟气多污染物协同治理的反应塔，具体的说是一种基于电解再生的同步脱硫脱硝反应塔。
背景技术
湿法烟气同步脱硫脱硝技术，特别是湿式氨－络合法同步脱硫脱硝的研究因其脱硫效率高、投资低、耗水少、副产品可以有效利用、无二次污染等优点而受到业界高度重视。Fe(II)EDTA对NO具有较好的络合效果，脱硝效率高，但Fe(II)EDTA在络合NO的过程中自身也很容易被烟气中所携带O2所氧化，形成对NO无吸收活性的Fe(III)EDTA。为了对络合剂进行再生并解析出络合的NO，许多研究者进行了电解再生的研究工作，可实现络合剂的再生还原及络合吸收的NO还原。然而，采用传统的电化学反应器出现再生效率不高，主要是由于电解液中的Fe(III)EDTA和Fe(II)EDTA的电化学转化具有很好的可逆性，电解液在现有的电解装置中流动时，Fe(III)EDTA和Fe(II)EDTA之间会反复发生电化学转化，影响再生效率。同时NO还原成氨的反应速率比Fe(III)EDTA和Fe(II)EDTA之间转化速率慢，同等条件下，NO还原成氨的效果差，最终导致同步脱硝效率偏低。
另一方面，经过再生后的吸收液进入吸收塔后与含二氧化硫和氮氧化物的烟气在吸收塔内与吸收液进行化学吸收反应的时，烟气中的氧含量较高(特别是烧结烟气，氧含量达16％以上(体积比))，其浓度远大于烟气中的NOx浓度。同时，氧气与吸收液中的络合剂－Fe(II)EDTA的反应速率远大于Fe(II)EDTA与NO的络合吸收速率，导致吸收液中络合剂的浓度降低。
因此现有的湿式氨法同步脱硫脱硝设施存在以下主要问题：
(1)吸收塔功能单一，反应效率低，不能进行脱硫、脱硝、收尘、脱二噁英的多污染物协同治理，仅利用吸收液对进入塔内的烟气进行吸收，不能及时再生，需要将吸收液送入再生装置进行再生后回送塔内，增加了工艺难度、导致整个系统占地面积大、设备投资本成高；
(2)由于Fe(III)EDTA和Fe(II)EDTA的电化学转化具有很好的可逆性，现有的电解装置会导致反应物与生成物之间在电解反应器中反复转化，既影响转化效率，又浪费电耗；
(3)吸收塔无法实现脱硝络合剂的及时再生，还会导致吸收液不能保持足够稳定的脱硝络合剂的浓度，相反还会导致被络合下的氮氧化物解吸出来进入吸收液被烟气气提出来，降低脱硝效率；
(4)现有吸收塔无法克服气溶胶外溢的问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述技术问题，提供一种结构简单、投资和运行成本低、适用于烟气处理，特别是烧结烟气同步脱硫、脱硝、收尘、脱二噁英的多污染物协同治理的基于电解再生的同步脱硫脱硝反应塔。
技术方案包括塔体，所述塔体顶部设有烟气出口、中部设有烟气入口，塔体底部设循环吸收液出口，所述循环吸收液出口经循环泵与塔体上部的喷淋层连通，所述喷淋层下方塔体内设有填料层，所述烟气入口下方的塔体内设有电解再生层，所述电解再生层由三层电极室组成，分为阴极室和阳极室，相邻两个电极室相互绝缘且极向相反，所述电极室为导电材料制成的网状结构；所述电解再生层通过接线柱与电源相接。
所述填料层下方设有至少一层吸收及电化学反应层，所述吸收及电化学反应层由三层电极室组成，分为阴极室和阳极室，相邻两个电极室相互绝缘且极向相反，所述电极室为导电材料制成的网状结构；所述吸收及电化学反应层通过接线柱与电源相接。
所述吸收及电化学反应层和/或电解再生层中，三层电极室的最上层和最下层为阴极室，中间层为阳极室。
所述吸收及电化学反应层和/或电解再生层中，相邻两个电极室之间具有1－10mm的间距，最上层和最下层电极室厚度为100－150mm，中间层电极室厚度为150－200mm，最上层和最下层两层电极室总厚度不小于中间层电极室的厚度。
所述电解再生层的下端面与塔体下部液面平齐。
所述喷淋层上方设有静电除雾及反应层，所述静电除雾及反应层由上下布置的两层相互绝缘的电极室组成，上层为阳极室，下层为阴极室；所述电极室为导电材料制成的网状结构；所述静电除雾及反应层通过接线柱与电源相接。
所述静电除雾反应层中，每层电极室厚度为100－150mm，两层电极室之间间距为200－300mm。
当吸收及电化学反应层为两层或两层以上，相邻两层吸收及电化学反应层的间距为1.0－2.0米。
所述静电除雾及反应层上方装有洗涤层。
针对背景技术中存在的问题，基于现有电解反应原理，发明人对现有的吸收塔进行了如下改进：
1)在塔体上部增加了吸收及电化学反应层，该反应层由三层电极室组成，且电极室为导电材料制成的网状结构，其空隙率控制在0.7－0.9,各电极室通过塔壁上的接线柱与外部低压直流电源对应的电极相连。这种结构具有多种功能：a烟气由下至上经过吸收及电化学反应层时，与由上至下流经该层的循环吸收液发生化学吸收反应，烟气中的二氧化硫和氮氧化物被吸收下来，同时还存在副反应：吸收液中的络合吸收剂Fe(II)EDTA被烟气中的氧气氧化为Fe(III)EDTA；b,由于吸收及电化学反应层具有电解效果，在阴极室被吸收下来的氮氧化物和被氧化的Fe(III)EDTA随之被还原，具有同步再生作用。c，由于电极室为网状结构，具有很好的过滤效果，烟气中的部分颗粒物会被捕集下来，起到对烟气中的灰尘的过滤效果；d，同样由于吸收及电化学反应层具有电解效果，在电化学作用下，烟气中的二恶英类污染物也被部分电解。所述吸收及电化学反应层可以为一层，也可以根据需要,如为了进一步提高脱硝效率，设计成两层或两层以上，控制各层中的阴极室和阳极室的电位差为1.5－4.5V。
2)在烟气进口下方，液面以上位置设置电解再生层，其结构与吸收及电化学反应层结构相同，由阴极室、阳极室和阴极室三层电极室组成，所述电解再生层的作用是对与烟气反应后的循环吸收液进行电解再生。与烟气反应后循环吸收液先在阴极层内发生还原反应，吸收下来的NOx被还原成NH3或N2，同时，部分Fe3+还原成Fe2+；在阴极室发生了还原反应的吸收液越过两电极室间的间隙进入阳极室，在阳极室内发生亚硫酸根离子、Fe2+以及OH-等离子的氧化反应，最后再进入最下一层阴极室再次发生还原反应，循环吸收液依次流经阴极室、阳极室和阴极室，可以有效避免在阴、阳极之间吸收液来回流动引起的反复电化学转化，提高了再生效率。电解再生层的下端面与塔体下部的液面平齐，有利于吸收液在该层内由上向下定向流动，减少上下扰动出现的下层阴极室反应后的液体窜到上层的阳极室中，阳极室反应后的液体窜到上层的阴极室中。因为吸收塔工作时，在塔下的扰动泵的作用下，塔下部所储的吸收液处于高度的湍动状态，液面上部存在一层泡沫层，电解再生层所处的位置正是在这层泡沫层内，从塔上部下来的吸收液进入泡沫层受到的湍动力远小于泡沫下方的液相，不会导致再生后的吸收液在阴、阳极室内窜动。若电解再生层放入塔下部所储的吸收液面下，再生的吸收液在阴、阳极室内窜动程度增加，降低了再生效果。
3)进一步的，所述喷淋层上方设有静电除雾及反应层，所述静电除雾及反应层由两层极性相反的电极室组成，上层为阳极室，下层阴极室，静电除雾及反应层的电极室也为导电材料制成的网状结构，其空隙率控制在0.7－0.9，上升的烟气在经过静电除雾及反应层时，随烟气外溢的微细颗粒物、气溶胶等，在静电作用下粒子的双极荷电、静电凝并，最终被捕集在电极层中。可通过定期开启静电除雾及反应层上方的洗涤层的喷头，洗涤捕集下的颗粒物和气溶胶达到清洗静电除雾及反应层的目的。
所述电极室中网状结构的电极材料可以使用导电性能好、抗腐蚀性强的铅、铂、钛、石墨等材料制成，其空隙率控制在0.7－0.9。
所述吸收及电化学反应层和/或电解再生层中，所述电极层厚度为100－200mm，相邻两个电极层之间的间距为1－10mm。所述静电除雾及反应层中，电极层厚度为100－150mm，两层电极层之间间距为100－150mm。所述间距中可根据需要填充网状的绝缘垫片，或其他形状的绝缘子，采用如陶瓷、高强塑料等材料制成。
静电除雾及反应层是利用静电原理，其外接高压电源，如高压高频脉冲电源；电化学反应层和电解再生层是利用电解原理，其外接低压电源，如低压直流电源。所以，静电除雾及反应层中两层电极室之间间距较吸收及电化学反应层和电解再生层中电极室间的间距更大。
有益效果：
本发明以电解反应原理和静电原理为基础，在现有的反应塔中加设吸收及电化学反应层、电解再生层和静电除雾及反应层，使上升的烟气在反应层中实现脱硫、过滤、去除二恶英类污染物，使循环吸收液吸收下来的氮氧化物还原成氨，实现同步再生，配合电解再生层，对反应后的循环吸收液进一步再生，使循环吸收液边吸收边再生；通过在塔上部设置静电除雾及反应层，利用静电原理除去随烟气外溢的微细颗粒物和气溶胶以及烟气中部分其他污染物，如二恶英等，真正实现在一个反应塔内对烟气同步脱硫、脱硝、收尘、脱二噁英的多污染物协同治理的目的。
采用本发明反应塔用于烧结烟气的脱硫脱硝可大大简化工艺流程、降低运行和设备投资。经本发明反应塔处理后，烟气中氮氧化物去除率达到50％以上，气溶胶浓度小于20mg/Nm3以下。循环吸收液的再生效率达到80％以上。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
其中，1-塔体、2-烟气入口、3-烟气出口、4-循环泵、5-电解再生层、5.1-阴极室、5.2-阳极室、5.3-阴极室、6-吸收及电化学反应层、6.1-阴极室、6.2-阳极室、6.3-阴极室、7-填料层、8-喷淋层、9-静电除雾及反应层、9.1-阴极室、9.2-阳极室、10-循环吸收液出口、11-接线柱、12-洗涤层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步解释说明：
本发明反应塔包括塔体1，所述塔体顶部设有烟气出口3、中部设有烟气入口2，塔体1底部设循环吸收液出口10，所述循环吸收液出口10经循环泵4与塔体上部的喷淋层8连通，所述喷淋层8上方塔体内设静电除雾及反应层9，所述静电除雾及反应层9上方设有洗涤层；所述喷淋层8下方塔体内设有填料层7，所述填料层7下方设有至少一层吸收及电化学反应层6(本实施例中为两层，相邻两层吸收及电化学反应层的间距为1.0－2.0米)，所述烟气入口2下方的塔体1内设有电解再生层5，所述电解再生层5的下端面与塔体1下部液面平齐，所述吸收及电化学反应层6由三层电极室组成，最上层和最下层为阴极室6.3、6.1，中间层为阳极室6.2；所述电解再生层5由三层电极室组成，最上层和最下层为阴极室5.3、5.1，中间层为阳极室5.2；所述静电除雾及反应层9由两层电极室组成，分别为上层为阳极室9.2，下层为阴极室9.1。所述电极室均为由导电材料制成的网状结构，相邻两个电极室间具有间距，所述吸收及电化学反应层6和电解再生层5分别通过接线柱11与塔外低压直流电源相接，所述静电除雾及反应层9通过接线柱11与塔外高压高频脉冲电源相接。所述接线柱11与塔体1绝缘。所述吸收及电化学反应层6和电解再生层5中，所述电极室为导电材料制成的网状结构，可以使用导电性能好、抗腐蚀性强的铅、铂、钛、石墨等材料制成，其空隙率控制在0.7－0.9。
厚度为100－200mm，相邻两个电极室之间的间距为1－10mm。所述静电除雾及反应层9中，电极室厚度为100－150mm，两层电极室之间间距为200－300mm。
所述吸收及电化学反应层6中的阴极室和阳极室的电位差为1.5－4.5V；控制所述电解再生层5中阴极室和阳极室电位差为1.5－4.5V。
工艺流程：
(1)所述烟气由反应塔塔体1中部的烟气入口2入塔后上行，边上行边与由塔上部喷入的循环吸收液逆向接触发生吸收反应，烟气上升通过两层吸收及电化学反应层6，在吸收及电化学反应层6中，烟气上升依次经过阴极室6.1、阳极室6.2和阴极室6.3并同时与循环吸收液接触反应：在最下层的阴极室6.1时，与由上至下流入的循环吸收液进一步发生化学吸收反应，络合吸收氮氧化物，同时在电化学作用下，吸收下来的氮氧化物被还原成氨或氮气。在吸收过程中，烟气中的二氧化硫也被吸收下来；随后烟气进入阳极室6.2，对二氧化硫的吸收反应进一步进行，同时在电化学作用下，吸收下来的二氧化硫转化为硫酸铵，烟气中的部分二恶英类生质也被氧化分解。由于在阳极室6.2内Fe(II)EDTA被氧化成Fe(III)EDTA，失去对氮氧化物的络合吸收能力；最后，烟气再向上进入最上层的阴极室6.3，进行着同阴极室6.1同样的反应。控制吸收及电化学反应层6的阴极室和阳极室电位差为1.5－4.5V；
(2)穿过两层吸收及电化学反应层6的烟气继续上行经填料层7均布并与流经填料层7的循环吸收液进一步反应，吸收烟气中的氮氧化物和二氧化硫，再经喷淋层8至静电除雾及反应层9，静电除雾及反应层9的电极室也为导电材料制成的网状结构，其空隙率控制在0.7－0.9，外接高压高频脉冲电源。上升的烟气在进入静电除雾及反应层9的下层阴极室9.1和上层阳极室9.2，随烟气外溢的微细颗粒物、气溶胶等穿过上述电极室时，在静电作用下，发生粒子的双极荷电、静电凝并，最终被捕集过滤在静电除雾及反应层中。同时还可净化烟气中的部分其他污染物，如二恶英等。通过定期开启洗涤层12通入洗涤水对静电除雾及反应层9进行清洗。经静电除雾及反应层9的烟气经洗涤层12至塔体1的顶部，由烟气出口3排出；
(3)由喷淋层8喷出的循环吸收液下行，先经填料层7并与烟气反应，然后依次穿过两层吸收及电化学反应层6与烟气进一步反应，反应后的循环吸收液进入塔体1下部的电解再生层5，在电解再生层5中，反应后的循环吸收液依次流经阴极室5.3、阳极室5.2和阴极室5.1进行再生，其液相反应与吸收及电化学反应层6中各电极室中存在液相反应相同；再生后的吸收液流入塔底，部分经循环泵4回送喷淋层8作为循环吸收液喷出。其中，可根据需要，向循环吸收液中补充氨水和络合剂，以保证循环吸收液的吸收效果。
经处理后的烟气的氮氧化物去除率达到50％以上，气溶胶低于20mg/Nm3。
所述循环吸收液的再生率达到80％，由于取消了再生装置，可节省设备投次20％以上。
自清洁：
当循环吸收液在吸收及电化学反应层6和电解再生层5中进行电化学反应时，过多的析出物在阴极室中析出时，会导致吸收液中反应物浓度过低，影响转化效果。同时，析出物在电极室内析出后不断累积附着，一段时间后，会减少电极室的有效反应的比表面积，此时可调换两相邻两电极室的极性，通电一段时间后，使析出物发生氧化反应重新进入循环吸收液中，以提高电极室的自清洁能力。

Claims (8)

1.一种基于电解再生的同步脱硫脱硝反应塔，包括塔体，所述塔体顶部设有烟气出口、中部设有烟气入口，塔体底部设循环吸收液出口，所述循环吸收液出口经循环泵与塔体上部的喷淋层连通，所述喷淋层下方塔体内设有填料层，其特征在于，所述烟气入口下方的塔体内设有电解再生层，所述电解再生层的下端面与塔体下部液面平齐，所述电解再生层由三层电极室组成，分为阴极室和阳极室，相邻两个电极室相互绝缘且极向相反，所述电极室为导电材料制成的网状结构；所述电解再生层通过接线柱与电源相接，所述反应塔内的吸收液中含有Fe(II)EDTA和/或Fe(II)EDTA络合剂。
2.如权利要求1所述的基于电解再生的同步脱硫脱硝反应塔，其特征在于，所述填料层下方设有至少一层吸收及电化学反应层，所述吸收及电化学反应层由三层电极室组成，分为阴极室和阳极室，相邻两个电极室相互绝缘且极向相反，所述电极室为导电材料制成的网状结构；所述吸收及电化学反应层通过接线柱与电源相接。
3.如权利要求1或2所述的基于电解再生的同步脱硫脱硝反应塔，其特征在于，所述吸收及电化学反应层和/或电解再生层中，三层电极室的最上层和最下层为阴极室，中间层为阳极室。
4.如权利要求1或2所述的基于电解再生的同步脱硫脱硝反应塔，其特征在于，所述吸收及电化学反应层和/或电解再生层中，相邻两个电极室之间具有1－10mm的间距，最上层和最下层电极室厚度为100－150mm，中间层电极室厚度为150－200mm，最上层和最下层两层电极室总厚度不小于中间层电极室的厚度。
5.如权利要求1或2所述的基于电解再生的同步脱硫脱硝反应塔，其特征在于，所述喷淋层上方设有静电除雾及反应层，所述静电除雾及反应层由上下布置的两层相互绝缘的电极室组成，上层为阳极室，下层为阴极室；所述电极室为导电材料制成的网状结构；所述静电除雾及反应层通过接线柱与电源相接。
6.如权利要求5所述的基于电解再生的同步脱硫脱硝反应塔，其特征在于，所述静电除雾反应层中，每层电极室厚度为100－150mm，两层电极室之间间距为200－300mm。
7.如权利要求2所述的基于电解再生的同步脱硫脱硝反应塔，其特征在于，当吸收及电化学反应层为两层或两层以上，相邻两层吸收及电化学反应层的间距为1.0－2.0米。
8.如权利要求5所述的基于电解再生的同步脱硫脱硝反应塔，其特征在于，所述静电除雾及反应层上方装有洗涤层。
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