CN106000079A - 一种从气流中去除氮氧化物的方法及装置 - Google Patents

一种从气流中去除氮氧化物的方法及装置 Download PDF

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Abstract

一种从气流中去除氮氧化物的方法，属于大气污染控制和环境保护技术领域，该方法的处理过程是把被处理气体导入气‑固反应塔，同时向气‑固反应塔导入氯化铁固体颗粒，气流中的氮氧化物在气‑固反应塔与氯化铁发生气固吸附化学反应而被吸收得到去除，从而达到气体净化目的，本发明还公开了专用装置，具有投资成本和运行费用低、可回收副产品，操作简单、处理效率高、处理量大的特点。

Description

一种从气流中去除氮氧化物的方法及装置
技术领域
本发明涉及一种从气流中去除氮氧化物的方法及装置，属于大气污染控制和相关环境保护技术领域。
背景技术
人类活动产生的氮氧化物(NOx)主要包括NO和NO2，其中由燃料燃烧产生的占90％以上，其次是硝酸生产、化工制药的硝化反应、金属表面和半导体处理等工业过程。NOx对人有致毒作用，大量的氮氧化物排放还是引起大气光化学雾和酸雨的主要原因之一。中国环境状况公报统计数据表明我国城市酸雨中氮氧化物的贡献在不断增加，一些地方的酸雨污染性质已开始由硫酸型向硝酸根离子不断增加的复合型转化(国家环保部：2010年中国环境状况公报)。近年来，国家新制定了一些法律、法规，对氮氧化物特别是火电等燃烧过程排放的氮氧化物作出了更加严格的控制和减排规定。
一般地，火力发电厂等以化石燃料燃烧产生的烟气中的氮氧化物浓度约为几百到几千ppm，其中95％以上是一氧化氮。目前选择性催化转化法(SCR)是目前治理烟气NOx的主要手段之一，但催化剂对运行条件要求严格，需要氨作为还原剂，气流中含有硫化物和粉尘等对催化剂的寿命影响很大，特别对以煤为燃料的火电厂的运行费用很高；湿法是采用各种液体对NOx进行吸收，是低温排放源处理的主要方法，主要有氧化吸收法和还原吸收法两种，其中，氧化法是采用过氧化氢、次氯酸钠和高锰酸钾等作为氧化剂，进行吸收处理；还原法是采用亚硫酸钠、硫化钠和尿素等作为还原剂，进行吸收处理。但对含一氧化氮较多氮氧化物，由于一氧化氮在溶液中的溶解度很小，吸收效率较低，且药剂较贵，运行使用费用高。因此，研究开发提高新型烟气氮氧化物的净化技术，是该技术工业应用中急需解决的问题。
本发明的目的是设计和提供一种从气流中去除氮氧化物的方法及装置，使气流中氮氧化物在较低温度下得到去除，从而达到气体净化的目的。
发明内容
本发明所采用的技术方案为：一种从气流中去除氮氧化物的方法，其特征是把被处理气流导入气-固反应塔，同时向气-固反应塔导入氯化铁固体颗粒，气流中的氮氧化物在气-固反应塔与氯化铁发生气固吸附化学反应而被吸收，生成固体产物，从而达到气体净化目的。
本发明所述氮氧化物包括一氧化氮和二氧化氮，主要为一氧化氮。所述技术方案中，氮氧化物与氯化铁的气固吸附化学反应的固体产物为氯化铁与氮氧化物的络合物和相关盐类。
本发明所述的气流主要为火力发电，冶炼等以化石燃料燃烧产生的含有氮氧化物的烟气，也可是其他工业过程产生的相关气流。一般烟气中氮氧化物的浓度在1％(体积含量)以下，对于其他工业气流中氮氧化物浓度高于1％(体积含量)时，也适用本发明所述的方法。本发明所述的气-固反应塔可采用化工单元操作常用的固定床、移动床、沸腾床、流化床和循环流化床等气-固接触反应器，可采用顺流、逆流和错流等多种形式，效果大体相当，具体可参看相关化工反应设备手册。以循环流化床反应系统为例，所述的气-固反应塔的侧下部设置有连接所述气流的气体进口，中部设置有氯化铁固体颗粒加入口，所述氯化铁固体颗粒加入方式可采用机械进料或气力进料等方式，效果相当，在塔体的下部气体进口上方设置有气流分布器，使塔内气固充分混合反应，塔体的上部设置有连接管，所述的气流通过连接管与气固分离器连通，经气固分离器气固分离后，气流从气固分离器的上部排出，固体颗粒从气固分离器下部排出，其中部分固体颗粒可重新返回塔内，使没有反应的氯化铁颗粒重新参加反应，可根据反应程度调节物料重新返回塔内参加反应的比例(范围可为0-100％)。
本发明所述的气-固反应塔内的反应温度范围一般为35℃-95℃，负压下温度可适当低一点，塔内压力高于常压时温度也可适当高一点，优选温度范围为40℃-75℃。如预先把所述氯化铁固体颗粒的温度加热到40℃以上(优选加热范围50℃-95℃)后，再加入到所述的气-固反应塔，则反应塔内气流温度可低一些，这是因为氯化铁预热后得到了活化，使得相应反应温度降低，此时进入气-固反应塔的气流温度可低于35℃，氯化铁与氮氧化物的气固反应为放热反应。所述的氮氧化物在反应塔内反应过程的气固接触时间一般为0.5s-100s，接触时间长，去除率高，优选为1s-25s。氯化铁与氮氧化物的气固吸附化学反应的化学计量比可按1计算，实际操作过程，氯化铁的投加量可根据反应塔形式、氯化铁颗粒粒径，气流温度、反应时间和转化率等操作参数而确定。对于循环流化床气-固反应塔，氯化铁与氮氧化物的摩尔比一般为0.5-100，摩尔比越大反应效果越好，优先取为5-30，具体可视去除率而定，对于固定床、移动床、沸腾床和流化床，无特定要求，视需要投加。所述氯化铁固体颗粒，一般为粉末状，可采用一般工业商品，其粒径一般为0.01mm-1mm，粒径小些为好。也可采用把石英砂、陶瓷或沸石等颗粒填料与氯化铁粉末按一定比例混合后导入气-固反应塔，以提高反应塔内气固混合效果和气体接触面积，提高反应效率和物料的利用率，所述颗粒填料的粒径一般为0.01mm-10mm，混合比例最大为99％(体积比)，具体可根据反应塔形式和操作参数确定，采用流化床反应塔，填料的比例可低些，优选5％-30％，固定床反应塔的可高些，优选30-60％。如在固定床气-固反应塔内混合50％(体积比)的粒径约为2mm-5mm的石英砂后，可提高反应效率20％以上。气流中的氧和水分等其他含量对氮氧化物的去除影响不大，反应过程可能产生少量氯化氢气体可经其后的固体或液体吸收得到去除。
反应后得到的固体产物可通过加热脱除被吸收的氮氧化物，加热温度在常压下一般为105℃以上，优选150℃-250℃，负压下可低一些，可回收硝酸，在有氧存在时加热到300℃以上可得到氧化铁副产品。也可把固体产物溶解于清水等溶剂后放出被吸收的氮氧化物气体，进一步处理也可回收氧化铁副产品。固体产物也可用来再生氯化铁后可循环使用。
与现有技术相比，本发明的优点在于：采用氯化铁在一定温度下与气流中的氮氧化物发生气固吸附化学反应，使气流中的氮氧化物得到去除，从而达到气体净化目的，把固体产物加热处理后可回收硝酸或氧化铁副产品，具有投资成本和运行费用低，操作简单、处理效率高、处理量大特点，适合推广使用。
附图说明
图1为本发明中实施例1中气-固反应塔装置的结构示意图；
图2为本发明中实施例4中气-固反应塔装置的结构示意图；
图3为本发明中实施例6中气-固反应塔装置的结构示意图。
图中：1气体进口；2气体分布器；3固体颗粒加入口；4塔体；5连接管；6气体出口；7气固分离器；8固体颗粒返回口；9固体颗粒排出口；10检修口；11塔底固体颗粒排出口；12-气固反应区；13-固体颗粒回收区；14-氯化铁充填层。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。
一种从气流中去除氮氧化物的方法的装置如图1所示。该装置包括塔体4，塔体4的侧下部设置有连接气流的气体进口1，在塔体4的下部气流入口上方设置有气流分布器2使塔内气固充分混合反应，中部设置有固体颗粒加入口3，塔体4的上部通过设置的连接管5与气固分离器7连通，气固分离器7的上部设置有气体出口6，气固分离器7的下部设置有固体颗粒排出口9，并且固体颗粒返回口8与塔体4连通，塔体4中下部和底部还分别设置有检修口10和塔底固体颗粒排出口11。
根据图1所示的一种从气流中去除氮氧化物的方法的装置，其处理工艺流程是把待处理气流由气体进口1导入塔体4，经过气体分布器2与由固体颗粒加入口3加入的氯化铁固体颗粒混合后，发生吸附化学反应，净化后的气流从塔上部的连接管5进入气固分离器7进行气固分离，气流从气体出口6排出，部分固体颗粒可通过固体颗粒返回口8返回塔体4内继续参加反应，其余部分通过固体颗粒排出口9排出，同时塔底部也设置有塔底固体颗粒排出口11排出多余的固体颗粒。
实施例1：一种从气流中去除氮氧化物的方法的循环流化床气-固反应塔装置如图1所示。所述循环流化床气-固反应塔塔径为Φ60mm，高为2500mm，塔体材料为316L不锈钢。气流中氮氧化物(一氧化氮约为95％)的浓度为500ppm，氧气为约8％(体积)，水分含量约为10％(体积)，其余为氮气。氯化铁为工业级粉末状颗粒，含量98％以上，平均粒径约为0.1mm，气流温度分别为35℃，45℃、65℃、80℃和95℃，气体流量约为5m3/h，反应塔内气-固接触时间约为2s-5s。氮氧化物与氯化铁摩尔比约为1∶15，固体进料为机械计量进料。经气固分离器(采用旋风分离器)分离得到反应后固体颗粒不返回塔内。实验结果如表1所示。
表1氮氧化物的去除效果
实施例2：气流中一氧化氮浓度为500ppm，气流温度分别为40℃、55℃和75℃，一氧化氮与氯化铁的摩尔比1∶30，其他条件同实施例1。实验结果如表2所示。
表2一氧化氮的去除效果
实施例3：物料中混合20％(体积)的粒径约为1mm的石英砂，氮氧化物与氯化铁摩尔比约为1∶10。气流温度分别为40℃、55℃和75℃。其他条件同实施例1。实验结果如表3所示。
表3氮氧化物的去除效果
实施例4：一种从气流中去除氮氧化物的方法的气-固逆流移动床反应塔装置如图2所示。
该装置包括塔体4，塔体4下部设置有气体进口1，上部设置有固体颗粒加入口3和气体出口6，底部设置有固体颗粒排出口9，气体进口1经塔体4内的气固反应区12与气体出口6连通，所述的固体颗粒加入口3经塔体4内的气固反应区12及固体颗粒回收区13与固体颗粒排出口9连通。
该塔体4管径为Φ60mm，高为1500mm，塔体材料为316L不锈钢，气固反应区12有效高度约为1000mm。载气为空气，相对湿度约为70％，气流中一氧化氮的浓度为500ppm。氯化铁为工业级粉末状颗粒，含量98％以上，平均粒径约为0.1mm，反应塔内气流温度分别为40℃、55℃和75℃，平均气体流量约1m3/h，反应塔内气-固接触时间约为10s-15s。氮氧化物与氯化铁摩尔比约为1∶30。
其处理工艺流程是把待处理的气流由气体进口1进入塔体4与由固体颗粒加入口3加入的氯化铁粉体在气固反应区12发生气固吸附化学反应，净化后的气流从气体出口6排出，反应后固体颗粒经固体颗粒回收区13后通过固体颗粒排出口9排出。实验结果如表4所示。
表4一氧化氮的去除效果
实施例5：一种从气流中去除氮氧化物的方法的气-固逆流移动床反应塔装置如图2所示。氯化铁粉体在加入所述的气-固反应塔前先加热至40℃、50℃、80℃和95℃后再导入，导入反应塔的气流温度约为25℃，其他条件同实施例4，实验结果得到气体出口NO浓度分别为365ppm、273ppm、85ppm和48ppm。
实施例6：一种从气流中去除氮氧化物的方法的固定床气-固反应塔装置如图3所示。
该装置包括塔体4，塔体4下部设置有气体进口1，气体进口1上方设置有气流分布器2，气流分布器2上方为氯化铁充填层14，氯化铁充填层14的上部设置有固体颗粒加入口3、下部设置有固体颗粒排出口9，塔体4的上部还设置气体出口6，气体进口1经气流分布器2和氯化铁充填层14的空隙气体通道与气体出口6连通，所述的固体颗粒加入口3和固体颗粒排出口9分别与氯化铁充填层14连通。
该塔体4直径为Φ60mm，高为1500mm，材料为316L不锈钢。物料中混合50％(体积)的平均粒径约为3mm的石英砂，混合物的堆积密度约为1500kg/m3，反应塔内充填高度约为500mm。采用管式电炉，反应塔外壁加热(氯化铁粉体和石英沙混合物加入前不另预热)，使反应塔出口气体温度保持在65℃-95℃之间，气体流量约0.5m3/h，气体进口气流温度为室温，气体在反应塔内停留时间约为15s-25s。其他条件同实施例1。
其处理工艺流程是把待处理的含氮氧化物的气流由气体进口1经过气流分布器2导入氯化铁充填层14，在所述的氯化铁充填层14内，氮氧化物与氯化铁发生气固吸附化学反应被去除，净化后的气流从反应塔上部的气体出口6排出，反应后固体颗粒可由固体颗粒排出口9定期排出。当进口氮氧化物(一氧化氮约为95％)的浓度为500ppm时，测的气体出口氮氧化物浓度约为55ppm。由于固定床反应塔加入的氯化铁的量是固定的，因此气流中氮氧化物的去除率随塔内氯化铁的反应消耗而变化，测得的氮氧化物浓度为最大去除率时的浓度。
应该说明的是，以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，本发明的保护范围不限于此。对于本领域的技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，对各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中的部分技术特征进行任何等同替换、修改、变化和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种从气流中去除氮氧化物的方法，其特征是把被处理的气流导入气-固反应塔，同时向气-固反应塔导入氯化铁固体颗粒，气流中的氮氧化物在气-固反应塔内与氯化铁发生气固吸附化学反应而被吸收得到去除，从而达到气体净化目的。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的气-固反应塔采用固定床、移动床、沸腾床、流化床或循环流化床反应塔的一种。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述的气-固反应塔内的反应温度范围为35℃-95℃。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述氯化铁固体颗粒的预热温度为40℃以上。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述的气-固反应塔内气-固接触时间为0.5s-100s。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述的气-固反应塔内采用石英砂、陶瓷或沸石颗粒填料与氯化铁粉末的混合配比，所述的填料的体积占比最大为99％。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的氮氧化物包括一氧化氮和二氧化氮。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述的气-固反应塔包括塔体(4)，所述的塔体(4)侧下部设置有连接气流的气体进口(1)，中部设置有所述的氯化铁固体颗粒加入口(3)，在塔体(4)内的下部气体进口(1)上方设置有气流分布器(2)，塔体(4)的上部设置有连接管(5)，所述的连接管(5)与气固分离器(7)连通，所述的气固分离器(7)的上部设置有气体出口(6)，下部设置有反应后固体颗粒排出口(9)和固体颗粒返回口(8)，所述的固体颗粒返回口(8)与塔体(4)连通，所述氯化铁与氮氧化物的摩尔比为0.5-100。
9.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述的气-固反应塔，其特征在于所述的气-固反应塔包括塔体(4)，所述的塔体(4)下部设置有气体进口(1)，上部设置有固体颗粒加入口(3)和气体出口(6)，底部设置有固体颗粒排出口(9)，所述的气体进口(1)经塔体(4)内的气固反应区(12)与气体出口(6)连通，所述的固体颗粒加入口(3)经塔体(4)内的气固反应区(12)及固体颗粒回收区(13)与固体颗粒排出口(9)连通。
10.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于所述的气-固反应塔，其特征在于所述的气-固反应塔包括塔体(4)，所述的塔体(4)下部设置有气体进口(1)，所述的气体进口(1)上方设置有气流分布器(2)，所述的气流分布器(2)上方为氯化铁充填层(14)，所述的氯化铁充填层(14)的上部设置有固体颗粒加入口(3)、下部设置有固体颗粒排出口(9)，所述的塔体(4)的上部还设置气体出口(6)，所述的气体进口(1)经气流分布器(2)和氯氯化铁充填层(14)内的空隙与气体出口(6)连通，所述的固体颗粒加入口(3)和固体颗粒排出口(9)分别与氯化铁充填层(14)连通。
11.一种用于从气流中去除氮氧化物的气-固反应塔，其特征在于气-固反应塔包括塔体(4)，所述的塔体(4)侧下部设置有连接气流的气体进口(1)，中部设置有所述的氯化铁固体颗粒加入口(3)，在塔体(4)内的下部气体进口(1)上方设置有气流分布器(2)，塔体(4)的上部设置有连接管(5)，所述的连接管(5)与气固分离器(7)连通，所述的气固分离器(7)的上部设置有气体出口(6)，下部设置有反应后固体颗粒排出口(9)和固体颗粒返回口(8)，所述的固体颗粒返回口(8)与塔体(4)连通。
12.一种用于从气流中去除氮氧化物的气-固反应塔，其特征在于所述的气-固反应塔包括塔体(4)，所述的塔体(4)下部设置有气体进口(1)，上部设置有固体颗粒加入口(3)和气体出口(6)，底部设置有固体颗粒排出口(9)，所述的气体进口(1)经塔体(4)内的气固反应区(12)与气体出口(6)连通，所述的固体颗粒加入口(3)经塔体(4)内的气固反应区(12)及固体颗粒回收区(13)与固体颗粒排出口(9)连通。
13.一种用于从气流中去除氮氧化物的气-固反应塔，其特征在于所述的气-固反应塔包括塔体(4)，所述的塔体(4)下部设置有气体进口(1)，所述的气体进口(1)上方设置有气流分布器(2)，所述的气流分布器(2)上方为氯化铁充填层(14)，所述的氯化铁充填层(14)的上部设置有固体颗粒加入口(3)、下部设置有固体颗粒排出口(9)，所述的塔体(4)的上部还设置气体出口(6)，所述的气体进口(1)经气流分布器(2)和氯化铁充填层(14)内的空隙与气体出口(6)连通，所述的固体颗粒加入口(3)和固体颗粒排出口(9)分别与氯化铁充填层(14)连通。
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