CN107485997A - 一种烟气多污染物协同脱除系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种烟气多污染物协同脱除系统及方法，该系统包括锅炉、除尘器、H2O2水溶液预热雾化装置、催化剂、喷淋塔、沉淀池等设备。该方法利用锅炉尾部烟气余热预热H2O2水溶液，预热后的H2O2喷入除尘器下游烟道，在催化剂作用下产生活性物质氧化尾部烟气中的污染物，并在后续喷淋塔中实现协同脱除，脱除产物混合液经沉淀、干燥、结晶等工艺后最终制备化肥成品。本发明能同时对烟气中的硫氧化物、氮氧化物和汞进行脱除，系统紧凑，占地面积小，通过除汞沉淀等后续处理，不仅能避免脱除产物的含汞化合物对环境造成二次污染，而且能生成化肥成品。此外该系统对H2O2的利用率高并能有效回收烟气余热，降低了系统的运行成本。

Description

一种烟气多污染物协同脱除系统及方法
技术领域
本发明属于电站锅炉烟气净化领域，特别涉及一种烟气多污染物协同脱除系统及方法。
背景技术
我国的能源消费结构以煤炭为主，燃煤烟气中污染物(粉尘、硫氧化物、氮氧化物、汞等)的排放被认为是我国大气污染物的主要来源之一。为此，2011年国家环保部颁布了《火电厂大气污染物排放标准》(GB 13223-2011)，对粉尘、二氧化硫、氮氧化物的排放限值进行严格规定，并首次将汞及其化合物的排放标准列入其中。2014年下发的《煤电节能减排升级与改造行动计划(2014-2020年)》中则进一步降低了相关污染物的排放限值。面对日益严苛的排放标准，开发新型经济高效的燃煤烟气污染物脱除技术已经刻不容缓。
针对燃煤烟气中的多种污染物，目前应用最广泛的技术为采用石灰石石膏法(WFGD)、选择性还原脱硝法(SCR)和活性炭吸附法来分别脱除燃煤烟气中的硫氧化物、氮氧化物和汞，采用三套系统来分别脱除烟气中的污染物，虽然能实现较高的脱除效率，但同时也带来系统庞杂、占地面积广等一系列问题。因此，开发燃煤烟气多污染物协同脱除技术，在一套系统中实现多种污染物的协同脱除成为烟气污染物脱除领域的发展方向。
H2O2作为一种绿色氧化剂，在烟气污染物脱除领域有着广阔的应用前景。现有技术中涉及到一种采用H2O2来脱硫脱硝的系统及方法，但该技术存在着以下缺陷：一方面该技术没有考虑汞及其化合物的脱除及后续处理，不满足国家日益严苛的排放标准且现有技术在处理中会产生硫酸汞等剧毒物质，对环境特别是水体造成了严重的二次污染；另一方面考虑到·OH的寿命极短(气相中约1s，液相中10-9s)，若采用现有技术先分解H2O2产生·OH等活性物质再送入烟道进行利用，势必造成大量·OH等活性物质的无效猝灭，降低了H2O2的利用率，极大增加了污染物脱除的运行成本；最后现有技术中所采用的催化剂为单一过渡金属氧化物，该类催化剂在定向分解H2O2产生·OH的效率并不高，若要提高H2O2的利用率，需采用新型高效的非均相类Fenton催化剂。基于以上原因，开发H2O2利用率高、运行成本低的新型烟气多污染物(硫氧化物、氮氧化物和汞)协同脱除系统尤为必要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种烟气多污染物协同脱除系统及方法，该方法及基于该方法设计的处理系统能同时对烟气中的硫氧化物、氮氧化物和汞进行脱除，系统紧凑，占地面积小，通过除汞沉淀等后续处理，不仅能避免脱除产物的含汞化合物对环境造成二次污染，而且能将烟气中硫氧化物和氮氧化物变废为宝，作为生产化肥的原料，具有很高的经济效益和社会效益。同时，该方法及基于该方法设计的处理系统通过开发的高效非均相类Fenton催化剂和系统的合理布置，有效解决了现有技术中H2O2的利用率不高的问题，极大降低了污染物的脱除成本，并利用锅炉尾部烟气余热作为H2O2预热和盐液干燥的热源，实现了锅炉尾部烟气余热的梯级利用，降低系统的投资和运行成本。
为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案来实现：
一种烟气多污染物协同脱除系统，包括锅炉本体、H2O2储罐、H2O2输送泵、除尘器、喷淋塔、循环泵、氨水储罐、氨水输送泵、烟囱、盐液输送泵、沉淀池、盐液干燥器、引风机和结晶造粒系统；其中，
锅炉本体尾部烟气出口通过管道依次与除尘器和喷淋塔的烟气入口连接，喷淋塔顶部布置有洁净烟气出口，该洁净烟气出口通过管道连接至烟囱，喷淋塔底部布置有盐液出口、盐液循环口和氨水添加口，其中盐液出口通过管道依次与盐液输送泵、沉淀池、盐液干燥器和结晶造粒系统连接；盐液循环口通过管道依次与循环泵和喷淋塔上部的喷嘴连接；氨水储罐则通过管道依次与氨水输送泵和氨水添加口连接；
除尘器上游烟道中布置有螺旋管预热器，且H2O2储罐通过管道依次与H2O2输送泵和螺旋管预热器的入口连接；
除尘器下游烟道中布置有雾化喷嘴，雾化喷嘴入口通过管道与螺旋管预热器出口连接。
本发明进一步的改进在于，除尘器上游烟道中的烟温为130℃-160℃。
本发明进一步的改进在于，除尘器下游烟道中的烟温为100℃-130℃。
本发明进一步的改进在于，雾化喷嘴下游烟道中布置有蜂窝状的非均相类Fenton催化剂。
本发明进一步的改进在于，催化剂为FeVO4或Fe2(MoO4)3的一种。
本发明进一步的改进在于，沉淀池布置有除汞沉淀剂添加口。
本发明进一步的改进在于，还包括引风机，盐液干燥器以锅炉尾部烟气作为加热热源，锅炉本体尾部烟道出口依次与引风机和盐液干燥器的烟气入口连接，盐液干燥器的烟气出口则与除尘器上游的烟道连接。
一种烟气多污染物协同脱除方法，该方法基于上述一种烟气多污染物协同脱除系统，包括如下步骤：
H2O2水溶液在H2O2输送泵的作用下进入螺旋管预热器，利用该处的烟气余热预热H2O2水溶液，预热后的H2O2水溶液温度在90℃左右，并通过布置在除尘器下游烟道中的雾化喷嘴将预热后的H2O2水溶液雾化为细小的液滴并在烟道中实现迅速气化，气化后的H2O2均匀分布在烟道中，并在蜂窝状非均相类Fenton催化剂作用下，分解为具有强氧化性的自由基；
锅炉尾部烟道中的待净化烟气预热H2O2后进入除尘器进行脱尘处理，烟气预热H2O2后烟温降低，降低了含尘烟气的比电阻，提高了烟气的除尘效率，除尘后的烟气在除尘器下游烟道中与该处产生的强氧化性自由基接触，烟气中SO2被氧化为SO3，NO被氧化为高价态的氮氧化物，Hg0被氧化为Hg2+，氧化处理后的烟气进入喷淋塔中，在氨水喷淋的条件下，烟气中的硫氧化物和氮氧化物分别最终转变为硫酸铵和硝酸铵溶于盐溶液中，烟气中Hg2+也在喷淋塔中溶于液相，从而在喷淋塔中实现了对烟气中的硫氧化物、氮氧化物和汞的联合脱除，经过净化处理后的洁净烟气满足国家排放标准，通过烟囱排空；
喷淋塔底部富含硫酸铵、硝酸铵溶和Hg2+的盐溶液在盐液输送泵的作用下进入沉淀池，通过在沉淀池中加入脱汞沉淀剂以彻底脱除液相中的汞，脱汞沉淀后的盐溶液在盐液干燥器中进一步蒸发、浓缩，并送入结晶造粒系统中最终用于生产化肥成品。
本发明进一步的改进在于，H2O2水溶液中H2O2的重量百分比为10wt％。
本发明进一步的改进在于，脱汞沉淀剂为Na2S。
本发明具有如下的优点：
本发明一种烟气多污染物协同脱除系统及方法，实现了对燃煤烟气中的硫氧化物、氮氧化物和汞的协同脱除，系统布置紧凑，占地面积小，正常运行条件下，硫氧化物的脱除效率能达99％左右，氮氧化物的脱除效率能达80％以上，汞的脱除效率能达90％以上。
进一步，本发明提供的系统通过布置沉淀池彻底脱除液相中的含汞物质，避免烟气脱除产物中的含汞化合物对环境造成二次污染。
进一步，本发明提供的系统在喷淋塔中以氨水作为吸收剂，并通过后续的盐液干燥和结晶造粒工艺，实现了对烟气中的硫氧化物和氮氧化物资源化回收，并生成化肥成品，具有很高的经济效益和社会效益。
进一步，本发明提供的系统在除尘器下游烟道中布置雾化喷嘴，在不同的负荷下可以通过调整H2O2喷入量来实现对污染物的高效脱除，对锅炉负荷的适应性强。
进一步，本发明提供的系统利用锅炉尾部烟气余热作为H2O2溶液预热和盐液干燥的热源，实现锅炉尾部烟气余热的梯级利用，提升了系统的经济性。
进一步，本发明提供的方法将所研发的非均相类Fenton催化剂(FeVO4或Fe2(MoO4)3的一种)布置在除尘器下游的烟道中，避免了烟气中飞灰对催化剂的堵灰和磨蚀，提高了催化剂的使用寿命。
本发明提供的方法以所研发的FeVO4或Fe2(MoO4)3作为催化剂，该类、复合金属氧化物催化剂相比现有技术中所使用的催化剂在定向分解H2O2产生·OH方面具有更高的催化活性和化学稳定性，能保证烟气中多污染物的脱除效率的同时能最大程度降低H2O2用量，降低了烟气中污染物的脱除成本。
进一步，本发明提出的方法采用将一定浓度的H2O2溶液经过预热后直接雾化喷入烟道，确保·OH在催化剂表面分解产生后立刻参与到后续的氧化反应，避免了现有技术中由于·OH寿命极短所造成的大量·OH无效猝灭问题，极大提高了H2O2的利用率从而降低了烟气中污染物的脱除成本。
附图说明
图1为本发明提供的一种烟气多污染物协同脱除系统的结构原理图。
图中：1为锅炉本体，2为H2O2储罐，3为H2O2输送泵，4为螺旋管预热器，5为除尘器，6为雾化喷嘴，7为非均相类Fenton催化剂，8为喷淋塔，9为循环泵，10为氨水储罐，11为氨水输送泵，12为烟囱，13为盐液输送泵，14为沉淀池，15为盐液干燥器，16为引风机，17为结晶造粒系统。
图2为本发明提供的一种烟气多污染物协同脱除方法的流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步的详细说明。
如图1所示，本发明提供的一种烟气多污染物协同脱除系统，包括锅炉本体1、H2O2储罐2、H2O2输送泵3、螺旋管预热器4、除尘器5、雾化喷嘴6、非均相类Fenton催化剂7、喷淋塔8、循环泵9、氨水储罐10、氨水输送泵11、烟囱12、盐液输送泵13、沉淀池14、盐液干燥器15、引风机16和结晶造粒系统17。
其中，锅炉本体1尾部烟气出口通过管道依次与除尘器5和喷淋塔8的烟气入口连接，喷淋塔8顶部布置有洁净烟气出口，该洁净烟气出口通过管道连接至烟囱12，喷淋塔8底部布置有盐液出口、盐液循环口和氨水添加口，其中盐液出口通过管道依次与盐液输送泵13、沉淀池14、盐液干燥器15和结晶造粒系统17连接；盐液循环口通过管道依次与循环泵9和喷淋塔8上部的喷嘴连接；氨水储罐10则通过管道依次与氨水输送泵11和氨水添加口连接。
进一步的，除尘器5上游烟道中(对应烟温约为130℃-160℃)布置有螺旋管预热器4，且H2O2储罐2通过管道依次与H2O2输送泵3和螺旋管预热器4的入口连接。
进一步的，除尘器5下游烟道中(对应烟温约为100℃-130℃)布置有雾化喷嘴6，雾化喷嘴6入口通过管道与螺旋管预热器4出口连接。
进一步的，雾化喷嘴6下游烟道中布置有蜂窝状的非均相类Fenton催化剂，催化剂为FeVO4或Fe2(MoO4)3的一种。
进一步的，沉淀池14布置有除汞沉淀剂添加口。
进一步的，盐液干燥器15以锅炉尾部烟气作为加热热源，锅炉本体1尾部烟道出口依次与引风机16和盐液干燥器15的烟气入口连接，盐液干燥器15的烟气出口则与除尘器5上游的烟道连接。
本发明提供的一种烟气多污染物协同脱除系统，实现了对燃煤烟气中的硫氧化物、氮氧化物和汞的脱除，系统布置紧凑，占地面积小，不仅能避免脱除产物中的含汞化合物对环境造成二次污染，还能将烟气中的硫氧化物和氮氧化物资源化回收，生成化肥成品，具有很高的经济效益和社会效益。此外，该系统中利用锅炉尾部烟气余热作为H2O2预热和盐液干燥的热源，最大限度利用了锅炉尾部的烟气余热，降低了系统的运行成本，在不同的负荷下可以通过调整H2O2喷入量来实现对污染物的高效脱除，对锅炉负荷具有很强的适应性。
如图2所示，本发明提供的一种烟气多污染物协同脱除方法，具有如下步骤：
H2O2水溶液(10wt％)在H2O2输送泵3的作用下进入螺旋管预热器6，利用该处的烟气余热(烟温约为130℃-160℃)预热H2O2水溶液，预热后的H2O2水溶液温度在90℃左右，并通过布置在除尘器2下游烟道(烟温约为100℃-130℃)中的雾化喷嘴6将预热后的H2O2水溶液雾化为细小的液滴并在烟道中实现迅速气化，气化后的H2O2均匀分布在烟道中，并在蜂窝状非均相类Fenton催化剂作用下，分解为具有强氧化性的自由基(如·OH标准电极电位2.8V，·HO2标准电极电位1.6V)。
锅炉尾部烟道中的待净化烟气预热H2O2后进入除尘器5进行脱尘处理，烟气预热H2O2后烟温有一定程度的降低，降低了含尘烟气的比电阻，提高了烟气的除尘效率，除尘后的烟气在除尘器5下游烟道(烟温约为100℃-130℃)中与该处产生的强氧化性自由基接触，烟气中SO2被氧化为SO3，NO被氧化为高价态的氮氧化物(如NO2，N2O4，N2O5等)，Hg0被氧化为Hg2+，氧化处理后的烟气进入喷淋塔8中，在氨水喷淋的条件下，烟气中的硫氧化物和氮氧化物分别最终转变为硫酸铵和硝酸铵溶于盐溶液中，烟气中Hg2+也在喷淋塔8中溶于液相，从而在喷淋塔8中实现了对烟气中的硫氧化物、氮氧化物和汞的联合脱除，经过净化处理后的洁净烟气满足国家排放标准，通过烟囱12排空。
喷淋塔8底部富含硫酸铵、硝酸铵溶和Hg2+的盐溶液在盐液输送泵13的作用下进入沉淀池14，通过在沉淀池中加入少量的脱汞沉淀剂(如Na2S)以彻底脱除液相中的汞，脱汞沉淀后的盐溶液在盐液干燥器15中进一步蒸发、浓缩，并送入结晶造粒系统17中最终用于生产化肥成品。
H2O2在催化剂表面发生的反应如式(1)～(2)所示；烟道中污染物与活性物质的主要反应如式(3)～(12)所示；喷淋塔8中的主要反应如式(13)～(14)所示：
SO2+H2O→H2SO3 (3)
NO+HO·→NO2+H· (7)
Hg0+2HO·+2H+→Hg2++2H2O (12)
H2SO4+2NH3·H2O→(NH4)2SO4+2H2O (13)
HNO3+NH3·H2O→NH4NO3+H2O (14)
本发明提供的一种烟气多污染物协同脱除方法，该方法实现了烟气中多污染物的协同脱除，避免了烟气中飞灰对催化剂的堵灰和磨蚀，提高了催化剂的使用寿命，所使用的催化剂在定向分解H2O2产生·OH方面具有很高的催化活性和化学稳定性。此外，本发明提供的方法能确保·OH在催化剂表面分解产生后立刻参与到后续的氧化反应，避免了现有技术中由于·OH寿命极短所造成的大量·OH无效猝灭问题，极大提高了H2O2的利用率并降低了烟气中污染物的脱除成本。
应理解，该实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外，还应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域的技术人员可以对本发做出各种改动或修改，然而，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种烟气多污染物协同脱除系统，其特征在于，包括锅炉本体(1)、H2O2储罐(2)、H2O2输送泵(3)、除尘器(5)、喷淋塔(8)、循环泵(9)、氨水储罐(10)、氨水输送泵(11)、烟囱(12)、盐液输送泵(13)、沉淀池(14)、盐液干燥器(15)、引风机(16)和结晶造粒系统(17)；其中，
锅炉本体(1)尾部烟气出口通过管道依次与除尘器(5)和喷淋塔(8)的烟气入口连接，喷淋塔(8)顶部布置有洁净烟气出口，该洁净烟气出口通过管道连接至烟囱(12)，喷淋塔(8)底部布置有盐液出口、盐液循环口和氨水添加口，其中盐液出口通过管道依次与盐液输送泵(13)、沉淀池(14)、盐液干燥器(15)和结晶造粒系统(17)连接；盐液循环口通过管道依次与循环泵(9)和喷淋塔(8)上部的喷嘴连接；氨水储罐(10)则通过管道依次与氨水输送泵(11)和氨水添加口连接；
除尘器(5)上游烟道中布置有螺旋管预热器(4)，且H2O2储罐(2)通过管道依次与H2O2输送泵(3)和螺旋管预热器(4)的入口连接；
除尘器(5)下游烟道中布置有雾化喷嘴(6)，雾化喷嘴(6)入口通过管道与螺旋管预热器(4)出口连接。
2.根据权利要求1所述的一种烟气多污染物协同脱除系统，其特征在于，除尘器(5)上游烟道中的烟温为130℃-160℃。
3.根据权利要求1所述的一种烟气多污染物协同脱除系统，其特征在于，除尘器(5)下游烟道中的烟温为100℃-130℃。
4.根据权利要求1所述的一种烟气多污染物协同脱除系统，其特征在于，雾化喷嘴(6)下游烟道中布置有蜂窝状的非均相类Fenton催化剂(7)。
5.根据权利要求4所述的一种烟气多污染物协同脱除系统，其特征在于，催化剂为FeVO4或Fe2(MoO4)3的一种。
6.根据权利要求1所述的一种烟气多污染物协同脱除系统，其特征在于，沉淀池(14)布置有除汞沉淀剂添加口。
7.根据权利要求1所述的一种烟气多污染物协同脱除系统，其特征在于，还包括引风机(16)，盐液干燥器(15)以锅炉尾部烟气作为加热热源，锅炉本体(1)尾部烟道出口依次与引风机(16)和盐液干燥器(15)的烟气入口连接，盐液干燥器(15)的烟气出口则与除尘器(5)上游的烟道连接。
8.一种烟气多污染物协同脱除方法，其特征在于，该方法基于权利要求1至7中任一项所述的一种烟气多污染物协同脱除系统，包括如下步骤：
H2O2水溶液在H2O2输送泵(3)的作用下进入螺旋管预热器(6)，利用该处的烟气余热预热H2O2水溶液，预热后的H2O2水溶液温度在90℃左右，并通过布置在除尘器(2)下游烟道中的雾化喷嘴(6)将预热后的H2O2水溶液雾化为细小的液滴并在烟道中实现迅速气化，气化后的H2O2均匀分布在烟道中，并在蜂窝状非均相类Fenton催化剂作用下，分解为具有强氧化性的自由基；
锅炉尾部烟道中的待净化烟气预热H2O2后进入除尘器(5)进行脱尘处理，烟气预热H2O2后烟温降低，降低了含尘烟气的比电阻，提高了烟气的除尘效率，除尘后的烟气在除尘器(5)下游烟道中与该处产生的强氧化性自由基接触，烟气中SO2被氧化为SO3，NO被氧化为高价态的氮氧化物，Hg0被氧化为Hg2+，氧化处理后的烟气进入喷淋塔(8)中，在氨水喷淋的条件下，烟气中的硫氧化物和氮氧化物分别最终转变为硫酸铵和硝酸铵溶于盐溶液中，烟气中Hg2+也在喷淋塔(8)中溶于液相，从而在喷淋塔(8)中实现了对烟气中的硫氧化物、氮氧化物和汞的联合脱除，经过净化处理后的洁净烟气满足国家排放标准，通过烟囱(12)排空；
喷淋塔(8)底部富含硫酸铵、硝酸铵溶和Hg2+的盐溶液在盐液输送泵(13)的作用下进入沉淀池(14)，通过在沉淀池中加入脱汞沉淀剂以彻底脱除液相中的汞，脱汞沉淀后的盐溶液在盐液干燥器(15)中进一步蒸发、浓缩，并送入结晶造粒系统(17)中最终用于生产化肥成品。
9.根据权利要求8所述的一种烟气多污染物协同脱除方法，其特征在于，H2O2水溶液中H2O2的重量百分比为10wt％。
10.根据权利要求8所述的一种烟气多污染物协同脱除方法，其特征在于，脱汞沉淀剂为Na2S。
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