CN108434967A - 一种基于空气氧化吸收烟气的湿法脱硝系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于空气氧化吸收烟气的湿法脱硝系统，氧化吸收塔顶部设有尾气出口，氧化吸收塔侧面设有溢流口、溢液回流口、吸收液入口、在线监测取样口，氧化吸收塔底部设有微纳米气泡入口和吸收液出口；所述尾气出口连接气体混合室，气体混合室连接微纳米气泡发生机，微纳米气泡发生机与所述微纳米气泡入口连接；所述吸收液入口连接吸收液储罐；所述在线监测取样口连接第一在线浓度监测仪；所述溢流口和溢液回流口均连接储液罐，储液罐连接第二在线浓度监测仪和硝酸制备系统；所述吸收液出口与硝酸制备系统连接。本发明还提供了一种基于空气氧化吸收烟气的湿法脱硝方法。本发明结构简单，成本低廉，能源消耗低，脱硝效率高，无二次污染。
Description
技术领域
本发明涉及一种湿法脱硝系统，尤其涉及一种基于微纳米气泡的空气氧化吸收烟气的湿法脱硝系统，属于环保技术领域。
背景技术
在我国排放量持续增长的各类大气污染物中，NOx是产生污染问题最多的前体物，其对人类健康和环境的危害主要有：对人体的致毒作用、对植物的损害、形成酸雨酸雾、与碳氢化合物形成光化学烟雾、参与臭氧层的破坏等，素有大气污染物的“元凶”和“杀手”之称，对人类的生活环境带来严重威胁。NOx主要包括NO、NO2、N2O3、N2O4、N2O5等，其中90％～95％以上是NO，而且NO几乎不被水或碱液吸收。控制NOx是改善空气环境质量的关键。
现有的脱硝技术主要有吸附、吸收(常减压水、酸、碱吸收)、氧化吸收及催化还原、生物氧化或者几种技术组合脱硝等。其中应用最广的是催化还原技术，其代表方法是SCR法和SNCR法。SCR法技术成熟、脱硝率较高，已实现工业化，并成为世界范围内大型工业锅炉烟气脱硝的主流工艺，在燃煤电厂和玻璃窑得到了广泛的应用，但存在投资高、运行成本高、易泄露、造成二次污染等缺点。SNCR法特点是不需催化剂，旧设备改造少，投资较SCR法小，但氨液消耗量较SCR法多，而且脱硝率不高、运行成本高、氨的泄漏量大，因此目前大部分锅炉都不采用SNCR方法。
因湿法氧化吸收法具有工艺过程简单、脱硝率高、容易实现资源回收利用、无二次污染等优点，从降低运行成本、提高NO氧化程度和速率及其低浓度NOx烟气净化的需求等方面来看，湿法氧化吸收法是较有前途的方法。目前研究较多的氧化吸收法主要是O3法、NaClO2及其复合氧化吸收法、ClO2法、KMnO4法等，但由于受制于O3、NaClO2等氧化剂成本高、ClO2、KMnO4会造成设备腐蚀以及氧化剂利用率不高等问题，给该方法的进一步研究带来困难。为此，需要设计一种成本更加低廉、效果更好的脱硝技术。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种成本低廉、脱硝效率高的基于空气的氧化反应的脱硝系统。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种基于空气氧化吸收烟气的湿法脱硝系统，其特征在于：包括氧化吸收塔，氧化吸收塔顶部设有尾气出口，氧化吸收塔侧面设有溢流口、溢液回流口、吸收液入口、在线监测取样口，氧化吸收塔底部设有微纳米气泡入口和吸收液出口；
所述尾气出口连接气体混合室，气体混合室连接微纳米气泡发生机，微纳米气泡发生机与所述微纳米气泡入口连接；所述吸收液入口连接吸收液储罐；所述在线监测取样口连接第一在线NO3 -浓度监测仪；所述溢流口和溢液回流口均连接储液罐，储液罐连接第二在线NO3 -浓度监测仪和硝酸制备系统；所述吸收液出口与硝酸制备系统连接。
优选地，所述溢流口位于溢液回流口下方，吸收液入口与溢液回流口齐平，在线监测取样口位于吸收液入口下方。
优选地，所述尾气出口下方设有除雾器，且除雾器位于所述溢液回流口、吸收液入口上方。
优选地，所述尾气出口与气体混合室连接的管路上设有抽气泵；所述吸收液入口与吸收液储罐连接的管路上设有液体泵；所述溢液回流口与储液罐连接的管路上设有液体泵。
更优选地，所述抽气泵连接烟气分析仪。
优选地，所述气体混合室顶部设有烟气入口、空气入口，所述气体混合室侧面通过混合气体出口与所述微纳米气泡发生机连接。
优选地，所述微纳米气泡发生机上设有自来水入口。
优选地，所述气体混合室与微纳米气泡发生机连接的管路上设有流量计。
本发明还提供了一种基于空气氧化吸收烟气的湿法脱硝方法，其特征在于：采用上述的基于空气氧化吸收烟气的湿法脱硝系统，步骤为：
步骤1：将烟气、空气引入气体混合室，并以气体混合室中的混合气体作为气源通入微纳米气泡发生机；同时向微纳米气泡发生机中通入自来水，制备微纳米气泡水体系；并将微纳米气泡水体系射入氧化吸收塔；
步骤2：通过吸收液储罐向氧化吸收塔中通入自来水，作为吸收液；
步骤3：含有烟气和空气的微纳米气泡水体系在氧化吸收塔中与自来水吸收液进行充分氧化吸收，为保证吸收液体积不变，多余吸收液由溢流口流出进入储液罐，并将储液罐中的吸收液经溢液回流口通入氧化吸收塔以循环回用；氧化吸收塔中的尾气经过氧化吸收塔上部的除雾器除雾后，由尾气出口引入气体混合室，以达到循环氧化吸收的目的；
步骤4：通过第一在线NO3 -浓度监测仪对氧化吸收塔中的吸收液的浓度进行在线自动监测，达到HNO3回收利用的浓度要求后，将氧化吸收塔中的吸收液通过吸收液出口放出，通入硝酸制备系统；
步骤5：通过第二在线NO3 -浓度监测仪对储液罐中的吸收液的浓度进行在线自动监测，达到HNO3回收利用的浓度要求后，将储液罐中的吸收液放出，通入硝酸制备系统。
优选地，所述步骤1中，混合气体含NO体积浓度为1250～6250ppm。
本发明提供的系统利用微纳米气泡相较于普通气泡所具有的比表面积大、存在时间长、自身增压溶解、传质效率高、表面电荷形成的ζ电位高以及可释放出自由基等优势特性，利用几乎零成本的富氧气体空气与烟气进行混合作为微纳米气泡的气源，利用成本低廉、容易获取的自来水作为吸收介质，在常温常压条件下实施对烟气的氧化吸收。所述的微纳米气泡通常是指直径为50μm～200nm的超微小气泡。微纳米气泡在水中的溶解度超过85％，溶解氧浓度可以达到饱和浓度以上，并且微纳米气泡是以气泡的方式长时间(上升速度6cm/分钟)存留在水中，上升过程中自身增压溶解，可以随着溶解氧的消耗不断地向水中补充活性氧，以达到充分氧化NO、提高脱硝效率的目的。
相比现有技术，本发明具有如下有益效果：
1、使用的氧化剂是空气，极易获取，几乎零成本；
2、使用的吸收液是自来水，价格低廉，容易获取；
3、能源消耗低，只需要为微纳米气泡发生机、液体泵和抽气泵提供动力；
4、最终的吸收液是较高浓度的硝酸溶液，可实施回收利用；
5、系统组成简单，投资运行成本低，易于操作；
6、氧化剂利用率高，脱硝效率高，不产生二次污染。
附图说明
图1为基于空气氧化吸收烟气的湿法脱硝系统示意图；
附图标记说明：1-氧化吸收塔；2-溢流口；3-溢液回流口；4-除雾器；5-尾气出口；6-吸收液入口；7-在线监测取样口；8-微纳米气泡入口；9-吸收液出口；10-第一在线NO3-浓度监测仪；11-液体泵；12-烟气分析仪；13-抽气泵；14-吸收液储罐；15一烟气入口；16-空气入口；17-气体混合室；18-混合气体出口；19-流量计；20-自来水入口；21-微纳米气泡发生机；22-储液罐；23-液体泵；24-第二在线NO3-浓度监测仪；25-硝酸制备系统。
具体实施方式
图1为基于空气氧化吸收烟气的湿法脱硝系统示意图，所述的基于空气氧化吸收烟气的湿法脱硝系统包括氧化吸收塔1，氧化吸收塔1顶部中心设有尾气出口5；氧化吸收塔1一侧设有溢流口2、溢液回流口3，氧化吸收塔1另一侧设有吸收液入口6、在线监测取样口7；氧化吸收塔1底部设有微纳米气泡入口8和吸收液出口9。其中，溢流口2位于溢液回流口3下方，吸收液入口6与溢液回流口3齐平，在线监测取样口7位于吸收液入口6下方，尾气出口5下方安装有除雾器4，且除雾器4位于溢液回流口3、吸收液入口6上方。
尾气出口5与气体混合室17连接，且二者连接的管路上装有抽气泵13，抽气泵13连接烟气分析仪12。气体混合室17顶部设有烟气入口15、空气入口16，气体混合室17侧面设有混合气体出口18。
微纳米气泡发生机21上设有自来水入口20。微纳米气泡发生机21通过管路与气体混合室17的混合气体出口18连接，且二者连接的管路上安装了流量计19。微纳米气泡发生机21还与氧化吸收塔1底部的微纳米气泡入口8连接。
吸收液入口6与吸收液储罐14连接，且二者连接的管路上装有液体泵11。
在线监测取样口7连接第一在线NO3 -浓度监测仪10。
溢流口2和溢液回流口3均连接储液罐22，且溢液回流口3与储液罐22连接的管路上装有液体泵23。储液罐22还连接第二在线NO3 -浓度监测仪24和硝酸制备系统25。
吸收液出口9与硝酸制备系统25连接。
基于空气氧化吸收烟气的湿法脱硝系统使用时，步骤如下：
步骤1：将烟气、空气分别通过烟气入口15、空气入口16引入气体混合室17，并以此混合气体作为气源通过混合气体出口18通入微纳米气泡发生机21；同时通过自来水入口20向微纳米气泡发生机21中通入自来水，制备微纳米气泡水体系；所述微纳米气泡水体系通过微纳米气泡入口8高速射入氧化吸收塔1。
步骤2：吸收液储罐14经吸收液入口6向氧化吸收塔1中通入自来水，作为吸收液。
步骤3：含有烟气和空气的微纳米气泡水体系在氧化吸收塔1中与自来水吸收液进行充分氧化吸收，为保证吸收液体积不变，多余吸收液由溢流口2流出进入储液罐22，并通过液体泵23将储液罐22中的吸收液经溢液回流口3通入氧化吸收塔1以循环回用；氧化吸收塔1中的尾气经过氧化吸收塔1上部的除雾器4除雾后，由尾气出口5并通过抽气泵13抽出，引入气体混合室17，以达到循环氧化吸收的目的，并通过烟气分析仪12对尾气浓度进行自动监测、分析。
步骤4：通过第一在线NO3 -浓度监测仪10对氧化吸收塔1中的吸收液的浓度进行在线自动监测，达到HNO3回收利用的浓度要求后，将氧化吸收塔1中的吸收液通过吸收液出口9放出，通入硝酸制备系统25。
步骤5：通过第二在线NO3 -浓度监测仪24对储液罐22中的吸收液的浓度进行在线自动监测，达到HNO3回收利用的浓度要求后，将储液罐22中的吸收液放出，通入硝酸制备系统25。
其中，气体混合室17的作用主要是保证烟气、空气以及从氧化吸收塔1回收的尾气进行充分混合，并使一部分NO进行氧化。
除雾器4是由一块多孔板和填料组成，可根据需要调整填料高度，通过除雾器4一方面可以使尾气中的一小部分小雾滴凝结成小水珠沉降下来，另一方面可以对尾气进行二次吸收，提高吸收效率。
本发明的技术原理如下：
第一、化学反应原理
(1)NO的氧化
在常压下温度低于100℃，NO氧化成NO2的反应可认为是不可逆的。该反应方程式为：
NO(g)+0.5O2(g)→NO2，反应速率常数表示为1g K1＝652.1/T-4.747(K1为反应速率常数，T为温度)，该反应为放热反应，相对于NOx吸收过程的其他反应速率最慢，因此该反应决定了NO氧化的程度。
(2)NO2聚合为N2O4
据报道NO2聚合为N2O4的反应大约在10-4s内达到平衡，该反应方程式为：
2NO2(g)→N2O4(g)
反应平衡常数为1g K＝2993/T-11.232(K为反应平衡常数，T为温度)
(3)NOx被水吸收的主要反应
2NO2(g)+H2O(l)→HNO3(l)+HNO2(l)
N2O4(g)+2H2O(l)→HNO3(l)+HNO2(l)
HNO2(l)→1/3HNO3(l)+2/3NO(g)+1/3H2O(l)
总反应式如下：
3NO2(g)+H2O(l)→2HNO3(l)+NO(g)
反应平衡常数为1g K3＝2003.8/T-10.673(K3为反应平衡常数，T为温度)
(4)NOx稀硝酸吸收原理
2NO(g)+HNO3(l)+H2O(l)→3HNO2(l)
HNO2(l)→1/3HNO3(l)+2/3NO(g)+1/3H2O(l)
第二、微纳米气泡捕获NO并诱导O2氧化NO，原位吸收NOx过程以及吸收液的回收利用；
通过微纳米气泡发生机向水中高速射入微纳米气泡，在水中微纳米气泡空间中产生多种氧自由基(活性氧阴离子、氢离子、氢氧根离子、羟基离子、水氧基离子、水合电子等)，尤其氢氧自由基有超高的还原电位，具有超强氧化效果。本系统将空气与烟气在气体混合室进行充分混合后，通过流量计通入微纳米气泡发生机，同时将自来水通入微纳米气泡发生机，产生空气与烟气的混合微纳米气泡水体系，高速射入装有自来水的氧化吸收塔，进行充分氧化吸收，氧化吸收塔中的尾气经除雾器除雾后通入气体混合室进行循环氧化吸收；作为吸收液的自来水进行循环利用，达到硝酸制备系统的浓度要求后，通入硝酸制备系统进行回收利用。
本发明系统利用价格低廉、极易获取的富氧气体空气作为氧化剂，利用低成本、容易获取的自来水作为吸收液，利用微纳米气泡发生机产生微纳米气泡水体系捕获并氧化NO，原位吸收NOx。该系统最后生成的吸收液含有较高浓度的硝酸，并对其进行回收利用。该系统具有投资运行成本低、氧化剂利用率高、脱硝效率高、无二次污染、易于操作的优势。
下面以三个具体的应用实例，进一步阐述本发明。
实施例1
选用云南夏之春环保科技公司生产的XZCP-K-0.75型超微气泡发生器作为微纳米气泡发生机，定制了容积为50L的氧化吸收塔，定制了200L的吸收液储罐，将该基于空气氧化吸收烟气的湿法脱硝系统组装并检查系统的气密性和水密性。
配制NO体积浓度为1250ppm的混合气体，在氧化吸收塔中装入自来水40L。
控制微纳米气泡发生机的进水pH＝7，进水流量为12L/min，控制进气流量为50mL/min，控制进气压力为0.2MPa。
在未循环状态下，一次氧化吸收NO效率达到了50.1％。相较于普通的鼓泡反应器的低浓度(500ppm)NO吸收效率40％左右提高了不少。
实施例2
选用云南夏之春环保科技公司生产的XZCP-K-0.75型超微气泡发生器作为微纳米气泡发生机，定制了容积为50L的氧化吸收塔，定制了200L的吸收液储罐，将该基于空气氧化吸收烟气的湿法脱硝系统组装并检查系统的气密性和水密性。
配置NO体积浓度为2500ppm的混合气体，在氧化吸收塔中装入自来水40L。
控制微纳米气泡发生机的进水pH＝7，进水流量为12L/min，控制进气流量为100mL/min，控制进气压力为0.2MPa。
在未循环状态下，一次氧化吸收NO效率为42.6％。相较于普通的鼓泡反应器的低浓度(500ppm)NO吸收效率40％左右依然有所提高。
实施例3
选用云南夏之春环保科技公司生产的XZCP-K-0.75型超微气泡发生器作为微纳米气泡发生机，定制了容积为50L的氧化吸收塔，定制了200L的吸收液储罐，将该基于空气氧化吸收烟气的湿法脱硝系统组装并检查系统的气密性和水密性。
配置NO体积浓度为6250ppm的混合气体，在氧化吸收塔中装入自来水40L。
控制微纳米气泡发生机的进水pH＝7，进水流量为12L/min，控制进气流量为250mL/min，控制进气压力为0.2MPa。
在未循环状态下，一次氧化吸收NO效率为20.2％。
应当理解的是，虽然在这里可能使用量术语“第一”、“第二”等等来描述各个单元，但是这些单元不应当受这些术语限制。使用这些术语仅仅是为了将一个单元与另一个单元进行区分。举例来说，在不背离示例性实施例的范围的情况下，第一单元可以被称为第二单元，并且类似地第二单元可以被称为第一单元。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本发明的技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种基于空气氧化吸收烟气的湿法脱硝系统，其特征在于：包括氧化吸收塔(1)，氧化吸收塔(1)顶部设有尾气出口(5)，氧化吸收塔(1)侧面设有溢流口(2)、溢液回流口(3)、吸收液入口(6)、在线监测取样口(7)，氧化吸收塔(1)底部设有微纳米气泡入口(8)和吸收液出口(9)；
所述尾气出口(5)连接气体混合室(17)，气体混合室(17)连接微纳米年泡发生机(21)，微纳米气泡发生机(21)与所述微纳米气泡入口(8)连接；所述吸收液入口(6)连接吸收液储罐(14)；所述在线监测取样口(7)连接第一在线NO3-浓度监测仪(10)；所述溢流口(2)和溢液回流口(3)均连接储液罐(22)，储液罐(22)连接第二在线NO3 -浓度监测仪(24)和硝酸制备系统(25)；所述吸收液出口(9)与硝酸制备系统(25)连接。
2.如权利要求1所述的一种基于空气氧化吸收烟气的湿法脱硝系统，其特征在于：所述溢流口(2)位于溢液回流口(3)下方，吸收液入口(6)与溢液回流口(3)齐平，在线监测取样口(7)位于吸收液入口(6)下方。
3.如权利要求1或2所述的一种基于空气氧化吸收烟气的湿法脱硝系统，其特征在于：所述尾气出口(5)下方设有除雾器(4)，且除雾器(4)位于所述溢液回流口(3)、吸收液入口(6)上方。
4.如权利要求1所述的一种基于空气氧化吸收烟气的湿法脱硝系统，其特征在于：所述尾气出口(5)与气体混合室(17)连接的管路上设有抽气泵(13)；所述吸收液入口(6)与吸收液储罐(14)连接的管路上设有液体泵(11)；所述溢液回流口(3)与储液罐(22)连接的管路上设有液体泵(23)。
5.如权利要求4所述的一种基于空气氧化吸收烟气的湿法脱硝系统，其特征在于：所述抽气泵(13)连接烟气分析仪(12)。
6.如权利要求1所述的一种基于空气氧化吸收烟气的湿法脱硝系统，其特征在于：所述气体混合室(17)顶部设有烟气入口(15)、空气入口(16)，所述气体混合室(17)侧面通过混合气体出口(18)与所述微纳米气泡发生机(21)连接。
7.如权利要求1所述的一种基于空气氧化吸收烟气的湿法脱硝系统，其特征在于：所述微纳米气泡发生机(21)上设有自来水入口(20)。
8.如权利要求1所述的一种基于空气氧化吸收烟气的湿法脱硝系统，其特征在于：所述气体混合室(17)与微纳米气泡发生机(21)连接的管路上设有流量计(19)。
9.一种基于空气氧化吸收烟气的湿法脱硝方法，其特征在于：采用如权利要求1～8任一项所述的基于空气氧化吸收烟气的湿法脱硝系统，步骤为：
步骤1：将烟气、空气引入气体混合室(17)，并以气体混合室(17)中的混合气体作为气源通入微纳米气泡发生机(21)；同时向微纳米气泡发生机(21)中通入自来水，制备微纳米气泡水体系；并将微纳米气泡水体系射入氧化吸收塔(1)：
步骤2：通过吸收液储罐(14)向氧化吸收塔(1)中通入自来水，作为吸收液；
步骤3：含有烟气和空气的微纳米气泡水体系在氧化吸收塔(1)中与自来水吸收液进行充分氧化吸收，为保证吸收液体积不变，多余吸收液由溢流口(2)流出进入储液罐(22)，并将储液罐(22)中的吸收液经溢液回流口(3)通入氧化吸收塔(1)以循环回用；氧化吸收塔(1)中的尾气经过氧化吸收塔(1)上部的除雾器(4)除雾后，由尾气出口(5)引入气体混合室(17)，以达到循环氧化吸收的目的；
步骤4：通过第一在线NO3 -浓度监测仪(10)对氧化吸收塔(1)中的吸收液的浓度进行在线自动监测，达到HNO3回收利用的浓度要求后，将氧化吸收塔(1)中的吸收液通过吸收液出口(9)放出，通入硝酸制备系统(25)；
步骤5：通过第二在线NO3 -浓度监测仪(24)对储液罐(22)中的吸收液的浓度进行在线自动监测，达到HNO3回收利用的浓度要求后，将储液罐(22)中的吸收液放出，通入硝酸制备系统(25)。
10.如权利要求9所述的一种基于空气氧化吸收烟气的湿法脱硝方法，其特征在于：所述步骤1中，混合气体含NO体积浓度为1250～6250ppm。
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