CN111102591B - 一种联合脱除燃煤烟气中重金属、voc和so3的系统及方法 - Google Patents

一种联合脱除燃煤烟气中重金属、voc和so3的系统及方法 Download PDF

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Abstract

本申请涉及烟气净化技术领域，尤其涉及一种联合脱除燃煤烟气中重金属、VOC和SO3的系统及方法。该系统包括第一系统和第二系统，第一系统沿烟气的流动方向依次包括锅炉、脱硝装置、空气预热器、除尘器和湿法脱硫塔，第二系统沿生物质的输送方向依次包括金属负载装置、热解炉、第一分离装置、生物炭储存装置和喷射管道。本申请将生物质通过金属负载装置进行金属负载后，送入到热解炉中进行热解，利用第一分离装置分离出的生物炭由生物炭储存装置储存，储存于生物炭储存装置的生物炭通过喷射管道喷入到烟道中，经金属负载后的生物炭能够有效吸附重金属、VOC和SO3，从而实现了对烟道烟气中的重金属、VOC和SO3的联合脱除。

Description

一种联合脱除燃煤烟气中重金属、VOC和SO3的系统及方法
技术领域
本申请涉及烟气净化技术领域，尤其涉及一种联合脱除燃煤烟气中重金属、VOC和SO3的系统及方法。
背景技术
重金属是指化学上密度大于4.5g/cm3的金属，如Hg、Cd、Pb等，这些重金属元素具有很强的毒性，即使是较低浓度下也对生物及环境造成严重的危害。燃煤电厂是重金属重要排放源之一，所以亟需严格控制燃煤电厂重金属的排放。
挥发性的有机化合物，简称为VOC，也是燃煤过程产生的污染物之一，如不加以处理直接排放大气中，对人体造成严重危害。
SO3是一种严重的污染物，随着大气污染物排放控制日趋严格，SO3的排放控制也备受人们的关注。
燃煤烟气中喷入吸附剂吸附重金属、VOC和SO3是目前比较成熟的烟气净化方法。工业上目前主要应用的是溴化的活性炭作为吸附剂，虽然其吸附效率高，但成本较高。
因此，目前亟需提供一种联合脱除燃煤烟气中重金属、VOC和SO3的系统及方法来解决上述问题。
发明内容
本申请提供了一种联合脱除燃煤烟气中重金属、VOC和SO3的系统及方法，以实现对烟道烟气中的重金属、VOC和SO3的联合脱除。
第一方面，本申请实施例提供了一种联合脱除燃煤烟气中重金属、 VOC和SO3的系统，包括：
第一系统，所述第一系统沿烟气的流动方向依次包括锅炉、脱硝装置、空气预热器和除尘器；
第二系统，所述第二系统沿生物质的输送方向依次包括金属负载装置、热解炉、第一分离装置、生物炭储存装置和喷射管道；
所述喷射管道设置于所述脱硝装置和所述空气预热器之间和/或所述空气预热器和所述除尘器之间；
生物质通过所述金属负载装置进行金属负载后，送入到所述热解炉中进行热解，利用所述第一分离装置分离出的生物炭由所述生物炭储存装置储存，储存于所述生物炭储存装置的生物炭通过喷射管道喷入到烟道中，以对重金属、VOC和SO3进行吸附。
在一种可能的设计中，所述金属负载装置采用的金属为磁性金属，在所述金属负载装置中，生物质与含磁性金属的盐溶液混合；
所述除尘器连接有磁选分离装置，所述磁选分离装置与所述热解炉连接；
将所述除尘器捕集后的飞灰和磁性生物炭送入到所述磁选分离装置，利用所述磁选分离装置分离出磁性生物炭，并将分离出来的磁性生物炭再次送入到所述热解炉中，热解出的热解气中包括重金属、VOC和SO2。
在一种可能的设计中，沿热解气的流动方向，所述第一分离装置依次连接有第一回收装置和第二回收装置；
经所述第一分离装置分离出的焦油由所述第一回收装置回收，经所述第一分离装置分离出的重金属和SO2由所述第二回收装置回收。
在一种可能的设计中，沿热解气的流动方向，所述第二回收装置依次连接有第二分离装置、燃烧装置和熔盐储能装置，所述熔盐储能装置与所述热解炉连接，用于向所述热解炉提供热量；
所述第二分离装置用于将热解气中的水进行分离，分离出的水能进入所述热解炉中，以对生物炭进行活化；
所述第二分离装置分离出的除水之外的热解气进入所述燃烧装置燃烧，用于向所述熔盐储能装置提供热量。
在一种可能的设计中，所述燃烧装置还与所述热解炉连接，所述燃烧装置燃烧除水之外的热解气而产生的水能进入所述热解炉中，以对生物炭进行活化。
在一种可能的设计中，所述第二回收装置采用双氧水或高锰酸钾对重金属和SO2进行吸收。
在一种可能的设计中，生物质通过第一载气由所述金属负载装置送入到所述热解炉，所述第一载气包括氮气和二氧化碳。
第二方面，本申请实施例提供了一种联合脱除燃煤烟气中重金属、 VOC和SO3的方法，包括以下步骤：
将生物质通过金属负载装置进行金属负载后，送入到热解炉中进行热解；
利用第一分离装置分离出的生物炭由生物炭储存装置储存，储存于所述生物炭储存装置的生物炭通过喷射管道喷入到烟道中，以对重金属、 VOC和SO3进行吸附。
在一种可能的设计中，生物质通过所述金属负载装置进行磁性金属负载，并送入到所述热解炉中制备出磁性生物炭；
所述方法还包括步骤：
将除尘器捕集后的飞灰和磁性生物炭送入到磁选分离装置，利用所述磁选分离装置分离出磁性生物炭，并将分离出来的磁性生物炭再次送入到所述热解炉中，热解出的热解气中包括重金属、VOC和SO2。
在一种可能的设计中，所述方法还包括步骤：
所述热解炉热解后的磁性生物炭通过第一分离装置分离出重金属、 VOC和SO2，利用双氧水或高锰酸钾对重金属和SO2进行吸收，通过燃烧将VOC除尽。
采用上述技术方案后，有益效果是：
本申请将生物质通过金属负载装置进行金属负载后，送入到热解炉中进行热解，利用第一分离装置分离出的生物炭由生物炭储存装置储存，储存于生物炭储存装置的生物炭通过喷射管道喷入到烟道中，经金属负载后的生物炭能够有效吸附重金属、VOC和SO3，从而实现了对烟道烟气中的重金属、VOC和SO3的联合脱除。
附图说明
图1为本申请实施例提供的联合脱除燃煤烟气中重金属、VOC和SO3的系统的原理示意图。
附图标记：
11-锅炉；
12-脱硝装置
13-空气预热器；
14-除尘器；
15-湿法脱硫塔；
16-烟囱；
21-金属负载装置；
22-热解炉；
23-第一分离装置；
24-生物炭储存装置
25-喷射管道；
31-磁选分离装置；
32-灰库；
41-第一回收装置；
42-第二回收装置；
43-第二分离装置；
44-燃烧装置；
45-熔盐储能装置。
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在本申请的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“第一”、“第二”仅用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；除非另有规定或说明，术语“多个”是指两个或两个以上；术语“连接”、“固定”等均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，或电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
本说明书的描述中，需要理解的是，本申请实施例所描述的“上”、“下”等方位词是以附图所示的角度来进行描述的，不应理解为对本申请实施例的限定。此外，在上下文中，还需要理解的是，当提到一个元件连接在另一个元件“上”或者“下”时，其不仅能够直接连接在另一个元件“上”或者“下”，也可以通过中间元件间接连接在另一个元件“上”或者“下”。
如图1所示，其为本申请实施例提供的联合脱除燃煤烟气中重金属、 VOC和SO3的系统的原理示意图。该系统包括第一系统和第二系统，第一系统沿烟气的流动方向依次包括锅炉11、脱硝装置12、空气预热器13 和除尘器14，第二系统沿生物质的输送方向依次包括金属负载装置21、热解炉22、第一分离装置23、生物炭储存装置24和喷射管道25，喷射管道25设置于脱硝装置12和空气预热器13之间和/或空气预热器13和除尘器14之间。本申请将生物质通过金属负载装置21进行金属负载后，送入到热解炉22中进行热解，利用第一分离装置23分离出的生物炭由生物炭储存装置24储存，储存于生物炭储存装置24的生物炭通过喷射管道25 喷入到烟道中(即脱硝装置12和空气预热器13之间和/或空气预热器13 和除尘器14之间)，经金属负载后的生物炭能够有效吸附重金属、VOC 和SO3，从而实现了对烟道烟气中的重金属、VOC和SO3的联合脱除。
其中，生物质可以是农林废弃物，例如秸秆、锯末、甘蔗渣和稻糠等，也可以是兰炭。生物质在热解炉22内且在无氧条件下热解，生物质热解炭化产物包括生物炭、焦油和热解气，三者经过第一分离装置23分离，生物炭被第一分离装置23从下部出口分离出，焦油和热解气被第一分离装置23从下部出口分离出。在一些实现方案中，第一分离装置23可以是旋风式分离器。
另外，可以通过利用第二载气将储存于生物炭储存装置24的生物炭通过喷射管道25喷入到烟道中，第二载气可以是压缩空气。
需要说明的是，经过金属负载的生物质可以是将金属氧化物与生物质混合，金属氧化物能够催化氧化烟气中的重金属并生成二价重金属，生成的二价重金属可以通过湿法脱硫塔15吸收反应，也能够催化氧化VOC并生成CO2和H2O，生成的CO2和H2O通过烟囱16排出，同时还能够与SO3反应并生成硫酸盐。而且，生物质经过热解炉22热解后生成的生物炭的比表面积大，由此利用生物炭比表面积大的特性可以实现对重金属和VOC 的吸附。
需要进一步说明的是，经过金属负载的生物质也可以是将含金属的盐溶液(例如硝酸铁溶液)与生物质进行混合，这些溶液在热解过程中水分会释放，导致生物炭的比表面积增大(即对生物炭进行了活化)，如此提高了生物炭的物理吸附能力。在该实现方案中，金属盐(例如硝酸铁)在热解后会生成金属氧化物，如此提高了生物炭的化学吸附能力。需要知道的是，由于热解炉22是在无氧或缺氧的条件下进行热解的，因此金属离子不能受到氧气的氧化；而使金属离子氧化的原因是：热解过程中生物质自身含的水分以及含金属的盐溶液携带的水分在热解过程中，这些水分的 OH-会与金属离子反应生成金属氧化物，这金属氧化物能够对重金属和 VOC进行催化氧化，如此提高了生物炭的化学吸附能力。
在一些实施方式中，金属负载装置21采用的金属为磁性金属，在金属负载装置21中，生物质与含磁性金属的盐溶液混合，磁性金属可以是铁、钴、镍等，含磁性金属的盐溶液可以是硝酸铁、硝酸镍等，当然含磁性金属的盐溶液也可以是至少两种含磁性金属的盐溶液的混合溶液，还可以是含磁性金属和非磁性金属的盐溶液。
除尘器14连接有磁选分离装置31，磁选分离装置31与热解炉22连接，生物质通过金属负载装置21进行磁性金属负载，并送入到热解炉22 中能制备出磁性生物炭。为实现磁性生物炭的重复利用，可以对除尘器14 飞灰和磁性生物炭进行捕集，例如可以是将除尘器14多个电场的灰斗均与磁选分离装置31连通，以将除尘器14捕集后的飞灰和磁性生物炭送入到磁选分离装置31，利用磁选分离装置31分离出磁性生物炭，而由磁选分离装置31分离出的飞灰可以直接进入灰库32。然后，可以将分离出来的磁性生物炭再次送入到热解炉22中进行高温脱附，以使重金属、VOC 和SO2可以随着热解气排出热解炉22。
在该实施方式中，通过利用磁性金属对生物质进行负载，可以实现对磁性生物炭的回收利用，以更大程度地节约成本和降低飞灰中重金属和 VOC等的污染。
在一些实施方式中，沿热解气的流动方向，第一分离装置23依次连接有第一回收装置41和第二回收装置42，经第一分离装置23分离出的焦油由第一回收装置41回收，经第一分离装置23分离出的重金属和SO2由第二回收装置42回收。需要指出的是，通常而言，只有第一次对生物质进行热解时会产生焦油，而再次对从磁选分离装置31分离出的磁性生物炭进行热解后一般不会产生焦油，从而第一回收装置41也就仅仅起到管路的连通作用。
其中，第二回收装置42可以采用双氧水或高锰酸钾对重金属和SO2进行吸收。在一些实现方案中，第二回收装置42可以采用由上至下的喷淋方式对重金属和SO2进行吸收，如此可以提高第二回收装置42的吸收效果。
在一些实施方式中，沿热解气的流动方向，第二回收装置42依次连接有第二分离装置43、燃烧装置44和熔盐储能装置45，熔盐储能装置45 与热解炉22连接，用于向热解炉22提供热量；第二分离装置43用于将热解气中的水进行分离，分离出的水能进入热解炉22中，以对生物炭进行活化；第二分离装置43分离出的除水之外的热解气进入燃烧装置44燃烧，用于向熔盐储能装置45提供热量。其中，第二分离装置43可以采用冷凝法将水和其它热解气进行分离，而其它热解气包括VOC(即碳氢化合物)、二氧化碳、一氧化碳、氢气等，这些热解气除二氧化碳外均可燃，因此可以利用燃烧装置44，不仅实现对VOC的除尽，还能够利用燃烧产生的热量供给熔盐储能装置45，进而向热解炉22提供热解所需的热量。
此外，燃烧装置44在燃烧时，需要有氧气的参加，因此可以通过第二载气向燃烧装置44输送氧气，例如第二载气可以是压缩空气。
可以理解的是，熔盐储能装置45还可以利用其它清洁能源或者免费能源，例如太阳能。
综上可知，本申请提供的联合脱除燃煤烟气中重金属、VOC和SO3的系统不仅能够实现对烟道烟气中的重金属、VOC和SO3的联合脱除，还能实现无二次污染，同时也能重复利用生物炭，大大降低了应用成本。
在一些实施方式中，燃烧装置44还与热解炉22连接，燃烧装置44 燃烧除水之外的热解气而产生的水能进入热解炉22中，以对生物炭进行活化。由于燃烧会产生水，该部分水可以和由第二分离装置43分离出的水一同进入到热解炉22中，以对生物炭进行活化，从而增大了生物炭的间隙或比表面积，即增大了生物炭的物理吸附能力。
在一些实施方式中，由于热解炉22需要在无氧或缺氧的条件下进行，因此对于输送生物质的气体中尽量不含有氧气，因此生物质通过第一载气由金属负载装置21送入到热解炉22，第一载气包括氮气和二氧化碳。第一载气中包括二氧化碳可以进一步提高热解炉22中生物炭的活性，当然，第一载气也可以只包括氮气。
本申请还提供了一种联合脱除燃煤烟气中重金属、VOC和SO3的方法，上述系统可以是该方法的一种具体实施例。该方法包括以下步骤：
S1、将生物质通过金属负载装置21进行金属负载后，送入到热解炉 22中进行热解；
经过金属负载的生物质可以是将金属氧化物与生物质混合，金属氧化物能够催化氧化烟气中的重金属并生成二价重金属，生成的二价重金属可以通过湿法脱硫塔15吸收反应，也能够催化氧化VOC并生成CO2和H2O，生成的CO2和H2O通过烟囱16排出，同时还能够与SO3反应并生成硫酸盐。而且，生物质经过热解炉22热解后生成的生物炭的比表面积大，由此利用生物炭比表面积大的特性可以实现对重金属和VOC的吸附。
经过金属负载的生物质也可以是将含金属的盐溶液(例如硝酸铁溶液)与生物质进行混合，这些溶液在热解过程中水分会释放，导致生物炭的比表面积增大(即对生物炭进行了活化)，如此提高了生物炭的物理吸附能力。在该实现方案中，金属盐(例如硝酸铁)在热解后会生成金属氧化物，如此提高了生物炭的化学吸附能力。需要知道的是，由于热解炉22 是在无氧或缺氧的条件下进行热解的，因此金属离子不能受到氧气的氧化；而使金属离子氧化的原因是：热解过程中生物质自身含的水分以及含金属的盐溶液携带的水分在热解过程中，这些水分的OH-会与金属离子反应生成金属氧化物，这金属氧化物能够对重金属和VOC进行催化氧化，如此提高了生物炭的化学吸附能力。
S11、生物质通过金属负载装置21进行磁性金属负载，并送入到热解炉22中制备出磁性生物炭；
金属负载装置21采用的金属为磁性金属，在金属负载装置21中，生物质与含磁性金属的盐溶液混合，磁性金属可以是铁、钴、镍等，含磁性金属的盐溶液可以是硝酸铁、硝酸镍等，当然含磁性金属的盐溶液也可以是至少两种含磁性金属的盐溶液的混合溶液，还可以是含磁性金属和非磁性金属的盐溶液。
S2、利用第一分离装置23分离出的生物炭由生物炭储存装置24储存，储存于生物炭储存装置24的生物炭通过喷射管道25喷入到烟道中，以对重金属、VOC和SO3进行吸附；
生物质在热解炉22内且在无氧条件下热解，生物质热解炭化产物包括生物炭、焦油和热解气，三者经过第一分离装置23分离，生物炭被第一分离装置23从下部出口分离出，焦油和热解气被第一分离装置23从下部出口分离出。在一些实现方案中，第一分离装置23可以是旋风式分离器。
另外，可以通过利用第二载气将储存于生物炭储存装置24的生物炭通过喷射管道25喷入到烟道中，第二载气可以是压缩空气。
S3、将除尘器14捕集后的飞灰和磁性生物炭送入到磁选分离装置31，利用磁选分离装置31分离出磁性生物炭，并将分离出来的磁性生物炭再次送入到热解炉22中，热解出的热解气中包括重金属、VOC和SO2；
为实现磁性生物炭的重复利用，可以对除尘器14飞灰和磁性生物炭进行捕集，例如可以是将除尘器14多个电场的灰斗均与磁选分离装置31 连通，以将除尘器14捕集后的飞灰和磁性生物炭送入到磁选分离装置31，利用磁选分离装置31分离出磁性生物炭。然后，可以将分离出来的磁性生物炭再次送入到热解炉22中进行高温脱附，以使重金属、VOC和SO2可以随着热解气排出热解炉22。
在该实施方式中，通过利用磁性金属对生物质进行负载，可以实现对磁性生物炭的回收利用，以更大程度地节约成本和降低飞灰中重金属和 VOC等污染。
S4、热解炉22热解后的磁性生物炭通过第一分离装置23分离出重金属、VOC和SO2，利用双氧水或高锰酸钾对重金属和SO2进行吸收，通过燃烧将VOC除尽；
在一些实现方案中，可以使双氧水或高锰酸钾的吸收溶液采用由上至下的喷淋方式对重金属和SO2进行吸收，如此可以提高吸收效果。
综上可知，本申请提供的联合脱除燃煤烟气中重金属、VOC和SO3的方法不仅能够实现对烟道烟气中的重金属、VOC和SO3的联合脱除，还能实现无二次污染，同时也能重复利用生物炭，大大降低了应用成本。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。

Claims (6)

1.一种联合脱除燃煤烟气中重金属、VOC和SO3的系统，其特征在于，包括：
第一系统，所述第一系统沿烟气的流动方向依次包括锅炉(11)、脱硝装置(12)、空气预热器(13)和除尘器(14)；
第二系统，所述第二系统沿生物质的输送方向依次包括金属负载装置(21)、热解炉(22)、第一分离装置(23)、生物炭储存装置(24)和喷射管道(25)；
所述喷射管道(25)设置于所述脱硝装置(12)和所述空气预热器(13)之间和/或所述空气预热器(13)和所述除尘器(14)之间；
生物质通过所述金属负载装置(21)进行金属负载后，送入到所述热解炉(22)中进行热解，利用所述第一分离装置(23)分离出的生物炭由所述生物炭储存装置(24)储存，储存于所述生物炭储存装置(24)的生物炭通过喷射管道(25)喷入到烟道中，以对重金属、VOC和SO3进行吸附；所述金属负载装置(21)采用的金属为磁性金属，在所述金属负载装置(21)中，生物质与含磁性金属的盐溶液混合；
所述除尘器(14)连接有磁选分离装置(31)，所述磁选分离装置(31)与所述热解炉(22)连接；
将所述除尘器(14)捕集后的飞灰和磁性生物炭送入到所述磁选分离装置(31)，由所述磁选分离装置(31)分离出的飞灰进入灰库(32)，利用所述磁选分离装置(31)分离出磁性生物炭，并将分离出来的磁性生物炭再次送入到所述热解炉(22)中，热解出的热解气中包括重金属、VOC和SO2；
沿热解气的流动方向，所述第一分离装置(23)依次连接有第一回收装置(41)和第二回收装置(42)；
经所述第一分离装置(23)分离出的焦油由所述第一回收装置(41)回收，经所述第一分离装置(23)分离出的重金属和SO2由所述第二回收装置(42)回收；
沿热解气的流动方向，所述第二回收装置(42)依次连接有第二分离装置(43)、燃烧装置(44)和熔盐储能装置(45)，所述熔盐储能装置(45)与所述热解炉(22)连接，用于向所述热解炉(22)提供热量；
所述第二分离装置(43)用于将热解气中的水进行分离，分离出的水能进入所述热解炉(22)中，以对生物炭进行活化；
所述第二分离装置(43)分离出的除水之外的热解气进入所述燃烧装置(44)燃烧，用于向所述熔盐储能装置(45)提供热量；
所述燃烧装置(44)还与所述热解炉(22)连接，所述燃烧装置(44)燃烧除水之外的热解气而产生的水能进入所述热解炉(22)中，以对生物炭进行活化。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第二回收装置(42)采用双氧水或高锰酸钾对重金属和SO2进行吸收。
3.根据权利要求1-2中任一项所述的系统，其特征在于，生物质通过第一载气由所述金属负载装置(21)送入到所述热解炉(22)，所述第一载气包括氮气和二氧化碳。
4.一种联合脱除燃煤烟气中重金属、VOC和SO3的方法，其特征在于，所述方法基于权利要求1-3中任一项所述的系统，所述方法包括以下步骤：
将生物质通过金属负载装置(21)进行金属负载后，送入到热解炉(22)中进行热解；
利用第一分离装置(23)分离出的生物炭由生物炭储存装置(24)储存，储存于所述生物炭储存装置(24)的生物炭通过喷射管道(25)喷入到烟道中，以对重金属、VOC和SO3进行吸附。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，生物质通过所述金属负载装置(21)进行磁性金属负载，并送入到所述热解炉(22)中制备出磁性生物炭；
所述方法还包括步骤：
将除尘器(14)捕集后的飞灰和磁性生物炭送入到磁选分离装置(31)，利用所述磁选分离装置(31)分离出磁性生物炭，并将分离出来的磁性生物炭再次送入到所述热解炉(22)中，热解出的热解气中包括重金属、VOC和SO2。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法还包括步骤：
所述热解炉(22)热解后的磁性生物炭通过第一分离装置(23)分离出重金属、VOC和SO2，利用双氧水或高锰酸钾对重金属和SO2进行吸收，通过燃烧将VOC除尽。
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