CN111228994A

CN111228994A - 一种利用二氧化氯和湍球塔进行烟气脱硝的系统

Info

Publication number: CN111228994A
Application number: CN202010166421.7A
Authority: CN
Inventors: 刘明; 张菡英; 赵莉; 钤小平
Original assignee: Shandong Normal University
Current assignee: Shandong Normal University
Priority date: 2020-03-11
Filing date: 2020-03-11
Publication date: 2020-06-05

Abstract

本发明提供一种利用二氧化氯和湍球塔进行烟气脱硝的系统，包括湍球塔、二氧化氯供给系统、可溶性碱液供给系统，可溶性碱液供给系统通过进液管将可溶性碱液输送至湍球区，湍球塔内还设置二氧化氯分布器，二氧化氯分布器朝下方喷出二氧化氯，烟气先从湍球塔的烟气进口进入到塔中，二氧化氯氧化烟气中的NO，形成高价态氮氧化物，在湍球区内，可溶性碱液吸收烟气中高价态的氮氧化物。本发明解决了现有氧化技术中脱硝效率不高的问题，并将湍球塔结合二氧化氯进行脱硝，具有意想不到的技术效果。

Description

一种利用二氧化氯和湍球塔进行烟气脱硝的系统

技术领域

本发明涉及烟气脱硝领域，尤其涉及种利用二氧化氯和湍球塔进行烟气脱硝的系统。

背景技术

燃煤发电、钢厂炼钢以及其他以煤、石油为热源的工艺是环境中氮氧化物增高的主要来源之一。为减少对环境的影响，各厂家采取了诸多方法来降低燃烧尾气（本发明所述“烟气”）中氮氧化物的排放，即对烟气进行脱硝处理。一般烟气中，NO往往占到氮氧化物总量的90%左右，但是NO难溶于水，因而很难通过水洗或者碱液中和的方式将其去除，这也是当前烟气脱硝的难点所在。现有烟气脱硝技术主要有两大类，一是催化还原法，第二类是氧化法。相对于催化还原法，氧化法理论上具有工艺简单、成本低等优点，因而成为目前烟气脱硝领域探究与研发的方向。ClO2作为一种氧化性强的绿色氧化剂，同时，成本较为低廉，因而将其应用在氧化吸收法中进行脱硝，成为一种较好的选择。公开号为CN109718653A、名称为“一种烟气脱硫脱硝装置及方法”披露了利用二氧化氯进行脱硝的技术，还有公开号为CN110624385A、CN106975337A、CN105771577A、CN105169913A等专利，也分别披露了利用二氧化氯进行烟气脱硝的技术。在所提及专利技术中，脱硝的技术思路采取了“通过二氧化氯氧化烟气中的NO成为高价态的、易于和碱液反应的高价态的氮氧化物，然后再用碱性溶液洗涤吸收”的技术路线。但实际生产中，该技术路线的脱硝效果并不是很好。分析其原因，该技术路线在工艺中存在氧化空间和吸收空间，而现有工艺对该两空间的联系未加注重，从而导致烟气中氮氧化物的脱除效果不佳。

发明内容

不同于现有的技术路线，本发明提供一种利用二氧化氯和湍球塔进行烟气脱硝的系统，该系统能够解决现有技术中二氧化氯脱硝效果不佳、且高成本的技术问题。其内容为：

一种利用二氧化氯和湍球塔进行烟气脱硝的系统，其特征在于，系统包括湍球塔、二氧化氯供给系统、可溶性碱液供给系统，可溶性碱液供给系统通过进液管将可溶性碱液输送至湍球区，湍球塔内还设置二氧化氯分布器，二氧化氯分布器位于湍球支承板的下部，烟气进口的上方，二氧化氯供给系统通过进氯管将二氧化氯输送至二氧化氯分布器，二氧化氯分布器朝下方喷出二氧化氯，烟气先从湍球塔的烟气进口进入到塔中，在上升过程中与二氧化氯分布器喷出的二氧化氯相遇，烟气中的NO与二氧化氯反应，形成高价态氮氧化物，高价态氮氧化物等气体随同烟气继续上升，并从湍球支承板空隙进入湍球区，在湍球区内，可溶性碱液吸收烟气中高价态的氮氧化物，然后气液分离，气体继续上升出湍球区并从烟气出口出湍球塔，与此同时，湍球区中的部分液体从支承板空隙流下，并汇集到湍球塔底部的碱液槽中。

优选地，其中二氧化氯分布器为气体分布器。

优选地，其中二氧化氯分布器为液体雾化器。

优选地，其中二氧化氯分布器与湍球支承板的距离小于0.5米。

优选地，其中二氧化氯分布器与湍球支承板的距离小于0.2米。

本发明内容具体阐述如下：

（一）本发明理论基础

1、现有氧化脱硝技术脱硝效果不佳的原因在于：

（1）申请人认为，在气态下，NO在向NO₂转化时存在一平衡关系：

2NO₂ ↔ O₂ + 2NO ①

在较高温度、较低压力以及较低NO的浓度下，NO不容易转化为NO₂，或者转化后的NO₂又立即转变成为了NO。这样，即使烟气中的NO能够被二氧化氯等氧化剂氧化，因为烟气中的NO浓度很低，公式①向右进行，则烟气中的NO即使被氧化，最终也会有较大比例的NO存在。

2ClO₂+4NO →4NO₂+Cl₂ ②

2NO₂ → O₂ + 2NO ③

根据平衡关系（公式① ），如果烟气中的NO的浓度较低（实际烟气中NO一般不超过300mg/m₃），NO即使被氧化成为高价态的NO₂（公式②），但依据上述公式③ ，NO₂ 又转化回NO，最终烟气中也会有较大比例的NO存在。这也是现有氧化法脱硝技术中氧化剂（包括二氧化氯）脱硝效果也不高的原因。当然，现有技术可以通过增大氧化剂投入量来提高脱硝效果，这必然会极大增加成本。

（2）现有技术，烟气中的NO氧化工艺与氧化后高价态的氮氧化物吸收工艺是分开且独立的，从而造成氧化空间与吸收空间间距较大，即使烟气中的NO在氧化环节被氧化，但是，由于前述分析原因，在烟气从氧化工艺到吸收工艺的过程中，氧化产物NO2又转变成为了NO。这样在吸收工艺中，吸收液就无法将烟气中的氮氧化物去除完全，从而导致脱硝效果不好。吸收过程的反应为：

3NO₂ +2 OH^-→ NO₃ ^-+ NO + H₂O ④

NO₂ + NO + 2OH^-→ 2NO₂ ^-+ H₂O ⑤

2、本发明与现有技术的不同处在于：

相对于现有技术，本发明将烟气的氧化工艺和吸收放入到一个塔内，一个空间中。在一个优选方案中，要求氧化位置靠近吸收位置，如小于0.5米，甚至小于0.2米，这样烟气中的NO被氧化后会立即进入到吸收环节，降低了NO2向NO转化的时间和空间，从而可以提高烟气的脱硝效果。

（二）二氧化氯的制备

二氧化氯的制备为现有技术内容。如公开号为CN 209362207 U的专利中披露：应用于饮用水、污水消毒处理的二氧化氯发生装置主要是采用氯酸钠和盐酸为原料的二氧化氯制备装置，设备运行时，氯酸钠溶液和盐酸溶液按一定比例进入二氧化氯发生装置，在设备内部发生化学反应，产生出二氧化氯、氯气、氯化钠和水等反应产物。生产二氧化氯的原料为氯酸钠和盐酸；公开号为CN110624385A也披露了一种二氧化氯脱硝的生产方法：一种亚氯酸钠溶液低温脱硝方法，氧化剂采用25％的亚氯酸钠水溶液，采用酸溶液作为激活剂，在使用的时候将酸溶液持续添加到亚氯酸钠溶液中，通过输送泵送至投加到烟气进管内，通过雾化喷枪将氧化剂喷入烟气中，亚氯酸钠经过与酸溶液的反应生成二氧化氯，受到烟气热量蒸发后产生的二氧化氯将一氧化氮氧化成二氧化氮，通过碱洗塔喷淋的氢氧化钠将被氧化的氮氧化物吸收。原料为亚氯酸钠和酸；公开号为CN105771577A披露一种改进的制备二氧化氯的方法：制备二氧化氯并将其用于烟气脱硝的装置进行制备二氧化氯并将其用于烟气脱硝的方法按照以下步骤进行：

（1）以质量浓度为15~18%氯酸钠溶液和质量浓度为31%的工业盐酸为原料，将原料预先加热至55~70℃，然后采用计量泵，按照体积比工业盐酸：氯酸钠溶液=1:（1~1.2）的比例将氯酸钠溶液和工业盐酸分别送入三通管道的两条夹角为55° ~65°的V型管中，在第三条管道中进行混合反应；（2）管道中发生混合反应后得到含强氧化剂ClO2的混合物，通过管道出口端的分配喷雾装置均匀分配后将气液混合物分散成细雾状，分配喷雾装置的喷淋头直接深入到烟气管道中，将其与烟气均匀混合，烟气中的低价态氮氧化物（NO）即与ClO2发生氧化还原反应，低价态氮氧化物（NO）被氧化为高价态的氮氧化物（NO2），氧化后产物用碱液进行吸收。原料也采用了氯酸钠和盐酸。

大规模二氧化氯的制备（包括气相和液相），通常是在特定条件下，先电解食盐水得到氯酸钠，氯酸钠再和盐酸反应得到。

本发明所述二氧化氯，可以为二氧化氯水溶液，可以为二氧化氯气体，也可以为二氧化氯的水溶液与二氧化氯气体的混合物，以及含二氧化氯的液体、含二氧化氯的气体。专利CN110624385A采用的是液相的二氧化氯，该专利披露，一种亚氯酸钠溶液低温脱硝方法，氧化剂采用25％的亚氯酸钠水溶液，采用酸溶液作为激活剂，在使用的时候将酸溶液持续添加到亚氯酸钠溶液中，通过输送泵送至投加到烟气进管内，通过雾化喷枪将氧化剂喷入烟气中；CN105169913A也采用的液相的二氧化氯，该专利披露：氧化循环泵 18 从氧化剂循环罐 17 中抽取 ClO2氧化剂溶液，通过氧化剂输送管 19 输送至喷淋管20，由集液器21收集氧化吸收NO后的废液通过氧化剂回流管22回流至氧化剂循环罐 17 中循环使用。CN105771577A则采用的是液相与气相混合的二氧化氯。专利CN106237814A 披露了气相二氧化氯氧化烟气中NO的装置及工艺。

总之，现有技术中制备含二氧化氯的技术手段均可以应用于本发明中，作为本发明的一个技术特征。

可在市场直接购买二氧化氯发生器用于生产本发明来生产二氧化氯。

（三）二氧化氯供给系统

二氧化氯供给系统包括二氧化氯发生器、增压泵、阀门以及进氯管、二氧化氯分布器等。作用为向湍球塔中供给二氧化氯，并将二氧化氯分布于烟气。

二氧化氯分布器是将来自二氧化氯发生器产生的二氧化氯均匀布置于流经湍球塔的烟气中的装置。当系统中二氧化氯以液体或者气液混合形式供给时，可采用各种液体喷头、液体雾化喷头、液体雾化机、以及前述各专利中披露的专用液体分布器等。在本发明中的一个优选方案中，采用了雾化装置。目的在于，雾化装置可以得到更小尺寸的二氧化氯液体的液滴，从而与烟气接触、混合的更充分。再者，液滴小，重量轻，可更大程度的进行利用，以免其大量进入湍球塔底部的碱液槽，从而造成二氧化氯的损耗。

当二氧化氯以气体形式供给时，可采用现有技术中所披露的气体分布器、气体喷嘴等，本发明的一个优选方式采用了一个带有小孔的螺旋盘管。

工艺中二氧化氯用量的多少，要根据烟气中的NO的量来确定。根据公式②④⑤，1摩尔的二氧化氯，可以氧化2摩尔的NO，因而从理论上，单位时间内输入二氧化氯的量与烟气单位时间内NO的量的比例为1：2。根据公式⑤，可溶性碱液可以起到辅助氧化的作用，二氧化氯的输入量可以更小一些，但为更多量的去除烟气中的氮氧化物，单位时间内输入纯二氧化氯的量与烟气单位时间内NO的量的比例为1：1或者大于1：1.

（四）可溶性碱液及可溶性碱液供给系统

可溶性碱，是指能够在水中电离出氢氧根离子的物质，具体包括氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙、氨、醇胺、碳酸钠、碳酸钾、碳酸氢钠、碳酸氢钾、尿素等能够溶解于水，并且能够在在水中电离出氢氧根离子的物质。

本发明所述可溶性碱液，是指可溶性碱的水溶液或者水溶液与部分可溶性碱的混合物。

本发明所述可溶性碱液喷淋环境，是指可溶性碱液经喷淋器喷淋，所形成的被喷淋液包覆的环境。在该环境内，烟气能够即时的、随时的接触到可溶性碱液。

本发明所述可溶性碱液供给系统，包括碱液槽、压力泵、阀门、碱液进管等。功能为将可溶性碱液输送至湍球塔的湍球区内。碱液可以通过进管直接通入湍球区进行输送，也可以在湍球区的上方进行输送，更佳的方式为在湍球区的上方，通过液体分布器进行输送。考虑到从湍球区流出至碱液槽的碱液还具备较大的pH值，因而可以循环使用。如果pH值降低，可加入可溶性碱进行调整。吸收产物可以从碱液槽中定期抽取。

可溶性碱液的用量根据烟气中氮氧化物的量、碱液的浓度值等因素来确定。实验表明，当pH值达到9时，烟气中的氮氧化物就能够被氧化并吸收，其他条件不变的情况下，pH值越大，氮氧化物的脱除效果越好。从成本考虑，pH值的范围以12-14为宜。

在实际应用中，可溶性碱的单位输入量可以取10-100倍以上的对应的氮氧化物的量，并以工作时所形成的湍球区的高度要求为准。

（五）湍球塔

湍球塔是脱硝系统中实现前述技术思路的场所。除去二氧化氯输送系统外，湍球塔其他结构为既有技术，由塔壳、支承板(栅板)、轻质小球（湍球）、挡网、除沫器等部分组成。支承板为带有空隙的圆形盘结构，空隙所占面积由空隙率表达，一般取0.2--0.6。工作原理为：支承板（栅板）设置在塔壳内部，支承板上放置一定量的湍球，支承板上方一定位置设有挡网，挡网与支承板之间的空间为湍球区。通常情况下，烟气从下方通过支承板进入湍球区，可溶性碱液从上方或者侧部进入湍球区，湍球便在高速上升气流的冲力、液体的浮力和自身重力等各种力的相互作用下，悬浮起来形成湍动旋转和相互碰撞，引起气、液的密切接触，有效地进行传质、反应等作用。湍球塔的优点是气速高、处理能力大、气液分布比较均匀、结构简单且不易被堵塞。

湍球为直径20～38mm的轻质小球，材料一般为PVC、PE、PP等塑料，有空心的，也有实心的。有时候也采用不锈钢空心球。湍球塔运行时，湍球处于运动状态。

本发明有益效果：

1、解决了现有氧化技术中脱硝效率不高的问题，节省了成本；

2、将湍球塔结合二氧化氯进行脱硝，具有较大经济效益和社会效益。

附图说明

图1：实施例1的脱硝系统示意图。

图2：实施例2的脱硝系统示意图。

图3：实施例1中的二氧化氯分布器的示意图。

最佳实施方式

实施例1

结合附图1、附图3，对本发明进行说明：

湍球塔为直径0.8m的圆筒，塔高5m，壁厚为8mm，304L不锈钢制造。支承板1安装在距离塔壳底部2.5米处位置。支承板1为圆形栅板结构，栅板宽度20mm,空隙间距为15mm，材料为304不锈钢。支承板1上方1.5m处有挡网2，挡网2的孔直径为20mm，支承板1与挡网2之间的空间为湍球区3，湍球区3内放置湍球4，湍球4为34mm的空心PE球，空载时时湍球层高度约为0.4m。烟气进口5开设在距离湍球塔底部1m处位置，烟气出口6开设在塔壳顶部，湍球塔的底部空间作为碱液槽7使用，在塔开始运转前投放的可溶性碱液溶液的摩尔浓度为1M。二氧化氯的进氯管8在塔外与二氧化氯发生器9连接，管路上还设置有气体增压泵10和流量调节阀11，进氯管8的另一端在塔内与二氧化氯分布器12连接，二氧化氯分布器12位于支承板1下方0.2m处，二氧化氯分布器12为一个平面螺旋状盘管，盘管背离湍球区3、正对烟气来向的一面均匀开有若干1mm的小孔。可溶性碱液的进液管13一端连接碱液槽7，另一端在塔内连接一个莲蓬喷头16，莲蓬喷头16位于挡网2上方0.5m位置，莲蓬喷头16将可溶性碱液喷向湍球区3，进液管13的管路上也设有增压泵14和流量调节阀15。

烟气取用某钢厂烧结车间的烧结烟气。初始烟气的各参数为：烟气温度135-137℃，烟气的湿度为0.01-0.03%，NO含量为174-183mg/m³，烟气流量为904m³/h。

二氧化氯发生器9选用济南齐力环保科技有限公司的QKJ-2000型二氧化氯发生器，使用时将该发生器进行改造（断开水射器），使其仅输出二氧化氯等气体，原料为亚氯酸钠和盐酸，单位产二氧化氯量为2000g/h。

烟气经烟气进口5进入湍球塔，在塔内上升；打开二氧化氯管路的流量调节阀11，开动增压泵10，二氧化氯发生器9中产生的二氧化氯气体经进氯管8输送至二氧化氯分布器12，并通过小孔喷出，喷出的二氧化氯气体与烟气相遇并氧化烟气中的NO,通过调节阀11调整二氧化氯的流量，使纯二氧化氯每小时的输入量不低于400g；氧化产物随同烟气继续上升至支承板1，并穿过支承板1的缝隙进入湍球区3；与此同时，打开可溶性碱液输入及循环系统的调节阀15和增压泵14，碱液槽7中的碱液经进液管12输送至湍球区3，在湍球的协助下与烟气混合，在湍球区3内可溶性碱液吸收氧化产物；最后气液分离，烟气从烟气出口6流出；湍球区3内的部分液体会在重力作用下，通过支承板1的空隙向下流动，并最终汇集到塔底部的碱液槽7中。

在旋湍球塔的烟气出口6处测量，测得值有33、39、45、46等，NO含量为35-50mg/m³。

实施例2

结合附图2，对本发明进行说明：

湍球塔为直径0.8m的圆筒，塔高5m，壁厚为8mm，304L不锈钢制造。支承板1安装在距离塔壳底部2.5米处位置。支承板1为圆形栅板结构，栅板宽度20mm,空隙间距为15mm，材料为304不锈钢。支承板1上方1.5m处有挡网2，挡网2的孔直径为20mm，支承板1与挡网2之间的空间为湍球区3，湍球区3内放置湍球4，湍球4为34mm的空心PE球，空载时时湍球层高度约为0.4m。烟气进口5开设在距离湍球塔底部1m处位置，烟气出口6开设在塔壳顶部，湍球塔的底部空间作为碱液槽7使用，在塔开始运转前投放的可溶性碱液溶液的摩尔浓度为1M。二氧化氯的进氯管8在塔外与二氧化氯发生器9连接，管路上还设置有气体增压泵10和流量调节阀11，进氯管8的另一端在塔内与二氧化氯分布器12连接，二氧化氯分布器12位于旋流盘1下方0.2m处，二氧化氯分布器12为一个雾化喷头，喷头方向向下。可溶性碱液的进液管13一端连接碱液槽7，另一端在塔内连接一个莲蓬喷头16，莲蓬喷头16位于挡网2上方0.5m位置，莲蓬喷头16将可溶性碱液喷向湍球区3，进液管13的管路上也设有增压泵14和流量调节阀15。

二氧化氯发生器9选用济南齐力环保科技有限公司的QKJ-2000型二氧化氯发生器，原料为亚氯酸钠和盐酸，输出物为气液混合物，单位产二氧化氯量为2000g/h。

烟气经烟气进口5进入湍球塔，在塔内上升；打开二氧化氯管路的流量调节阀11，开动增压泵10，二氧化氯发生器9中产生的二氧化氯经进氯管8输送至二氧化氯分布器12，并通过雾化喷嘴喷出，雾化的含二氧化氯液体与烟气相遇并氧化烟气中的NO,通过调节阀11调整二氧化氯的流量，使纯二氧化氯每小时的输入量不低于400g；氧化产物随同烟气继续上升至支承板1，并穿过支承板1的缝隙进入湍球区3；与此同时，打开可溶性碱液输入及循环系统的调节阀15和增压泵14，碱液槽7中的碱液经进液管12输送至湍球区3，在湍球的协助下与烟气混合，在湍球区3内可溶性碱液吸收氧化产物；最后气液分离，烟气从烟气出口6流出；湍球区3内的部分液体会在重力作用下，通过支承板1的空隙向下流动，并最终汇集到塔底部的碱液槽7中。

在旋湍球塔的烟气出口6处测量，测得值有33、36、42、44等，NO含量为35-45mg/m³。

Claims

1.一种利用二氧化氯和湍球塔进行烟气脱硝的系统，其特征在于，系统包括湍球塔、二氧化氯供给系统、可溶性碱液供给系统，可溶性碱液供给系统通过进液管将可溶性碱液输送至湍球区，湍球塔内还设置二氧化氯分布器，二氧化氯分布器位于湍球支承板的下部，烟气进口的上方，二氧化氯供给系统通过进氯管将二氧化氯输送至二氧化氯分布器，二氧化氯分布器朝下方喷出二氧化氯，烟气先从湍球塔的烟气进口进入到塔中，在上升过程中与二氧化氯分布器喷出的二氧化氯相遇，烟气中的NO与二氧化氯反应，形成高价态氮氧化物，高价态氮氧化物等气体随同烟气继续上升，并从湍球支承板空隙进入湍球区，在湍球区内，可溶性碱液吸收烟气中高价态的氮氧化物，然后气液分离，气体继续上升出湍球区并从烟气出口出湍球塔，与此同时，湍球区中的部分液体从支承板空隙流下，并汇集到湍球塔底部的碱液槽中。

2.根据权利要求1所述的利用二氧化氯和湍球塔进行烟气脱硝的系统，其中二氧化氯分布器为气体分布器。

3.根据权利要求1所述的利用二氧化氯和湍球塔进行烟气脱硝的系统，其中二氧化氯分布器为液体雾化器。

4.根据权利要求1所述的利用二氧化氯和湍球塔进行烟气脱硝的系统，其中二氧化氯分布器与湍球支承板的距离小于0.5米。

5.根据权利要求5所述的利用二氧化氯和湍球塔进行烟气脱硝的系统，其中二氧化氯分布器与湍球支承板的距离小于0.2米。