CN111514716B - 烟气脱硫、脱氮、脱汞净化方法和设备 - Google Patents

烟气脱硫、脱氮、脱汞净化方法和设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种烟气脱硫、脱氮、脱汞净化方法和设备，包含：来自烟气的二氧化碳从气相溶解于水中进行碳酸化反应，所述两相平衡体系的碳酸氢根(HCO3 ‑)催化过碳酰胺CO(NH2)2H2O2，在水溶液中分解生成含强氧化自由基的弱碱性吸收液，快速对烟气脱硫、脱硝和脱汞。本发明可以实现快速的烟气一体化脱硫、脱硝、脱汞。

Description

烟气脱硫、脱氮、脱汞净化方法和设备
技术领域
本发明涉及烟气净化技术，尤其涉及一种烟气脱硫、脱氮、脱汞净化方法和设备。
背景技术
国内外现有烟气净化技术中除尘、脱硫、脱硝和脱汞往往是在多个独立系统中分别完成,极少有同时一体化处理的技术.这种叠加式处理方法不仅占地面积大,系统复杂,而且设备投资与运行费用很高.
例如：目前燃煤锅炉对于SO2的控制大量采用湿法烟气脱硫装置，效率可达95％以上；对于NOX的控制，常规控制方法有：选择性非催化SNCR和选择性催化SCR技术。SNCR技术是低成本高效率的低NOX控制技术，但脱除效率一般仅能达到50％-65％。因此，为了达到环保排放的要求，即除去烟气中的SO2、NOX、粉尘和汞，燃煤锅炉至少需要配备两套以上独立的脱硫、脱硝系统，同时还需要增设专门的除尘、除汞设备，这样一来，整套设备系统庞大、复杂、能效低，并且占地面积大、投资高、运行成本也很高，不便于使用。
SCR是目前商业技术中最有效的低NOX控制技术，可以达到80％以上的脱氮效率，但其初期投资在490-1250/kw，非常昂贵，运行费用大约为2100～2800元/吨NOX，若在湿法脱硫的基础上再引进SCR技术，势必增加巨额的投资与运行费用，得不偿失。
同时脱除S02、NOx和汞的一体化工艺具有设备简单、管理操作方便、占地面积小、投资运行费用低等优点，因此烟气联合脱硫脱硝除汞技术成为当前大气污染控制的重要研究方向。其中尿素法具有以下优点：最终产物为N2、C02、硫酸铵，产物可直接排放，硫酸铵可制成化肥，回收利用氮、硫资源，因此该法具有一定的研究价值。目前的技术现状是：该方法能达到很高的脱硫效率，但脱氮效率不理想，仅适用于处理纯氮氧化物废气，实际烟气中NOx的氧化度很低，NO含量占NOx的90～95％，尿素法直接应用于烟气净化较难达到很高的脱氮效率。因此人们追求在尿素溶液中加入各种化学添加剂来达到提高脱氮效率的目的，但是研究发现廉价的添加剂对脱硝效率的提高不大，而只有加入价格高的添加剂才能达到较好脱硝效率，因此增加了尿素法的操作费用，而且由于加入的添加剂组分复杂，会增加添加剂的制造成本和脱硫、脱硝废水的处理难度。
发明专利(01130154.6)尿素添加剂湿法烟气同时脱硫脱氮方法，公开了一种湿法烟气同时脱硫脱氮方法，该发明以尿素作吸收剂，加入一定量有机胺类或磷酸盐类添加剂，尿素的含量为5～30％，有机胺类添加剂采用乙二胺或三乙醇胺；磷酸盐类添加剂采用磷酸铵(或钠)或磷酸氢二铵(或钠)，浓度为(50～500)×10-4％。实现SO2的去除率为95％以上，NOx的去除率为80％以上。有机胺类添加剂(乙二胺或三乙醇胺)是一种强腐蚀性、强刺激性性有毒化学品，该品蒸气对粘膜和皮肤有强烈刺激性。接触该品蒸气引起结膜炎、支气管炎、肺炎或肺水肿，并可发生接触性皮炎。可引起肝、肾损害。皮肤和眼直接接触其液体可致灼伤。该品可引起职业性哮喘，并且对环境有危害，对水体可造成污染。所以，大规模工业应用乙二胺是不可接受的，难以实现工业应用。
发明专利200910262978.4燃煤烟气的尿素湿法联合脱硫脱硝方法，公开了一种湿法烟气同时脱硫脱硝方法，包括以下步骤：在吸收塔(喷淋塔)燃煤烟气入口处喷入质量百分比浓度50％双氧水，保持H2O2/NO摩尔比＝2～3，将燃煤烟气中的NO氧化成NO2，提高NOX的氧化度，最佳方案是将NOX的氧化度提高到50％～60％(为NOX中的NO2与NOX的体积百分比)，再利用吸收塔中的尿素水溶液(吸收液)进行同时脱硫脱硝。由于采用高浓度的(50％)双氧水，其运输、储存存在一定的风险，而且脱硝效率只能达到50％左右。不能满足燃煤电厂执行超净排放或近零排放要求：SO2＜35mg/Nm3，氮氧化物:50mg/Nm3；烟尘＜5mg/Nm3。
发明专利201510681266.1公开了一种脱除燃煤烟气中元素汞的方法，该方法汞的脱除在湿法烟气脱硫喷淋吸收塔中进行，将制备的吸收剂自喷淋吸收塔上部喷下，对由喷淋吸收塔下部烟口引入的燃煤烟气进行喷淋，使燃煤烟气中元素态的汞与吸收剂充分反应，实现元素态汞向二价态汞的转化；所述吸收剂包括氧化性添加剂和磁性催化剂，氧化性添加剂与磁性催化剂的质量比为2～5:1，所述氧化性添加剂为过一硫酸氢钾复合盐、过硫酸钠、过硼酸钠、过碳酸钠的一种或者多种组合，所述催化剂为铁酸铋、钴掺杂铁酸铋、钴/镧掺杂铁酸铋、钴/锶掺杂铁酸铋、钴/铷掺杂铁酸铋中的一种或几种混合物。由于所用氧化性添加剂和磁性催化剂配制复杂，难以实现工业应用。
发明专利201810191344.3公开了一种基于电极催化氧化剂的湿法烟气氧化脱硫脱硝脱汞工艺，该方法采用过硫酸钾或过硫酸钠作为湿法氧化的强氧化剂，电化学反应槽中的阳极板和阴极板为以金属钛为基体材料的镀层复合材料电极板，工艺复杂，运行成本高难以实现工业规模的应用。
由此可见，采用独立的脱硫和脱氮系统实现烟气净化，不仅烟气净化设备复杂、占地面积大、建设和运行费用高，而且要将这些独立的脱硫、脱氮和除尘、除汞系统合理的组合起来实现高效运行也存在着许多困难。所以研究一体化的高效的脱硫、脱氮、脱汞一体化净化方法和高效净化设备就显得尤为重要。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的技术问题是提供一种烟气脱硫、脱氮、脱汞净化方法和设备,以解决现有烟气净化技术中存在的工艺复杂，运行成本高难以实现工业规模的问题。
本发明解决上述技术问题，提出一种烟气脱硫、脱氮、脱汞净化方法，包括以下步骤：
来自烟气的二氧化碳从气相溶解于水中进行碳酸化反应，并建立CO2-H2CO3-HCO3 -体系的气/液两相平衡；
CO2+H2O→H2CO3 (1)
H2CO3→H++HCO3 - (2)
HCO3 -+H2O2→HCO4 -+H2O (3)
所述两相平衡体系的碳酸氢根(HCO3 -)催化过碳酰胺CO(NH2)2H2O2，
CO(NH2)2H2O2→CO(NH2)2+H2O2 (4)
CO2+H2O2+→H2CO4 (5)
H2CO4→HCO4 -+H+ (6)
在水溶液中分解生成含强氧化自由基的弱碱性吸收液，快速对烟气脱硫、脱硝和脱汞。
进一步的，所述含强氧化自由基的弱碱性吸收液为由过氧碳酸氢根离子、羟基自由基、碳酸根阴离子自由基、氢过氧自由基、超氧阴离子自由基、尿素、过氧化氢和碳酸氢根的一种或多种组成的pH值为7～9的均相混合溶液。
进一步的，所述pH值为7.6±0.2。
本发明还提出一种烟气脱硫、脱氮、脱汞净化设备,包括：一级动力波吸收反应器、二氧化碳催化反应器、二级动力波精细净化器、硫酸铵回收系统、硫化汞回收系统和废水循环与处理系统；所述二氧化碳催化反应器设置在一级动力波吸收反应器和二级动力波精细净化器之间；所述二氧化碳催化反应器，用于生产、储存和输送含强氧化自由基的弱碱性吸收液。
进一步的，所述一级动力波吸收反应器包括一个双层动力波吸收塔、顺流静态混合器、循环吸收液存储罐和含强氧化自由基的弱碱性吸收液的循环输送系统。
进一步的，所述双层动力波吸收塔内部设置有上下两层独立布置的两个喷嘴；所述两个喷嘴的上方空间在运行中形成两个吸收泡沫层。
进一步的，所述循环吸收液存储罐下方的循环吸收液出口通过循环水管和吸收液循环泵与双层动力波吸收塔的第二喷嘴的进水口连通。
进一步的，所述来自二氧化碳催化反应器的含强氧化自由基的弱碱性吸收液输送泵的出口与双层动力波吸收塔的第一喷嘴的进水口连通；所述循环吸收液存储罐与静态混合器连通。
进一步的，所述的一级动力波吸收反应器还包括一个顺流静态混合器，所述顺流静态混合器的入口与双层动力波吸收塔的底部连通；所述顺流静态混合器通过连通管和连接管与集液槽连接，连通管与集液槽的下部连接，连接管与集液槽的上部连接，所述连通管内部流动的是液相吸收液；所述连接管的内部流动的是气液混合相。
进一步的，所述双层动力波吸收塔内部设置有上下两层独立布置的两个喷嘴。
本发明实现的烟气脱硫、脱硝、脱汞一体化净化方法和设备，通过烟气中的二氧化碳(CO2)催化过碳酰胺生成一种无反应选择性的富氧活化自由基-过氧碳酸氢根自由基(HCO4-)，对燃煤锅炉的烟气进行同时脱硫、脱硝和脱汞的一体化方法和设备，具有能效高、运行稳定、投资少、运行成本低、适用性强、并能实现“零排放”无二次污染和副产物资源化等优点。。
附图说明
图1为本发明实施例提供的烟气脱硫、脱硝、脱汞一体化净化工艺流程图。
图2是硫酸铵回收系统工艺流程图。
图中各标号如下：
1 一级动力波吸收反应器:
1.0 洗涤吸收管，
1.1 烟气入口，
1.2 第一喷嘴，
1.3 第一吸收泡沫层，
1.4 第二吸收泡沫层，
1.5 第二喷嘴，
1.6 吸收液循环泵，
1.7 静态混合器，
1.8 排污出口，
1.9 两相联通管，
1.10 气液分离区，
1.11 吸收液存储罐，
1.12 液膜分离器，
1.13 烟气出口，
1.14 循环吸收液出口，
1.15 吸收液连接管，
1.16 吸收液输送管，
1.17-1.19 吸收液控制阀，
1.20 吸收液循环管，
1.21 吸收液循环控制阀，
1.22 吸收液回收控制阀，
2.二氧化碳催化反应器:
2.0 二氧化碳催化反应器吸收液存储罐，
2.1 碳酸氢铵给料装置，
2.2 过碳酰胺给料装置，
2.3 搅拌器，
2.4 pH调节控制系统，
2.5 pH传感器，
2.6 烟气(CO2)入口，
2.7 烟气(CO2)出口，
2.8 吸收液控制阀，
2.9 一级动力波吸收反应器吸收液输送泵，
2.10 一级动力波吸收反应器吸收液调节阀，
2.11 二级动力波精细净化器吸收液调节阀，
2.12 二级动力波精细净化器吸收液输送泵，
2.13 高位除盐水箱，
2.14 高位除盐水箱除盐水入口控制阀，
2.15 除盐水泵，
2.16 除盐水泵进口控制阀，
2.17 高位除盐水箱除盐水出口，
2.18 二氧化碳催化反应器除盐水入口，
2.19 烟气循环风机，
2.20 二级动力波精细净化器烟气旁路出口。
3 二级动力波精细净化器：
3.0 二级动力波精细净化器吸收塔，
3.1 二级动力波精细净化器烟气入口，
3.2 烟气分配网，
3.3 二级动力波精细净化器洗涤液存储罐，
3.4 二级动力波洗涤液排污口
3.5 洗涤液循环泵入口控制阀，
3.6 洗涤液循环泵，
3.7 洗涤液控制阀，
3.8 洗涤液入口，
3.9 洗涤液喷嘴，
3.10 洗涤泡沫层，
3.11 烟气分配网，
3.12 烟气出口扩散锥，
3.13 除沫器，
3.14 净化烟气出口(通往烟囱)。
4.硫酸铵回收系统
4.1 硫化汞回收系统沉淀池排水，
4.2 硫酸铵结晶输出，
4.3 硫酸铵回收系统废水循排放口，
4.4 硫酸高位槽，
4.5 硫酸补充管路，
4.6 喷淋式饱和器，
4.7 加热烟气人口，
4.8 加热烟气出口，
4.9 硫酸铵母液循环泵，
4.10 满流槽，
4.11 结晶泵，
4.12 结晶槽，
4.13 离心机，
4.14 去硫酸铵干燥机，
4.15 硫酸铵母液槽，
4.16 小母液泵。
5 硫化汞回收系统：
5.1 HgS沉淀池，
5.2 NaS进料口，
5.3 硫酸铵硫酸汞混合液入口，
5.4 HgS浆液出口(接HgS过滤器)。
6.废水循环与处理(零排放)系统
6.1 硫酸铵回收系统废水循环泵，
6.2 硫酸铵回收系统废水循环控制阀，
6.3 硫酸铵回收系统废水循环控制阀。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明一个方面提供一种烟气脱硫、脱硝、脱汞一体化高效净化方法，通过二氧化碳催化过碳酰胺生成一种含有多种强氧化自由基的弱碱性吸收液，实现快速吸收烟气中的SO2、NOx，同时将元素汞Hg0氧化成易被吸收的二价汞Hg2+的化学反应。
所述含强氧化自由基的弱碱性吸收液是由过氧碳酸氢根离子(HCO4 -)、羟基自由基(OH·-)、碳酸根阴离子自由基(CO3·-)、氢过氧自由基(HO2·-)、超氧阴离子自由基(O2·-)、尿素、过氧化氢和碳酸氢根(HCO3 -)等组成的pH值为7～9的弱碱性均相混合溶液；
所述二氧化碳催化过碳酰胺的催化剂为来自烟气的二氧化碳，所述二氧化碳以气相溶解于水中完成碳酸化反应并在合适的pH条件下建立CO2-H2CO3-HCO3-体系气液两相平衡，所述两相平衡体系的碳酸氢根(HCO3 -)催化过碳酰胺在水溶液中分解生成的过氧化氢并生成强氧化活性基团过氧碳酸氢根离子(HCO4 -)。
CO2+H2O→H2CO3 (1)
H2CO3→H++HCO3 - (2)
HCO3 -+H2O2→HCO4 -+H2O (3)
所述二氧化碳催化过碳酰胺的反应过程是：在二氧化碳催化作用下首先生成过氧碳酸氢根离子(HCO4 -)，过氧碳酸氢根离子进一步分解成羟基自由基(OH·-)和碳酸根阴离子自由基(CO3·-)，后者进一步和过氧化氢作用，生成氢过氧自由基(HO2·-)，而氢过氧自由基又可以分解为超氧阴离子自由基(O2·-)。这些活性自由基可以快速实现烟气脱硫、脱硝和脱汞。
所述过氧碳酸氢根自由基，是一种具有极强氧化性且无反应选择性的富氧活化自由基，这种活化自由基的特征是：其反应活性是过氧化氢的100倍以上。反应的pH值为7～9的中性或弱碱性的弱腐蚀性条件。
所述过氧碳酸氢根自由基是由烟气中的二氧化碳(CO2)催化过碳酰胺按反应方程式(4)、(5)、(6)所生成的反应产物，这个反应在质子性溶剂和非质子性溶剂中都非常容易发生。
CO(NH2)2H2O2→CO(NH2)2+H2O2 (4)
CO2+H2O2+→H2CO4 (5)
H2CO4→HCO4 -+H+ (6)
所述过氧化氢是由过碳酰胺CO(NH2)2H2O2(过氧化尿素)在水溶液中分解生成的产物(4)；
所述过碳酰胺是尿素与过氧化氢直接以氢键相联接所形成的加和物，是一种新型固体过氧化氢(H2O2含量≧35％)稳定载体。过碳酰胺的理论活性氧含量为16.0％，H2O2含量35.0％；分子式是CO(NH2)2H2O2。
实施例1：
本实施例陈述的一种基于过氧碳酸氢根自由基的烟气脱硫、脱硝、脱汞一体化高效净化方法的是通过一个两级动力波吸收净化系统来实现的。所述两级动力波吸收净化系统包括：一级动力波吸收反应器、二氧化碳催化反应器、二级动力波精细净化器、硫酸铵回收设备、硫化汞回收设备和废水处理循环系统。
所述一级动力波吸收反应器，其结构如图1所示，包括：1.0洗涤吸收管，1.1烟气入口，1.2第一喷嘴，1.3第一吸收泡沫层，1.4第二吸收泡沫层，1.5第二喷嘴，1.6吸收液循环泵，1.7静态混合器，1.8排污出口，1.9两相联通管，1.10惯性分离室(气液分离区)，1.11吸收液存储罐，1.12液膜分离器，1.13烟气出口，1.14循环吸收液出口，1.15吸收液连接管，1.16吸收液输送管，1.17-1.19吸收液控制阀，1.20吸收液循环管，1.21吸收液循环控制阀，1.22吸收液回收控制阀等组成。
所述洗涤吸收管1.0为垂直安装，顶部为气体进口1.1，下部设置循环吸收液输送管1.16，循环吸收液输送管1.16连接到第二喷嘴1.5的入口(1.17-1.18)和第一喷嘴1.2的入口(1.19)。
所述喷嘴1.2和1.5)采用大孔径非节流型的开孔喷射喷嘴。所述开孔喷射的特征是喷射出的液体不发生雾化，排气中液体雾沫的数量极少，使用常规的气液分离器即可脱除残余液体。
在喷嘴1.5的上方有气液两相逆向高速撞击形成的第二吸收泡沫区1.4。洗涤吸收管1经静态混合器1.7与惯性分离室1.10连接。混合器1.7位于第二喷嘴1.5的下方，它使顺流流动的气液两相，再一次进行湍流混合，起到了顺流洗涤的作用。静态混合器1.7与集液槽1.11之间通过连通管1.9和连接管1.15相连接，连通管1.15与集液槽1.11的下部连接，连接管1.9与集液槽1.11的上部连接，连通管1.15内流动的是液相吸收液，连接管1.9内流动的是气液混合相(烟气+吸收液)。集液槽1.11的顶部为净化烟气出口1.13，上部设有切向进口与连接管1.9相连接，底部设有循环洗涤液出口1.12，在集液槽1.11上部为气液离心分离区1.10，下部为集液区。
待净化的烟气由烟气入口1.1自上而下高速进入洗涤管1.0，洗涤吸收液通过循环水泵由特殊结构的第一喷嘴1.2自下而上喷入气流中，造成气、液两相高速逆向对撞，当气液两相的动量达到平衡时，形成一个高度湍动的泡沫区1.3，在泡沫区1.3，气、液两相呈高速湍流接触，接触表面积大，而且这些接触表面不断地得到迅速更新，达到高效泡沫洗涤、吸收效果。然后气、液两相顺流流动，经过静态混合元件1.7，使气液两相再一次进行湍流混合，起到了顺流洗涤的作用，实现了两级串联的洗涤吸收效果。净化后的气体在静态混合元件1.7的惯性分离区首次与洗涤吸收液进行分离，绝大部分洗涤吸收液因惯性被分离下来后由连通管1.15进入集液槽1.11下部的集液区，而夹带液沫的气体则由连接管1.9以切线方向进入集液槽1.11上部的离心分离区，所夹带的液沫在离心力的作用下被甩向壁面，并沿壁面下落进入集液槽1.11下部的集液区，气液两相再一次得到分离，经过两级洗涤和两级分离而彻底净化后的烟气由烟气出口1.13排出。
本实施例提供的设备，动力波洗涤器、动力波循环泵、气液分离塔、吸收循环泵、喷淋器、旋流除雾器和湿式静电除尘器均为现有技术中本技术领域内的常规技术产品。
实施例2
本实施例中，一级动力波吸收反应器入口烟气中的SO2﹑NOx与Hg0浓度分别为2000ppm，400ppm以及50μg/Nm3，烟尘浓度：12g/Nm3,，烟气入口温度为100℃。液气比为0.6L/Nm3，过碳酰胺在吸收液中的浓度为50mg/L，溶液pH为7.6，溶液温度为70℃，小试结果为：一级动力波吸收反应器出口烟气中SO2﹑NOx、Hg0与粉尘的同时脱除效率可分别达到99.2％，98.5％，95％和99.9％。
实施例3
本实施例中，一级动力波吸收反应器入口烟气中的SO2﹑NOx与Hg0浓度分别为2000ppm，400ppm以及50μg/Nm3，烟尘浓度：12g/Nm3,，温度为100℃。液气比为0.8L/Nm3，过碳酰胺在吸收液中的浓度为50mg/L，溶液pH为7.6，溶液温度为70℃，小试结果为：一级动力波吸收反应器出口烟气中SO2﹑NOx、Hg0与粉尘的同时脱除效率可分别达到100％，100％，96％和99.9％。
实施例4
本实施例中，一级动力波吸收反应器入口烟气中的SO2﹑NOx与Hg0浓度分别为2000ppm，400ppm以及50μg/Nm3，烟尘浓度：12g/Nm3,，烟气温度为100℃。液气比为0.8L/Nm3，过碳酰胺在吸收液中的浓度为60mg/L，溶液pH为7.2，溶液温度为70℃，小试结果为：一级动力波吸收反应器出口烟气中SO2﹑NOx、Hg0与粉尘的同时脱除效率可分别达到100％，100％和100％，100％。
实施例5
本实施例中，一级动力波吸收反应器入口烟气中的SO2﹑NOx与Hg0浓度分别为2000ppm，400ppm以及50μg/m3，烟尘浓度：12g/Nm3,，烟气温度为100℃。液气比为0.9L/Nm3，过碳酰胺在吸收液中的浓度为80mg/L，溶液pH为7.5，溶液温度为70℃，小试结果为：一级动力波吸收反应器出口烟气中SO2﹑NOx、Hg0与粉尘的同时脱除效率可分别达到100％，100％、100％和100％。
实施例6
本实施例中，一级动力波吸收反应器入口烟气中的SO2﹑NOx与Hg0浓度分别为2000ppm，400ppm以及50μg/m3，烟尘浓度：12g/Nm3,，烟气温度为100℃。液气比为1.0L/Nm3，过碳酰胺在吸收液中的浓度为100mg/L，溶液pH为7.6，溶液温度为70℃，小试结果为：一级动力波吸收反应器出口烟气中SO2﹑NOx、Hg0与粉尘的同时脱除效率可分别达到100％，100％、100％和99％。
实施例7
本实施例中，一级动力波吸收反应器入口烟气中的SO2﹑NOx与Hg0浓度分别为2000ppm，400ppm以及50μg/Nm3，烟尘浓度：12g/Nm3,，烟气温度为100℃。液气比为0.6L/m3，过碳酰胺在吸收液中的浓度为60mg/L，溶液pH为7.8，溶液温度为70℃，小试结果为：一级动力波吸收反应器出口烟气中SO2﹑NOx、Hg0与粉尘的同时脱除效率可分别达到100％，100％、100％和100％。
实施例8
本实施例中，一级动力波吸收反应器入口烟气中的SO2﹑NOx与Hg0浓度分别为2000ppm，400ppm和50μg/Nm3，，烟尘浓度：12g/Nm3,，烟气口温度为100℃。液气比为0.6L/m3，过碳酰胺在吸收液中的浓度为60mg/L，溶液pH为7.6，溶液温度为70℃，小试结果为：一级动力波吸收反应器出口烟气中SO2﹑NOx、Hg0与粉尘的同时脱除效率可分别达到100％，100％、100％和100％。
实施例9
本实施例中，(600MW燃煤机组)：烟气流量1900000Nm3/h,一级动力波吸收反应器入口烟气中的SO2﹑NOx与Hg0浓度分别为1700mg/Nm3，500mg/Nm3以及30μg/Nm3，烟尘浓度：11g/Nm3,，烟气温度为100℃。液气比为0.6L/Nm3，过碳酰胺在吸收液中的浓度为80mg/L，溶液pH为7.6，吸收液温度为70℃，小试结果为：一级动力波吸收反应器出口烟气中SO2﹑NOx、Hg0与粉尘的同时脱除效率可分别达到100％，100％，100％和99.9％。表1是600MW燃煤机组的设计数据。
表1 600MW燃煤机组一体化脱硫脱硝脱汞动力波吸收塔设计参数
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实施例10
本实施例中，(300MW燃煤机组)：烟气流量1050000Nm3,一级动力波吸收反应器入口烟气中的SO2﹑NOx与Hg0浓度分别为6500mg/Nm3，500mg/Nm3以及20μg/Nm3，烟尘浓度：40g/Nm3,，烟气温度为100℃。液气比为0.6L/Nm3，过碳酰胺在吸收液中的浓度为80mg/L，溶液pH为7.6，吸收液温度为70℃，小试结果为：一级动力波吸收反应器出口烟气中SO2﹑NOx、Hg0与粉尘的同时脱除效率可分别达到100％，100％，100％和99.9％。表2是300MW燃煤机组的设计数据。
表2300MW燃煤机组一体化脱硫脱硝脱汞动力波吸收塔设计参数
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经过以上实施例的综合对比可知，实施例4、5、7和8具有最佳脱除效果，SO2，NOx、Hg0与粉尘的脱除效率均达到100％，可作为最佳实施例参照使用。
优选的，所述过碳酰胺在吸收液中的浓度为80mg/L；
优选的，所述含有多种强氧化自由基的弱碱性吸收液的pH控制在7.6；
优选的，所述动力波洗涤器喉管内烟气流速为25米/秒；
优选的，所述动力波洗涤器的液气比为0.6L/m3，即：1标准立方米烟气需要0.6升的循环吸收液。
本发明第二个方面提供一种烟气脱硫、脱硝、脱汞一体化高效净化的设备如图1所示，包括：一级动力波吸收反应器、二氧化碳催化反应器、二级动力波精细净化器、硫酸铵回收系统、硫化汞回收系统和废水循环与处理(零排放)系统。在一级动力波吸收反应器和二级动力波精细净化器之间设置有二氧化碳催化反应器，所述二氧化碳催化反应器是含强氧化自由基的弱碱性吸收液的生产、储存和输送系统；所述一级动力波吸收反应器包括一个双层动力波吸收塔1.0、顺流静态混合器1.7和循环吸收液存储罐1.11。
所述双层动力波吸收塔1.0垂直固定安装在所述静态混合器1.7的顶部；所述双层动力波吸收塔1.0底部与静态混合器1.7的入口连通，其顶部为烟气进口1.1；所述静态混合器1.7通过吸收液连接管1.15、两相联通管1.9和吸收液存储罐1.11连接；
所述双层动力波吸收塔1.0内部设置有上下两层布置的喷嘴1.2和喷嘴1.5；所述两个喷嘴的上方空间在运行中形成两个吸收泡沫层，如图1所示，分别为吸收泡沫层1.3和吸收泡沫层1.4；所述循环吸收液出口通过循环水管1.20和吸收液循环泵1.6与双层动力波吸收塔的第2(下层)喷嘴1.5的进水口1.18连通；所述来自二氧化碳催化反应器的含强氧化自由基的弱碱性吸收液输送泵2.9的出口2.10与双层动力波吸收塔的第1(上层)喷嘴1.2的进水口1.19连通；所述循环吸收液存储罐1.11与静态混合器1.7连通，所述吸收液存储罐的底部开设有循环吸收液出口1.14；所述循环吸收液存储罐的顶部固定安装有液膜分离器1.12；所述液膜分离器出口连接烟气出口1.13，所述烟气出口和二级动力波精细净化器的烟气入口3.1连接。
所述吸收泡沫层1.3和吸收泡沫层1.4，在泡沫层内,气液两相接触面积极大,且不断更新,从而可获得极高的传热与传质效率。
所述二氧化碳催化反应器2包括：烟气(二氧化碳)入口管道2.6、烟气出口管道2.7、吸收液存储灌2.0、(pH调节剂)碳酸氢铵给料装置2.1、过碳酰胺给料装置2.2、搅拌器2.3、吸收液pH调节控制系统2.4、一级动力波吸收反应器吸收液输送泵2.9、二级动力波精细净化器吸收液输送泵2.12、一级动力波吸收反应器吸收液调节阀2.10和二级动力波精细净化器吸收液调节阀2.11、吸收液控制阀2.8、除盐水控制阀2.16和除盐水泵2.15；所述除盐水泵2.15入口连接到除盐水箱(图中未画出)；除盐水泵2.15出口连接到高位除盐水箱2.13的除盐水入口控制阀2.14的入口；高位除盐水箱2.13的除盐水出口2.17连接到二氧化碳催化反应器吸收液存储罐2.0的除盐水入口2.18。
所述过碳酰胺供给设备包括：过碳酰胺存储仓、螺旋自动加料机、吸收液存储灌；
所述碳酸氢铵供给设备包括：碳酸氢铵存储仓、螺旋自动加料机、吸收液存储灌和pH调节控制系统2.4。所述烟气入口管道2.6连接到烟气循环风机2.19的出口，所述烟气循环风机的入口连接到二级动力波精细净化器烟气旁路出口2.20，所述烟气出口管道2.7接到二级动力波精细净化器的烟气入口3.1。
所述二级动力波精细净化器包括：二级动力波精细净化器吸收塔3.0、烟气入口3.1、烟气分配网3.2、二级动力波精细净化器洗涤液存储罐3.3、二级动力波洗涤液排污口3.4、洗涤液循环泵入口控制阀3.5、洗涤液循环泵3.6、洗涤液控制阀3.7、洗涤液入口3.8、洗涤液喷嘴3.9、洗涤泡沫层3.10、烟气分配网3.11、烟气出口扩散锥3.12、除沫器3.13、净化烟气出口(通往烟囱)3.14。
所述二级动力波精细净化器的特征是：烟气的流动方向是自下而上，洗涤液自上而下逆向喷射；所述二级动力波精细净化器的洗涤液是来自二氧化碳催化反应器的含强氧化自由基的弱碱性吸收液(2.12-3.7-3.8-3.9)或来自废水循环与处理(零排放)系统的废水(6.1-6.2-3.6)。
所述硫酸铵回收系统如图2所示，包括：硫酸高位槽4.4，硫酸补充管路4.5，喷淋式饱和器4.6，加热烟气人口4.7，加热烟气出口4.8，硫酸铵母液循环泵4.9，满流槽4.10，结晶泵4.11，结晶槽4.12，离心机4.13，去硫酸铵干燥机出口4.14，硫酸铵母液槽4.15，小母液泵4.16。所述离心机4.13分离硫酸铵后得到的废水返回喷淋式饱和器4.6循环浓缩结晶或回流到硫化汞沉淀池5.5参与沉淀反应。所述硫酸铵回收液来自硫化汞回收系统沉淀池的上清液((NH4)2SO4+NaS)4.1,所述硫酸汞回收液，来自一级动力波吸收反应器的循环吸收液出口1.14(1.14-1.22-5.3)，所述硫化汞回收系统的沉淀剂是硫化钠。硫化汞沉淀在沉淀池与硫酸铵分离后进入硫化汞干燥器回收。
所述废水循环与处理(零排放)系统的所述废水来自硫化汞回收系统和硫酸铵回收系统，所述来自硫化汞回收系统的废水是来自硫化汞沉淀分离得到的含有硫酸铵、硫酸钠和过剩硫化钠的废水，这部分废水直接进入硫酸铵回收系统或返回硫化汞沉淀池。实现真正意义上的零排放。
所述水来自硫酸铵回收系统的废水是来自硫酸铵结晶槽分离硫酸铵结晶后得到的含有硫酸钠和硫化钠的废水，这部分废水直接进入二级动力波洗涤液循环泵入口。
主要化学反应如下：
(1)生成过氧碳酸氢根自由基的反应
CO2+H2O→H2CO3 (1)
H2CO3→H++HCO3 - (2)
HCO3 -+H2O2→HCO4 -+H2O (3)
(1)+(2)+(3)→(5)
CO(NH2)2H2O2→CO(NH2)2+H2O2 (4)
CO2+H2O2+→H2CO4 (5)
H2CO4→HCO4 -+H+ (6)
(2)过氧碳酸氢根自由基的快速氧化(脱硫、脱氮、脱汞)反应
HCO4 -+SO2→HCO3 -+SO3 (7)
HCO4 -+NO→HCO3 -+NO2 (8)
2HCO4 -+Hg0→2HCO3 -+Hg2+ (9)
HCO3 -+H+→H2CO3 (10)
H2CO3→CO2+H2O (11)
Hg2++SO4 2-→HgSO4 (12)
从反应式(7)-(11)可以看出：过氧碳酸氢根自由基反应后又变回二氧化碳，即是说，在生成过氧碳酸氢根自由基引发的脱硫、脱氮、脱汞过程中，二氧化碳是一种催化剂。在脱硫、脱氮、脱汞过程中并不消耗二氧化碳。这种通过催化反应生成自由基的中间反应却极大地提高了脱硫、脱硝、脱汞的反应速度，降低了脱硫、脱硝、脱汞反应的活化能。
(3)脱硝反应
烟气中的NOx的吸收是一个复杂的过程，因为其中包括很多化学反应。NOx由NO，N02，N204，和N203，等组分组成，在气相中发生以下反应:
2NO+O2→2NO2 (13)
第一步:：NOX被吸收至液相
NOX的不同组分都可以被吸收至液相，NO除外(NO在水中的亨利常数非常小，50℃时只有1.25×10-3mol/L(aTm)。反应如下：
第二步:过氧碳酸氢根自由基快速氧化难溶于水的NO的反应
HCO4 -+NO→HCO3 -+NO2 (8)
第四步：吸收至液相的氮氧化物与尿素反应
HNO2+(NH2)2CO→2N2+CO2+3H2O (20)
总反应方程为：
NO(g)+NO2(g)+(NH2)2CO(aq)→2H2O(l)+CO2(g)+2N2(g) (21)
由以上的反应机理可知，NOx的去除主要是通过难被水吸收的NO的氧化反应(8)，生成的反应产物NO2随后溶于水溶液，与尿素发生化学反应生成N2和C02的途径得到去除的。因此提高NO的氧化度就能有效地提高NOx的去除效果。
(4)脱硫反应
第一步:SO2溶于水并与过氧碳酸氢根自由基快速氧化反应
SO2+H2O→H++HSO3 - (22)
HSO3 -→H++SO3 2- (23)
HCO4 -+SO3 2-→HCO3 -+SO4 2- (24)
第二步：尿素水解：
CO(NH2)2+H2O→NH2COONH4 (25)
NH2COONH4+H2O→(NH4)2CO3 (26)
(NH4)2CO3→2NH3+CO2+H2O (27)
第三步：化学吸收：
SO4 2-+2NH4 +→(NH4)2SO4 (28)
脱硫总反应方程式为：
SO2(g)+HCO4 -+(NH2)2CO(aq)+2H2O(f)→(NH4)2SO4(aq)+CO2(g)+HCO3 - (29)
一级动力波吸收反应器得到含硫酸铵和HgSO4的吸收液，对含硫酸铵和HgSO4吸收液加入与吸收液中Hg2+的摩尔比为1.3：1的Na2S进行反应，生成硫化汞沉淀与母液分离。含硫酸铵的母液被输送到硫酸铵回收系统，经浓缩、结晶回收硫酸铵。
HgSO4+Na2S→HgS↓+2Na2SO4 (30)
反应后的吸收液泵入过滤器，过滤出的HgS排出，过滤后的吸收液经干燥、结晶后得到可以回收优质化肥硫酸铵。离心分离得到的硫化汞可制成高附加值的半导体硫化汞。
含Na2SO4(和吸收液中的汞摩尔浓度相同)和过量的的Na2S废水输送到二级动力波精细净化器循环使用(4.3-6.1-6.2-3.6-3.8-3.9)。
优选的，所述过碳酰胺在吸收液中的浓度为80mg/L；
优选的，所述含有多种强氧化自由基的弱碱性吸收液的pH控制在7.6±0.2；
优选的，所述动力波洗涤器喉管内烟气空塔流速为：25米/秒-30米/秒；
优选的，所述动力波洗涤器的液气比为0.5L/m3-0.8L/m3。
以上参照附图说明了本发明的优选实施例，并非因此局限本发明的权利范围。本领域技术人员不脱离本发明的范围和实质，可以有多种变型方案实现本发明，比如作为一个实施例的特征可用于另一实施例而得到又一实施例。凡在运用本发明的技术构思之内所作的任何修改、等同替换和改进，均应在本发明的权利范围之内。

Claims (6)

1.一种烟气脱硫、脱氮、脱汞净化方法，其特征在于包括以下步骤：
来自烟气的二氧化碳从气相溶解于水中进行碳酸化反应，并建立CO2-H2CO3-HCO3 -体系的气/液两相平衡；
CO2+H2O→H2CO3 (1)
H2CO3→H++HCO3 - (2)
所述两相平衡体系的碳酸氢根(HCO3 -)催化过碳酰胺CO(NH2)2H2O2，其主要反应如下；
CO(NH2)2 H2O2→CO(NH2)2+H2O2 (3)
HCO3 -+H2O2→HCO4 -+H2O (4)
CO2+H2O2→H2CO4 (5)
H2CO4→HCO4 -+H+ (6)
在水溶液中分解生成含强氧化自由基的弱碱性吸收液快速对烟气脱硫、脱氮和脱汞。
2.根据权利要求1所述的烟气脱硫、脱氮、脱汞净化方法，其特征在于：所述含强氧化自由基的弱碱性吸收液为由过氧碳酸氢根离子、羟基自由基、碳酸根阴离子自由基、氢过氧自由基、超氧阴离子自由基、尿素、过氧化氢和碳酸氢根组成的pH值为7～9的均相混合溶液。
3.根据权利要求2所述的烟气脱硫、脱氮、脱汞净化方法，其特征在于：所述pH值为7.6±0.2。
4.一种烟气脱硫、脱氮、脱汞净化设备,用于实施权利要求1所述的净化方法，包括：一级动力波吸收反应器、二氧化碳催化反应器、二级动力波精细净化器、硫酸铵回收系统、硫化汞回收系统和废水循环与处理系统；所述二氧化碳催化反应器设置在一级动力波吸收反应器和二级动力波精细净化器之间；所述二氧化碳催化反应器，用于生产、储存和输送含强氧化自由基的弱碱性吸收液；所述一级动力波吸收反应器包括一个双层动力波吸收塔、顺流静态混合器、循环吸收液存储罐和含强氧化自由基的弱碱性吸收液的循环输送系统；所述双层动力波吸收塔内部设置有上下两层独立布置的两个喷嘴；所述两个喷嘴的上方空间在运行中形成两个吸收泡沫层；所述循环吸收液存储罐下方的循环吸收液出口通过循环水管和吸收液循环泵与双层动力波吸收塔的第二喷嘴的进水口连通。
5.根据权利要求4所述的烟气脱硫、脱氮、脱汞净化设备，其特征在于：来自二氧化碳催化反应器的含强氧化自由基的弱碱性吸收液输送泵的出口与双层动力波吸收塔的第一喷嘴的进水口连通；所述循环吸收液存储罐与静态混合器连通。
6.根据权利要求4所述的烟气脱硫、脱氮、脱汞净化设备，其特征在于：所述顺流静态混合器的入口与双层动力波吸收塔的底部连通；所述顺流静态混合器通过连通管和连接管与集液槽连接，连通管与集液槽的下部连接，连接管与集液槽的上部连接，所述连通管内部流动的是液相吸收液；所述连接管的内部流动的是气液混合相。
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