CN111790245B - 一种烟道喷射法捕集脱除高温冶炼烟气中重金属的方法 - Google Patents

一种烟道喷射法捕集脱除高温冶炼烟气中重金属的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种烟道喷射法捕集脱除高温冶炼烟气中重金属的方法，该方法是将包含三聚氰胺类高分子材料在内的粉末喷射至高温冶炼烟气中用于高温冶炼烟气中重金属捕集。该方法通过将捕集剂材料粉末均匀喷入烟气中快速混合并高效螯合吸附高温烟气中的重金属，将烟气中的重金属(尤其是汞)从烟气中分离出来达到净化烟气的目标，该方法具有操作步骤简单，涉及的捕集剂材料易于获得，以及喷射装置结构简单、安装简便、制造成本低、脱除重金属效率高等特点，可以大规模应用。

Description

一种烟道喷射法捕集脱除高温冶炼烟气中重金属的方法
技术领域
本发明涉及一种含重金属冶炼烟气的处理方法，尤其涉及一种利用三聚氰胺类高分子材料粉末直接通过烟道喷射法捕集脱除高温冶炼烟气中重金属的方法，属于重金属冶炼烟气处理技术领域。
背景技术
金属冶炼在生产过程中，从冶炼炉直接出来的烟气具有温度高(一般烟气温度为900℃～1500℃甚至更高)、含尘大、含各类杂质成份包括重金属等较多，虽然经余热锅炉进行热回收及除尘降温，再经电除尘除去了绝大部分粉尘及进一步降温，但从电除尘器出口烟气中仍含有少部分的粉尘、重金属杂质及其他一些污染物杂质，且烟气温度仍然250℃左右或以上，在后续的洗涤净化系统中这些杂质成份会有相当一部分被捕集下来而进入泥、废水或烟气副产品中，造成重金属污染，同时外排尾气中仍残留有少量的重金属杂质，若后续处置不当仍有可能导致烟气正常排放时重金属含量超标而造成周边大气、土壤、及水体污染，存在较大的环境隐患。
当前处理冶炼烟气中重金属的方法及工艺方式较多，但局限于脱重金属材料性能限制或工艺设置与主体生产工艺配套协调不佳等情况，难以达到理想效果。而且大多数情况下采用洗涤塔，利用循环液对含重金属烟气进行气相循环洗涤方式来脱除烟气中的重金属，此时250℃左右甚至以上的高温烟气经洗涤塔绝热蒸发降温，烟气温度迅速降至45℃～60℃，烟气中含有的重金属在迅速降温后与洗涤液及其中含有的尘泥形成极细小的包裹物，阻碍了重金属与脱汞材料的直接接触反应，从而增加了脱汞材料吸附脱除重金属的难度，重金属进入液相再与液相的脱汞材料接触反应，其发生接触的阻力明显增加，接解效率下降，导致反应效率下降，且温度降下来后，不管是烟气中的重金属、还是脱重金属材料，其分子热运动均显著降低，活跃性相对降低，导致脱重金属的反应速率与反应效率均相对降低。采用循环液洗涤时，必须增设洗涤塔，洗涤塔的设计、制造与使用过程中均将投入较大的人力物力财力，投资与运行成本较高。在金属冶炼过程及区域中重金属污染依然存在的情况下，迫切需要性价比更高的技术、材料与方法等多种综合处理方式，来更进一步解决相关重金属污染的问题，逐步消除重金属污染的环境隐患。
发明内容
针对现有技术中金属冶炼生产过程中产生的高温烟气中重金属脱除过程采用一般洗涤塔洗涤方式存在投资与运行成本较高，且难以适应高温烟气中重金属脱除等技术问题，本发明的目的是在于提供一种利用三聚氰胺类高分子材料粉末等重金属捕集材料直接通过喷射方式用于高效捕集冶炼烟气中重金属的方法，充分利用三聚氰胺类高分子材料粉末在高温时(250℃左右)仍然具有的稳定的物化性能，以及利用烟气原有高温条件来提高其与重金属反应活性，提高捕集重金属的效果；该方法具有操作步骤简单、重金属脱除效率高等特点，且涉及的捕集剂材料来源广，喷射装置结构简单、安装简便、制造成本低，有利于该方法的推广应用。
为了实现上述技术目的，本发明提供了一种烟道喷射法捕集脱除高温冶炼烟气中重金属的方法，该方法是将包含三聚氰胺类高分子材料在内的粉末喷射至高温冶炼烟气中用于高温冶炼烟气中重金属捕集。
本发明技术方案采用三聚氰胺类高分子材料作为重金属捕剂，该三聚氰胺类高分子材料本身具有较好的耐高温性能，热重分析如附图2所示，可在250℃左右甚至更高的烟气温度中稳定存在。在本发明技术方案中利用了重金粉尘在温度较高的条件下活跃性相对较高的特点，同时意外发现，三聚氰胺类高分子材料在250℃温度左右，不但可以稳定存在，而且具有最佳的捕获重金属的活性，由此，实现了三聚氰胺类高分子材料在高温下对烟气中重金属粉尘的高效捕集。本发明技术方案采用的三聚氰胺类高分子材料在高温下对重金属，尤其是汞(包括单质汞及氧化态汞)具有吸附量大(吸附汞量一般可达到三聚氰胺类高分子材料自身重量的3％～50％)，吸附能力强的特点。
本发明的三聚氰胺类高分子材料对重金属的吸附原理是通过物理吸附与螯合等物理化学共同作用过程，可以将重金属牢牢结合在三聚氰胺类高分子材料中，吸附脱除重金属更彻底。
本发明的三聚氰胺类高分子材料具有较好的耐酸碱稳定性和耐高温稳定性，受高温烟气及烟气中的其他组分影响小，从而为其再生与重复利用、并回收重金属(汞)资源创造了良好的基础条件，特别是可直接采用火法炼汞的方式回收汞，回收汞资源方式更灵活与实用。
作为一个优选的技术方案，所述三聚氰胺类高分子材料具有式1结构：
Figure BDA0002652768540000031
三聚氰胺类高分子材料合成路线如下：
Figure BDA0002652768540000032
本发明的三聚氰胺类高分子材料是通过三聚氰胺和吡咯甲醛进行缩聚反应得到。三聚氰胺和噻吩甲醛的摩尔比为1:(1.2～2)；最优选为1:1.5。缩聚反应在100～150℃温度下反应8～20h。该方法在现有技术中已经很成熟，产率高。
作为一个优选的技术方案，所述冶炼烟气温度为100～280℃，进一步优选的冶炼烟气温度为200～250℃。本发明技术方案中冶炼烟气温度的控制对于冶炼烟气中重金属的脱除效率的影响是比较大的，如果温度过高，三聚氰胺类高分子材料的多孔结构会发生变化，捕获重金属的能力也随之下降，从图2中可以看出，三聚氰胺类高分子材料在260℃左右开始脱除小分子，但是能保留三聚氰胺类高分子材料的聚合物骨架，仍然能表现出较好的脱除重金属的能力，当温度高于280℃，三聚氰胺类高分子材料的失重达到15％左右，进一步升高温度，其聚合物结构开始分解，吸附重金属的能力明显下降；如果温度过低，如低于100℃，重金属的活性较低，且三聚氰胺类高分子材料本身吸附重金属的活性也较低，捕集重金属的效果相对较差，因此，控制烟气温度在200℃～250℃高温烟气条件下，既能保证三聚氰胺类高分子材料保持较高的吸附能力，也能保证重金属的高活性，吸附脱除烟气中重金属的效果最好。
作为一个优选的技术方案，所述冶炼烟气包括金属冶炼烟气(如有色、黑色金属冶炼烟气)、垃圾焚烧烟气、燃煤电厂烟气中至少一种。
作为一个优选的技术方案，三聚氰胺类高分子材料粉末相对高温冶炼烟气的用量比例为0.1～50kg:1000～1000000m3。在该比例范围内可根据烟气中重金属含量高低情况进行适当调整。
作为一个较优选的技术方案，所述三聚氰胺类高分子材料粉末的粒度为100～400目。
作为一个优选的技术方案，所述三聚氰胺类高分子材料粉末喷射至高温冶炼烟气中与高温冶炼烟气顺向或逆向接触，三聚氰胺类高分子材料粉末喷射压力控制在0.025～0.035MPa，载气流量100～160m3/h，三聚氰胺类高分子粉末材料加入量0.5～10kg/h。优先采用顺向接触方式。
作为一个优选的技术方案，所述粉末由三聚氰胺类高分子材料组成或者由三聚氰胺类高分子材料粉末与有机硫、硫化物及活性炭中至少一种组成。采用有机硫、硫化物及活性炭等与三聚氰胺类高分子材料配合使用，吸附重金属的效果会适当降低，但是可以保证同样较好的吸附重金属效果的前提下，可以减少三聚氰胺类高分子材料用量，提高性价比。
作为一个较优选的技术方案，所述粉末中三聚氰胺类高分子材料质量百分比例不低于30％，优选为不低于75％。
本发明的技术方案利用三聚氰胺类高分子材料粉末喷射捕集脱除高温冶炼烟气中重金属的方法涉及一种结构简单的重金属捕集装置，由动力发生装置、贮存仓、称重计量装置、加料器、喷射器、喷嘴管及连接导管等主要部件组成。所述动力发生装置(如压缩机系统)与喷射器相连，所述贮存仓与称重计量装置相连，所述称重计量装置与加料器相连，所述加料器与喷射器相连，所述喷射器与喷嘴管相连。具体连接如图1所示。所述动力发生装置能为捕集剂材料粉末进入喷射器提供动力需要，其动力来源包括但不限于机械输送、气力输送之任一一种或同时使用，优选气力输送性价比更高。所述贮存仓往称重计量装置送料采用间歇式或连续式自动进料，可与称重计量装置计量参数联锁控制。所述加料器直接将称重计量装置中的捕集剂材料粉末连续不断的送入喷射器中，加料器可进行定量控制。所述喷射器能使从加料器送来的捕集剂材料粉末获得足够的动力并快速送入喷嘴管中。而喷嘴管设置在烟气管道中，将喷射器喷射出来的捕集剂材料粉末均布在烟道中与烟气均匀混合，有利于螯合吸附脱除烟气中含有的重金属。
本发明的重金属捕集装置的工作程序包括以下步骤：①将捕集剂材料粉末倒入贮存仓；②开启喷嘴管及连接导管；③开启动力发生装置，且喷射器自动投入工作；④开启称重计量装置；⑤开启加料器。重金属捕集装置可以将捕集剂材料粉末均匀喷入烟气管道中与烟气快速混合并与其中的重金属接触发生螯合吸附，实现烟气中重金属的捕集，将烟气中的重金属(尤其是汞)从烟气中分离出来达到净化烟气的目标。
本发明的重金属捕集装置能够将捕集剂材料粉末(包含三聚氰胺类高分子材料在内的粉末)均匀喷入烟气管道中与高温冶炼烟气快速混合并与其中的重金属(尤其是汞)发生高效螯合吸附反应，捕集烟气中的重金属，将烟气中的重金属从烟气中分离出来从而净化烟气。脱除了重金属的烟气继续进行后续的洗涤净化工序，使后续生产的副产品及尾气排放中重金属污染物含量控制指标达到预期标准或排放标准。捕集剂材料粉末螯合吸附了烟气中的重金属，并最终随着捕集剂材料粉末一起被后续洗涤装置洗涤下来，成为含重金属的污泥渣单独处置。
相对现有技术，本发明的技术方案带来的有益技术效果：
1)本发明提供的一种烟道喷射法捕集脱除高温冶炼烟气中重金属的方法，操作步骤方法简单方便，所用脱汞剂材料来源有保障，全套喷射装置结构简单、安装简便、制造成本低，操作简单，脱除重金属效率高等特点，为进一步降低投资与运行成本创造了良好的基础条件。
2)本发明提供的一种烟道喷射法捕集脱除高温冶炼烟气中重金属的方法，采用固体粉末状重金属捕集剂直接与气相中含有的重金属(尤其是汞)进行螯合吸附反应，相较于通常的采用洗涤塔及循环液洗涤脱除重金属技术中，气体中的重金属先从气相进入液相，再与液相进行反应或与液相中固相粉末进行接触反应方式比较，由于避免了气液相、液固相扩散过程中的阻尼作用，其反应时的配位螯合吸附反应速度更快，配位效率更高，重金属与捕集剂的结合更牢固，因此其脱除重金属效率更高。
3)本发明提供的一种烟道喷射法捕集脱除高温冶炼烟气中重金属的方法，通过将粉末材料直接采用喷射方式进入高温冶炼烟气，利用烟气本身的高温来强化粉末材料的吸附捕集活性，能快速与高温冶炼烟气进行均匀混合，加快反应速度，并相对延长捕集剂材料粉末与烟气中含有的重金属成份的接触时间，提高接触速率与反应效率，从而提高捕集剂材料脱除重金属反应效果。
4)本发明提供的一种烟道喷射法捕集脱除高温冶炼烟气中重金属的方法，通过固体粉末形式直接喷入高温烟气中参与螯合吸附重金属反应，其操作方式更简单，降低了管理与运行维护难度，从而减轻了现场工作人员劳动强度。
综上所述，本发明具有很好的经济价值和社会价值，易于推广应用。
附图说明
【图1】为本发明的一种烟道喷射法捕集脱除高温冶炼烟气中重金属的方法配套装置示意图；其中，1为动力发生装置，2为喷射器，3为喷嘴管，4为加料器，5为称重计量装置，6为贮存仓。
【图2】为本发明的三聚氰胺类高分子材料的热重曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明，而不是限制本发明权利要求的保护范围。
本发明提供的一种烟道喷射法捕集脱除高温冶炼烟气中重金属的方法配套装置示意图如图1所示。包括动力发生装置、贮存仓、称重计量装置、加料器、喷射器、喷嘴管及连接导管等组成。工作程序包括以下步骤：①将捕集剂材料倒入贮存仓；②开启喷嘴管及连接导管；③开启动力发生装置，且喷射器自动投入工作；④开启称重计量装置；⑤开启加料器。所述动力发生装置与喷射器相连，所述贮存仓与称重计量装置相连，所述称重计量装置与加料器相连，所述加料器与喷射器相连，所述喷射器与喷嘴管相连。
本发明提供的一种烟道喷射法捕集脱除高温冶炼烟气中重金属的方法脱除烟气中的重金属的过程为：以新型粉末状高分子材料作为捕集剂来捕集重金属，将捕集剂材料倒入贮存仓，开启喷嘴管及连接导管，开启动力发生装置，且喷射器自动投入工作，开启称重计量装置，开启加料器。捕集剂材料均匀喷入烟气管道中与烟气快速混合并与其中的重金属尤其是汞发生高效螯合吸附反应，捕集烟气中的重金属，将烟气中的重金属尤其是汞从烟气中分离出来从而净化烟气。脱除了重金属尤其是汞的烟道气继续进行后续的洗涤净化工序，使后续生产的烟气副产品及尾气排放中重金属污染物含量控制指标达到预期标准或排放标准。高分子捕集剂材料螯合吸附烟气中的重金属，并最终随着捕集剂材料一起被后续洗涤装置洗涤下来，成为含重金属的污泥渣单独处置。
实施例1
本实施例采用一种烟道喷射法捕集脱除高温冶炼烟气中重金属的方法，具体包括以下步骤：
(1)往贮存仓内倒入高分子材料(三聚氰胺类高分子螯合吸附重金属材料)200kg。
(2)锌冶炼烟气量约10000m3/h，烟气温度238℃，烟气中重金属汞含量约11.62mg/m3，铅含量约2.37mg/m3，测算出需要的螯合吸附材料量为1.75kg/h(捕集剂材料螯合吸附重金属的饱和度可达到其自身重量的30％左右)。
(3)开启喷嘴管及连接导管；
(4)开启动力发生装置，且喷射器自动投入工作；喷射压力控制在0.03MPa，载气流量120m3/h；
(5)开启称重计量装置；
(6)开启加料器，并设定调节好捕集剂材料加料量维持在1.80kg/h左右。
(7)检测出口烟气中的重金属汞含量0.03mg/m3，重金属铅含量0.46mg/m3，脱汞效率为99.7％，脱铅效率为80.6％。
实施例2
本实施例采用一种烟道喷射法捕集脱除高温冶炼烟气中重金属的方法，具体包括以下步骤：
(1)往贮存仓内倒入高分子材料(三聚氰胺类高分子螯合吸附重金属材料)200kg。
(2)锌冶炼烟气量约10000m3/h，烟气温度155℃，烟气中重金属汞含量约10.05mg/m3，铅含量约3.82mg/m3，测算出需要的螯合吸附材料量为1.72kg/h(捕集剂材料螯合吸附重金属的饱和度可达到其自身重量的30％左右)。
(3)开启喷嘴管及连接导管；
(4)开启动力发生装置，且喷射器自动投入工作；喷射压力控制在0.03MPa，载气流量110m3/h；
(5)开启称重计量装置；
(6)开启加料器，并设定调节好捕集剂材料加料量维持在1.80kg/h左右。
(7)检测出口烟气中的重金属汞含量0.10mg/m3，重金属铅含量0.87mg/m3，脱汞效率为99.0％，脱铅效率为77.2％。
实施例3
本实施例采用一种烟道喷射法捕集脱除高温冶炼烟气中重金属的方法，具体包括以下步骤：
(1)往贮存仓内倒入高分子材料(如三聚氰胺类高分子螯合吸附重金属材料与活性炭的复合型重金属捕集剂)200kg，二者配制比例约9:1。
(2)锌冶炼烟气量约50000m3/h，烟气温度255℃，烟气中重金属汞含量约9.73mg/m3，铅含量约3.96mg/m3，测算出需要的螯合吸附材料量为4.45kg/h(捕集剂材料螯合吸附重金属的饱和度可达到其自身重量的30％左右)
(3)开启喷嘴管及连接导管；
(4)开启动力发生装置，且喷射器自动投入工作；喷射压力控制在0.03MPa，载气流量130m3/h；
(5)开启称重计量装置；
(6)开启加料器，并设定调节好捕集剂材料加料量维持在4.50kg/h左右。
(7)检测出口烟气中的重金属汞含量0.08mg/m3，重金属铅含量0.67mg/m3，脱汞效率为99.2％，脱铅效率为83.1％。
对比实施例1
本实施例采用一种烟道喷射法捕集脱除高温冶炼烟气中重金属的方法，具体包括以下步骤：
(1)往贮存仓内倒入高分子材料(如三聚氰胺类高分子螯合吸附重金属材料与活性炭的复合型重金属捕集剂)75kg。
(2)截取锌冶炼烟气量约5000m3/h，将烟气温度冷却降温至60℃以下，烟气中重金属汞含量约7.95mg/m3，铅含量约3.58mg/m3，测算出需要的螯合吸附材料量为0.52kg/h(捕集剂材料螯合吸附重金属的饱和度可达到其自身重量的30％左右)
(3)开启喷嘴管及连接导管；
(4)开启动力发生装置，且喷射器自动投入工作；喷射压力控制在0.03MPa，载气流量120m3/h；
(5)开启称重计量装置；
(6)开启加料器，并设定调节好捕集剂材料加料量维持在0.52kg/h左右。
(7)检测出口烟气中的重金属汞含量1.40mg/m3，重金属铅含量1.12mg/m3，脱汞效率为82.0％，脱铅效率为68.7％。
实施例4
本实施例采用一种烟道喷射法捕集脱除高温冶炼烟气中重金属的方法，具体包括以下步骤：
(1)往贮存仓内倒入高分子材料(如三聚氰胺类高分子螯合吸附重金属材料与活性炭的复合型重金属捕集剂)75kg。
(2)截取锌冶炼烟气量约5000m3/h，烟气温度240℃(相比对比实施例1，不特意先采取降温措施)，烟气中重金属汞含量约7.95mg/m3，铅含量约3.58mg/m3，测算出需要的螯合吸附材料量为0.52kg/h(捕集剂材料螯合吸附重金属的饱和度可达到其自身重量的30％左右)
(3)开启喷嘴管及连接导管；
(4)开启动力发生装置，且喷射器自动投入工作；喷射压力控制在0.03MPa，载气流量120m3/h；
(5)开启称重计量装置；
(6)开启加料器，并设定调节好捕集剂材料加料量维持在0.52kg/h左右。
(7)检测出口烟气中的重金属汞含量0.07mg/m3，重金属铅含量0.68mg/m3，脱汞效率为99.1％，脱铅效率为81.0％。

Claims (8)

1.一种烟道喷射法捕集脱除高温冶炼烟气中重金属的方法，其特征在于：将包含三聚氰胺类高分子材料在内的粉末喷射至高温冶炼烟气中用于高温冶炼烟气中重金属捕集；
所述三聚氰胺类高分子材料具有式1结构：
Figure FDA0003537956840000011
所述冶炼烟气温度为100℃～280℃。
2.根据权利要求1所述的一种烟道喷射法捕集脱除高温冶炼烟气中重金属的方法，其特征在于：所述冶炼烟气温度为200℃～250℃。
3.根据权利要求1～2任一项所述的一种烟道喷射法捕集脱除高温冶炼烟气中重金属的方法，其特征在于：所述冶炼烟气包括金属冶炼烟气、垃圾焚烧烟气、燃煤电厂烟气中至少一种。
4.根据权利要求1所述的一种烟道喷射法捕集脱除高温冶炼烟气中重金属的方法，其特征在于：所述三聚氰胺类高分子材料粉末相对高温冶炼烟气的用量比例为0.1～50kg:1000～1000000m3。
5.根据权利要求4所述的一种烟道喷射法捕集脱除高温冶炼烟气中重金属的方法，其特征在于：所述三聚氰胺类高分子材料粉末的粒度为100目～400目。
6.根据权利要求1所述的一种烟道喷射法捕集脱除高温冶炼烟气中重金属的方法，其特征在于：所述三聚氰胺类高分子材料粉末喷射至高温冶炼烟气中与高温冶炼烟气顺向或逆向接触，三聚氰胺类高分子材料粉末喷射压力控制在0.025～0.035MPa，载气流量100～160m3/h，三聚氰胺类高分子粉末材料加入量0.5～10kg/h。
7.根据权利要求1所述的一种烟道喷射法捕集脱除高温冶炼烟气中重金属的方法，其特征在于：所述粉末由三聚氰胺类高分子材料组成或者由三聚氰胺类高分子材料粉末与有机硫、硫化物及活性炭中至少一种组成。
8.根据权利要求7所述的一种烟道喷射法捕集脱除高温冶炼烟气中重金属的方法，其特征在于：所述粉末中三聚氰胺类高分子材料粉末质量百分比例不低于30％。
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