CN114259839A - 一种利用含硒吸附剂的燃煤烟气汞资源化回收系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用含硒吸附剂的燃煤烟气汞资源化回收系统及方法。系统包括汞吸附床、升华室、蓄热室、凝华室、硒化汞收集室、再生室以及管道、阀门、流量控制计等部分。使用后的汞吸附床置于升华室中，吸附剂中的硒化汞在高温下升华为气相，被氮气携带至凝华室后凝华为固相，从而实现汞的资源化回收。以高温烟气及空气作为硒化汞升华、凝华所需的热源及冷源，降低了能耗。吸附剂载体可循环使用，降低了吸附剂成本。回收的硒化汞附加值高，提升了经济收益。汞吸附床置于脱硫塔前，保证了脱硫副产物石膏的质量。本发明实现了燃煤烟气汞的高效脱除及资源化回收，满足了环保需求，并获得了具有高附加值的硒化汞，具有显著的社会效益和经济效益。

Description

一种利用含硒吸附剂的燃煤烟气汞资源化回收系统及方法

技术领域

本发明属于烟气脱汞技术领域，特别涉及一种利用含硒吸附剂的燃煤烟气汞资源化回收系统及方法。

背景技术

汞污染严重威胁人类健康，而煤燃烧则是我国最大的人为汞源。我国燃煤电厂大多是利用现有污染物控制设备(PMCDs)降低汞排放的。然而，该方法并未彻底消除汞污染，只是实现了烟气中汞污染的转移，例如转移至脱硫设备的副产物石膏中。石膏是一种用途广泛的工业材料和建筑材料，在后续再利用的过程中，汞有再次释放，造成二次污染的危险。因此，亟需一种新的脱汞方法，解决现有缺陷，实现汞污染的最终脱除。

汞与硒之间的亲和力常数很高，是汞与硫之间亲和力常数的一百万倍，汞与硒反应可生成溶解度极低、毒性很小的硒化汞颗粒，因此，含硒材料具有很大的脱汞潜力。目前，已有一些学者对硒负载型吸附剂的制备方法开展了相关研究。例如，中国专利“原位级纳米硒非炭基脱汞吸附材料制备方法及材料和应用”(公开号：CN110170301A)和中国专利“原位级纳米硒炭基脱汞吸附材料制备方法及材料和应用”(公开号：CN110170302A)中，分别针对非炭基和炭基材料，将纳米硒负载于吸附剂上，用于燃煤电厂烟气等含汞烟气的尾气处理；中国专利“一种负载纳米硒的海绵及其化学制备与应用”(授权公告号：CN107051405B)中，将硒与海绵材料结合，用于吸附汞蒸气；中国专利“一种过渡金属硒化物修饰的成型脱汞材料及其制备方法”(授权公告号：CN110732303B)和中国专利“一种金属硒化物汞吸附剂的常温常压制备方法和应用”(公开号：CN113231004A)中，分别通过原位硒化法和沉淀法制备了含硒吸附剂用于烟气中单质汞的脱除。但是，以上含硒脱汞吸附剂的相关研究只是针对吸附剂本身的制备方法进行了研发，仍存在着如下几个方面的不足：(1)未将硒负载型吸附剂的使用流程与燃煤锅炉系统相耦合，从而达到节能降耗的目的；(2)未考虑使用后含硒化汞的吸附剂的再生问题；(3)注意到硒化汞是一种半导体材料，在太阳能电池、薄膜晶体管、红外检波器、超声放大器等领域有重要应用，若从使用后的吸附剂中分离并获取硒化汞，便可实现汞污染的资源化回收，但目前的研究中均未涉及相关系统及方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用含硒吸附剂的燃煤烟气汞资源化回收系统及方法，将含硒吸附剂的使用流程与燃煤机组耦合，采用高温升华、低温凝华的方法，使高附加值半导体材料硒化汞的资源化回收成为可能。创新性地提出利用省煤器上游的烟气作为热源来维持硒化汞升华过程中所需高温，利用进入空气预热器前的一路冷空气作为硒化汞凝华过程中的冷源，减少了设备能耗。安装两组汞吸附床并设置双向转换阀门，以确保脱汞作业的连续性。汞吸附床位于脱硫塔之前，保证了副产物石膏的质量。

为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种利用含硒吸附剂的燃煤烟气汞资源化回收系统，包括锅炉、第一汞吸附床、第二汞吸附床、双向转换阀门、升华室、蓄热室、凝华室、脱硫塔和烟囱；

锅炉通过烟气管道连接蓄热室，升华室通过氮气管道连接凝华室；烟气管道中烟气的热量经蓄热室传递至升华室，携带气相硒化汞的氮气从升华室流入凝华室后，与冷却空气管道中进入的冷空气换热，温度迅速降低；

凝华室中凝华得到的硒化汞固体定期收集，冷却空气管道中的空气流经凝华室后，与旁路空气管道中的空气汇合，一并进入燃煤机组的空气预热器中；

第一汞吸附床和第二汞吸附床负载有硒负载型吸附剂，锅炉尾部烟道通过双向转换阀门连接至并列设置的第一汞吸附床和第二汞吸附床进口，第一汞吸附床和第二汞吸附床出口依次连接至脱硫塔和烟囱。

本发明进一步的改进在于，烟气管道中所流入的烟气为省煤器上游处燃煤烟气，温度为600～650℃。

本发明进一步的改进在于，升华室的温度为550～600℃。

本发明进一步的改进在于，凝华室中凝华得到的硒化汞固体定期收集至硒化汞收集室中。

本发明进一步的改进在于，氮气管道上设置有氮气循环泵、氮气阀门和氮气流量控制计。

本发明进一步的改进在于，烟气管道上设置有烟气阀门和烟气流量控制计。

本发明进一步的改进在于，冷却空气管道的进口处设置有引风机，冷却空气管道上设置有冷却空气阀门和冷却空气流量控制计。

本发明进一步的改进在于，硒负载型吸附剂的载体为氧化铝、铁的氧化物、铜的氧化物和沸石中任意一种或任意几种混合。

本发明进一步的改进在于，还包括再生室，用于将第一汞吸附床和第二汞吸附床重新负载硒。

一种利用含硒吸附剂的燃煤烟气汞资源化回收方法，该方法基于所述的一种利用含硒吸附剂的燃煤烟气汞资源化回收系统，包括如下步骤：

1)转换双向转换阀门，使烟气流经其中一侧，该侧刚安装上经再生处理后的汞吸附床，另一个汞吸附床完成本周期工作，其中，第一汞吸附床为经过再生处理后的汞吸附床，第二汞吸附床完成本周期工作；

2)取下第二汞吸附床，将其置于升华室中，使高温烟气流经蓄热室，以维持升华室温度水平，使第二汞吸附床中的硒化汞在550～600℃下升华为气相硒化汞；

3)携带气相硒化汞的氮气流入凝华室；

4)在冷空气的作用下，凝华室中的气相硒化汞凝华为固相硒化汞；

5)待维持设定时间后，第二汞吸附床中的硒化汞全部升华，将第二汞吸附床取出，送至再生室重新负载硒；

6)将再生后的第二汞吸附床装入双向转换阀门后未流经烟气的一侧，完成本周期操作；

7)重复步骤1)至步骤6)，利用硒负载型吸附剂实现燃煤烟气汞的资源化回收。

相对于现有技术，本发明至少具有如下有益的技术效果：

本发明提供的一种利用含硒吸附剂的燃煤烟气汞资源化回收系统，将汞污染的资源化回收和燃煤锅炉机组整合于一体，便于工业化大规模烟气脱汞及生产半导体材料硒化汞。设置两个相同的汞吸附床和一个双向转换阀门，避免了汞资源化回收操作时汞吸附单元闲置的情况，实现了连续不间断的烟气脱汞。设置氮气循环泵，确保了全部硒化汞可被回收。利用省煤器前的高温烟气作为热源以维持硒化汞升华所需的高温，同时，利用进入空气预热器前的一路空气作为硒化汞凝华的冷源，降低了系统能耗，符合节能降耗的理念。

本发明提供的一种利用含硒吸附剂的燃煤烟气汞资源化回收方法，相比于传统的活性炭喷射脱汞方法，本发明中的吸附剂载体可循环使用，且可以获得硒化汞这一具有高附加值的产品，经济效益优势明显。利用汞与硒之间极高的亲和力常数，可以大大提高吸附剂的脱汞效率，足以达到烟气排放的要求。将汞吸附床置于脱硫塔之前，可避免含汞物质进入脱硫副产物石膏之中，保证了石膏再利用的安全性。

附图说明

图1为本发明的系统示意图。

附图标记说明：

1为烟气阀门、2为冷却空气阀门、3为氮气阀门、4为烟气流量控制计、5为冷却空气流量控制计、6为氮气流量控制计、7为氮气循环泵、8为锅炉、9为第一汞吸附床、10为第二汞吸附床、11为双向转换阀门、12为升华室、13为蓄热室、14为凝华室、15为硒化汞收集室、16为引风机、17为烟气管道、18为冷却空气管道、19为旁路空气管道、20为氮气管道、21为再生室、22为脱硫塔、23为烟囱。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1所示，一种利用含硒吸附剂的燃煤烟气汞资源化回收系统，其特征在于，包括烟气阀门1、冷却空气阀门2、氮气阀门3、烟气流量控制计4、冷却空气流量控制计5、氮气流量控制计6、氮气循环泵7、锅炉8、第一汞吸附床9、第二汞吸附床10、双向转换阀门11、升华室12、蓄热室13、凝华室14、硒化汞收集室15、引风机16、烟气管道17、冷却空气管道18、旁路空气管道19、氮气管道20、再生室21、脱硫塔22和烟囱23。

锅炉8通过烟气管道17连接蓄热室13，升华室12通过氮气管道20连接凝华室14；

进一步的，烟气管道17中所流入的烟气为省煤器上游处燃煤烟气，温度为620℃。

进一步的，烟气管道17中烟气的热量经蓄热室13传递至升华室12，升华室12的温度为580℃。

进一步的，携带气相硒化汞的氮气从升华室12流入凝华室14后，与冷却空气管道18中进入的温度为25℃冷空气换热，温度迅速降低。

进一步的，凝华室14中凝华得到的硒化汞固体，定期收集至硒化汞收集室15中。

进一步的，冷却空气管道18中的空气流经凝华室14后，与旁路空气管道19中的空气汇合，一并进入燃煤机组的空气预热器中。

进一步的，第一汞吸附床9和第二汞吸附床10位于脱硫塔22上游位置，为活动安装，便于拆装。

进一步的，通过切换双向转换阀门11，烟气分别通过第一汞吸附床9和第二汞吸附床10。

进一步的，硒负载型吸附剂的载体为氧化铝、铁的氧化物、铜的氧化物和沸石中任意一种或任意几种混合；

一种利用含硒吸附剂的燃煤烟气汞资源化回收方法，包括如下步骤：

转换双向转换阀门11，使烟气流经其中一侧，该侧刚安装上经再生处理后的第一汞吸附床9，第二汞吸附床10完成本周期工作；

取下第二汞吸附床10，将其置于升华室12中，保持烟气阀门1开启，使高温烟气流经蓄热室13，以维持升华室12温度水平，使第二汞吸附床10中的硒化汞在580℃下升华为气相硒化汞；

保持氮气阀门3及氮气循环泵7开启，携带气相硒化汞的氮气流入凝华室14；

保持冷却空气阀门2开启，在温度为25℃的冷空气的作用下，凝华室14中的气相硒化汞凝华为固相硒化汞；

待维持设定时间后，第二汞吸附床10中的硒化汞全部升华，将第二汞吸附床10取出，送至再生室21重新负载硒；

将再生后的第二汞吸附床10装入双向转换阀门11后未流经烟气的一侧，完成本周期操作；

重复以上步骤，可利用硒负载型吸附剂实现燃煤烟气汞的资源化回收。

以某600MW燃煤锅炉为例，给煤量为60.08kg·s^-1。我国煤中平均汞含量约为0.22mg·kg^-1，煤中的汞约有98％进入燃煤烟气中，仅有约2％残留在底渣之中。按平均值计算，则燃煤烟气中汞的流量约为12.95mg·s^-1，即46.6g·h^-1。若可转化为硒化汞，则每小时可获得高纯度硒化汞约65.2g。按年利用小时数为4500小时计算，该燃煤机组每年可获得高纯度硒化汞约293.4kg。

概括来说，本发明提出的一种利用含硒吸附剂的燃煤烟气汞资源化回收系统及方法，使燃煤烟气汞污染的资源化回收实现了规模化和工业化。硒与汞之间的亲和力常数极高，采用硒对吸附剂进行改性，可大大提升吸附剂的脱汞效率。合理利用高温烟气、冷空气分别作为硒化汞升华、凝华过程中的热源、冷源，有效地降低了系统的能耗。吸附剂的载体可以再生循环使用，降低了吸附剂的原料成本。通过资源化回收硒化汞，可在烟气脱汞的同时生产具有高附加值的半导体材料，显著提高了燃煤锅炉烟气脱汞的经济效益。两个并行设置的汞吸附床依次交替运行，满足了烟气脱汞的连续性需求。汞吸附床置于脱硫塔之前，保证了脱硫副产物石膏的再利用质量不受汞的影响。本发明可满足燃煤机组运行过程中汞高效脱除的环保需求，亦可实现汞污染物的资源化回收，创造可观的经济效益。

应理解，该实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外，还应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域的技术人员可以对本发做出各种改动或修改，然而，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.一种利用含硒吸附剂的燃煤烟气汞资源化回收系统，其特征在于，包括锅炉(8)、第一汞吸附床(9)、第二汞吸附床(10)、双向转换阀门(11)、升华室(12)、蓄热室(13)、凝华室(14)、脱硫塔(22)和烟囱(23)；

锅炉(8)通过烟气管道(17)连接蓄热室(13)，升华室(12)通过氮气管道(20)连接凝华室(14)；烟气管道(17)中烟气的热量经蓄热室(13)传递至升华室(12)，携带气相硒化汞的氮气从升华室(12)流入凝华室(14)后，与冷却空气管道(18)中进入的冷空气换热，温度迅速降低；

凝华室(14)中凝华得到的硒化汞固体定期收集，冷却空气管道(18)中的空气流经凝华室(14)后，与旁路空气管道(19)中的空气汇合，一并进入燃煤机组的空气预热器中；

第一汞吸附床(9)和第二汞吸附床(10)负载有硒负载型吸附剂，锅炉(8)尾部烟道通过双向转换阀门(11)连接至并列设置的第一汞吸附床(9)和第二汞吸附床(10)进口，第一汞吸附床(9)和第二汞吸附床(10)出口依次连接至脱硫塔(22)和烟囱(23)。

2.根据权利要求1所述的一种利用含硒吸附剂的燃煤烟气汞资源化回收系统，其特征在于，烟气管道(17)中所流入的烟气为省煤器上游处燃煤烟气，温度为600～650℃。

3.根据权利要求1所述的一种利用含硒吸附剂的燃煤烟气汞资源化回收系统，其特征在于，升华室(12)的温度为550～600℃。

4.根据权利要求1所述的一种利用含硒吸附剂的燃煤烟气汞资源化回收系统，其特征在于，凝华室(14)中凝华得到的硒化汞固体定期收集至硒化汞收集室(15)中。

5.根据权利要求1所述的一种利用含硒吸附剂的燃煤烟气汞资源化回收系统，其特征在于，氮气管道(20)上设置有氮气循环泵(7)、氮气阀门(3)和氮气流量控制计(6)。

6.根据权利要求1所述的一种利用含硒吸附剂的燃煤烟气汞资源化回收系统，其特征在于，烟气管道(17)上设置有烟气阀门(1)和烟气流量控制计(4)。

7.根据权利要求1所述的一种利用含硒吸附剂的燃煤烟气汞资源化回收系统，其特征在于，冷却空气管道(18)的进口处设置有引风机(16)，冷却空气管道(18)上设置有冷却空气阀门(2)和冷却空气流量控制计(5)。

8.根据权利要求1所述的一种利用含硒吸附剂的燃煤烟气汞资源化回收系统，其特征在于，硒负载型吸附剂的载体为氧化铝、铁的氧化物、铜的氧化物和沸石中任意一种或任意几种混合。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的一种利用含硒吸附剂的燃煤烟气汞资源化回收系统，其特征在于，还包括再生室(21)，用于将第一汞吸附床(9)和第二汞吸附床(10)重新负载硒。

10.一种利用含硒吸附剂的燃煤烟气汞资源化回收方法，其特征在于，该方法基于权利要求9所述的一种利用含硒吸附剂的燃煤烟气汞资源化回收系统，包括如下步骤：

1)转换双向转换阀门(11)，使烟气流经其中一侧，该侧刚安装上经再生处理后的汞吸附床，另一个汞吸附床完成本周期工作，其中，第一汞吸附床(9)为经过再生处理后的汞吸附床，第二汞吸附床(10)完成本周期工作；

2)取下第二汞吸附床(10)，将其置于升华室(12)中，使高温烟气流经蓄热室(13)，以维持升华室(12)温度水平，使第二汞吸附床(10)中的硒化汞在550～600℃下升华为气相硒化汞；

3)携带气相硒化汞的氮气流入凝华室(14)；

4)在冷空气的作用下，凝华室(14)中的气相硒化汞凝华为固相硒化汞；

5)待维持设定时间后，第二汞吸附床(10)中的硒化汞全部升华，将第二汞吸附床(10)取出，送至再生室(21)重新负载硒；

6)将再生后的第二汞吸附床(10)装入双向转换阀门(11)后未流经烟气的一侧，完成本周期操作；

7)重复步骤1)至步骤6)，利用硒负载型吸附剂实现燃煤烟气汞的资源化回收。

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