CN115888714A - 一种基于光化学喷动塔改性磁催化剂同时脱硫脱硝脱汞的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于光化学喷动塔改性磁催化剂同时脱硫脱硝脱汞的方法及系统，属于大气污染物控制技术领域；在本发明中，利用绿色自由基改性磁催化剂，通过改性后的磁催化剂使得烟气中的SO₂、NO_x和Hg⁰被分别氧化为相对更加易溶解的SO₃、NO₂/N₂O₄/N₂O₅和Hg²⁺，并能够通过磁分离器后方的湿法脱硫系统洗涤脱除。本发明所述磁催化剂失活后能够利用绿色自由基活化再生，克服了催化脱除法存在的易失活的缺陷，气流外循环旁路的循环作用和喷嘴的对冲作用大大提高了磁催化剂的改性速率和传质速率，同时具有初投资和运行费用低等诸多优点，是一种具有广阔应用前景的新型烟气净化方法及系统。

Description

一种基于光化学喷动塔改性磁催化剂同时脱硫脱硝脱汞的方法及系统

技术领域

本发明属于燃烧烟气污染物控制领域，具体涉及一种基于光化学喷动塔改性磁催化剂同时脱硫脱硝脱汞的方法及系统。

背景技术

燃烧过程产生的SO₂、NO_x和汞等大气污染物能够引起酸雨﹑光化学烟雾以及致癌致畸等危害，严重危及了生态环境和人类健康。因此，研究开发经济﹑环保﹑高效的烟气脱硫脱硝脱汞技术是各国政府和环保科技人员面临的重要任务之一。

在过去二十年，国内外研究人员开发了大量的烟气脱硫脱硝脱汞技术，但由于人类认识过程的局限性和科学技术发展的渐进性，现有的各种烟气脱硫脱硝脱汞技术在研发当初仅针对单一污染物为脱除目标，一般无法实现烟气多污染物的同时脱除。例如，目前采用的主流烟气脱硫脱硝技术主要为石灰石-石膏法湿法烟气脱硫技术和氨基选择性催化还原脱硝法。这两种方法虽然可以分级实现烟气脱硫脱硝，但均无法在一个反应器内实现同时脱除。两种工艺的联合叠加使用虽然可以实现烟气同时脱硫脱硝，但同时也导致整个系统庞大复杂、占地面积大、初投资和运行费用高等诸多不足。

此外，随着人类对环保要求的不断提高，针对燃烧烟气中汞排放控制的呼声越来越高，但目前还没有一种经济有效的燃烧烟气脱汞技术获得大规模商业化应用。如果在现有的脱硫和脱硝系统尾部再添加单独的烟气脱汞系统，则势必将造成整个系统的初始投资和运行费用进一步急剧增加。我国目前在工业和民用行业保有的中小型锅炉﹑工业窑炉和垃圾焚烧炉超过50万台。这些中小型燃烧装置的企业用户同时安装SO₂、NO_x和汞三种污染物脱除装置时将面临巨大的经济压力，不利于相关技术和政策的大规模推广。

综上所述，如果能够在一个反应器内将SO₂、NO_x和汞实现同时脱除，即同时脱硫脱硝脱汞，则有望大大降低系统的复杂性和占地面积，进而减少系统的初投资与运行费用，具有良好的发展前景。目前国内外研究者已经开发了多种烟气同时脱硫脱硝脱汞技术，主要包括催化法、等离子体脱除法、吸附法、络合吸收法、传统化氧化法和自由基高级氧化法等。等离子体脱除法存在技术装置可靠性差和能耗高等不足。吸附法存在脱除效率低和装置需要间歇操作等缺点。络合吸收法具有络合剂再生损耗大和能耗高等不足。传统氧化法存在氧化能力低、氧化剂消耗量大、二次污染或成本高等问题(不同氧化剂往往包含一种或多种缺点)。当前广受关注的自由基高级氧化技术获得了较大的发展，但是目前仍然存在投资大和运行费用高、技术成熟度差等技术经济难题，离工业应用仍有很大的距离，需要该领域科技人员投入更多的研究努力。

在各种同时脱除技术中，催化脱除法具有初投资小、工艺流程简单、催化剂可活化再生和易于实现多污染物同时脱除等综合优势，是一种具有良好发展前景的烟气同时脱除技术，但传统的催化同时脱硫脱硝脱汞技术的发展却十分缓慢，其主要原因有三个：(1)首先，常见的同时脱硫脱硝脱汞催化剂在脱除污染物后会发生失活或中毒等现象，需要及时对其实施活化再生，但是目前常用的同时脱硫脱硝脱汞催化剂的活化再生方法往往存在活化再生效率低和无法实时在线活化再生等难题；(2)其次，目前常用的同时脱硫脱硝脱汞催化剂活化再生方法存在活化再生过程能耗巨大和成本高昂等不足，不符合当前国家大力提倡的节能低碳运行战略；(3)第三，目前常见的催化同时脱硫脱硝脱汞技术主要是在固定床和流化床中运行，但两种传统反应器的传质速率都很小。大量的研究和工业实践已证实：气固反应过程的主要速率控制步骤是传质过程。因此，采用传统反应器催化同时脱硫脱硝脱汞容易导致反应器体积庞大和运行能耗高等缺点。上述三个关键问题是阻碍催化同时脱硫脱硝脱汞技术实现大规模工业化应用的主要瓶颈或障碍。

发明内容

针对现有催化脱除法存在的易失活、能耗大、传质速率低等问题，本发明提供了一种基于光化学喷动塔改性磁催化剂同时脱硫脱硝脱汞的方法及系统，利用绿色自由基改性磁催化剂，通过改性后的磁催化剂使得烟气中的SO₂、NO_x和Hg⁰被分别氧化为相对更加易溶解的SO₃、NO₂/N₂O₄/N₂O₅和Hg²⁺，并能够通过磁分离器后方的湿法脱硫系统洗涤脱除。本发明所述磁催化剂失活后能够利用绿色自由基活化再生，克服了催化脱除法存在的易失活的缺陷，气流外循环旁路的循环作用和喷嘴的对冲作用大大提高了磁催化剂的改性速率和传质速率，同时具有初投资和运行费用低等诸多优点，是一种具有广阔应用前景的新型烟气净化方法及系统。

本发明中首先提供了一种基于光化学喷动塔改性磁催化剂同时脱硫脱硝脱汞的系统，所述系统包括用于催化剂改性的光化学喷动塔和用于催化脱除的对冲塔；

所述光化学喷动塔内部设有多个热管和紫外灯管，底面内壁上均匀分布有若干个磁催化剂喷射装置，顶部开设有与磁催化剂给料装置连接的磁催化剂入口、改性试剂及其携带气流入口、与气固撞击混合器连接的改性后磁催化剂出口；所述光化学喷动塔外部设有气流外循环旁路，所述气流外循环旁路的一端与光化学喷动塔顶部连通，另一端与磁催化剂喷射装置连通，且气流外循环旁路上安装有第一风机；所述光化学喷动塔底部设有第一阀门；

所述对冲塔顶部开设有与磁分离装置入口管路连通的第一出口，两侧内壁上分别设有若干个对称分布的气固喷嘴阵列，两侧气固喷嘴阵列通过管道分别与气固撞击混合器连通，管道上分别设有第二风机和第三风机；所述气固撞击混合器通过供气管道与燃烧器连通，供气管道上装有第四风机和烟气调温器；所述磁分离装置上设有磁催化剂出口和处理后的烟气出口；所述对冲塔底部设有第二阀门。

进一步地，所述光化学喷动塔内的紫外灯管采用均等间距和叉排布置方式，紫外灯管中心线与光化学喷动塔的中轴线平行布置，相邻两根紫外灯管的间距不小于15cm，相邻两根紫外灯管与所述光化学喷动塔中心所呈夹角不小于20度，紫光灯管的长度为20～300cm，每两根紫外灯管之间中心处的紫外线辐射强度不小于20μW/cm²；热管采用叉排布置，与紫外灯管间隔布置。

进一步地，所述对冲塔内的横截面为圆形或矩形，在一层或多层截面上设有气固喷嘴阵列，相邻截面上的气固喷嘴阵列间距为15～100cm，同一层截面两侧对向的气固喷嘴阵列间距为50～300cm。

本发明中还提供了基于光化学喷动塔改性磁催化剂同时脱硫脱硝脱汞的系统的脱除方法，包括：

(1)选材：

选取改性试剂和磁催化剂，所述改性试剂为单独H₂O₂或包含H₂O₂在内的混合物，根据光化学喷动塔的体积计算出磁催化剂和改性试剂的投入量；

(2)磁催化剂改性：

将改性试剂和磁催化剂通入光化学喷动塔内，利用紫外灯管诱导改性试剂中的H₂O₂产生羟基自由基(·OH)，利用产生的羟基自由基(·OH)攻击磁催化剂表面，使得磁催化剂表面产生活性位点(active sites)，并通过气流外循环旁路对磁催化剂进行多次反复改性，具体改性过程用如下的化学方程(1)～(4)表示：

n·OH+Catalyzer→Catalyzer-active sites   (2)

(3)催化氧化：

将改性后的磁催化剂和燃烧器产生的烟气通入对冲塔内，利用磁催化剂上的活性位点(active sites)热催化氧化烟气中的SO₂、NO和/或Hg⁰，使得SO₂、NO和/或Hg⁰被分别氧化为SO₃、NO₂/N₂O₄/N₂O₅和/或Hg²⁺，具体过程可用如下的化学反应(3)-(5)表示：

Catalyzer-active sites+SO₂→Catalyzer+SO₃   (3)

Catalyzer-active sites+NO→Catalyzer+NO₂/N₂O₄/N₂O₅   (4)

Catalyzer-active sites+Hg⁰→Catalyzer+Hg²⁺   (5)

(4)脱除：

将步骤(3)中失去催化活性位点(active sites)的磁催化剂通过磁分离器与含有SO₃、NO₂/N₂O₄/N₂O₅、和/或Hg²⁺的烟气分离，氧化后的烟气直接通向后方的湿法脱硫系统进行洗涤脱除。

进一步地，步骤(1)中，所述磁催化剂包括CoFe₂O₄、MnFe₂O₄、CuFe₂O₄﹑CeFe₂O₄﹑Fe₂O₃﹑Fe₃O₄中的一种或多种混合物，或磁铁矿、燃煤飞灰中的磁珠；所述磁催化剂粒径为0.001～0.5μm。

进一步地，步骤(1)中，所述磁催化剂的投入量＝光化学喷动塔体积(m³)×(0.2～18kg)；所述改性试剂的浓度为0.01～3.0mol/L，投入量＝对冲塔体积(m³)×(0.02～2kg)。

进一步地，步骤(2)中，所述光化学喷动塔内紫外灯管的紫外光辐射强度为5～280μW/cm²，紫外光有效波长为110～320nm；所述光化学喷动塔内的改性温度为50～120℃；气流外循环旁路的循环速率为10～500m³/h。

进一步地，步骤(3)中，对冲塔内的催化氧化温度为60～220℃。

进一步地，步骤(4)中，氧化后的烟气分离的磁催化剂通过管路重新通入磁催化剂给料装置，通过重复步骤(2)再次生成活性位点(active sites)。

本发明中所述方法及系统的基本原理：

(1)改性：利用紫外光辐射分解H₂O₂产生具有极强氧化性的羟基自由基(·OH)，而产生的羟基自由基(·OH)具有极强的氧化性，能够攻击磁催化剂表面产生具有强氧化性的高活性位点(active sites)，从而得到改性后的磁催化剂，具体过程可用如下的化学反应(1)-(2)表示：

n·OH+Catalyzer→Catalyzer-active sites   (2)

(2)脱除：利用活化改性后的磁催化剂利用强氧化性的高活性位点(activesites)可催化氧化烟气中的SO₂、NO和Hg⁰，使得SO₂、NO和Hg⁰等污染物被分别氧化为溶解度更高的SO₃、NO₂/N₂O₄/N₂O₅和Hg²⁺等污染物，具体过程可用如下的化学反应(3)-(5)表示：

Catalyzer-active sites+SO₂→Catalyzer+SO₃   (3)

Catalyzer-active sites+NO→Catalyzer+NO₂/N₂O₄/N₂O₅   (4)

Catalyzer-active sites+Hg⁰→Catalyzer +Hg²⁺   (5)

反应后失去催化活性位点(active sites)的磁催化剂可通过化学反应(1)-(2)实现活化改性再生，使其重新获得催化氧化脱除能力，从而获得循环再利用，而催化氧化产生的SO₃、NO₂/N₂O₄/N₂O₅和Hg²⁺等污染物在水中具有很高的溶解度，能够通过尾部的现有湿法脱硫系统洗涤脱除，从而实现经济高效的同时脱硫脱硝脱汞。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明中所述基于光化学喷动塔改性磁催化剂同时脱硫脱硝脱汞的系统对光化学喷动塔内的紫外灯管的距离和辐射强度进行调整，在提升紫外光的辐射覆盖率、保证磁催化剂颗粒物有足够的流态化反流混合空间的前提下降低紫外灯管的使用数量和光源的出投资成本，在控制初投资和运行能耗的同时保证了活化改性效果。

本发明可以实现良好的磁催化剂分离回收，且可以实时在线活化再生，具有低廉的催化剂消耗成本，也大大降低了失活试剂的固废后处理量。本发明采用干法自由基高级氧化技术对污染物进行氧化，具有过程绿色环保和无二次污染等优势，具有良好的技术经济优势。

本发明中所述方法脱除SO₂、NO_x和汞的最大同时脱除效率可分别达到为100％，98.5％和99.2％，具有极高的同时脱除效率，可以实现单个或多个烟气污染物的同时脱除，且无废水废液产生，可以很好地满足当前严格的超低排放要求，具有极其显著的技术竞争优势，工业应用前景良好。

本发明中的侧喷嘴成左右对称分布，从两侧喷嘴喷射出的气流形成对冲，能够大大提高气固传质速率。气流外循环旁路的循环作用和喷嘴的对冲作用使得该装置具有极强的改性速率和气固传质速率，比传统固定床和流化床传质速率高一个数量级，可避免出现传统固定床改性和鼓泡床改性存在的板结现象，且条件温和可控，温度窗口宽。

本发明所述污染物脱除装置可直接外接在现有脱硫脱硝脱汞脱砷装置上，能够大大提高原有脱硫脱硝脱汞脱砷装置的脱除效率，特别适合于老旧机组改造，具有极强的工艺适应性。另外。本发明具有初投资和运行成本低﹑反应器体积小等诸多综合优势，是一种具有广阔工业应用前景的烟气净化方法及系统。

附图说明

图1是基于光化学喷动塔改性磁催化剂同时脱硫脱硝脱汞的系统的结构示意图。

图2是光化学喷动塔中紫外灯管﹑热管和气固喷嘴的布置方式及尺寸图。

图3是对冲塔气固喷嘴阵列中喷嘴的布置方式及尺寸图。

图中，1-光化学喷动塔；2-对冲塔；3-热管；3-1-热管截面；4-紫外灯管；4-1-紫外灯管截面；5-磁催化剂喷射装置；5-1磁催化剂喷射装置截面；6-磁催化剂给料装置；7-磁催化剂入口；8-改性试剂及其携带气流入口；9-气固撞击混合器；10-改性后磁催化剂出口；11-循环旁路；12-第一风机；13-第一阀门；14-第二阀门；15-磁分离装置；16-第一出口；17-气固喷嘴阵列；17-1-气固喷嘴截面；18-燃烧器；19-第二风机；20-第三风机；21-第四风机；22-烟气调温器；23-磁催化剂出口；24-处理后的烟气出口。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

图1为基于光化学喷动塔改性磁催化剂同时脱硫脱硝脱汞的系统的结构示意图，包括用于催化剂改性的光化学喷动塔1和用于催化脱除的对冲塔2；

所述光化学喷动塔1内部设有多个热管3和紫外灯管4，热管3用于加热磁催化剂的活化改性所需的运行温度，紫外灯管4用于提供紫外光诱导改性试剂产生羟基自由基，从而改性磁催化剂产生高活性位点。底面内壁上均匀分布有若干个磁催化剂喷射装置5，底部喷嘴可向上喷射为磁催化剂提供足够的悬浮力；光化学喷动塔1顶部开设有与磁催化剂给料装置6连接的磁催化剂入口7、改性试剂及其携带气流入口8、与气固撞击混合器9连接的改性后磁催化剂出口10；所述光化学喷动塔1外部设有气流外循环旁路11，用于循环磁催化剂实现多次反复改性，所述气流外循环旁路11的一端与光化学喷动塔1顶部连通，另一端与磁催化剂喷射装置5连通，且气流外循环旁路11上安装有第一风机12；所述光化学喷动塔1底部设有第一阀门13；

所述对冲塔3底部设有第二阀门14，顶部开设有与磁分离装置15入口管路连接的第一出口16，两侧内壁上分别设有若干个气固喷嘴阵列17，用于提供横向撞击力，两侧对喷碰撞产生极高的传质和扩散速率，从而强化催化脱除反应过程。两侧气固喷嘴阵列17通过管道分别与气固撞击混合器9连接，两侧管道上分别设有第二风机19和第三风机20；所述气固撞击混合器9设有供气管道与燃烧器18连接，供气管道上装有第四风机21和烟气调温器22，负责调节烟气温度，并将烟气输送至对冲塔2内。所述磁分离装置15设有磁催化剂出口23和处理后的烟气出口24。

图2是光化学喷动塔1中紫外灯管4﹑热管3和磁催化剂喷射装置5的布置方式及尺寸图。紫外灯管4外套有耐磨和防腐的石英套管，以确保紫外灯管4的使用安全和寿命。光化学喷动塔1内的紫外灯管4中心线与光化学喷动塔1的中轴线平行布置，以提升紫外光的辐射覆盖率。由于紫外光辐射强度太小无法产生足够浓度的羟基自由基，太高则导致能耗大幅度加大，因此最佳的范围为5～280μW/cm²；短波长的紫外线具有较高的辐射能量，有利于分解H₂O₂产生羟基自由基，但传播距离较短，导致反应器体积太大，而长波长紫外线传播距离长，有利于缩小反应器体积，但分解H₂O₂的能力较小，导致辐射分解H₂O₂产生羟基自由基的单位浓度不足，无法获得良好的改性效率，因此最佳波长范围为110nm-320nm。当需要布置多根紫外灯管4时，紫外灯管4需采用叉排布置，以保证磁催化剂具有良好的辐射覆盖率。此外，紫外灯管4的长度对磁催化剂的改性时间﹑能耗和反应器高度具有重要的影响，紫外灯管4越短，运行能耗越低，反应器高度也下降，这有利于降低投资和运行成本，但改性时间较短，不利于充分实施活化改性；反之，紫外灯管4越长，初投资和运行能耗越高，但改性时间越充分，活化改性效果会更好，因此紫外灯管长度为20～300cm之间。光化学喷动塔1内的热管3采用与紫外灯管4间隔布置的方式，同样采用叉排布置，保证具有良好的传热效果。为了保证磁催化剂颗粒物有足够的流态化反流混合空间的同时降低紫外灯管的使用数量和光源的出投资成本，紫外灯管之间的最小间距S应当不小于15cm，夹角V不小于20度，但紫外灯管之间的间距也不宜过大，因为过大的紫外灯管间距会导致紫外灯管之间的光辐射强度达不到要求需保证两根紫外灯管之间中心处的紫外线辐射强度不小于20μW/cm²。

图3是对冲塔2气固喷嘴阵列17中喷嘴的布置方式及尺寸图，所述对冲塔2内的横截面为圆形或矩形，在一层或多层截面上设有气固喷嘴阵列17，不同截面上的气固喷嘴阵列17间距为15～100cm，同一截面两侧对向的气固喷嘴阵列17间距为50～300cm。

本发明所述基于光化学喷动塔改性磁催化剂同时脱硫脱硝脱汞的系统的脱除方法，包括：

(1)选材：

选取改性试剂和磁催化剂，所述改性试剂为单独H₂O₂或包含H₂O₂在内的混合物，根据光化学喷动塔的体积计算出磁催化剂和改性试剂的投入量；所述磁催化剂包括CoFe₂O₄、MnFe₂O₄、CuFe₂O₄﹑CeFe₂O₄﹑Fe₂O₃﹑Fe₃O₄中的一种或多种混合物，或磁铁矿、燃煤飞灰中的磁珠；所述磁催化剂粒径为0.001～0.5μm。

所述磁催化剂的投入量＝光化学喷动塔体积(m³)×(0.2～18kg)；所述改性试剂的浓度为0.01～3.0mol/L，投入量＝对冲塔体积(m³)×(0.02～2kg)。

(2)磁催化剂改性：

预先设定紫外灯管4的紫外光辐射强度、紫外光有效波长、光化学喷动塔1内的改性温度和对冲混塔2内的运行温度，所述光化学喷动塔内紫外灯管的紫外光辐射强度为5～280μW/cm²，紫外光有效波长为110～320nm；所述光化学喷动塔内的改性温度为50～120℃；气流外循环旁路的循环速率为10～500m³/h。

随后将改性试剂和磁催化剂通入光化学喷动塔内，利用紫外灯管诱导改性试剂中的H₂O₂产生羟基自由基(·OH)，利用产生的羟基自由基(·OH)攻击磁催化剂表面，使得磁催化剂表面产生活性位点(active sites)，并通过气流外循环旁路对磁催化剂进行多次反复改性，具体改性过程用如下的化学方程(1)～(4)表示：

n·OH+Catalyzer→Catalyzer-active sites   (2)

(3)催化氧化：

设定对冲塔2中的催化氧化温度为60～220℃，然后将改性后的磁催化剂和燃烧器产生的烟气通入对冲塔内，利用磁催化剂上的活性位点(active sites)热催化氧化烟气中的SO₂、NO和/或Hg⁰，使得SO₂、NO和/或Hg⁰被分别氧化为SO₃、NO₂/N₂O₄/N₂O₅和/或Hg²⁺，具体过程可用如下的化学反应(3)-(5)表示：

Catalyzer-active sites+SO₂→Catalyzer+SO₃   (3)

Catalyzer-active sites+NO→Catalyzer+NO₂/N₂O₄/N₂O₅   (4)

Catalyzer-active sites+Hg⁰→Catalyzer+Hg²⁺   (5)

(4)脱除：

将步骤(3)中失去催化活性位点(active sites)的磁催化剂通过磁分离器与含有SO₃、NO₂/N₂O₄/N₂O₅、和/或Hg²⁺的烟气分离，氧化后的烟气直接通向后方的湿法脱硫系统进行洗涤脱除。氧化后的烟气分离的磁催化剂通过管路重新通入磁催化剂给料装置，通过重复步骤(2)再次生成活性位点(active sites)。

下面是不同试验条件下，该装置对于SO₂、NO_x和Hg⁰三种污染物同时脱除效率实验的实施例：

实施例1：

光化学喷动塔的活化改性温度为55℃，紫外光的辐射强度和波长分别为15μW/cm²和254nm，改性试剂H₂O₂的投加浓度为0.1mol/L，改性试剂H₂O₂的投加量为每立方米反应器投加80g，磁催化剂为纳米Fe₃O₄，磁催化剂浓度为0.5kg/每立方米反应器，对冲床的运行温度为50℃。烟气中的SO₂﹑NO_x与Hg⁰浓度分别为1800ppm，350ppm以及60μg/m³。在小型实验系统上的测试结果为：烟气中SO₂﹑NO_x与Hg⁰的同时脱除效率可分别达到56.8％，45.3％和49.9％。

实施例2：

光化学喷动塔的活化改性温度为55℃，紫外光的辐射强度和波长分别为35μW/cm²和254nm，改性试剂H₂O₂的投加浓度为0.15mol/L，改性试剂H₂O₂的投加量为每立方米反应器投加120g，磁催化剂为纳米Fe₃O₄，磁催化剂浓度为0.5kg/每立方米反应器，对冲床的运行温度为50℃。烟气中的SO₂﹑NO_x与Hg⁰浓度分别为1800ppm，350ppm以及60μg/m³。在小型实验系统上的测试结果为：烟气中SO₂﹑NO_x与Hg⁰的同时脱除效率可分别达到69.8％，54.3％和59.8％。

实施例3：

光化学喷动塔的活化改性温度为55℃，紫外光的辐射强度和波长分别为55μW/cm²和254nm，改性试剂H₂O₂的投加浓度为0.25mol/L，改性试剂H₂O₂的投加量为每立方米反应器投加120g，磁催化剂为纳米Fe₃O₄，磁催化剂浓度为0.5kg/每立方米反应器，对冲床的运行温度为50℃。烟气中的SO₂﹑NO_x与Hg⁰浓度分别为1800ppm，350ppm以及60μg/m³。在小型实验系统上的测试结果为：烟气中SO₂﹑NO_x与Hg⁰的同时脱除效率可分别达到78.1％，65.3％和76.6％。

实施例4：

光化学喷动塔的活化改性温度为55℃，紫外光的辐射强度和波长分别为75μW/cm²和254nm，改性试剂H₂O₂的投加浓度为0.35mol/L，改性试剂H₂O₂的投加量为每立方米反应器投加160g，磁催化剂为纳米Fe₃O₄，磁催化剂浓度为1.0kg/每立方米反应器，对冲床的运行温度为50℃。烟气中的SO₂﹑NO_x与Hg⁰浓度分别为1800ppm，350ppm以及60μg/m³。在小型实验系统上的测试结果为：烟气中SO₂﹑NO_x与Hg⁰的同时脱除效率可分别达到87.1％，76.7％和87.3％。

实施例5：

光化学喷动塔的活化改性温度为55℃，紫外光的辐射强度和波长分别为85μW/cm²和254nm，改性试剂H₂O₂的投加浓度为0.45mol/L，改性试剂H₂O₂的投加量为每立方米反应器投加200g，磁催化剂为纳米Fe₃O₄，磁催化剂浓度为1.0kg/每立方米反应器，对冲床的运行温度为50℃。烟气中的SO₂﹑NO_x与Hg⁰浓度分别为1800ppm，350ppm以及60μg/m³。在小型实验系统上的测试结果为：烟气中SO₂﹑NO_x与Hg⁰的同时脱除效率可分别达到96.1％，87.9％和94.9％。

实施例6：

光化学喷动塔的活化改性温度为55℃，紫外光的辐射强度和波长分别为95μW/cm²和254nm，改性试剂H₂O₂的投加浓度为0.55mol/L，改性试剂H₂O₂的投加量为每立方米反应器投加220g，磁催化剂为纳米Fe₃O₄，磁催化剂浓度为1.5kg/每立方米反应器，对冲床的运行温度为50℃。烟气中的SO₂﹑NO_x与Hg⁰浓度分别为1800ppm，350ppm以及60μg/m³。在小型实验系统上的测试结果为：烟气中SO₂﹑NO_x与Hg⁰的同时脱除效率可分别达到100％，98.5％和99.2％。

本发明中所述方法脱除SO₂、NO_x和汞的最大同时脱除效率可分别达到为100％，98.5％和99.2％，具有极高的同时脱除效率，可以实现单个或多个烟气污染物的同时脱除，且无废水废液产生，可以很好地满足当前严格的超低排放要求，具有极其显著的技术竞争优势。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于光化学喷动塔改性磁催化剂同时脱硫脱硝脱汞的系统，其特征在于，所述系统包括用于催化剂改性的光化学喷动塔(1)和用于催化脱除的对冲塔(2)；

所述光化学喷动塔(1)内部设有多个热管(3)和紫外灯管(4)，底面内壁上均匀分布有若干个磁催化剂喷射装置(5)，顶部开设有与磁催化剂给料装置(6)连接的磁催化剂入口(7)、改性试剂及其携带气流入口(8)、与气固撞击混合器(9)连接的改性后磁催化剂出口(10)；所述光化学喷动塔(1)外部设有气流外循环旁路(11)，所述气流外循环旁路(11)的一端与光化学喷动塔(1)顶部连通，另一端与磁催化剂喷射装置(5)连通，且气流外循环旁路(11)上安装有第一风机(12)；所述光化学喷动塔(1)底部设有第一阀门(13)；

所述对冲塔(2)顶部开设有与磁分离装置(15)入口管路连通的第一出口(16)，两侧内壁上分别设有若干个对称分布的气固喷嘴阵列(17)，两侧气固喷嘴阵列(17)通过管道分别与气固撞击混合器(9)连通，所述管道上分别设有第二风机(19)和第三风机(20)；所述气固撞击混合器(9)通过供气管道与燃烧器(18)连通，所述供气管道上装有第四风机(21)和烟气调温器(22)；所述磁分离装置(15)上设有磁催化剂出口(23)和处理后的烟气出口(24)；所述对冲塔(2)底部设有第二阀门(14)。

2.根据权利要求1所述的基于光化学喷动塔改性磁催化剂同时脱硫脱硝脱汞的系统，其特征在于，所述光化学喷动塔(1)内的紫外灯管(4)采用均等间距和叉排布置方式，紫外灯管(4)中心线与光化学喷动塔(1)的中轴线平行布置，相邻两根紫外灯管(4)的间距不小于15cm，相邻两根紫外灯管(4)与所述光化学喷动塔(1)中心所呈夹角不小于20度，紫光灯管(4)的长度为20～300cm，每两根紫外灯管(4)之间中心处的紫外线辐射强度不小于20μW/cm²；热管(3)采用叉排布置的方式，热管(3)与紫外灯管(4)间隔布置。

3.根据权利要求1所述的基于光化学喷动塔改性磁催化剂同时脱硫脱硝脱汞的系统，其特征在于，所述对冲塔(2)内的横截面为圆形或矩形，在一层或多层截面上设有气固喷嘴阵列(17)，相邻截面上的气固喷嘴阵列(17)间距为15～100cm，同一层截面两侧对向的气固喷嘴阵列(17)间距为50～300cm。

4.一种基于光化学喷动塔改性磁催化剂同时脱硫脱硝脱汞的方法，其特征在于，所述脱除方法基于权利要求1～3任一项所述系统完成，所述方法包括：

(1)选材：

选取改性试剂和磁催化剂，所述改性试剂为单独H₂O₂或包含H₂O₂在内的混合物，根据光化学喷动塔的体积计算出磁催化剂和改性试剂的投入量；

(2)磁催化剂改性：

将改性试剂和磁催化剂通入光化学喷动塔(1)内，利用紫外灯管诱导改性试剂中的H₂O₂产生羟基自由基(·OH)，利用产生的羟基自由基(·OH)攻击磁催化剂表面，使得磁催化剂表面产生活性位点，并通过气流外循环旁路对磁催化剂进行多次反复改性；

(3)催化氧化：

将改性后的磁催化剂和燃烧器产生的烟气通入对冲塔内，利用磁催化剂上的活性位点热催化氧化烟气中的SO₂、NO和/或Hg⁰，使得SO₂、NO和/或Hg⁰被分别氧化为SO₃、NO₂/N₂O₄/N₂O₅和/或Hg²⁺；

(4)脱除：

将步骤(3)中失去催化活性位点的磁催化剂通过磁分离器与含有SO₃、NO₂/N₂O₄/N₂O₅、和/或Hg²⁺的烟气分离，氧化后的烟气直接通向后方的湿法脱硫系统进行洗涤脱除。

5.根据权利要求4所述的基于光化学喷动塔改性磁催化剂同时脱硫脱硝脱汞的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述磁催化剂包括CoFe₂O₄、MnFe₂O₄、CuFe₂O₄﹑CeFe₂O₄﹑Fe₂O₃﹑Fe₃O₄中的一种或多种混合物，或磁铁矿、燃煤飞灰中的磁珠；所述磁催化剂粒径为0.001～0.5μm。

6.根据权利要求4所述的基于光化学喷动塔改性磁催化剂同时脱硫脱硝脱汞的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述磁催化剂的投入量＝光化学喷动塔(1)体积(m³)×(0.2～18kg)；所述改性试剂的浓度为0.01～3.0mol/L，投入量＝对冲塔体积(m³)×(0.02～2kg)。

7.根据权利要求4所述的基于光化学喷动塔改性磁催化剂同时脱硫脱硝脱汞的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述光化学喷动塔(1)内紫外灯管的紫外光辐射强度为5～280μW/cm²，紫外光有效波长为110～320nm。

8.根据权利要求4所述的基于光化学喷动塔改性磁催化剂同时脱硫脱硝脱汞的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述光化学喷动塔(1)内的改性温度为50～120℃；气流外循环旁路的循环速率为10～500m³/h。

9.根据权利要求4所述的基于光化学喷动塔改性磁催化剂同时脱硫脱硝脱汞的方法，其特征在于步骤(3)中，对冲塔内的催化氧化温度为60～220℃。

10.根据权利要求4所述的基于光化学喷动塔改性磁催化剂同时脱硫脱硝脱汞的方法，其特征在于步骤(4)中，氧化后的烟气分离的磁催化剂通过管路重新通入磁催化剂给料装置，通过重复步骤(2)再次生成活性位点。

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