CN117138572A - 一种新型脱除烟气中多种重金属的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种新型脱除烟气中多种重金属的装置及方法，属于大气污染控制领域；在本发明中，首先利用多重耦合辐射湍动湿法改性塔活化改性磁催化剂，然后将改性磁催化剂喷入烟道中同时催化吸附脱除烟气中的Hg0﹑As2O3和SeO2。吸附饱和的磁催化剂被烟道尾部的磁回收装置捕获后用于再生利用。解吸后的汞﹑砷和硒实现资源化利用，脱除过程无二次污染。本发明开发的多重耦合辐射湍动湿法改性塔可在一个反应器内实现多重活化改性，且强化混合和传质效率极高，具有工艺流程短﹑传质效率高﹑同时脱除效率高和过程绿色环保等突出的综合优势，是一种具有广阔应用前景的新型烟气净化方法及装置。
Description
技术领域
本发明属于大气污染控制领域，具体涉及一种多重耦合辐射自由基液相改性磁催化剂脱除烟气中多种重金属的装置及方法。
背景技术
化石能源仍然在当前世界能源结构中占据着主导地位，特别是煤炭占据了我国能源消费总量的50％以上。然而，煤炭燃烧过程会排放重金属汞﹑砷﹑硒等大气污染物。汞﹑砷﹑硒均是公认的剧毒性重金属痕量元素，对人体健康和生态环境具有极大的危害。我国是世界第一大煤炭消费国，能源结构中煤炭的比例高达75％，并且这种格局在今后相当长的一段时间内仍不会有大的改变。随着燃煤污染物大气环保标准的日益严格，预计在不久的将来，燃煤烟气重金属污染控制标准的出台将是必然趋势。
国内外学者在研究脱除燃煤烟气重金属新理论和新技术领域做了大量卓有成效的工作。目前，在众多燃煤烟气重金属脱除方法中，吸附剂吸附和湿法洗涤被认为是燃煤烟气重金属脱除领域的两个最有发展潜力的主流脱除技术。湿法洗涤脱除技术中研究最多的是应用现有的湿法烟气脱硫系统联合洗涤脱除重金属。该技术可以实现较高的重金属脱除率，但是对难溶的重金属成分(例如Hg0﹑As2O3和SeO2)没有明显的脱除效果，部分氧化态重金属还可能被还原。不少学者尝试用一些氧化技术在脱硫塔前将烟气中的低价重金属先氧化为高价可溶重金属，然后再利用湿法烟气脱硫系统洗涤脱除高价可溶重金属。
此外，目前研究较多的选择性催化还原(SCR)催化氧化脱除技术可实现部分低价重金属转化为高价重金属，但脱除效果受到燃煤组分﹑催化剂类型﹑燃烧方式以及燃烧器结构的明显影响，相关催化氧化机理仍不十分清楚。其它氧化技术，例如等离子体氧化﹑光催化氧化和臭氧氧化等尚处于实验室探索阶段。利用高锰酸钾﹑过硫酸钾和亚氯酸钠等传统氧化剂在吸收塔中氧化吸收重金属也取得了良好效果，但也存在吸收剂昂贵或产物成分复杂难处理等不足，相关技术还有待于进一步完善。吸附法主要是通过活性炭或者其它吸附剂吸附烟气中的重金属，先将其转化为颗粒态重金属，然后利用现有的除尘设备将其捕获而达到脱除重金属的目的。目前研究较多且技术最成熟的活性炭吸附法具有较高的重金属脱除效率，但应用成本极高，企业难以承受。综上所述，目前还没有一种适合于大规模商业化的燃煤烟气重金属脱除技术。因此，在完善现有燃煤烟气重金属脱除技术的同时，积极开发经济高效的新型燃煤烟气重金属脱除技术具有重要理论和工业意义。
在当前的各种常见烟气重金属脱除技术中，磁催化剂催化吸附脱除技术具有工艺简单﹑过程绿色环保和磁催化剂易回收再生等综合技术优势，是一种具有良好发展前景的烟气重金属脱除技术，但现有的磁催化剂催化吸附脱除重金属技术的发展却较为缓慢，主要问题可归纳为如下几个方面：(I)现有开发的大多数磁催化剂表面活性位点贫乏，无法实现高的烟气重金属脱除效率；(II)采用各种改性方法可以提高磁催化剂的表面活性位点，但现有的改性方法大多存在工艺流程复杂和二次污染等缺点；(III)采用烟道喷射脱除重金属具有装置要求低和工艺简单等技术优势，但是现有的烟道喷射技术存在混合效率低和传质速率差等不足，导致磁吸附剂的利用率较差，进而导致催化剂消耗巨大和应用成本高昂；(IV)现有的主流烟气重金属脱除技术或者磁催化剂主要被开发用于脱除烟气中单一的重金属，但是如果为每一种污染物(即重金属)独立安装脱除装置会导致整个污染物控制系统十分复杂，且投资和运行成本十分高昂，无法获得广泛的推广应用；(V)现有的绝大多数烟道喷射脱除重金属吸附剂都无法实现连续回收与活化再利用，这既增加了应用成本，同时还会导致二次固废的大量产生，进而阻碍了该技术的推广应用。上述5个关键问题是阻碍磁催化剂催化吸附脱除重金属技术发展的主要障碍和瓶颈。此外，大量的科学研究和工业实践已证实：气固非均相反应过程的主要速率控制步骤是传质过程。因此，采用传统反应器进行烟气喷射脱除重金属容易导致反应器体积庞大和运行能耗高等不足，需进一步研究开发能够实施良好混合效率和强化传质速率的高效多相反应器。
发明内容
针对现有的技术中存在的问题，本发明提供了一种多重耦合辐射自由基液相改性磁催化剂脱除烟气中多种重金属的方法及装置，首先利用多重耦合辐射湍动湿法改性塔活化改性磁催化剂，然后将改性磁催化剂喷入烟道中同时催化吸附脱除烟气中的Hg0﹑As2O3和SeO2。吸附饱和的磁催化剂被烟道尾部的磁回收装置捕获后用于再生利用。解吸后的汞﹑砷和硒实现资源化利用，脱除过程无二次污染。
本发明中所述系统的基本原理：
(1)磁催化剂改性过程：首先利用紫外光﹑微波和烟气余热协同活化过一硫酸氢钾复合盐和双氧水混合溶液产生自由基/活性组分对磁催化剂实施活化改性，目的是在磁催化剂表面产生丰富的含氧和含硫官能团。上述活化改性过程可用如下的方程(1)表示：
(2)重金属的催化吸附脱除过程：将改性后的磁催化剂喷入烟道气流中，磁催化剂表面上丰富的含O和含S官能团可将烟气流中的Hg0﹑As2O3和SeO2同时催化氧化为Hg2+﹑As3+和Se6+，并通过催化剂吸附捕捉，从而实现烟气中Hg0﹑As2O3和SeO2的高效脱除。具体过程可用如下的化学反应(2)-(4)表示：
Catalyzer-O,S+Hg0→Catalyzer-Hg (2)
Catalyzer-O,S+As3+→Catalyzer-As (3)
Catalyzer-O,S+Se4+→Catalyzer-Se (4)
反应后失去催化活性的磁催化剂返回多重耦合辐射湍动湿法改性塔(1)内，通过如上方程(1)所示的活化改性过程实现新的改性再生，使其获得新的催化剂催化吸附能力，从而实现活化剂的循环再利用。而产生的Hg2+﹑As3+和Se6+可通过尾部的产物利用系统分离回收再利用。
基于上述原理，本发明提供了一种新型脱除烟气中多种重金属的装置，所述的装置包括用于磁催化剂改性的多重耦合辐射湍动湿法改性塔1及其烟道喷射脱除重金属与再生系统。
多重耦合辐射湍动湿法改性塔1内部侧壁面上设有多个直流冲击雾化喷嘴2和旋流湍动喷嘴3，且两侧的直流冲击雾化喷嘴2呈水平对向布置，直流冲击雾化喷嘴2和旋流湍动喷嘴3分别与新液塔12通过管道连接。旋流湍动喷嘴3布置于多重耦合辐射湍动湿法改性塔1的四条垂直边线上。直流冲击雾化喷嘴2与旋流湍动喷嘴3呈上下等间距布置。多重耦合辐射湍动湿法改性塔1内布置有紫外灯管4﹑热管5和微波发射器6，顶部设有液固分离器7。多重耦合辐射湍动湿法改性塔1顶部与烟气余热加热器8相连，底部与催化剂超声清洗塔2相连。多重耦合辐射湍动湿法改性塔1设有液固物料总入口a﹑液固物料循环出口b﹑催化剂出口c和失活催化剂再入口d。烟道喷射脱除重金属及再生系统设有烟道混合喷射反应1﹑磁催化剂直喷喷嘴15﹑磁催化剂斜喷喷16﹑磁回收装置17﹑第一风机18、第二风机19﹑重金属热解吸塔20和催化剂超声清洗塔21。
进一步地，多重耦合辐射湍动湿法改性塔1两侧壁面上的直流冲击雾化喷嘴2采用顺排布置，且纵向和横向间距相同，其优化间距M1在30cm～90cm之间。紫外灯管4﹑热5和微波发射6均采用顺排布置，且纵向和横向间距均相同，其优化间距M2在20cm～50cm之间。旋流湍动喷嘴3与边线的夹角为35度角，以实现最佳的旋转湍动效率。直流冲击雾化喷嘴的初速度在30m/s～100m/s之间，旋流湍动喷嘴3的初速度在20m/s～80m/s之间。多重耦合辐射湍动湿法改性塔1两侧喷嘴的优化距离L1在60cm～400cm之间，以保证足够的介质混合效率和传质速率。
进一步地，烟道混合喷射反应器14两侧内壁上设有多个磁催化剂直喷喷嘴15和磁催化剂斜喷喷嘴16，两者依次间隔布置，且所有喷嘴均采用等间距顺排布置，其优化间距M3在40cm～120cm之间。磁催化剂直喷喷嘴15和磁催化剂斜喷喷嘴16的初速度均在30m/s～90m/s之间，以保证足够的介质混合效率和传质速率。布置在烟道混合喷射反应器14两侧的磁催化剂直喷喷嘴15之间的优化间距L2在60cm～300cm之间，以保证足够的介质混合效率和传质速率。磁催化剂斜喷喷嘴16与烟道水平线保持45度夹角，且喷嘴方向朝向烟气来流方向，以实现高效的对冲混合效果。当喷射磁催化剂时，磁催化剂直喷喷嘴15和磁催化剂斜喷喷嘴16喷射磁催化剂的质量比例为1：1，即各占总喷射质量的50wt.％。
进一步地，磁催化剂包括CoaFebOc﹑CudFebOc﹑MneFebOc﹑CoaCudFebOc﹑MneCudFebOc﹑CudCoaMneFebOc﹑CoaCudFebOc﹑天然磁铁矿以及燃煤飞灰磁珠等磁性物质，也包括上述磁性催化剂的各种负载和混合物质(上述a-c均表示化学式中原子的系数)。
进一步地，烟道对喷反应器14内磁催化剂优化投加量为100mg/L～800mg/L。磁催化剂的优化粒径为0.01μm～0.2μm。烟气中Hg0﹑As2O3和SeO2的优化初始浓度范围分别为2μg/m3～500μg/m3﹑2μg/m3～500μg/m3和2μg/m3～300μg/m3。
进一步地，多重耦合辐射湍动湿法改性塔1内使用的改性试剂由过一硫酸氢钾复合盐和双氧水构成。过一硫酸氢钾复合盐的优化摩尔浓度在0.1mol/L～1.2mol/L之间，双氧水的优化摩尔浓度在0.1mol/L～0.9mol/L之间。改性试剂的优化pH值范围为0.1～5.5，优化的改性温度为55℃～90℃，优化的改性磁催化剂投加量为100mg/L～800mg/L。
本发明还公开了一种基于上述一种多重耦合辐射自由基液相改性磁催化剂脱除烟气中多种重金属的装置的方法：包括磁催化剂改性的方法、磁催化剂烟道喷射脱除重金属、以及磁催化剂再生的方法。
磁催化剂改性流程如下：磁催化剂与改性试剂从液固物料总入口a进入多重耦合辐射湍动湿法改性塔1的改性区内。第一溶液泵9、-第二溶液泵10以及第三溶液泵11同时启动抽吸液固混合物通过两侧的直流冲击雾化喷嘴2对向水平喷入改性区实施磁催化剂的活化改性。与此同时，紫外灯管4﹑热管5和微波发射器6同时启动分别辐射紫外光﹑热能和微波对改性溶液进行活化并产生高活性自由基/活性组分。产生的高活性自由基/活性组分对磁催化剂进行活化改性，最终可制备出具有丰富表面官能团的改性磁催化剂。
磁催化剂烟道喷射脱除重金属和再生流程如下：改性后的磁催化剂在液固分离器7中进行液固分离去掉溶液，然后从催化剂出口c出来后首先进入烟气余热加热器8中利用烟气余热进行加热干燥。干燥后的磁催化剂由风机1牵引，通过磁催化剂直喷喷嘴15和磁催化剂斜喷喷嘴16从烟道两侧喷射进入烟道混合喷射反应器14的反应区内。通过烟道两侧磁催化剂直喷喷嘴1喷出的磁催化剂能够实现烟道径向磁催化剂的相互对向高速撞击，而通过磁催化剂斜喷喷嘴16喷射出的磁催化剂能够实烟道轴向的剧烈混合，两者协同喷射后可实现强烈的气固混合效率和高效的传质反应速率，最终实现高效的烟气重金属脱除。吸附饱和后的磁催化剂由烟道尾部的磁回收装置17回收，然后由第二风机19首先送入重金属热解吸塔20利用烟道余热加热解吸磁催化剂上的重金属进行回收。解吸附后的磁催化剂进入催化剂超声清洗塔21进行超声波清洗，以去除催化剂表面和孔隙中的反应副产物和杂质。经过超声波清洗的磁催化剂通过失活催化剂再入口d再次送入多重耦合辐射湍动湿法改性塔1的改性区内实施重复改性，以实现循环再利用。
进一步地，多重耦合辐射湍动湿法改性塔1内的微波辐射功率密度需保持在200W/m3～2200W/m3之间，热管的热辐射功率需保持在500W/m3～3000W/m3之间，紫外光的辐射功率需保持在20W/m3～200W/m3之间。
进一步地，烟气余热加热器(8)利用烟气余热干燥磁催化剂时，烟气余热加热器(8)内的运行温度不低于200℃，且干燥后的磁催化剂含水量不高于8％。所述的重金属热解吸塔(20)内的优化运行温度在300℃～700℃，催化剂超声清洗塔(21)内的超声波辐射功率的优化值为30W/m3～180W/m3之间。
与现有技术/装置相比，本发明的有益效果在于：
(1)该领域现有大多数用于脱除烟气重金属的磁催化剂改性方法具有工艺流程复杂等不足，导致巨大的初投资和运行成本。因此，开发成本低和流程短的节能低碳改性技术/装置是当前该领域的重要研究课题和发展方向。本发明开发的多重耦合辐射湍动湿法改性塔可在一个反应器内实现一步法活化改性产生两种高活性官能团，具有改性装置简单和工艺流程短等突出优势，具有良好的工业发展前景。
(2)该领域现有的主流磁催化剂主要被开发用于脱除烟气中的单一重金属，例如只脱除燃煤烟气中汞﹑砷和或硒中的一种。然而，为每一种污染物独立安装脱除装置会导致整个污染物控制系统十分复杂，且投资和运行成本高昂，无法获得广泛的推广应用。本发明开发的方法及装置能够利用一种磁催化剂实现三种重金属的同时高效脱除(三种重金属均能实现100％的脱除效率)，因而能够大大降低污染物脱除系统的初投资和运行费用，具有良好的技术竞争力。
(3)该领域现有大多数烟气脱除重金属磁催化剂的改性方法具有二次污染，改性过程中会产生各种有害物质，导致改性后的副产物后处理费用高昂，阻碍了其大规模应用。因此，开发绿色环保的改性技术/装置是当前该领域的另一个重要发展方向。本发明开发的多重耦合辐射湍动湿法改性塔可利用多重辐射诱导的高活性自由基SO4 -·和·OH协同改性磁催化剂，具有改性过程绿色环保等突出优势，具有良好的发展前景。
(4)磁催化剂的改性过程和磁催化剂对烟气中重金属的催化吸附过程均是一个非均相反应过程。在复杂的非均相反应过程中，自由基和官能团的氧化速率往往极快，因此多相传质过程通常是整个脱除过程的速率控制步骤。如何简单高效地强化传质过程是实现催化剂高效改性和污染物高效脱除的关键环节。然而，该领域常见的鼓泡反应器﹑喷淋反应器﹑以及常规烟道注入装置的混合效率和传质速率均较低，无法满足工业应用要求。本发明开发的多重耦合辐射湍动湿法改性塔和烟道对喷反应器均具有极高的强化混合效率和传质提升性能，能够极大地促进非均相改性和污染物脱除过程的进行，进而实现更高的多重污染物同时脱除效率。
综上所述，本发明开发的改性和脱除系统具有结构简单紧凑﹑工艺流程短﹑混合与传质效率高、污染物脱除效率高和过程绿色环保等突出的综合优势，是一种具有广阔应用前景的新型烟气净化方法及装置。
附图说明
图1.多重耦合辐射自由基液相改性磁催化剂脱除烟气中重金属的装置示意图。
图2.多重耦合辐射湍动湿法改性塔内直流冲击雾化喷嘴的布置方式及其尺寸示意图。
图3.多重耦合辐射湍动湿法改性塔内旋流湍动喷嘴的布置方式及其尺寸示意图。
图4.多重耦合辐射湍动湿法改性塔内微波发射器﹑紫外灯管和热管的布置方式及其尺寸示意图。
图5.烟道混合喷射反应器内磁催化剂直喷喷嘴和磁催化剂斜喷喷嘴的布置方式及其尺寸示意图。
图6.磁催化剂斜喷喷嘴的布置方式及其尺寸示意图。
附图标记：
1.多重耦合辐射湍动湿法改性塔 1-1.多重耦合辐射湍动湿法改性塔的壁面 2.直流冲击雾化喷嘴 3.旋流湍动喷嘴 4.紫外灯管 5.热管 6.微波发射器 7.液固分离器8.烟气余热加热器 9.第一溶液泵10.第二溶液泵11.第三溶液泵 12.新液塔 13.分离塔14.烟道对喷反应器 14-1.烟道壁面 14-2.烟气来流方向 15.磁催化剂喷嘴 16.磁催化剂斜喷喷嘴 17.磁回收装置 18.第一风机 19.第二风机 20.重金属热解吸塔 21.催化剂超声清洗塔 a.液固物料总入口 b.液固物料循环出口 c.催化剂出口 d.失活催化剂再入口e.分离塔废催化剂排出口 f.分离塔废液排出口 g.分离塔出口 h.新液塔催化剂循环入口i.新液塔试剂入口 j.新液塔循环出口 k.磁回收装置出口
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。
如图1所示，一种新型脱除烟气中多种重金属的装置，包括用于磁催化剂改性的多重耦合辐射湍动湿法改性塔1及其烟道喷射脱除重金属与再生系统，其中烟道喷射脱除重金属与再生系统包括设有烟道混合喷射反应器1﹑磁催化剂直喷喷嘴15﹑磁催化剂斜喷喷嘴16﹑磁回收装置17﹑第一风机18和第二风机19﹑重金属热解吸塔20和催化剂超声清洗塔21。
多重耦合辐射湍动湿法改性塔1内部侧壁面上设有多个直流冲击雾化喷嘴2和旋流湍动喷嘴3，且两侧的直流冲击雾化喷嘴2呈水平对向布置。旋流湍动喷嘴3布置于多重耦合辐射湍动湿法改性的四条垂直边线上。直流冲击雾化喷嘴与旋流湍动喷嘴3呈上下等间距布置。多重耦合辐射湍动湿法改性塔内布置有紫外灯﹑热管5和微波发射器6，顶部设有液固分离器7。多重耦合辐射湍动湿法改性塔顶部与烟气余热加热器8相连，底部与催化剂超声清洗塔20相连。多重耦合辐射湍动湿法改性塔1设有液固物料总入口a﹑液固物料循环出口﹑催化剂出口c和失活催化剂再入口d。
液固物料循环出口b依次连接分离塔1、新液塔12；失活催化剂再入口d与催化剂超声清洗塔21连接；新液塔12上设有新液塔催化剂循环入口h、新液塔试剂入口i和新液塔循环出口j，通过新液塔试剂入口i向新液塔12添加改性试剂(如过一硫酸氢钾复合盐和双氧水)，新液塔循环出口j连接多个直流冲击雾化喷嘴2，通过直流冲击雾化喷嘴2，将改性试剂喷入多重耦合辐射湍动湿法改性塔1中，新液塔催化剂循环入口h与分离塔13的分离塔出口g连接，分离塔13还设有分离塔废催化剂排出口e和分离塔废液排出口f。
具体布置方式结合图1和图2所示，多重耦合辐射湍动湿法改性塔1两侧壁面上的直流冲击雾化喷嘴2采用顺排布置，且纵向和横向间距相同，其优化间距M1在30cm～90cm之间。
具体布置方式结合图1和图4所示，紫外灯管4﹑热管5和微波发射器6均采用顺排布置，且纵向和横向间距均相同，其优化间距M2在20cm～50cm之间。
具体布置方式见图3所示，旋流湍动喷嘴3与边线的夹角为35度角，以实现最佳的旋转湍动效率。直流冲击雾化喷嘴2的初速度在30m/s～100m/s之间，旋流湍动喷嘴3的初速度在20m/s～80m/s之间。多重耦合辐射湍动湿法改性塔1两侧喷嘴的优化距离L1在60cm～400cm之间，以保证足够的介质混合效率和传质速率。
如图1和图5所示，烟道混合喷射反应器14两侧内壁上设有多个磁催化剂直喷喷嘴15和磁催化剂斜喷喷嘴16，两侧的磁催化剂直喷喷嘴15之间的优化间距L2在60cm～300cm之间，以保证足够的介质混合效率和传质速率两者依次间隔布置，且所有喷嘴均采用等间距顺排布置，其优化间距M3在40cm～120cm之间。磁催化剂直喷喷嘴15和磁催化剂斜喷喷嘴16的初速度均在30m/s～90m/s之间，以保证足够的介质混合效率和传质速率。
具体布置方式见图6所示，磁催化剂斜喷喷嘴(16)与烟道水平线保持45度夹角，且喷嘴方向朝向烟气来流方向，以实现高效的对冲混合效果。当喷射磁催化剂时，磁催化剂直喷喷嘴(15)和磁催化剂斜喷喷嘴(16)喷射磁催化剂的质量比例为1：1，即各占总喷射质量的50wt.％。
一种基于上述一种多重耦合辐射自由基液相改性磁催化剂脱除烟气中多种重金属的装置的方法：包括磁催化剂改性的方法、磁催化剂烟道喷射脱除重金属、以及磁催化剂再生的方法。
磁催化剂改性流程如下：磁催化剂与改性试剂从液固物料总入口a进入多重耦合辐射湍动湿法改性塔1的改性区内。第一溶液泵9、-第二溶液泵10以及第三溶液泵11同时启动抽吸液固混合物通过两侧的直流冲击雾化喷嘴2对向水平喷入改性区实施磁催化剂的活化改性。与此同时，紫外灯管4﹑热管5和微波发射器6同时启动分别辐射紫外光﹑热能和微波对改性溶液进行活化并产生高活性自由基/活性组分。产生的高活性自由基/活性组分对磁催化剂进行活化改性，最终可制备出具有丰富表面官能团的改性磁催化剂。
磁催化剂烟道喷射脱除重金属和再生流程如下：改性后的磁催化剂在液固分离器7中进行液固分离去掉溶液，然后从催化剂出口c出来后首先进入烟气余热加热器8中利用烟气余热进行加热干燥。干燥后的磁催化剂由风机1牵引，通过磁催化剂直喷喷嘴15和磁催化剂斜喷喷嘴16从烟道两侧喷射进入烟道混合喷射反应器14的反应区内。通过烟道两侧磁催化剂直喷喷嘴1喷出的磁催化剂能够实现烟道径向磁催化剂的相互对向高速撞击，而通过磁催化剂斜喷喷嘴16喷射出的磁催化剂能够实烟道轴向的剧烈混合，两者协同喷射后可实现强烈的气固混合效率和高效的传质反应速率，最终实现高效的烟气重金属脱除。吸附饱和后的磁催化剂由烟道尾部的磁回收装置17回收，然后由第二风机19首先送入重金属热解吸塔20利用烟道余热加热解吸磁催化剂上的重金属进行回收。解吸附后的磁催化剂进入催化剂超声清洗塔21进行超声波清洗，以去除催化剂表面和孔隙中的反应副产物和杂质。经过超声波清洗的磁催化剂通过失活催化剂再入口d再次送入多重耦合辐射湍动湿法改性塔1的改性区内实施重复改性，以实现循环再利用。
多重耦合辐射湍动湿法改性塔1内的微波辐射功率密度需保持在200W/m3～2200W/m3之间，热管的热辐射功率需保持在500W/m3～3000W/m3之间，紫外光的辐射功率需保持在20W/m3～200W/m3之间。
多重耦合辐射湍动湿法改性塔1内使用的改性试剂由过一硫酸氢钾复合盐和双氧水构成。过一硫酸氢钾复合盐的优化摩尔浓度在0.1mol/L～1.2mol/L之间，双氧水的优化摩尔浓度在0.1mol/L～0.9mol/L之间。改性试剂的优化pH值范围为0.1～5.5，优化的改性温度为55℃～90℃，优化的改性磁催化剂投加量为100mg/L～800mg/L。
烟道对喷反应器14内磁催化剂优化投加量为100mg/L～800mg/L。磁催化剂的优化粒径为0.01μm～0.2μm。烟气中Hg0﹑As2O5和SeO2的优化初始浓度范围分别为2μg/m3～500μg/m3﹑2μg/m3～500μg/m3和2μg/m3～300μg/m3。
烟气余热加热器8利用烟气余热干燥磁催化剂时，烟气余热加热器8内的运行温度不低于200℃，且干燥后的磁催化剂含水量不高于8％。所述的重金属热解吸塔20内的优化运行温度在300℃～700℃，催化剂超声清洗塔21内的超声波辐射功率的优化值为30W/m3～180W/m3之间。
磁催化剂包括CoaFebOc﹑CudFebOc﹑MneFebOc﹑CoaCudFebOc﹑MneCudFebOc﹑CudCoaMneFebOc﹑CoaCudFebOc﹑天然磁铁矿以及燃煤飞灰磁珠等磁性物质，也包括上述磁性催化剂的各种负载和混合物质(上述a-c均表示化学式中原子的系数)。
下面是不同条件下，该装置对于烟气中Hg0﹑As2O3和SeO2同时脱除的实施案例：
实施例1：
多重耦合辐射湍动湿法改性塔M1为30cm，M2为30cm，M3为60cm，L1为60cm，L1为80cm。直流冲击雾化喷嘴的初速度为50m/s，旋流湍动喷嘴的初速度为30m/s，磁催化剂喷嘴的初速度为40m/s。紫外光辐射功率密度为50W/m3，微波辐射功率密度为400W/m3，热管热辐射功率为600W/m3。过一硫酸氢钾复合盐的摩尔浓度为0.1mol/L，双氧水的摩尔浓度为0.1mol/L。溶液pH为2.5，改性温度为65℃，磁催化剂投加量为100mg/L。烟气中Hg0﹑As2O3和SeO2的浓度分别为40μg/m3﹑40μg/m3﹑40μg/m3。
数值模拟和实验小试的初步结果为：烟气中Hg0﹑As2O3和SeO2的同时脱除效率可分别达到54.9％﹑73.8％﹑85.7％。
实施例2：
多重耦合辐射湍动湿法改性塔M1为30cm，M2为30cm，M3为60cm，L1为60cm，L1为80cm。直流冲击雾化喷嘴的初速度为50m/s，旋流湍动喷嘴的初速度为30m/s，磁催化剂喷嘴的初速度为40m/s。紫外光辐射功率密度为80W/m3，微波辐射功率密度为500W/m3，热管热辐射功率为600W/m3。过一硫酸氢钾复合盐的摩尔浓度为0.1mol/L，双氧水的摩尔浓度为0.1mol/L。溶液pH为2.5，改性温度为65℃，磁催化剂投加量为100mg/L。烟气中Hg0﹑As2O3和SeO2的浓度分别为40μg/m3﹑40μg/m3﹑40μg/m3。
数值模拟和实验小试的初步结果为：烟气中Hg0﹑As2O3和SeO2的同时脱除效率可分别达到62.7％﹑87.7％﹑94.6％。
实施例3：
多重耦合辐射湍动湿法改性塔M1为30cm，M2为30cm，M3为60cm，L1为60cm，L1为80cm。直流冲击雾化喷嘴的初速度为50m/s，旋流湍动喷嘴的初速度为30m/s，磁催化剂喷嘴的初速度为40m/s。紫外光辐射功率密度为80W/m3，微波辐射功率密度为500W/m3，热管热辐射功率为600W/m3。过一硫酸氢钾复合盐的摩尔浓度为0.2mol/L，双氧水的摩尔浓度为0.1mol/L。溶液pH为2.5，改性温度为65℃，磁催化剂投加量为100mg/L。烟气中Hg0﹑As2O3和SeO2的浓度分别为40μg/m3﹑40μg/m3﹑40μg/m3。
数值模拟和实验小试的初步结果为：烟气中Hg0﹑As2O3和SeO2的同时脱除效率可分别达到73.2％﹑93.1％﹑98.9％。
实施例4：
多重耦合辐射湍动湿法改性塔M1为30cm，M2为30cm，M3为60cm，L1为60cm，L1为80cm。直流冲击雾化喷嘴的初速度为50m/s，旋流湍动喷嘴的初速度为30m/s，磁催化剂喷嘴的初速度为40m/s。紫外光辐射功率密度为80W/m3，微波辐射功率密度为500W/m3，热管热辐射功率为600W/m3。过一硫酸氢钾复合盐的摩尔浓度为0.4mol/L，双氧水的摩尔浓度为0.2mol/L。溶液pH为2.5，改性温度为65℃，磁催化剂投加量为100mg/L。烟气中Hg0﹑As2O3和SeO2的浓度分别为40μg/m3﹑40μg/m3﹑40μg/m3。
数值模拟和实验小试的初步结果为：烟气中Hg0﹑As2O3和SeO2的同时脱除效率可分别达到87.6％﹑100％﹑100％。
实施例5：
多重耦合辐射湍动湿法改性塔M1为30cm，M2为30cm，M3为60cm，L1为60cm，L1为80cm。直流冲击雾化喷嘴的初速度为50m/s，旋流湍动喷嘴的初速度为30m/s，磁催化剂喷嘴的初速度为40m/s。紫外光辐射功率密度为80W/m3，微波辐射功率密度为500W/m3，热管热辐射功率为600W/m3。过一硫酸氢钾复合盐的摩尔浓度为0.4mol/L，双氧水的摩尔浓度为0.2mol/L。溶液pH为2.5，改性温度为75℃，磁催化剂投加量为150mg/L。烟气中Hg0﹑As2O3和SeO2的浓度分别为40μg/m3﹑40μg/m3﹑40μg/m3。
数值模拟和实验小试的初步结果为：烟气中Hg0﹑As2O3和SeO2的同时脱除效率可分别达到95.7％﹑100％﹑100％。
实施例6：
多重耦合辐射湍动湿法改性塔M1为30cm，M2为30cm，M3为60cm，L1为60cm，L1为80cm。直流冲击雾化喷嘴的初速度为50m/s，旋流湍动喷嘴的初速度为30m/s，磁催化剂喷嘴的初速度为40m/s。紫外光辐射功率密度为80W/m3，微波辐射功率密度为500W/m3，热管热辐射功率为600W/m3。过一硫酸氢钾复合盐的摩尔浓度为0.4mol/L，双氧水的摩尔浓度为0.3mol/L。溶液pH为2.5，改性温度为75℃，磁催化剂投加量为200mg/L。烟气中Hg0﹑As2O3和SeO2的浓度分别为40μg/m3﹑40μg/m3﹑40μg/m3。
数值模拟和实验小试的初步结果为：烟气中Hg0﹑As2O3和SeO2的同时脱除效率可分别达到100％﹑100％﹑100％。
本发明所述方法及装置的最大同时脱除效率可达100％﹑100％﹑100％，具有极高的多污染物同时脱除效率，可以很好地满足当前严格的超低排放要求，具有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 (9)
1.一种新型脱除烟气中多种重金属的装置，其特征在于，所述的装置包括用于磁催化剂改性的多重耦合辐射湍动湿法改性塔(1)和烟道混合喷射反应器(14)；所述的多重耦合辐射湍动湿法改性塔(1)内部设有直流冲击雾化喷嘴(2)、旋流湍动喷嘴(3)、紫外灯管(4)﹑热管(5)和微波发射器(6)；所述多重耦合辐射湍动湿法改性塔(1)顶部设有液固分离器(7)，所述液固分离器(7)通过催化剂出口(c)与烟道混合喷射反应器(14)连接；所述多重耦合辐射湍动湿法改性塔(1)还设有液固物料总入口(a)﹑液固物料循环出口(b)和失活催化剂再入口(d)；所述液固物料循环出口(b)依次连接分离塔(13)、新液塔(12)；所述的失活催化剂再入口(d)与催化剂超声清洗塔(21)连接；
所述烟道混合喷射反应器(14)内设置磁催化剂直喷喷嘴(15)﹑磁催化剂斜喷喷嘴(16)，所述的烟道混合喷射反应器(14)依次连接磁回收装置(17)﹑重金属热解吸塔(20)和催化剂超声清洗塔(21)。
2.根据权利要求1所述的一种新型脱除烟气中多种重金属的装置，其特征在于，所述多重耦合辐射湍动湿法改性塔(1)内壁侧面上设有多个直流冲击雾化喷嘴(2)，两侧的直流冲击雾化喷嘴(2)呈水平对向布置，直流冲击雾化喷嘴(2)与新液塔(12)相连；所述多重耦合辐射湍动湿法改性塔(1)内的四条垂直边线上还设有旋流湍动喷嘴(3)，所述直流冲击雾化喷嘴(2)与旋流湍动喷嘴(3)呈上下等间距布置；所述多重耦合辐射湍动湿法改性塔(1)与烟道混合喷射反应器(14)之间还设有烟气余热加热器(8)和第一风机(18)。
3.根据权利要求2所述的一种新型脱除烟气中多种重金属的方法及装置，其特征在于，所述的直流冲击雾化喷嘴(2)采用顺排布置，且纵向和横向间距M1相同，间距M1在30cm～90cm之间；所述的紫外灯管(4)﹑热管(5)和微波发射器(6)均采用顺排布置，且纵向和横向M2间距均相同，间距M2在20cm～50cm之间；所述旋流湍动喷嘴(3)与边线的夹角为35度角，所述直流冲击雾化喷嘴(2)的初速度在30m/s～100m/s之间，旋流湍动喷嘴(3)的初速度在20m/s～80m/s之间；多重耦合辐射湍动湿法改性塔(1)两侧喷嘴的距离L1在60cm～400cm之间。
4.根据权利要求1所述的一种新型脱除烟气中多种重金属的方法及装置，其特征在于，所述的烟道混合喷射反应器(14)两侧内壁上设有多个磁催化剂直喷喷嘴(15)和磁催化剂斜喷喷嘴(16)，两者依次间隔布置，且所有喷嘴均采用等间距顺排布置；其间距M3在40cm～120cm之间；磁催化剂直喷喷嘴(15)和磁催化剂斜喷喷嘴(16)的初速度均在30m/s～90m/s之间，布置在烟道混合喷射反应器(14)两侧的磁催化剂直喷喷嘴(15)之间的间距L2在60cm～300cm之间，；所述的磁催化剂斜喷喷嘴(16)与烟道水平线保持45度夹角，且喷嘴方向朝向烟气来流方向；当喷射磁催化剂时，磁催化剂直喷喷嘴(15)和磁催化剂斜喷喷嘴(16)喷射磁催化剂的质量比例为1：1。
5.根据权利要求1-4任意项所述的一种新型脱除烟气中多种重金属的装置的方法，其特征在于，所述的方法包括磁催化剂改性的方法、磁催化剂烟道喷射脱除重金属、以及磁催化剂再生的方法；
所述的磁催化剂改性流程如下：磁催化剂与改性试剂从液固物料总入口(a)进入多重耦合辐射湍动湿法改性塔(1)的改性区内；第一溶液泵(9)、第二溶液泵(10)和第三溶液泵(11)同时启动抽吸液固混合物通过两侧的直流冲击雾化喷嘴(2)对向水平喷入改性区实施磁催化剂的活化改性；同时，紫外灯管(4)﹑热管(5)和微波发射器(6)同时启动分别辐射紫外光﹑热能和微波对改性溶液进行活化并产生高活性自由基/活性组分；产生的高活性自由基/活性组分对磁催化剂进行活化改性，最终可制备出具有丰富表面官能团的改性磁催化剂。；
所述的磁催化剂烟道喷射脱除重金属和再生流程如下：改性后的磁催化剂在液固分离器(7)中进行液固分离去掉溶液，然后从催化剂出口(c)出来后首先进入烟气余热加热器(8)中利用烟气余热进行加热干燥；干燥后的磁催化剂由第一风机(18)牵引，通过磁催化剂直喷喷嘴(15)和磁催化剂斜喷喷嘴(16)从烟道两侧喷射进入烟道混合喷射反应器(14)的反应区内；通过烟道两侧磁催化剂直喷喷嘴(15)喷出的磁催化剂能够实现烟道径向磁催化剂的相互对向高速撞击，而通过磁催化剂斜喷喷嘴(16)喷射出的磁催化剂能够实烟道轴向的剧烈混合，两者协同喷射后可实现强烈的气固混合效率和高效的传质反应速率，实现高效的烟气重金属脱除；吸附饱和后的磁催化剂由烟道尾部的磁回收装置(17)回收，然后由第二风机(19)送入重金属热解吸塔(20)利用烟道余热加热解吸磁催化剂上的重金属进行回收；解吸附后的磁催化剂进入催化剂超声清洗塔(21)进行超声波清洗，以去除催化剂表面和孔隙中的反应副产物和杂质；经过超声波清洗的磁催化剂通过失活催化剂再入口(d)再次送入多重耦合辐射湍动湿法改性塔(1)的改性区内实施重复改性，以实现循环再利用。
6.根据权利要求5所述的一种新型脱除烟气中多种重金属的装置的方法，其特征在于，所述的多重耦合辐射湍动湿法改性塔(1)内的微波辐射功率密度需保持在200W/m3～2200W/m3之间，热管的热辐射功率需保持在500W/m3～3000W/m3之间，紫外光的辐射功率需保持在20W/m3～200W/m3之间。
7.根据权利要求5所述的一种新型脱除烟气中多种重金属的装置的方法，其特征在于，所述的多重耦合辐射湍动湿法改性塔(1)内使用的改性试剂由过一硫酸氢钾复合盐和双氧水构成；过一硫酸氢钾复合盐的摩尔浓度在0.1mol/L～1.2mol/L之间，双氧水的摩尔浓度在0.1mol/L～0.9mol/L之间；改性试剂的pH值范围为0.1～5.5，改性温度为55℃～90℃，改性磁催化剂投加量为100mg/L～800mg/L；所述的烟道对喷反应器(14)内磁催化剂优化投加量为100mg/L～800mg/L。磁催化剂的粒径为0.01μm～0.2μm；烟气中Hg0﹑As2O3和SeO2的初始浓度范围分别为2μg/m3～500μg/m3﹑2μg/m3～500μg/m3和2μg/m3～300μg/m3。
8.根据权利要求5所述的一种新型脱除烟气中多种重金属的装置的方法，其特征在于，所述的烟气余热加热器(8)利用烟气余热干燥磁催化剂时，烟气余热加热器(8)内的运行温度不低于200℃，且干燥后的磁催化剂含水量不高于8％；所述的重金属热解吸塔(20)内的运行温度在300℃～700℃，催化剂超声清洗塔(21)内的超声波辐射功率在30W/m3～180W/m3之间。
9.根据权利要求5所述的一种新型脱除烟气中多种重金属的装置的方法，其特征在于，所述的磁催化剂包括CoaFebOc﹑CudFebOc﹑MneFebOc﹑CoaCudFebOc﹑MneCudFebOc﹑CudCoaMneFebOc﹑CoaCudFebOc﹑天然磁铁矿以及燃煤飞灰磁珠等磁性物质，或者包括上述磁性催化剂的各种负载和混合物质。
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Cited By (1)
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| CN115739088A (zh) * | 2022-11-16 | 2023-03-07 | 江苏大学 | 一种基于多元协同改性催化剂一体化脱除气态多污染物的方法及装置 |
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2023
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| CN115739088A (zh) * | 2022-11-16 | 2023-03-07 | 江苏大学 | 一种基于多元协同改性催化剂一体化脱除气态多污染物的方法及装置 |
| CN115739088B (zh) * | 2022-11-16 | 2024-03-22 | 江苏大学 | 一种基于多元协同改性催化剂一体化脱除气态多污染物的方法及装置 |
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