專利名稱：一種基于非均相Photo-Fenton的一體化煙氣凈化裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及燃燒過程中煙氣排放污染物的控制，尤其涉及一種基于非均相 Photo-Fenton的一體化煙氣凈化裝置。
背景技術：
燃燒過程中產生的硫氧化物、氮氧化物以及汞能夠引起酸雨、光化學煙霧以及致癌和致畸等嚴重危害。因此，研發(fā)有效的煙氣脫硫脫硝脫汞方法是各國環(huán)?？萍既藛T的重要任務之一。近些年來，盡管人們開發(fā)了大量的煙氣脫硫脫硝脫汞技術，但由于人類認識過程的局限性和科學技術發(fā)展的漸進性，現(xiàn)有的各種脫硫脫硝脫汞技術在研發(fā)當初僅針對單一污染物為脫除目標，一般無法實現(xiàn)煙氣多污染物的同時脫除。例如，目前應用較多的煙氣脫硫脫硝技術主要為濕法石灰石-石膏法煙氣脫硫技術(Ca-WFGD)和氨選擇性催化還原法 (NH3-SCR)，這兩種工藝雖然可以分別單獨脫硫脫硝，但均無法在一個反應器內實現(xiàn)同時脫除。兩種工藝的聯(lián)合疊加使用雖然可以實現(xiàn)同時脫硫脫硝，但同時也造成整個系統(tǒng)復雜，占地面積大，投資和運行成本高等不足。另外，隨著人類對環(huán)保要求的不斷提高，針對煙氣中汞排放控制的法律法規(guī)也逐漸出臺，但目前還沒有一種經(jīng)濟有效的煙氣脫汞技術獲得大規(guī)模商業(yè)應用。如果在現(xiàn)有的Ca-WFGD和NH3-SCR脫硫脫硝系統(tǒng)尾部再次增加單獨的煙氣脫汞系統(tǒng)，則勢必將造成整個系統(tǒng)的初始投資和運行費用進一步急劇增加，最終很難在發(fā)展中國家獲得大規(guī)模商業(yè)應用。綜上所述，如果能夠在一個反應器內將硫氧化物、氮氧化物和汞實現(xiàn)同時脫除，則可以大大降低系統(tǒng)的復雜性和占地面積，進而減少系統(tǒng)的初投資與運行費用。濕法煙氣凈化技術是一種傳統(tǒng)的煙氣處理技術，具有初投資小、工藝流程簡單和易于實現(xiàn)多污染物同時脫除等特點，是一種十分有開發(fā)和應用前景的煙氣凈化技術，但傳統(tǒng)的濕法煙氣凈化技術的研究進展卻一直相對緩慢，其主要原因就在于氮氧化物和汞元素中分別含有90%以上難溶的NO和40-80%難溶的Hg°。由雙膜理論可知，氣相分子必須首先由氣態(tài)經(jīng)傳質和擴散過程溶入液相，然后才能發(fā)生化學反應固定到吸收液中，而NO與Hg°難溶的特性使得其在液相的吸收傳質阻力大大增加，僅通過調控吸收液PH和溫度的方法難以顯著提高NO與 Hgtl在液相的溶解度，這一特性造成了傳統(tǒng)的濕法脫硫脫硝脫汞技術普遍存在脫硫效率高， 但脫硝和脫汞效率低等不足，實際上無法實現(xiàn)真正的同時脫硫脫硝脫汞。因此，尋找能夠將 NO與Hg°快速轉化為易溶形態(tài)的有效方法是解決該問題的關鍵之一。
發(fā)明內容本實用新型公開了一種基于非均相Photo-Fenton的一體化煙氣凈化裝置，即利用非均相Photo-Fenton (紫外光、雙氧水、固體催化劑高級氧化工藝)產生具有強氧化性的羥基自由基(·0Η)，將煙氣中的S02、N0x以及Hg°分別氧化為H2S04、HN0JP Hg2+固定于溶液中，反應后溶液中的固體催化劑可通過簡單的沉淀分離后實現(xiàn)循環(huán)再生利用，溶液中的Hg2+ 可以通過添加等摩爾比的二價硫離子S2_生成難溶的HgS，然后經(jīng)過沉淀分離后實現(xiàn)回收利用，而剩余的硫酸與硝酸溶液可以作為工業(yè)原料進一步回收利用，整個一體化脫硫脫硝脫汞過程無二次污染，是一種十分有應用前景的煙氣凈化技術。為實現(xiàn)以上目的，本實用新型采用的實施方案是一種基于非均相Wioto-Fenton 的一體化煙氣凈化裝置，其特征在于設有燃燒器、換熱器、鼓泡塔、添液塔、兩級分離塔、再生塔、引風機以及煙囪構成的燃燒及排放系統(tǒng)，燃燒器燃燒產生的煙氣經(jīng)過管路通入換熱器冷卻后，通過管路從鼓泡塔底部設置的噴嘴通入鼓泡塔，添液塔頂部設有非均相i^nton 試劑加入口，添液塔上部設置出口，通過管路由第一循環(huán)泵從鼓泡塔的上部通入鼓泡塔，鼓泡塔內設有紫外燈管，鼓泡塔下部設有第一出口，通過管路由第二循環(huán)泵抽入添液塔，鼓泡塔下部設有第二出口，通過管路由第三循環(huán)泵抽入一級分離塔，一級分離塔頂部設有第一出口，通過管路由第四循環(huán)泵送入再生塔底部進口，再生塔頂部設置出口，通過管路由第五循環(huán)泵通入添液塔；一級分離塔下部設置出口，通過管路由第六循環(huán)泵抽入二級分離塔，二級分離塔頂部設有二價硫離子S2—添加進口，二級分離塔還分別設有硫化汞及高濃度硫酸與硝酸溶液排放回收口，鼓泡塔頂部通過管路及引風機連通煙囪。紫外燈管與鼓泡塔底面垂直，鼓泡塔內單位體積紫外光輻射功率為5W/m3-200W/m3， 單位W/m3是指鼓泡塔在未安裝紫外燈之前，鼓泡塔為空塔時單位體積所需要的紫外光輻射功率，紫外光波長為120nm-360nm。設置多根紫外燈管時，多根紫外燈管呈同心圓設置，相鄰同心圓之間距離相同，多根紫外燈管均布在不同直徑的圓周上，沿同一直徑線設置，各相鄰兩直徑線之間的中心角相同，圓心處設有紫外燈管；噴嘴設置在與紫外燈管同心圓交替間隔的同心圓周上均布，且置于兩紫外燈管中心角半角的直徑線上。本裝置反應過程1、非均相Photo-Fenton高級氧化工藝釋放具有強氧化性的羥基自由基(· OH)Fe2+-S+H202-S — Fe3+-S+ · OH-S+OF-S(1)Fe3+-S+H202-S ^ Fe3+(HO2) 2+-S+H+-S(2) Fe0H2+-S+H202-S — Fe3+ (OH) (HO2) +-S+H+-S (3)Fe3+ (HO2) 2+-S+hv_S — Fe2+-S+ · HO2-S(4)Fe3+(OH) (HO2)+_S+hv_S — Fe2+-S+ · H02-S+0!T-S (5)2、燃燒器排放的煙氣中的S02、N0x以及Hg°被羥基自由基(·0Η)氧化生成H2S04、 HNO3和Hg2+混合溶液NO-S+· OH-S — HNO2-S(6)NO2-S+· OH-S — HNO3-S(7)SO2-S+ · OH-S — HSO3-S(8)HSO3-S+· OH-S — H2SO4-S(9)Hg0-S+· OH-S — HgO-S+· H-S(10)Hg0-S+ · OH-S — Hg (OH) 2_S(11)3、固體催化劑在一級分離塔內經(jīng)沉淀分離后可送入再生塔活化再生，然后循環(huán)再利用；4、反應產生的Hg2+能夠被添加的S2+吸收并反應生成難溶的HgS沉淀物，然后經(jīng)過沉淀分離后回收利用Hg2++S2- —HgS I(12)[0024]5、在重金屬汞元素被捕獲回收以后，溶液中僅剩下高濃度的硫酸與硝酸混合溶液可作為工業(yè)原料回收利用，整個一體化脫硫脫硝脫汞過程無二次污染。本實用新型的優(yōu)點及顯著效果非均相Photo-Fenton高級氧化工藝能夠釋放具有極強氧化能力的羥基自由基(· 0H)，而· OH與絕大部分有機物的反應速率常數(shù)高達 106-1010mol/L · s，能夠輕易攻擊各種污染物并將其降解為無害產物，且反應過程中的固體催化劑易于分離和再生循環(huán)使用，是一種氧化能力強，潔凈環(huán)保以及無選擇性的高級氧化脫除工藝。與本申請人(一種基于光化學高級氧化的同時脫硫脫硝系統(tǒng)201012096592. 5) 和(一種基于光化學高級氧化作用的煙氣脫汞系統(tǒng)201012096592. 8)相比，本實用新型具有以下明顯的優(yōu)勢(1)隨著人們對環(huán)保要求的不斷提高，針對煙氣中汞排放控制的法律法規(guī)也逐漸出臺，本發(fā)明可以在一個反應器內實現(xiàn)硫氧化物、氮氧化物和重金屬元素汞等三種污染物的同時脫除，因而能夠進一步降低系統(tǒng)的初始投資和運行費用。隨著人類對環(huán)保要求的不斷提高，本實用新型的這一優(yōu)勢將得到逐漸凸顯，而201012096592. 5和201012096592. 8均無法在同一個反應器內實現(xiàn)三種污染物的同時脫除。(2)本實用新型可以通過添加可回收的高效固體催化劑進一步提高污染物的脫除效率，且相同條件下還可以大幅度降低雙氧水的投加量，進而能夠大幅度降低雙氧水的使用成本。另外，本實用新型中固體催化劑在經(jīng)過簡單的沉淀分離后即可實現(xiàn)再生循環(huán)使用， 整個脫除過程無二次污染，因而是一種十分有應用前景的新型煙氣凈化技術。

圖1是本實用新型裝置流程圖；圖2是本實用新型鼓泡床內噴嘴和紫外燈管的安裝布置圖。
具體實施方式
參看圖1、2，來自燃燒器(鍋爐)1中含有一定濃度S02、N0x以及Hg°的煙氣首先經(jīng)過換熱器冷卻到合適的溫度，然后從鼓泡床4底部的噴嘴3通入液相反應區(qū)參與氣液吸收反應；非均相i^enton試劑首先加入添液塔12，然后由第一循環(huán)泵7從鼓泡塔4的上部添加到鼓泡床4內液相反應區(qū)參與氣液吸收反應；套有石英套管5的紫外燈6激發(fā)分解非均相 Fenton試劑釋放具有強氧化性的羥基自由基·0Η，并迅速將煙氣中的S02、N0x以及Hg°分別氧化為&S04、HN03*Hg2+溶液；為了制取高濃度的硫酸與硝酸溶液，降低液相產物的處理成本，反應生成的部分混合溶液需由第二循環(huán)泵8抽入添液塔12循環(huán)利用，剩余的混合溶液則由第三循環(huán)泵9抽入一級分離塔10，固體催化劑在一級分離塔10內經(jīng)過簡單的沉淀分離后由第四循環(huán)泵11送入再生塔14實現(xiàn)再生活化，再生后的固體催化劑由第五循環(huán)泵13再次通入添液塔12循環(huán)使用；經(jīng)過一級分離后的含Hg2+溶液則由第六循環(huán)泵15抽入二級分離塔16，然后通過添加等摩爾比的二價硫離子S2_反應生成難溶的HgS，經(jīng)過沉淀分離后實現(xiàn)汞元素硫化汞的回收利用，而最后剩余的高濃度硫酸與硝酸溶液則可以作為工業(yè)原料回收利用；經(jīng)過洗滌后的煙氣從鼓泡塔4頂部由引風機17抽入煙 18后排入大氣。上述裝置中由于煙氣溫度較高，如果高溫煙氣直接通入鼓泡塔液相反應區(qū)，則氣相污染物的溶解度將會發(fā)生下降，導致目標污染物的脫除效率下降。此外，高溫也會導致雙氧水直接分解為氧氣，利用率下降。因此，在煙氣通入鼓泡塔之前，高溫煙氣需要通過換熱器進行有效冷卻，故鼓泡塔入口煙氣溫度一般應控制在15-75 °C之間。由于煙氣中含有微細顆粒物，紫外燈如果直接暴露在煙氣中，則紫外燈很容易因顆粒物的高速沖刷而損壞。因此，紫外燈需要在外表面套上由高穿透光率的石英材料制成的石英套管，石英套管的內徑需要比紫外燈的外徑大2-4mm，長度與紫外燈保持相等或相近。為了能夠最大限度地利用光能，提高紫外光輻射強度，反應器內的紫外燈在安裝時均須與鼓泡塔底面保持垂直。此外，為了保持反應器內紫外光輻射均勻，增加光能有效利用率，紫外燈之間的間距b必須保持相等，且中心角a也必須保持相等。同時，紫外燈在反應器內的布置密度如果太大，則反應器內煙氣的流動阻力將會增加，導致系統(tǒng)的運行負荷和能耗增加，但如果反應器內紫外燈布置密度太小，則很難達到足夠的光輻射強度，從而導致污染物脫除指標達不到環(huán)保要求。因此，紫外燈間距b和中心角a的最佳范圍一般分別為 2cm-30cm和10-40度。紫外燈輻照強度關系到光量子產率的大小或者羥基自由基· OH的產率。如果紫外光輻照強度太小則難以充分激發(fā)臭氧分解產生足夠數(shù)量的羥基自由基·0Η 氧化脫除污染物，但若紫外光輻照強度太大，則系統(tǒng)的能耗將顯著增加。因此，紫外光強度需要保持在5W/m3-200W/m3，其中單位W/m3是指反應器在未安裝紫外燈之前，反應器為空塔時單位體積所需要的紫外光輻射功率。當紫外光波長較短時，紫外光的光子激發(fā)能相對增大，但此時紫外光的傳播距離卻較短，表現(xiàn)為單位功率紫外光的污染物處理能力較低。當紫外光波長較長時，盡管紫外光的傳播距離會增加，但此時紫外光光子的激發(fā)能卻顯著減小， 導致紫外光光子激發(fā)分解非均相i^enton試劑釋放羥基自由基·0Η的能量不足，最終導致污染物的脫除效率難以滿足環(huán)保要求。因此，紫外光的有效波長應保持在160nm-360nm范圍內。固體催化劑投加的有效質量濃度應當保持在0. 5g/L-5. Og/L范圍內，而雙氧水投加的有效摩爾濃度應當保持在0. lmol/L-2. 5mol/L。如果投加量太高，則將導致應用成本上升，反之則污染物的脫除效率難以達到要求。另外，投加的固體催化劑的粒徑也有嚴格的要求，如果投加的粒徑太大，則催化劑的比表面積會下降，但如果固體催化劑粒徑太小則會給一級沉淀分離帶來很大困難，增加后處理成本。因此，固體催化劑的粒徑一般應保持在80 目-200目之間。氣液吸收塔內添加的二價硫離子S2—的量需要有嚴格的控制標準，如果過量的添加S2—將會導致二次污染和應用成本增加，但S2—添加量太小則會導致二級分離塔內的化學吸收過程不夠充分，Hg2+的捕獲率低。因此，實際應用中，添加S2—的摩爾量應該與溶液中 Hg2+的摩爾量保持相等，即需要保持η (S2_) η (Hg2+) =1:1。由于液相混合產物分離回收時需要經(jīng)過二次處理。因此，如果混合溶液濃度太稀， 則勢必將增加二次處理費用。因此，整個脫除系統(tǒng)需要設置溶液部分再循環(huán)系統(tǒng)，即反應后產生的混合溶液一般需要有20-40%被重新抽入添液塔循環(huán)利用，以便增加溶液濃度，進而降低產物的后處理成本。實施例1.煙氣中的S02、NO與Hg°濃度分別為2000ppm，500ppm以及100ug/m3，固體催化劑為狗203顆粒(質量濃度為1. Og/L,粒徑為100目)，煙氣溫度為25°C，紫外光波長為254nm，UV輻射強度為100W/m3，雙氧水摩爾濃度為1. Omol/L，液氣比為20L/m3，效停留時間為10s，紫外燈間距b和中心角a分別為IOcm和25度時，煙氣中S02、N0與Hg0的一體化脫除效率可分別達到92. 1%，80. 9%和98. 8%。實施例2.煙氣中的SO2、NO與Hg°濃度分別為2000ppm，500ppm以及100ug/m3，固體催化劑為狗203顆粒(質量濃度為1. Og/L,粒徑為100目)，煙氣溫度為25°C，紫外光波長為254nm，UV輻射強度為150W/m3，雙氧水摩爾濃度為1. Omol/L，液氣比為20L/m3，效停留時間為10s，紫外燈間距b和中心角a分別為IOcm和25度時，煙氣中S02、N0與Hg0的一體化脫除效率可分別達到100%，92. 2%和100%。實施例3.煙氣中的SO2、NO與Hg°濃度分別為2000ppm，500ppm以及100ug/m3，固體催化劑為狗203顆粒(質量濃度為1.0g/L，粒徑為100目)，煙氣溫度為25°C，紫外光波長為254nm，UV輻射強度為100W/m3，雙氧水摩爾濃度為1. Omol/L，液氣比為20L/m3，效停留時間為10s，紫外燈間距b和中心角a分別為IOcm和25度時，煙氣中S02、N0與Hg0的一體化脫除效率可分別達到89. 2%,83. 2%和100%。實施例4.煙氣中的SO2、NO與Hg°濃度分別為2000ppm，500ppm以及100ug/m3，固體催化劑為狗203顆粒(質量濃度為1. 0g/L,粒徑為100目)，煙氣溫度為25°C，紫外光波長為2Mnm，UV輻射強度為50W/m3，雙氧水摩爾濃度為1. Omol/L，液氣比為15L/m3，效停留時間為10s，紫外燈間距b和中心角a分別為IOcm和25度時，煙氣中S02、N0與Hg0的一體化脫除效率可分別達到85. 8%，70. 8%和93. 7%。綜上所述，實施例2具有最佳的一體化脫硫脫硝脫汞效果，可作為最佳實施例參照使用。
權利要求1.一種基于非均相Photo-Fenton的一體化煙氣凈化裝置，其特征在于設有燃燒器、 換熱器、鼓泡塔、添液塔、兩級分離塔、再生塔、引風機以及煙囪構成的燃燒及排放系統(tǒng)，燃燒器燃燒產生的煙氣經(jīng)過管路通入換熱器冷卻后，通過管路從鼓泡塔底部設置的噴嘴通入鼓泡塔，添液塔頂部設有非均相i^nton試劑加入口，添液塔上部設置出口，通過管路由第一循環(huán)泵從鼓泡塔的上部通入鼓泡塔，鼓泡塔內設有紫外燈管，鼓泡塔下部設有第一出口， 通過管路由第二循環(huán)泵抽入添液塔，鼓泡塔下部設有第二出口，通過管路由第三循環(huán)泵抽入一級分離塔，一級分離塔頂部設有第一出口，通過管路由第四循環(huán)泵送入再生塔底部進口，再生塔頂部設置出口，通過管路由第五循環(huán)泵通入添液塔；一級分離塔下部設置出口， 通過管路由第六循環(huán)泵抽入二級分離塔，二級分離塔頂部設有二價硫離子S2—添加進口，二級分離塔還分別設有硫化汞及高濃度硫酸與硝酸溶液排放回收口，鼓泡塔頂部通過管路及引風機連通煙囪。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于非均相Photo-Fenton的一體化煙氣凈化裝置，其特征在于紫外燈管與鼓泡塔底面垂直，鼓泡塔內單位體積紫外光輻射功率為5W/m3-200W/m3，單位W/m3是指鼓泡塔在未安裝紫外燈之前，鼓泡塔為空塔時單位體積所需要的紫外光輻射功率，紫外光波長為120nm-360nm。
3.根據(jù)權利要求2所述的基于非均相Wioto-Fenton的一體化煙氣凈化裝置，其特征在于設置多根紫外燈管時，多根紫外燈管呈同心圓設置，相鄰同心圓之間距離相同，多根紫外燈管均布在不同直徑的圓周上，沿同一直徑線設置，各相鄰兩直徑線之間的中心角相同， 圓心處設有紫外燈管；噴嘴設置在與紫外燈管同心圓交替間隔的同心圓周上均布，且置于兩紫外燈管中心角半角的直徑線上。
專利摘要一種基于非均相Photo-Fenton的一體化煙氣凈化裝置，燃燒器燃燒產生的煙氣經(jīng)過換熱器冷卻后，從鼓泡塔底部噴嘴通入鼓泡塔，含有雙氧水及固體催化劑的非均相Fenton試劑加入添液塔后由鼓泡塔的上部亦通入鼓泡塔，鼓泡塔內設有紫外燈管，紫外光激發(fā)分解非均相Fenton試劑，將煙氣中的SO2、NOx以及Hg0氧化為H2SO4、HNO3和Hg2+并固定于溶液中，反應后混合溶液中的固體催化劑通過一級沉淀分離后實現(xiàn)循環(huán)再生利用，溶液中的Hg2+以通過添加等摩爾比的S2-生成難溶的HgS，然后經(jīng)過二級沉淀分離后回收，剩余的硫酸與硝酸溶液作為工業(yè)原料回收利用，洗滌后的煙氣由鼓泡塔頂部通過引風機抽入煙囪排放。
文檔編號B01D53/78GK202185259SQ20112004802
公開日2012年4月11日 申請日期2011年2月25日 優(yōu)先權日2011年2月25日
發(fā)明者丁啟忠, 劉楊先, 張軍, 張永春, 盛昌棟, 趙亮 申請人:東南大學