一种光辐射电解耦合脱汞的方法及装置与流程

本发明涉及烟气污染物控制领域，具体涉及一种光辐射电解耦合脱汞的方法及装置。

背景技术：

汞是一种剧毒性的重金属痕量元素，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，燃煤烟气汞污染控制标准的出台将是必然趋势。国内外学者在研究脱汞新理论和新技术领域做了大量卓有成效的工作。目前，在众多脱汞方法中，吸附剂吸附和湿法洗涤被认为是燃煤烟气脱汞领域的两个最有发展潜力的主流脱汞技术。湿法洗涤脱汞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汞。该技术可以实现较高的Hg²⁺(g)脱除率，但是对难溶的Hg⁰(g)没有明显的脱除效果，部分氧化态汞还可能被还原为单质汞。不少学者尝试用一些氧化技术在脱硫塔前将烟气中的Hg⁰(g)先氧化为Hg²⁺(g)，然后再用湿法烟气脱硫系统洗涤脱除Hg²⁺(g)。目前研究较多的选择性催化还原(SCR)催化氧化脱汞可实现部分Hg⁰(g)转化为Hg²⁺(g)，但脱汞效果受到燃煤组分﹑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Hg⁰(g)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Hg²⁺(g)和Hg⁰(g)，先将其转化为颗粒汞，然后利用现有的除尘设备将其捕获而达到脱汞目的。目前研究较多且技术最成熟的活性炭吸附法具有较高的脱汞效率，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脱汞技术。因此，在完善现有脱汞技术的同时，积极开发经济高效的新型燃煤烟气脱汞技术具有重要理论和现实意义。

技术实现要素：

一种光辐射电解耦合脱汞的方法及装置，先采用电解装置制备氯气，而氯气溶于水后形成次氯酸溶液。紫外光辐射分解次氯酸产生氯原子和羟基作为汞的氧化剂，在光辐射射流床中氧化脱除烟气中的汞。该系统具有极强的氧化性，能够实现100％脱汞率，且脱除过程无二次污染，具有广阔的市场应用前景。

本发明方法及装置的基本原理：

1、由图1所示，采用电子自旋共振技术可测定到紫外光辐射次氯酸溶液产生了氯原子和羟基。因此，紫外光辐射分解次氯酸溶液首先是释放了具有高活性的氯原子和羟基，具体过程可用如下的化学反应(1)-(7)表示：

Cl·+H₂O→OH^-+·OH (6)

·O^-++H₂O→OH^-+·OH (7)

2、羟基可氧化脱除烟气中的单质汞，具体过程可用如下的化学反应(8)表示：

Hg⁰+·OH→HgO↓+H· (8)

3、反应产生的氧化汞经过沉淀分离后可作为工业原料回收利用，脱汞过程无二次污染。

依据上述原理，为实现以上脱除汞目的，本发明采用的实施方案及要求如下：

一种光辐射电解耦合脱汞的方法及装置，设有一个光辐射射流床，它设有烟气入口﹑烟气出口﹑溶液入口﹑溶液出口﹑产物出口﹑空气入口﹑空气出口﹑旋流雾化喷嘴﹑石英板﹑紫外灯﹑循环泵﹑空气冷却装置﹑电解装置﹑氯气回收装置。

所述光辐射射流床上部作为雾化射流反应区域，底部为溶液区域；所述光辐射射流床中间是紫外灯及冷却室，所述冷却室的底部设有空气入口，所述冷却室的顶部设有空气出口；所述光辐射射流床的侧壁上设有烟气入口；所述光辐射射流床底部设有电解装置；所述光辐射射流床底部设有溶液入口、溶液出口，溶液出口连接有循环泵，循环泵通过液体管路与旋流雾化喷嘴连接，所述烟气入口与旋流雾化喷嘴连通；所述烟气出口位于光辐射射流床的顶部，所述烟气出口与氯气回收装置连接。

在光辐射射流床内，旋流雾化喷嘴的横向和纵向间距太大将无法形成良好的液滴雾化覆盖，太小将会导致液滴碰撞合并加剧，同样不利于液滴的雾化覆盖，故旋流雾化喷嘴的最佳横向和纵向间距A均位于20cm-50cm之间，且为便于安装，横向间距和纵向间距保持相等。

紫外灯与石英板之间的横向间距太小不利于空气流动冷却，太大则导致紫外传播距离增加，增加能耗，故紫外灯与石英板之间的最佳横向间距B位于1cm-2cm之间。

光辐射射流床的高度与烟气的停留时间/反应时间有关，高度增加，烟气停留时间增加，脱除效率会增加，但高度太高，反应器体积庞大，初始投资增加，因此光辐射射流床的最佳高度C位于0.5m-10m之间。

光辐射射流床的反应室的宽度太小会导致旋流雾化喷嘴无法展开覆盖，而宽度太大会导致循环泵功率增加，因此反应室的最佳宽度D位于0.1m-2m。

紫外灯的横向间距太大会导致紫外光辐射功率不足，而太小将导致能量消耗增加，故紫外灯的最佳横向间距E位于0.1m-1m之间。

光辐射射流床的长度与处理烟气的流量以及占地面积有关，烟气流量越大，需要的反应器长度越长，但占地面积也相应增大，综合两者因素后发现光辐射射流床的最佳长度F位于0.1m-8m之间。

旋流雾化喷嘴射出的溶液液滴直径太大无法提供足够的接触面积，故旋流雾化喷嘴射出的溶液液滴直径不大于100微米。

旋流雾化喷嘴射出的溶液液滴出口流速太小无法形成足够的气流刚度，不能对石英板形成足够的冲刷，故旋流雾化喷嘴射出的溶液的出口流速不小于1m/s。

所述的方法是先采用电解装置制备氯气，而氯气溶于水后形成次氯酸溶液。紫外光辐射分解次氯酸产生氯原子和羟基作为汞的氧化剂，在光辐射射流床中氧化脱除烟气中的汞。

来自锅炉含汞烟气从烟气入口进入光辐射射流床中并与旋流雾化喷嘴出来的次氯酸液滴混合后射向对面的石英板。石英板上的次氯酸在紫外灯辐射下分解产生高活性氯原子和羟基。烟气中的汞会在石英板表面与羟基发生氧化反应。反应产生的氧化产物会被后续射流冲击清洗，从而保证石英板具有良好的紫外光穿透性。

脱汞氧化产物主要是氧化汞沉淀，进入底部后会被回收利用。烟气中残留的氯气会被尾部的氯气回收装置吸收分离后循环再利用，洗涤后的烟气经烟气出口排入大气。空气冷却装置提供空气对紫外灯进行冷却，以保证紫外灯在低温下高效运行。

烟气入口温度太高将导致电解产生的次氯酸加速自分解，不利于脱除过程的进行。另外，烟气温度太高还将增加紫外灯冷却负担，因此烟气入口温度不高于180℃，可通过增加前置烟气冷却器冷却后再进入反应器。

溶液与烟气的液气比太低会导致脱除效果下降，而太高则导致反应器无法充分利用，故溶液与烟气的最佳液气比是1L/m³-50L/m³。

溶液中氯化钠是电解制备氯气的主要介质和原料，其浓度太高将导致雾化溶液粘稠度增加，增加旋流雾化喷嘴流动阻力和雾化难度，同时还会降低气体溶解度，而浓度太低则无法制取足够浓度的氯气，因此溶液中氯化钠的最佳浓度为0.01mol/L-2mol/L。

溶液的pH太高不利于次氯酸的稳定，也不利于污染物的脱除，因此溶液的pH要求不高于7.5。

溶液温度太高将会导致次氯酸分解和氯气溶解度下降，因此溶液温度不高于75℃。

烟气中汞浓度太高会导致排放无法达到环保要求，因此烟气中汞浓度不高于500μg/m³。

紫外光辐射强度越高，脱除效率越好，但能耗也将大大提高，故紫外光有效辐射强度为10μW/cm²-200μW/cm²。紫外线波长越短，释放的光子能量越大，分解次氯酸的能力越强，但传播距离明显下降，即处理能力不足，因此紫外线有效波长为180nm-366nm。

根据烟气处理量﹑可用的占地面积和脱除效率等综合指标，光辐射射流床可以是一个单用，也可以是两个或两个以上的串联(串联可以增加脱除效率)或并联使用(并联可以增加处理的烟气量)。

洗涤后的烟气中可能有少量的氯气存在，尾部设有含有次氯化碳的氯气回收装置，可以进一步洗涤回收氯气，回收后的氯气可再循环利用。紫外灯运行过程中会产生大量的热量，温度太高将会大大降低紫外灯的运行效率和使用寿命，因此系统运行时需要设置一套利用空气循环的冷却装置，冷却空气量可以根据出口气流温度来确定，一般保持紫外灯运行温度在55摄氏度以下即可。

本发明的优点及显著效果：

本发明所述的一种光辐射电解耦合脱汞的方法及装置，具有设备简单、初投资小、脱汞效率高、整个脱除过程无二次污染等诸多优点，具有广阔的开发和工业前景。

附图说明

图1一种光辐射氯原子和羟基的电子自旋共振光普图。

图2是本发明中光辐射射流床的主视图及结构示意图。

图3是本发明中光辐射射流床的旋流雾化喷嘴布置示意图。

图4是本发明中光辐射射流床的紫外灯管布置示意图。

具体实施方式

一种光辐射电解耦合脱汞的方法及装置，设有一个光辐射射流床，它设有烟气入口1﹑烟气出口2﹑溶液入口3﹑溶液出口4﹑产物出口5﹑空气入口6﹑空气出口7﹑旋流雾化喷嘴8﹑石英板9﹑紫外灯10﹑循环泵11﹑空气冷却装置12﹑电解装置13﹑氯气回收装置14。光辐射射流床底部装有氯化钠溶液，上部作为雾化射流反应区域，反应器以紫外灯10为中心对称布置，两侧是反应室15(图1中标有雾化液滴部分)，中间是紫外灯布置及冷却室(图1中紫外灯周围没有雾化液滴部分)，冷却室是由石英板围成的，冷却室的作用是避免紫外灯与反应液直接接触，并且可以通入冷却空气，降低紫外灯的温度。

所述光辐射射流床上部作为雾化射流反应区域，底部为溶液区域；所述光辐射射流床中间是紫外灯7及冷却室，所述冷却室的底部设有空气入口6，所述冷却室的顶部设有空气出口7；所述光辐射射流床的侧壁上设有烟气入口1；所述光辐射射流床底部设有电解装置13；所述光辐射射流床底部设有溶液入口3、溶液出口4，溶液出口4连接有循环泵11，循环泵11通过液体管路与旋流雾化喷嘴8连接，所述烟气入口1与旋流雾化喷嘴8连通；所述烟气出口2位于光辐射射流床的顶部，所述烟气出口2与氯气回收装置14连接。

所述的方法是先采用电解装置13制备氯气，而氯气溶于水后形成次氯酸溶液。紫外光辐射分解次氯酸产生氯原子和羟基作为汞的氧化剂，在光辐射射流床中氧化脱除烟气中的汞。来自锅炉含汞烟气从烟气入口1进入光辐射射流床中并与旋流雾化喷嘴8出来的次氯酸液滴混合后射向对面的石英板9。石英板9上的次氯酸在紫外灯10辐射下分解产生高活性氯原子和羟基。烟气中的汞会在石英板9表面与羟基发生氧化反应。反应产生的氧化产物会被后续射流冲击清洗，从而保证石英板9具有良好的紫外光穿透性。

脱汞氧化产物主要是氧化汞沉淀，进入底部后会被回收利用。烟气中残留的氯气会被尾部的氯气回收装置14吸收分离后循环再利用，洗涤后的烟气经烟气出口排入大气。

空气冷却装置12提供空气对紫外灯进行冷却，以保证紫外灯在低温下高效运行。该系统具有极强的氧化性，能够实现100％脱汞率，且脱除过程无二次污染，具有广阔的市场应用前景。

在光辐射射流床内，旋流雾化喷嘴8的横向和纵向间距A均位于20cm-50cm之间，且横向间距和纵向间距保持相等。紫外灯10与石英板9之间的横向间距B位于1cm-2cm之间。光辐射射流床的高度C位于0.5m-10m之间。反应室的宽度D位于0.1m-2m。紫外灯10的横向间距E位于0.1m-1m之间。光辐射射流床的长度F位于0.1m-8m之间。旋流雾化喷嘴8射出的溶液液滴直径不大于100微米，出口流速不小于1m/s。烟气入口温度不高于180℃，溶液与烟气的最佳液气比为1L/m³-50L/m³，溶液中氯化钠的最佳浓度为0.01mol/L-2mol/L，溶液的pH不高于7.5，溶液温度不高于75℃，烟气中汞浓度不高于500μg/m³，紫外光有效辐射强度为10μW/cm²-200μW/cm²，紫外线有效波长为180nm-366nm。

以下为本发明最优实施例：

实施例1.旋流雾化喷嘴的横向和纵向间距A均为30cm。紫外灯与石英板之间的横向间距B为1cm。光辐射射流床的高度C为1.0m之间。反应室的宽度D为0.6m。紫外灯的横向间距E为0.1m。光辐射射流床的长度F为1.0m。旋流雾化喷嘴射出的溶液液滴直径为80微米，出口流速为3m/s。烟气入口温度为120℃，液气比为8L/m³，氯化钠浓度为0.5mol/L，溶液pH为4.5，溶液温度为45℃，烟气中汞浓度为100μg/m³，紫外光辐射强度为80μW/cm²，紫外线波长为254nm。在小型实验系统上的结果为：脱汞效率达到84.6％。

实施例2.旋流雾化喷嘴的横向和纵向间距A均为30cm。紫外灯与石英板之间的横向间距B为1cm。光辐射射流床的高度C为1.0m之间。反应室的宽度D为0.6m。紫外灯的横向间距E为0.1m。光辐射射流床的长度F为1.0m。旋流雾化喷嘴射出的溶液液滴直径为80微米，出口流速为3m/s。烟气入口温度为120℃，液气比为12L/m³，氯化钠浓度为0.5mol/L，溶液pH为4.5，溶液温度为45℃，烟气中汞浓度为100μg/m³，紫外光辐射强度为80μW/cm²，紫外线波长为254nm。在小型实验系统上的结果为：脱汞效率达到61.1％。

实施例3.旋流雾化喷嘴的横向和纵向间距A均为30cm。紫外灯与石英板之间的横向间距B为1cm。光辐射射流床的高度C为1.0m之间。反应室的宽度D为0.6m。紫外灯的横向间距E为0.1m。光辐射射流床的长度F为1.0m。旋流雾化喷嘴射出的溶液液滴直径为80微米，出口流速为3m/s。烟气入口温度为120℃，液气比为5L/m³，氯化钠浓度为0.5mol/L，溶液pH为4.5，溶液温度为45℃，烟气中汞浓度为100μg/m³，紫外光辐射强度为80μW/cm²，紫外线波长为254nm。在小型实验系统上的结果为：脱汞效率达到91.5％。

实施例4.旋流雾化喷嘴的横向和纵向间距A均为30cm。紫外灯与石英板之间的横向间距B为1cm。光辐射射流床的高度C为1.0m之间。反应室的宽度D为0.6m。紫外灯的横向间距E为0.1m。光辐射射流床的长度F为1.0m。旋流雾化喷嘴射出的溶液液滴直径为80微米，出口流速为3m/s。烟气入口温度为120℃，液气比为8L/m³，氯化钠浓度为0.5mol/L，溶液pH为4.5，溶液温度为45℃，烟气中汞浓度为100μg/m³，紫外光辐射强度为120μW/cm²，紫外线波长为254nm。在小型实验系统上的结果为：脱汞效率达到97.8％。

实施例5.旋流雾化喷嘴的横向和纵向间距A均为30cm。紫外灯与石英板之间的横向间距B为1cm。光辐射射流床的高度C为1.0m之间。反应室的宽度D为0.6m。紫外灯的横向间距E为0.1m。光辐射射流床的长度F为1.0m。旋流雾化喷嘴射出的溶液液滴直径为80微米，出口流速为3m/s。烟气入口温度为120℃，液气比为8L/m³，氯化钠浓度为0.5mol/L，溶液pH为4.5，溶液温度为45℃，烟气中汞浓度为100μg/m³，紫外光辐射强度为80μW/cm²，紫外线波长为185nm。在小型实验系统上的结果为：脱汞效率达到100％。

实施例6.旋流雾化喷嘴的横向和纵向间距A均为30cm。紫外灯与石英板之间的横向间距B为1cm。光辐射射流床的高度C为1.0m之间。反应室的宽度D为0.6m。紫外灯的横向间距E为0.1m。光辐射射流床的长度F为1.0m。旋流雾化喷嘴射出的溶液液滴直径为80微米，出口流速为3m/s。烟气入口温度为120℃，液气比为8L/m³，氯化钠浓度为0.5mol/L，溶液pH为4.5，溶液温度为45℃，烟气中汞浓度为100μg/m³，紫外光辐射强度为80μW/cm²，紫外线波长为365nm。在小型实验系统上的结果为：脱汞效率达到26.1％。

经过以上实施例的综合对比可知，实施例5具有最佳的脱除效果，汞的脱除效率达到100％，可作为最佳实施例参照使用。