一种光解次氯酸同时脱硫脱硝脱汞的方法及装置与流程

本发明涉及燃烧烟气污染物控制领域，具体涉及一种光解次氯酸同时脱硫脱硝脱汞的方法及装置。

背景技术：

燃烧过程中产生的SO₂﹑NO_x和Hg⁰能够引起酸雨﹑光化学烟雾以及致癌和致畸等严重危害。因此，研发有效的烟气脱硫脱硝脱汞方法是各国环保科技人员的重要任务之一。近些年来，尽管人们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，目前应用较多的烟气脱硫脱硝技术主要为湿法石灰石-石膏法烟气脱硫技术和氨选择性催化还原法。这两种方法虽然可以分别单独脱硫脱硝，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同时脱硫脱硝，但同时也造成整个系统复杂，占地面积大，投资和运行成本高等不足。另外，随着人类对环保要求的不断提高，针对烟气中汞排放控制的法律法规也逐渐出台，但目前还没有一种经济有效的烟气脱汞技术获得大规模商业应用。如果在现有的脱硫和脱硝系统尾部再次增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，最终很难在发展中国家获得大规模商业应用。

综上所述，如果能够在一个反应器内将硫氧化物﹑氮氧化物和汞实现同时脱除，则有望大大降低系统的复杂性和占地面积，进而减少系统的投资与运行费用。湿法烟气净化技术是一种传统的烟气处理技术，具有初投资小﹑工艺流程简单和易于实现多污染物同时脱除等特点，是一种具有良好开发和应用前景的烟气净化技术，但传统的湿法烟气净化技术的研究进展却一直相对缓慢，其主要原因就在于烟气氮氧化物和汞元素中分别含有90％以上难溶的NO和40-80％难溶的Hg⁰。由双膜理论可知，气相分子必须首先由气态经传质和扩散过程溶入液相，然后才能发生化学反应固定到吸收液中，而NO与Hg⁰难溶的特性使得其在液相的吸收传质阻力大大增加，仅通过调控吸收液pH和温度的方法难以显著提高NO与Hg⁰在液相的溶解度，这一特性造成了传统的湿法脱硫脱硝脱汞技术普遍存在脱硫效率高，但脱硝和脱汞效率低等不足，实际上无法实现真正的同时脱硫脱硝脱汞。因此，寻找能够将NO与Hg⁰快速转化为易溶形态的有效方法是解决该问题的关键，也是实现烟气中SO₂﹑NO_x和Hg⁰三个污染物同时脱除的重要思路。

技术实现要素：

本发明涉及一种光解次氯酸同时脱硫脱硝脱汞的方法及装置，采用紫外光辐射分解次氯酸产生氯原子和羟基作为SO2﹑NOx和Hg0的氧化剂，在光解吸附床中氧化脱除烟气中的SO2﹑NOx和Hg0。来自锅炉含SO2﹑NOx和Hg0烟气从烟气入口进入光解吸附床中并与吸附反应柱上的活性碳纤维接触。氯气由氯气入口通过氯气曝气管喷入水中形成次氯酸溶液。吸附反应柱上的活性碳纤维通过旋转浸入酸溶液后会在表面上附有次氯酸。在紫外光辐射下，吸附反应柱上的活性碳纤维表面会因次氯酸分解而产生高活性氯原子和羟基。

本发明方法及装置的基本原理：

1、由图1所示，采用电子自旋共振光普仪可测定到紫外光辐射氯气水溶液中产生了氯原子和羟基。因此，紫外光辐射分解氯气水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)-(6)表示：

Cl·+H₂O→OH^-+·OH (5)

·O^-++H₂O→OH^-+·OH (6)

2、具有活泼性质的羟基可氧化脱除烟气中的SO2﹑NOx和Hg0，具体过程可用如下的化学反应(7)-(10)表示：

Hg⁰+·OH→HgO↓+·H

(7)

NO+2·OH→HNO₃+·H (8)

NO₂+·OH→HNO₃

(9)

SO₂+·2OH→H₂SO₄

(10)

3、脱除产物主要是硫酸﹑硝酸和氧化汞沉淀，氧化汞进入底部的产物分离槽后会因自身重力原因下沉分离，硫酸和硝酸均是工业原料，可被回收再利用。烟气中残留的氯气会被尾部的氯气分离塔吸收分离并循环再利用。该系统具有极强的氧化性，能够实现100％的SO2﹑NOx和Hg0的同时脱除率，且脱除过程无二次污染，具有广阔的市场应用前景。

依据上述原理，为实现以上脱硫脱硝脱汞目的，本发明采用的实施方案及要求如下：

所述的一种光解次氯酸同时脱硫脱硝脱汞的装置，设有一个光解吸附床，它设有烟气入口﹑烟气出口﹑氯气入口﹑去烟囱出口﹑补液口﹑产物回收口﹑紫外灯及石英套管﹑吸附反应柱﹑超声清洗装置﹑超声发射器﹑曝气管﹑产物分离槽﹑氯气分离塔﹑反应器顶板﹑反应器侧板﹑传动轴。

所述光解吸附床反应区分为两部分，上部设有吸附反应柱，吸附反应柱的两侧设有紫外灯及石英套管，所述吸附反应柱的底部设有超声发射器，所述超声发射器底部设有氯气曝气管，所述光解吸附床的底部设有吸附溶液，所述超声发射器与超声清洗装置连接；所述吸附反应柱的表面设有活性碳纤维；吸附反应柱呈逆时针方向旋转，并且吸附反应柱的旋转切线速度方向与烟气流动方向相反；所述烟气入口与烟气出口分设于光解吸附床的两侧，所述烟气出口与氯气分离塔连接，氯气分离塔同时连接去烟囱出口；所述氯气入口与烟气入口分布在光解吸附床的一侧。

光解吸附床的反应器顶板与吸附反应柱的母线(或者边线)保持充分接触，且光解吸附床的反应器侧板与吸附反应柱两个端面也保持充分接触，以防止烟气从缝隙中逃逸而不是经过活性碳纤维吸附层。根据烟气流量和SO₂﹑NO_x和Hg⁰入口浓度，吸附反应柱可以设置为1-6个，通常烟气流量越大，SO₂﹑NO_x和Hg⁰入口浓度越高，吸附反应柱数量越多，具体根据现场测试和SO2﹑NOx和Hg0的排放要求来确定吸附反应柱的数量(太少无法满足脱除效率要求，太多会加大反应器体积，增加系统运行成本。)。

在光解吸附床内，吸附反应柱与紫外灯之间的纵向间距A太大则无法保证光辐射均匀性和辐射强度，太小则能耗过高，紫外灯投入成本大大增加，故吸附反应柱与紫外灯之间的最佳纵向间距A位于15cm-25cm之间。同理，紫外灯与紫外灯之间的最佳横向间距D位于10cm-30cm之间。

烟气入口间距C太大会导致烟气分布不均匀，太小会造成烟气流动紊乱，流动阻力增加，故烟气入口最佳间距C在15cm-40cm之间。

氯气曝气管鼓出的气泡直径太大无法满足足够的气液接触面积，故氯气曝气管鼓出的气泡平均直径不大于100微米。吸附反应柱母线(或边线)进入溶液的垂直距离或深度B太小无法提供足够的活性炭纤维润湿面积，太长则会降低转动和汞捕捉效率，因此吸附反应柱母线进入溶液的最佳垂直距离或深度B应当位于5cm-10cm。

紫外灯及石英套管应当插入液面以下10cm以上，以保证紫外灯在高温烟气冲刷下获得高效的液相冷却效果(液体冷却效率要远远高于烟气冷却效果)。超声发射器与吸附反应柱最底处的端面保持垂直距离2cm-5cm厘米，因为太近会引发空泡效应，破坏超声探头，太远则降低了清洗振荡效果。

吸附反应柱必须呈逆时针方向旋转，并且吸附反应柱的旋转切线速度方向与烟气流动方向相反，这样可以保证与烟气气流呈逆流方向，从而强化传热传质，提高捕捉效率。吸附反应柱的直径太小会导致活性碳钎维铺设面积太小，捕捉面积和效率下降，而直径太大则增加了反应器体积，故吸附反应柱的最佳直径是30cm-90cm。

吸附反应柱转速越低，单次旋转捕捉和反应时间越长，单次脱除效果提高，但转速太低会导致系统整体脱除效率下降，因此吸附反应柱的最佳转速r位于5转/分钟-30转/分钟之间(具体还需要根据现场排放要求和SO2﹑NOx和Hg0脱除效率来确定最优化的转速。)。

所述的方法是采用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，在光解吸附床中氧化脱除烟气中的SO2﹑NOx和Hg0。来自锅炉含SO2﹑NOx和Hg0的烟气从烟气入口进入光解吸附床中并与吸附反应柱上的活性碳纤维接触。氯气由氯气入口通过氯气曝气管喷入水中形成次氯酸溶液。吸附反应柱上的活性碳纤维通过旋转浸入溶液后会在表面上附有次氯酸。在紫外光辐射下，吸附反应柱上的活性碳纤维表面会因次氯酸分解而产生高活性氯原子和羟基。烟气中的SO2﹑NOx和Hg0会在吸附反应柱上的活性碳纤维表面与羟基发生氧化反应，并且被固定在活性碳纤维表面。当吸附反应柱继续旋转并再次浸入溶液后，吸附在活性碳纤维表面的SO2﹑NOx和Hg0氧化产物会因为超声波振荡脱落后进入溶液，从而完成持续不断的脱SO2﹑NOx和Hg0和洗涤过程。脱SO2﹑NOx和Hg0氧化产物主要是硫酸﹑硝酸和氧化汞沉淀，氧化汞进入底部的产物分离槽后会因自身重力原因下沉分离，从而被回收利用，而硫酸和硝酸是工业原料，也可以回收利用。烟气中残留的氯气会被尾部的氯气分离塔吸收分离并循环再利用。

烟气入口温度太高会导致紫外灯工作效率大大下降，增加溶液的冷却难度，降低氯气的溶解度和利用率，并加剧次氯酸的自分解，故烟气入口温度不能高于200℃。溶液与烟气的液气比太高会导致单位反应器的烟气处理量大幅度增加，进而导致脱除效率下降，而溶液与烟气的液气比太低则会导致反应器无法充分利用，利用率降低，故溶液与烟气的最佳液气比为1L/m³-25L/m³。氯气投加量提高可提高溶液中次氯酸的浓度，促进氯原子和羟基产率提高，从而提高SO2﹑NOx和Hg0的脱除效率，但投加量太高会导致尾气中氯气的逃逸量大大提高，从而增加尾部氯气分离塔的分离难度和成本，因而氯气的最佳投加量为0.3L(氯气体积)/m³(溶液体积)-5.0L(氯气体积)/m³(溶液体积)之间。溶液的pH太高会加速次氯酸自分解，故一般不高于5.5。溶液温度太高会导致次氯酸加速自分解，并且降低汞的溶解度，从而降低脱除效率，故溶液温度一般不高于65℃。烟气中汞的浓度超过500μg/m³，NO_x浓度高于5000ppm，SO₂浓度高于5000ppm时会达不到同时脱除要求，故烟气中汞浓度应当低于500μg/m³，烟气中NO_x浓度不高于5000ppm，烟气中SO₂浓度不高于5000ppm。紫外光辐射强度太低无法满足辐射要求，太高会导致系统能耗大大提高，故紫外光有效辐射强度为50μW/cm²-500μW/cm²。紫外线波长越短，辐射出的光子能量越高，光解次氯酸的能力越强，但此时紫外光的传播能力很低，即处理能力有限，相反紫外光波长越长，光子分解次氯酸的能力下降，但有效传播距离增加，即处理能力上升，因此紫外光的有效波长应当保持在180nm-290nm。

脱除产物主要是硫酸﹑硝酸和氧化汞沉淀，氧化汞进入底部的产物分离槽后会因自身重力原因下沉分离，硫酸和硝酸均是工业原料，可被回收再利用。烟气中残留的氯气会被尾部的氯气分离塔吸收分离并循环再利用。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。

本发明的优点及显著效果：

本发明所述的一种光解次氯酸同时脱硫脱硝脱汞的方法及装置，具有设备简单、初投资小、能够实现同时脱硫脱硝脱汞，且同时脱除效率很高、整个脱除过程无二次污染等诸多优点，具有广阔的开发和应用前景。

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(氯气水溶液)。

图2是本发明中光解吸附床的主视图及结构示意图。

图3是本发明中光解吸附床的左视图及结构示意图。

图4是本发明中光解吸附床的灯管布置结构示意图。

具体实施方式

本发明所述的一种光解次氯酸同时脱硫脱硝脱汞的方法及装置，设有一个光解吸附床，它设有烟气入口1﹑烟气出口2﹑氯气入口3﹑去烟囱出口4﹑补液口5﹑产物回收口6﹑紫外灯及石英套管7﹑吸附反应柱8﹑超声清洗装置9﹑超声发射器10﹑氯气曝气管11﹑产物分离槽12﹑氯气分离塔13﹑反应器顶板14﹑反应器侧板15﹑传动轴16。光解吸附床的反应器顶板14与吸附反应柱8的母线(或者边线)保持充分接触(见图2和图3顶接触面处)，且光解吸附床的反应器侧板15与吸附反应柱8两个端面也保持充分接触(见图2侧接触面处)，以防止烟气从缝隙中逃逸而不是经过活性碳纤维吸附层。

所述光解吸附床反应区分为两部分，上部设有吸附反应柱8，吸附反应柱8的两侧设有紫外灯及石英套管7，所述吸附反应柱8的底部设有超声发射器10，所述超声发射器10底部设有氯气曝气管11，所述光解吸附床的底部设有吸附溶液，所述超声发射器10与超声清洗装置9连接；所述吸附反应柱8的表面设有活性碳纤维；吸附反应柱8呈逆时针方向旋转，并且吸附反应柱8的旋转切线速度方向与烟气流动方向相反；所述烟气入口1与烟气出口2分设于光解吸附床的两侧，所述烟气出口2与氯气分离塔13连接，氯气分离塔13同时连接去烟囱出口4；所述氯气入口3与烟气入口1分布在光解吸附床的一侧。

根据烟气流量和SO₂﹑NO_x和Hg⁰入口浓度，吸附反应柱8可以设置为1-6个，通常烟气流量越大，SO₂﹑NO_x和Hg⁰入口浓度越高，吸附反应柱8数量越多，具体根据现场测试和SO₂﹑NO_x和Hg⁰的排放要求来确定吸附反应柱8的数量(太少无法满足脱除效率要求，太多会加大反应器体积，增加系统运行成本。)。

在光解吸附床中氧化脱除烟气中的SO2﹑NOx和Hg0。来自锅炉含SO2﹑NOx和Hg0烟气从烟气入口1进入光解吸附床中并与吸附反应柱8上的活性碳纤维接触。氯气由氯气入口3通过氯气曝气管11喷入水中形成次氯酸溶液。吸附反应柱8上的活性碳纤维通过旋转浸入次氯酸溶液后会在表面上附有次氯酸。在紫外光辐射下，吸附反应柱8上的活性碳纤维表面会因次氯酸分解而产生高活性氯原子和羟基。烟气中的SO2﹑NOx和Hg0会在吸附反应柱8上的活性碳纤维表面与羟基发生氧化反应，并且被固定在活性碳纤维表面。当吸附反应柱8继续旋转并再次浸入溶液后，吸附在活性碳纤维表面的SO2﹑NOx和Hg0氧化产物会因为超声波振荡脱落后进入溶液，从而完成持续不断的脱SO2﹑NOx和Hg0和洗涤过程。脱SO2﹑NOx和Hg0氧化产物主要是硫酸﹑硝酸和氧化汞沉淀，进入底部的产物分离槽后会因自身重力原因下沉分离，从而被回收利用。烟气中残留的氯气会被尾部的氯气分离塔13吸收分离并循环再利用。

以下为本发明的最优的实施例：

实施例1.吸附反应柱与紫外灯之间的纵向间距A为20cm，紫外灯与紫外灯之间的横向间距D为20cm，烟气入口间距C为25cm，氯气曝气管鼓出的小气泡平均直径为50微米，吸附反应柱母线进入溶液的垂直距离或深度B为7cm，紫外灯及石英套管插入液面以下15cm，超声发射器与吸附反应柱最底处的端面保持垂直距离为3cm，吸附反应柱呈逆时针方向旋转，吸附反应柱的直径是50cm，转速r是15转/分钟。烟气入口温度为120℃，液气比为8L/m³，氯气的投加量为2.0L(氯气体积)/m³(溶液体积)，溶液pH为4.5，溶液温度为45℃，烟气中Hg⁰浓度为100μg/m³，NO_x浓度为600ppm，烟气中SO₂浓度为4000ppm。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：NO_x脱除率为58.9％，SO₂脱除率为89.9％，Hg⁰脱除率为84.1％。

实施例2.吸附反应柱与紫外灯之间的纵向间距A为20cm，紫外灯与紫外灯之间的横向间距D为20cm，烟气入口间距C为25cm，氯气曝气管鼓出的小气泡平均直径为50微米，吸附反应柱母线进入溶液的垂直距离或深度B为7cm，紫外灯及石英套管插入液面以下15cm，超声发射器与吸附反应柱最底处的端面保持垂直距离为3cm，吸附反应柱呈逆时针方向旋转，吸附反应柱的直径是50cm，转速r是15转/分钟。烟气入口温度为120℃，液气比为8L/m³，氯气的投加量为2.0L(氯气体积)/m³(溶液体积)，溶液pH为4.5，溶液温度为45℃，烟气中Hg⁰浓度为200μg/m³，NO_x浓度为1000ppm，烟气中SO₂浓度为5000ppm。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：NO_x脱除率为38.9％，SO₂脱除率为61.8％，Hg⁰脱除率为64.5％。

实施例3.吸附反应柱与紫外灯之间的纵向间距A为20cm，紫外灯与紫外灯之间的横向间距D为20cm，烟气入口间距C为25cm，氯气曝气管鼓出的小气泡平均直径为50微米，吸附反应柱母线进入溶液的垂直距离或深度B为7cm，紫外灯及石英套管插入液面以下15cm，超声发射器与吸附反应柱最底处的端面保持垂直距离为3cm，吸附反应柱呈逆时针方向旋转，吸附反应柱的直径是50cm，转速r是15转/分钟。烟气入口温度为120℃，液气比为8L/m³，氯气的投加量为2.0L(氯气体积)/m³(溶液体积)，溶液pH为4.5，溶液温度为45℃，烟气中Hg⁰浓度为60μg/m³，NO_x浓度为400ppm，烟气中SO₂浓度为3000ppm。紫外光辐射强度为200μW/cm²，紫外线波长为254nm。在小型实验系统上的结果为：NO_x脱除率为89.8％，SO₂脱除率为100％，Hg⁰脱除率为100％。

实施例4.吸附反应柱与紫外灯之间的纵向间距A为20cm，紫外灯与紫外灯之间的横向间距D为20cm，烟气入口间距C为25cm，氯气曝气管鼓出的小气泡平均直径为50微米，吸附反应柱母线进入溶液的垂直距离或深度B为7cm，紫外灯及石英套管插入液面以下15cm，超声发射器与吸附反应柱最底处的端面保持垂直距离为3cm，吸附反应柱呈逆时针方向旋转，吸附反应柱的直径是50cm，转速r是15转/分钟。烟气入口温度为120℃，液气比为8L/m³，氯气的投加量为2.0L(氯气体积)/m³(溶液体积)，溶液pH为4.5，溶液温度为45℃，烟气中Hg⁰浓度为60μg/m³，NO_x浓度为400ppm，烟气中SO₂浓度为3000ppm。紫外光辐射强度为300μW/cm²，紫外线波长为254nm。在小型实验系统上的结果为：NO_x脱除率为96.6％，SO₂脱除率为100％，Hg⁰脱除率为100％。

实施例5.吸附反应柱与紫外灯之间的纵向间距A为20cm，紫外灯与紫外灯之间的横向间距D为20cm，烟气入口间距C为25cm，氯气曝气管鼓出的小气泡平均直径为50微米，吸附反应柱母线进入溶液的垂直距离或深度B为7cm，紫外灯及石英套管插入液面以下15cm，超声发射器与吸附反应柱最底处的端面保持垂直距离为3cm，吸附反应柱呈逆时针方向旋转，吸附反应柱的直径是50cm，转速r是15转/分钟。烟气入口温度为120℃，液气比为8L/m³，氯气的投加量为2.0L(氯气体积)/m³(溶液体积)，溶液pH为4.5，溶液温度为45℃，烟气中Hg⁰浓度为60μg/m³，NO_x浓度为400ppm，烟气中SO₂浓度为3000ppm。紫外光辐射强度为300μW/cm²，紫外线波长为185nm。在小型实验系统上的结果为：NO_x脱除率为100％，SO₂脱除率为100％，Hg⁰脱除率为100％。

实施例6.吸附反应柱与紫外灯之间的纵向间距A为20cm，紫外灯与紫外灯之间的横向间距D为20cm，烟气入口间距C为25cm，氯气曝气管鼓出的小气泡平均直径为50微米，吸附反应柱母线进入溶液的垂直距离或深度B为7cm，紫外灯及石英套管插入液面以下15cm，超声发射器与吸附反应柱最底处的端面保持垂直距离为3cm，吸附反应柱呈逆时针方向旋转，吸附反应柱的直径是50cm，转速r是15转/分钟。烟气入口温度为120℃，液气比为15L/m³，氯气的投加量为1.0L(氯气体积)/m³(溶液体积)，溶液pH为4.5，溶液温度为45℃，烟气中Hg⁰浓度为60μg/m³，NO_x浓度为400ppm，烟气中SO₂浓度为3000ppm。紫外光辐射强度为100μW/cm²，紫外线波长为185nm。在小型实验系统上的结果为：NO_x脱除率为84.2％，SO₂脱除率为100％，Hg⁰脱除率为100％。

经过以上实施例的综合对比可知，实施例5具有最佳的同时脱除效果，脱硫脱硝脱汞效率均达到100％，可作为最佳实施例参照使用。