除汞设备、烟气处理系统以及去除汞的方法与流程

本发明涉及一种在含有金属汞(HgO)的烟气中去除汞的除汞设备。

背景技术：

从燃煤锅炉、废物焚化炉或水泥燃烧装置排放的烟气可能包括微量的有害物质，例如灰尘、硫的氧化物(SOx)、氮的氧化物(NOx)、汞(Hg)、砷(As)、镉(Cd)、铅(Pb)、硒(Se)或这些化合物的组合物。如果这些有害物质释放到大气中，则这些物质可能被结合到人体内并影响人类的健康。这些物质也聚积在湖泊或海洋鱼类和贝类中，并且这些鱼类和贝类可能对人体有负面影响。因此，在世界各地加强了对这些有害物质的排放限制。

特别是，金属汞(HgO)很容易从烟道中释放，这是因为HgO在室温下具有高蒸汽压力。此外，汞对人体具有负面影响。这就是现在考虑对汞进行严格监管的原因，并且更为有效且精确地去除烟气中的汞是必需的。

已经考虑了一种通过使用选择性催化还原设备(SCR)和烟气脱硫设备(FGD)来去除汞的方法。SCR通过将NOx还原为N2来去除烟气中的NOx。并且FGD通过使用碱性吸收溶液作为SOx吸收溶液来去除烟气中的SOx。

这样一来，在烟气流中，NOx被还原并被通过在SCR的上游处添加铵(NH3)而脱硝。同时，喷洒了一种作为汞氧化剂的诸如盐酸(HCl)或氯化铵(NH4Cl)之类的卤素化合物，并且HgO在SCR处被氧化成Hg2+并且被变成水溶性的氯化汞(HgCl2)。此后，湿的FGD去除该水溶性的HgCl2。

由于HgO具有极低的水溶性，因此HgO在FGD处并不被吸收到水中。然而，HgCl2很容易被吸收到水中，并且在FGD处去除了大部分的HgCl2。

用于在烟气中进行处理的上述背景方法需要添加诸如氯之类的卤素，以便将HgO改变成Hg2+。然而，该背景方法可能导致诸如富含卤素的FGD废水的增加、或来自FGD的烟气中的卤素的增加之类的环境问题。并且由于在从FGD供给的石膏中汞的浓度是较高的，因此会难以用于成品。

因此，为了更为有效地去除汞而不添加卤素，并且通过位于FGD的下游上的洗涤器来吸收汞化合物，日本专利公开文献No.2002-181757公开了 一种通过向排放气体辐射紫外线以氧化汞并去除Hg2+来去除汞的方法。

然而，由于烟气具有低的汞浓度并且紫外线灯效率很低，因此通过紫外线辐射来氧化汞的方法需要相当多的电量。此外，由于紫外线灯的表面的污染造成紫外线的传送减少，这就需要频繁地清洁该紫外线灯。

技术实现要素：

因此，本实施例提供了更为有效且精确地去除烟气中的汞的除汞设备、烟气处理系统以及去除汞的方法。

根据当前公开的方面，一种除汞设备包括汞氧化设备以及被设置于FGD下游的洗涤器。该汞氧化设备包括放电装置和汞氧化催化剂。该放电装置包括第一电极和面对该第一电极的第二电极，该放电装置通过产生电晕放电来使汞活化。氧化催化剂被设置于该放电装置的下游。包括放电装置和汞氧化催化剂的多个装置被串联连接。氧化汞与预先存在于烟气中并被设置于汞氧化设备的下游的洗涤器中的吸收溶液所吸收的卤素起反应。一部分吸收溶液被提取并且该溶液中的氧化汞与诸如硫化氢(H2S)之而立的硫化物起反应以形成诸如硫化汞(HgS)之类的低溶解度化合物。

附加目的是该除汞设备被设置于FGD的下游，这是因为一部分氧化汞将会在FGD中被还原成HgO。

将会理解的是，上述概括性描述和下列详细描述仅是示例性和说明性的，并且并非限制所要求保护的实施例。

附图说明

被结合在本专利说明书中并构成本专利说明书的一部分的附图示出了多个实施例中的一个实施例并且与说明书一起用于解释这些实施例的原理。

图1是关于烟气处理系统的视图。

图2是汞氧化设备15的构造的示例。

图3是汞氧化设备15的构造的一部分的纵向截面图。

图4是汞氧化设备15s的横断面视图的一部分。

图5是从沿着图2的方向A-A察看到的视图。

图6是用于1000MW火力发电厂的氧化设备15的外形图。

具体实施方式

现在将详细地参考本实施例，其示例示于附图中。在任何可能的位置， 将在整个附图中使用相同的附图标记来表示相同或相似的元件。

图1是根据实施例的关于烟气处理系统的视图。如图1中所示，烟气处理系统10包括选择性催化还原设备(SCR)11、热交换器(热回收侧)12、集尘器13、烟气脱硫设备(FGD)14、汞氧化设备15、洗涤器16和热交换器(再加热侧)17。

从锅炉26排出的气体为烟气25A，从SCR 11排出的气体为烟气25B，从FGD 14排出的气体是烟气25C，从汞氧化设备15排出的气体为烟气25D，并且从洗涤器16排出的气体为烟气25E。

该SCR 11包括催化剂层21和还原剂供给装置22。该还原剂供给装置22供给诸如NH3之类的还原剂。该还原剂供给装置22设置在SCR催化剂层21的上游。在催化剂层21处，还原剂被用于NOx还原和脱硝。该SCR 11被加热到例如高于300摄氏度，以便保持催化剂的活化。

在从锅炉26排出的烟气25A正在烟气管道27处流动时，还原剂被从还原剂供给装置22供给。在SCR上，烟气25A中的NOx按照下列公式(1)被通过NH3还原为N2。

4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O…(1)

一部分HgO在催化剂层21处被氧化并被转化成HgCl2，这是因为通常烟气25A包括比汞高的氯浓度(例如比汞浓度高几千到几万倍)。

例如，还原催化剂层21的形状为例如其横截面为蜂窝或四边形几何形状的具有连通孔的多孔体、由网状几何结构组成的纤维组件、充满颗粒催化剂的本体。

SCR可以是下列组合物：从V、W、Mo中选择的至少一种活性金属被添加到作为载体的氧化合成物TiO2和SiO2。

烟气25A中的NOx被还原成N2。由SCR 11处理的气体被作为烟气25B向热交换器(热回收侧)12供给。

在烟气25B的脱硝处理之后，烟气25B被通过热介质28冷却。此后，集尘器13去除烟气25B中的粉尘。

该集尘器13可以是静电滤尘器(ESP)或纤维过滤器(FF)。在集尘处理之后，烟气25B被向FGD 14供给。

FGD 14去除了烟气25B中的SOx和HgCl2。从FGD 14的设备本体32的底侧壁部供给烟气25B。碱性吸收溶液31被通过喷嘴33供给到设备本体32中。

在设备本体32的填充层34处，从底部向上流动的烟气25B和从喷嘴33向下流动的碱性吸收溶液31彼此气液接触。通过该过程，烟气25B中 的SOx被吸收在碱性吸收溶液31中。在这一点上，由于HgCl2具有水溶性，因此HgCl2被吸收在溶液31以及SOx中。由溶液31清洁的烟气25B被从设备本体32的顶部排出，并作为烟气25C供给到汞氧化设备15。

这里，溶液31可以是能够吸收烟气25B中的HgCl2和SOx的碱性水溶液，例如石灰石石膏浆、碳酸钙、氧化钙、氢氧化钙、碳酸钠、水溶液。

例如，通过将石灰石粉末溶解在水中形成该石灰浆CaCO3。由于烟气25B中的大部分Sox都是SO2，因此吸收SO2的石灰浆CaCO3被转化成CaSO3。

当石灰石石膏浆被用作碱性吸收溶液31时，烟气25B中的SO2与浆液(CaCO3)在设备本体32中按照下列公式(3)起反应。

CaCO3+SO2+0.5H2O→CaSO3·0.5H2O+CO2…(3)

此外，吸收SO2的石灰石石膏浆与水混合，并被供给到设备本体32。此后，由空气所氧化的被供给到设备本体32。

在这种情况下，在设备本体32中向下流动的石灰石石膏浆与水和空气以下列公式(4)起反应。

CaSO3·0.5H2O+0.5O2+1.5H2O→CaSO4·2H2O…(4)

这样一来，烟气25B中的SOx被以石膏CaSO4·2H2O的形式捕获在FGD 14中。

存储在设备本体32的底部中的碱性吸收溶液31被从底部收回并被向诸如输送带过滤机、离心分离机、干燥器之类的脱水装置35供给。在脱水处理之后，固体部分主要是石膏36。由于石膏中的汞浓度不高，因此该石膏可被用于成品。

尽管在脱水处理之后大部分的液体部分可被返回到FGD 14用于重复使用，但一部分液体部分被排放掉以控制FGD中的氯浓度，用于防止腐蚀。所排放的液体被向废水处理设备37发送。

尽管在FGD 14处去除了氧化汞，但由于汞具有低电离倾向，因此相当多的HgO存在于烟气25C中。此外，由于SO2在FGD 14中作为还原剂起作用，因此一些Hg2+被减少成HgO。通常，烟气25C包含烟气25A中的HgO量的1/4。

汞氧化设备15去除了残存在从FGD 14排出的烟气25C中的汞。

此外，通常来说，烟气25B包括比汞更高的氯浓度(例如是汞浓度的几千至几万倍)。尽管在FGD 14中吸收了大部分氯，但氯在烟气25C中保持比HgO高得多的浓度。

通过使用残存在烟气25C中的氯作为汞氧化剂来对汞进行氧化，汞氧 化设备15去除了烟气25C中的HgO。

图2为汞氧化设备15的构造。图3为汞氧化设备15的构造的一部分的纵向截面图。图4是汞氧化设备15的截面图的一部分。图5是从沿着图2的方向A-A察看到的视图。

如图2到图5中所示，汞氧化设备15包括放电装置41和位于本体43的内侧的氧化催化剂装置42。

放电装置41设置于氧化催化剂装置42的上游。放电装置41和氧化催化剂装置42的组件被串联和并联地设置。

尽管三组放电装置41和氧化催化剂装置42在图2中被串联和并联地设置，但可根据去除汞的性能和烟气25C的流速来调节放电装置41和氧化催化剂装置42的数量。

放电装置41包括第一电极(内部电极)44和第二电极(外部电极)45。第一电极44以与烟气25C的流动垂直的方式设置。

在图3中，第一电极44的两端被经由绝缘体46固定于本体43。该绝缘体46被形成为圆柱形，并且起到电极支柱的作用。第一电极44被装配于绝缘体46的内部周界。绝缘体46包括诸如陶瓷之类的耐热材料。

第二电极45被布置为面对第一电极44。在该实施例中，第二电极45轴向地设置在第一电极44的周围(在本实施例中，第二电极45具有4个表面)。

此外，第二电极45由4个部分组成，第二电极部分45a、45b×2个表面、45c。第二电极部分45a、c包括烟气25C在内侧流过的开口。第二电极部分45b设置于被并联设置的电极部分44a和44c之间。并且第二电极部分45b并不具有开口，这是因为烟气25c并不流过其内侧。

第二电极部分45c设置于氧化催化剂装置42的表面，并且包括处于烟气出口侧的开口。该第二电极部分45c的该开口与该氧化催化剂装置42的孔49连通。

当将金属、不锈钢或导电陶瓷用作该氧化催化剂装置42的催化剂载体时，该载体本身起到第二电极部分45c的作用。在这种情况下，可以省略掉第二电极45c。

在该实施例中，第二电极45轴向地覆盖在第一电极44的周围。然而，只要第二电极45面对第一电极44，第二电极45的位置和数量就不受到限制。

导线47连接第一电极44和第二电极45。第一电极44和第二电极45被经由导线47连接到脉冲供电单元48。该脉冲供电单元48将高电压DC 或AC添加到第一电极44。并且第二电极45被连接到脉冲供电单元48的地线。

烟气25C流过位于第一电极44和第二电极45之间的空间。该脉冲供电单元48在第一电极44和第二电极45之间施加电压，并且在电极44、45之间产生电晕放电。

由电晕放电所导致的等离子体处于非平衡状态中，使得电子温度高于原子核温度。通过与高温(高速)电子的碰撞激励或电离中性粒子(烟气25C中的氮、氧等)。受到激励的电子的能级估计为2-3eV，相当于2-3万摄氏度。

氮气和氧气的第一电离能为约15eV。当氮气和氧气的电子通过高速电子碰撞获得比第一电离能高的能量时，发生电子雪崩。

由于具有较长宽度的脉冲导致电子和中性粒子之间的更大的碰撞频率，因此中性粒子的温度增加更多。结果，电晕放电转变为电弧放电。

在电晕放电的情况下，当电极之间的距离为约1厘米时，电阻为约1kΩ。但在电弧放电的情况下，电阻几乎为零，并且变为导电状态。并且该电弧放电导致大电流，并且在这种情况下，热等离子体可能损坏这些装置。因此，脉冲宽度优选地短于电晕放电转变为电弧放电的时间。

当烟气25C流过在电极之间产生电晕放电的位置时，产生了诸如羟基(OH基)、氧/氮基之类的活性品类。此外，微量的金属汞或卤素(例如烟气25C中的氯)也被通过高速电子活化。

这里，当向放电区域供给烟气25C时，放电单元41通过脉冲供电单元48在电极之间供给电压。并且可通过根据流速(脉冲供电部件48的开/关比(占空比))调节频率来节能。

该电压脉冲宽度被选择成，使得在电极之间稳定地产生电晕放电。当电极44、45之间的距离过短时，放电是不稳定的。当电极44、45之间的距离过长时，根据附加电压，供电电压的成本过高。此外，放电场变得在空间上是不均匀的，并且降低了效率。在该实施例中，在电极之间的距离为5毫米～30毫米的状况下，在峰值电压为1kV～40kV以及脉冲宽度为500纳秒或更少，优选地只要200纳秒或更少的情况下，稳定地维持电晕放电是可能的。

这里，脉冲宽度意指在50％的全电压高度之间的间隔。较短的脉冲宽度可节能，这是因为较短的脉冲宽度有效地提高了电子温度。但现有供电半导体的上升时间被限制到约20到30纳秒。

通过调节由如上所述的脉冲供电单元48所供给的电压和脉冲宽度，基 团由在位于电极之间的空间中的高于核温度的非平衡等离子体形成，并且流到氧化催化剂装置42。

因为通过提高电子温度来有助于发生化学反应的主要是电子，因此当中性粒子温度处于室温下时，可发生催化反应。

由于基团通过与中性粒子的碰撞降低了活性，因此优选的是放电装置41和氧化催化剂装置42彼此是尽可能接近的。在该实施例中，放电装置41和氧化催化剂装置42被以接触的方式设置。然而，为了稳定地维持该电晕放电，如上所述，在第一电极44和氧化催化剂装置42之间的适当间距是必要的。

因此，在该实施例中，第一电极44和第二电极45之间的距离为5毫米或更多以及30毫米或更少，并且优选的处于5毫米或更多与10毫米或更少的范围中。这里，第一电极44和第二电极45之间的距离意指介于第一电极44和第二电极45之间的最小距离。

为了均匀地产生放电场，全部第一电极44和第二电极45优选地是基本相等的。因此，在该实施例中，第二电极45被布置为平面正方形，并且第一电极44被设置于该正方形的中心处。

在通过电晕放电活化烟气25C中的HgO后，烟气25C被向氧化催化剂装置42供给。

该氧化催化剂装置42被设置于放电装置41的下游。该氧化催化剂装置42具有汞氧化催化剂。

当烟气25C流入到氧化催化剂装置42中时，烟气25C中被活化的汞与烟气25C中的诸如氯、溴之类的卤素相结合，并且变成汞卤化合物。因为烟气25C与汞相比富含氯，因此大部分的活化汞被烟气25C中的氯所氧化。

活性品类失去活性所花费的时间为几微秒到几毫秒(取决于该活性品类)。当烟气25C的流速为每秒几米时，汞在与汞氧化催化剂接触的烟气25C中保持活性所通过的距离为几厘米或更少。因此，氧化催化剂装置42的流动方向的长度优选地小于几厘米。

通常来说，有关催化剂的反应速率取决于接触时间。这里，如果汞氧化设备15仅具有一组放电装置41和氧化催化剂装置42，则由于接触时间过短而不足以起反应，因此一些HgO穿过而不被氧化。因为活性品类失去活性的时间是非常短的，并且如上所述，烟气25C与具有活性的汞氧化催化剂接触的距离是非常短的，因此汞氧化设备15应该具有连续的多组放电装置41和氧化催化剂装置42以便将足够的HgO转化成Hg2+。

这组放电装置41和氧化催化剂装置42的并联和串联的数量由烟气速度和氧化催化剂的空间速度(烟气流速/催化剂的体积)所确定。图6是对于1,000MW的火力发电厂的情况的汞氧化设备15的外形图。在这种情况下，流速为3百万Nm3/h，氧化催化剂的空间速度为30,000/h并且催化剂中的流速为10m/s。根据上述条件，催化剂的体积为100立方米，催化剂截面积为约10平方米，并且长度为约1米。当放电装置41和催化剂装置42的尺寸都为2平方厘米时，汞氧化设备15包括约500个并联组和25个串联组。用于汞氧化的排放能耗为约7兆瓦，其为发电量的0.7％。

通常来说，从燃煤发电站或垃圾焚烧设施排放烟气，由于它含有高浓度的氯，因此没有必要将汞氧化剂添加到烟气25C中。但是，根据燃煤发电厂中所用煤的类型，存在氯含量是极少的情况。

在这一点上，汞氧化剂优选地为卤素中的氯或溴，这是因为汞卤化合物在去除卤代汞卤化物的过程中需要具有高溶解度，该卤代汞卤化物从与活化汞的反应中出现。并且，在该实施例中，向烟气25C供给的卤素气体也被称为烟气。

汞氧化催化剂是已知的，例如，用于催化剂载体的堇青石(2MgO·2Al2O3·5SiO2·TiO2)或氧化钛(TiO2)、贵金属(即铂(Pt)/钯(Pd)/铑(Rh))、用于活性元素的这些金属钒(V)/钼(Mo)或这些金属的氧化物(V2O5/MO3)以及在载体上添加钨(W)/铜(Cu)/钴(Co)/镍(ni)/锌(Zn)或这些化合物。

在于汞氧化催化剂装置42处将HgO氧化成汞卤化合物之后，烟气被向洗涤器16供给。洗涤器16去除了汞卤化合物。洗涤器16可以是气液接触设备，例如液流塔、喷雾塔、填料塔、充气罐。由于洗涤器16去除了水溶性的汞卤化合物，因此从自洗涤器16排放的烟气25D中极大程度地去除了汞。

洗涤器16的吸收溶液为汞氧化剂溶液或重金属收集溶液。该汞氧化剂溶液可以是高锰酸钾和硫酸的混合溶液、过硫酸铵和硫酸的混合溶液、汞氧化剂(NaClO、HClO、过氧化氢)或汞固色剂(螯合剂、制作低溶解度的盐的硫化氢)。重金属吸收液可以是碱、金属离子清除剂、螯合剂。

在通过洗涤器16去除了排气25D中的氯化汞之后，排气25D被作为烟气25E向再热的热交换器17供给。在热交换器(再热侧)17中，烟气25E被通过热介质28加热以防止白烟出现，并且被从烟囱51向大气排放。

包含在洗涤器16处产生的汞卤化合物的吸收溶液被作为废液52排出，使得卤化汞的浓度被保持于一定量。废浆液52被过滤以分离开固体和液体 或被通过喷雾干燥器干燥以使粉末固化。由于固体组分包括高浓度汞，因此其应该被固化以防止诸如水泥54之类的泄漏汞并被填埋于所管理的填埋场，或者被通过汞再生设备回收。

如上所述，在排气处理系统10处，烟气A在SCR 11、热交换器(热交换侧)12、集尘器13、FGD 14、汞氧化设备15、洗涤器16、热交换器(再热侧)17进行处理，并被从烟囱51排放掉。

因此，汞氧化装置15通过电晕放电而使残留在烟气25C中的HgO活化，并且将活化的HgO氧化成水溶性的汞卤化合物。因此，洗涤器16可容易且精确地去除残留在烟气25C中的金属汞。

在该结果中，烟囱51可排出将汞降低到非常低浓度的气体。因此，烟气处理系统10对于烟气25A中的有害物质的严格排放法规而言同样有效地起作用。

由于通过参考结合附图考虑的下列详细描述更好地理解本发明，因此将很容易获得对于本发明及其附随的许多优点的更为完全的理解。