一种可同时在线活化和喷射脱汞吸附剂的方法与流程

本发明属于燃煤烟气中汞控制技术领域，具体涉及一种可同时在线活化和喷射脱汞吸附剂的方法。

背景技术：

汞是一种神经毒物，具有极强的累积性和不可逆性，对人类健康具有很大的威胁。燃煤电厂是最主要的人为汞污染源之一。随着环保要求的不断提高，探索高效、经济、环境友好型的汞控制技术具有重要意义。

现有技术中，通常采用脱汞装置并利用高效吸附材料脱除烟气中的汞，目前的主要研究集中在脱汞吸附材料和脱汞装置两个方面。对于脱汞吸附材料的研究主要集中在改变原材料、采用不同的活化方法、不同的改性剂和改性方法等，目前，通常采用化学溶液浸渍方法改性吸附剂，如采用含硫、含卤化物的化学溶液浸渍吸附剂。主要目的是改善吸附剂表面官能团，增加活性吸附位，以提高其化学吸附能力，改善脱汞性能。对于脱汞装置，则主要是通过改进或优化装置的结构、增加循环回收机构等进行烟气中汞的脱除。

例如中国专利文献201120257109.2公开了一种燃煤烟气吸附脱汞装置，其中涉及到燃煤烟气吸附脱汞方法，汞吸附剂以喷射方式进入除尘器出口的烟道中，吸附剂在除尘后的烟气中充分分散，可以有效脱除烟气中的汞，捕集后的汞吸附剂经过循环系统可以再次使用，该方法可以减小吸附剂的消耗，降低烟气脱汞成本。

但是，这种脱汞方法也存在一定缺陷，在脱汞过程中，其吸附剂在烟气中停留时间仅有短短数秒，随后即被除尘装置捕获，其吸附远未达到饱和，吸附剂外层的活性组分是参与反应的主体，这会导致吸附剂内层活性组分利用率极低。另外，电厂负荷、入炉煤质、燃烧工况多变，导致烟气中汞浓度波动较大，而采用化学溶液浸渍方法制备的吸附剂其活性组分的含量通常是一定的，无法适应汞浓度的频繁波动，导致吸附剂的大量浪费，脱汞成本大大增加。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种可同时在线活化和喷射脱汞吸附剂的方法，通过本发明的方法可使得活性组分前驱体和吸附剂能高效反应生成活性组分，较大程度的提高了汞吸附剂和活性组分利用效率，降低了吸附剂的用量，大大节约了脱汞成本。

为实现上述目的，本发明提供一种可同时在线活化和喷射脱汞吸附剂的方法，通过可同时在线活化和喷射脱汞吸附剂的装置对汞吸附剂进行在线活化和喷射，其中，该可同时在线活化和喷射脱汞吸附剂的装置包括：

用于喷射汞吸附剂的喷射机构、设置在所述喷射机构侧面并与之相通的在线活化机构以及用于监测烟气中汞浓度的汞浓度在线监测仪；

其中，所述喷射机构包括一端具有喷口另一端具有吸附剂入料口的套筒，该套筒侧壁开有通孔；所述喷射机构还包括调节风门，其设置在吸附剂入料口前；

所述在线活化机构包括活性组分前驱体注入器，其一端插入所述通孔中，另一端与活性组分前驱体源连通；所述在线活化机构还包括调节阀门，其设置在活性组分前驱体注入器上；

该方法包括以下步骤：

利用汞浓度在线监测仪实时监测烟气中的汞浓度；

根据监测得到的汞浓度，动态调节所述调节风门，控制汞吸附剂注入量和注入时长；同时动态调节所述在线活化机构上的调节阀门，控制活性组分前驱体的注入量、浓度以及注入时间；使所述汞吸附剂和活性组分前驱体均注入所述喷射机构的套筒中；

在所述套筒中，所述活性组分前驱体被吸附剂表层微孔定向吸附，使活性组分在吸附剂上表层富集，形成活性物质，从而以对吸附剂进行在线活化；

活化后的吸附剂通过所述喷射机构被喷射注入烟道中，

使烟气中的汞化合物吸附在吸附剂表面，进而随吸附剂一起被烟气除尘装置捕获，进而实现烟气脱汞。

作为本发明的进一步优选，所述喷射机构还包括吸附剂储料仓，其设置在套筒的一端，吸附剂储料仓中设置有搅拌器，吸附剂储料仓与套筒之间设置有输料管，搅拌器对汞吸附剂储料仓中的汞吸附剂进行搅拌，动态调节所述调节风门，汞吸附剂通过输料管注入套筒中。

作为本发明的进一步优选，所述活性组分前驱体通过在线活化机构注入套筒中，其中，所述在线活化机构还包括活性组分前驱体储存器，输送管道上还设置有加热器，加热器将所述活性组分前驱体加热到合适的温度，动态调节所述在线活化机构上的调节阀门，活性组分前驱体通过活性组分前驱体注入器注入套筒中。

作为本发明的进一步优选，所述汞吸附剂通过喷射机构喷射到烟道中，其中，所述喷射机构还包括螺杆，其套设在套筒内，所述的螺杆由轴杆和翅片组成，翅片固定在轴杆上并分布于螺杆与套筒筒体内壁之间的空间内，汞吸附剂由轴杆匀速推送到烟道中，翅片可防止吸附剂的团聚以及在套筒壁上的沉积，从而提高吸附剂的分散度。

通过上述方案，本发明的装置同时具有在线活化机构和吸附剂喷射机构，活性组分前驱体注入器将活性组分前驱体注入到套筒中，同时，汞吸附剂通过吸附剂入料口注入套筒，使得活性组分前驱体和吸附剂能高效反应生成活性组分，并进而通过所述喷口喷射，较大程度的提高了汞吸附剂和活性组分利用效率，降低了吸附剂的用量。

作为本发明的进一步优选，所述汞吸附剂的喷射量根据监测的汞浓度及吸附剂喷射量m₁和脱汞效率η之间的数学模型进行控制，所述汞浓度及吸附剂喷射量m₁和脱汞效率η之间的数学模是根据电厂运行参数、管道尺寸、烟气流量，通过试验和理论计算建立的，即

$\mathrm{\η}=\[1-\frac{\frac{1}{m_1\·K}+\exp (-(1+\frac{1}{m_1\·K}\left)\right(\frac{6m_1{K}_g}{{\mathrm{\ρ}}_p{d}_p})t}{1+\frac{1}{m_1\·K}}\]\×100\%$

其中，K为与温度、吸附剂特性有关的吸附常数(m³/kg)，对应不同温度、不同吸附剂其大小不同，例如活性炭在120℃时，K＝294m³/kg；K_g为以气相浓度差为基础的物质总传质系数，其中k_g为外部传质系数，m/s，对应不同温度k_g数值大小不同，例如气态汞在120℃时k_g＝4440m/s；k_s为内部传质系数(m/s)，对应不同温度、不同吸附剂k_s数值大小不同，例如活性炭在120℃时，k_s＝0.016m/s；ρ_p为吸附剂的密度(kg/m³)；d_p为吸附剂的粒径(m)。

作为本发明的进一步优选，所述脱汞效率η通过下式计算：

η＝f(m₁)＝(C₁-C₂)/C₁

其中，C₁为烟气中汞浓度，C₂为汞排放标准。

作为本发明的进一步优选，所述汞吸附剂的喷射量通过PID控制器(比例-积分-微分控制器)控制。

作为本发明的进一步优选，所述活性组分前驱体注入量通过活性组分前驱体注入量m₂通过下式计算：

m₂＝(N₁/N_A)×V_A×ρ

其中，N₁为活性组分前驱体分子个数N₁＝(2nm×S_BET)/V₁,S_BET为吸附剂的比表面积，V₁为活性组分前驱体的分子体积；N_A为阿佛加德罗常数，标准状况下N_A＝6.02×10²³/mol；V_A为气体摩尔体积，标准状况下V_A＝22.4L/mol，ρ为活性组分前驱体密度。

上述方案中，通过汞吸附剂喷射量m₁和脱汞效率η之间的数学模型及PID控制器(比例-积分-微分控制器)动态调节所述调节风门，控制汞吸附剂注入量和注入时长；同时通过活性组分前驱体注入量m₂和吸附剂喷射量m₁之间的数学模型，动态调节所述在线活化机构上的调节阀门，控制活性组分前驱体的注入量、浓度以及注入时间，使活性组分在吸附剂上表层富集，活性组分前驱体既要在吸附剂表面均匀、完全覆盖，又要避免活性组分过量负载，对汞在吸附剂中的内扩散造成不利影响，从而使得吸附剂的脱汞性能达到最优的同时避免活性组分浪费。

作为本发明的进一步优选，所述活性组分前驱体为H₂S、SO₂、HCl和Br中至少一种。

作为本发明的进一步优选，所述活性物质为S、Cl和Br中至少一种。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，由于提供了一种可同时在线活化和喷射脱汞吸附剂的装置及方法，能够取得下列有益效果：

(1)本发明的方法通过同时具有在线活化机构和吸附剂喷射机构的装置进行喷射，其中活性组分前驱体注入器将活性组分前驱体注入到套筒中，同时，汞吸附剂通过吸附剂入料口注入套筒，使得活性组分前驱体和吸附剂能高效反应生成活性组分，并进而通过所述喷口喷射，较大程度的提高了汞吸附剂和活性组分利用效率，降低了吸附剂的用量。

(2)本发明的方法通过汞吸附剂喷射量m₁和脱汞效率η之间的数学模型及PID控制器动态调节所述调节风门，控制汞吸附剂注入量和注入时长；同时通过活性组分前驱体注入量m₂和吸附剂喷射量m₁之间的数学模型，动态调节所述在线活化机构上的调节阀门，控制活性组分前驱体的注入量、浓度以及注入时间，使活性组分在吸附剂上表层富集，活性组分前驱体既要在吸附剂表面均匀、完全覆盖，又要避免活性组分过量负载，对汞在吸附剂中的内扩散造成不利影响，从而使得吸附剂的脱汞性能达到最优的同时避免活性组分浪费。

(3)通过汞浓度监测仪监测烟气中的汞浓度，动态控制调节风门及调节阀门的开度，并通过加热器加热，使得活性组分前驱体和吸附剂能高效反应生成活性组分，实现汞吸附剂的实时在线活化，从而适应汞浓度的频繁波动。

附图说明

图1为本发明实施例的可同时在线活化和喷射脱汞吸附剂的方法中涉及的装置的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1为本发明实施例的可同时在线活化和喷射脱汞吸附剂的方法中所涉及的喷射装置的结构示意图。如图1所示，该装置包括喷射机构以及设置在喷射机构侧面并与之相通的在线活化机构。

如图1，喷射机构包括螺杆、套筒3、调节风门4、吸附剂储料仓5、搅拌器6、以及输料管7。其中，螺杆套设在套筒3内，优选是同轴套设，所述的螺杆由轴杆1和翅片2组成，翅片2固定在轴杆1上并分布于轴杆1与筒体内壁之间的空间内。吸附剂储料仓5设置在套筒3的一端，图1中所示为上端，套筒3的另一端为喷口，吸附剂储料仓5用于存储吸附剂。

套筒3的侧壁上开有至少一个通孔，优选是两个或多个，各通孔可以分布在套筒3的一侧，或者对称分布在两侧，也可以不对称分布在不同方向的侧面。

在吸附剂储料仓5中设置有搅拌器6，用于对吸附剂储料仓5中的吸附剂进行搅拌，以注入套筒3中。吸附剂储料仓5与套筒3之间设置有输料管7，使得吸附剂储料仓5与套筒3通过该输料管7连通，用于将吸附剂储料仓5中的吸附剂注入套筒3中。输料管7上设置有调节风门4，用于调节输料管7的开度，从而控制吸附剂进入的量以及进入时间。

吸附剂在搅拌器6的带动下由输料管进入套筒3内，并通过调节风门4调节吸附剂喷射量。吸附剂进入套筒3中后，由轴杆1匀速将吸附剂推送到烟道中，其中翅片2可防止吸附剂发生团聚以及在套筒3壁上沉积，提高吸附剂分散度。

如图1，在线活化机构包括活性组分前驱体注入器8、调节阀门9、活性组分前驱体储存器10。其中，活性组分前驱体注入器8优选为管型结构，其一端插入套筒3的筒壁上开设的开孔中，另一端通过输送管道与活性组分前驱体储存器10连接，用于将活性组分前驱体储存器10中的活性组分前驱体注入套筒3中。另外，调节阀门9设置在活性组分前驱体注入器8上，其可以控制活性组分前驱体注入器8与套筒3的通断，从而控制注入套筒3中的活性组分前驱体的注入量、浓度以及注入时间。

优选地，输送管道上还设置有加热器12，其用于在所述活性组分前驱体储存器10注入吸附剂喷枪之前将其加热到合适的温度，使活性组分前驱体和吸附剂能高效反应生成活性组分。

在线活化机构数量优选与套筒3的侧壁开孔数量相同，即在线活化装置至少为一个，优选是两个或多个，相应地，各在线活化机构的分布方式与套筒上通孔的分布方式一致，具体地，可以分布在套筒3的一侧，或者对称分布在两侧，也可以不对称分布在不同方向的侧面。

还包括汞浓度在线监测仪11，其用于实时监测烟道中的汞浓度数据，优选汞浓度在线监测仪11为多个，例如两个，分别设置在喷射机构和在线活化机构左右两侧。调节阀门9的开度可根据汞浓度在线监测仪11的反馈数据进行调节。

本发明一个实施例的可同时在线活化和喷射脱汞吸附剂方法，通过上述喷射装置进行，该方法的具体步骤如下：

(1)利用汞浓度在线监测仪11实时监测烟气中的汞浓度；

(2)根据监测得到的汞浓度，动态调节所述调节风门4，控制汞吸附剂注入量和注入时长；

1)根据监测的汞浓度及吸附剂喷射量m₁和脱汞效率η之间的数学模型；

2)根据电厂运行参数、管道尺寸、烟气流量，通过试验和理论计算建立汞浓度及吸附剂喷射量m₁和脱汞效率η之间的数学模，即

$\mathrm{\η}=\[1-\frac{\frac{1}{m_1\·K}+\exp (-(1+\frac{1}{m_1\·K}\left)\right(\frac{6m_1{K}_g}{{\mathrm{\ρ}}_p{d}_p})t}{1+\frac{1}{m_1\·K}}\]\×100\%$

其中，K为与温度、吸附剂特性有关的吸附常数(m³/kg)，对应不同温度、不同吸附剂其大小不同，例如活性炭在120℃时，K＝294m³/kg；K_g为以气相浓度差为基础的物质总传质系数，其中k_g为外部传质系数，m/s，对应不同温度k_g数值大小不同，例如气态汞在120℃时k_g＝4440m/s；k_s为内部传质系数(m/s)，对应不同温度、不同吸附剂k_s数值大小不同，例如活性炭在120℃时，k_s＝0.016m/s；ρ_p为吸附剂的密度(kg/m³)；d_p为吸附剂的粒径(m)；

3)通过下式计算脱汞效率η：

η＝f(m₁)＝(C₁-C₂)/C₁

其中，C₁为烟气中汞浓度，C₂为汞排放标准；

4)通过PID控制器(比例-积分-微分控制器)控制汞吸附剂的喷射量；

5)搅拌器6对汞吸附剂储料仓5中的汞吸附剂进行搅拌，

6)动态调节所述调节风门4；

7)汞吸附剂通过输料管7注入套筒3中；

(3)同时动态调节所述在线活化机构上的调节阀门9，控制活性组分前驱体的注入量、浓度以及注入时间；

1)通过下式计算活性组分前驱体注入量m₂：

m₂＝(N₁/N_A)×V_A×ρ

其中，N₁为活性组分前驱体分子个数N₁＝(2nm×S_BET)/V₁,S_BET为吸附剂的比表面积，V₁为活性组分前驱体的分子体积；N_A为阿佛加德罗常数，标准状况下N_A＝6.02×10²³/mol；V_A为气体摩尔体积，标准状况下V_A＝22.4L/mol，ρ为活性组分前驱体密度；

2)加热器12将存储在活性组分前驱体存储器10中的活性组分前驱体加热到合适的温度；

3)动态调节所述在线活化机构上的调节阀门9；

4)活性组分前驱体通过活性组分前驱体注入器注入套筒3中；

(4)活性组分前驱体被吸附剂表层微孔定向吸附，使活性组分在吸附剂上表层富集，形成活性物质。

其中，所述活性组分前驱体为H₂S、SO₂、HCl和Br中至少一种；所述活性物质为S、Cl和Br中至少一种；

(5)活化后的吸附剂在重力作用下通过翅片2喷射注入烟道中；

(6)烟气中的汞化合物吸附在吸附剂表面，进而随吸附剂一起被烟气除尘装置捕获，进而实现烟气脱汞。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。