一种脱除污染气体中污染物的脱除方法及脱除装置与流程

本公开涉及污染气体脱除领域，尤其涉及一种脱除污染气体中污染物的脱除方法及脱除装置。

背景技术：

1、生产或生活过程会产生污染气体，包括工业生产(电力、钢铁、石化、水泥、玻璃、农药、化工、印染等工业过程)及其它过程(如土壤修复、运输、烹饪等)，这些污染物包括但不限于：粉尘(包括pm10及以上、pm10以下至pm2.5，pm2.5及以下)、重金属(包括但不限于：铬、汞、铜、锌、镍、钒、锰、镉、铊、锗、铀、锑、铍、砷、铯等)、硫氧化物(sox：so2及so3)、氮氧化物(nox：no及no2)、挥发性有机化合物(voc)、二恶英(pcdds和pcdfs)、一氧化碳(co)、氯化氢(hcl)等。目前工业中的污染气体常用的处理方法包括催化燃烧处理法，即是在催化剂的作用下，使有机废气中的碳氢化合物在温度较低的条件下迅速氧化成水和二氧化碳，达到治理的目的；水喷淋净化法：主要以水帘柜和喷淋净化塔，或者旋流净化塔为主，其工作原理是用喷头喷出来的水雾将油漆颗粒物溶入水中，可以将大部分的油漆颗粒物阻挡住，实现将污染物和空气分离的目的；活性炭吸附法：采用活性炭的吸附特性，用来吸附废气中的有毒有害气体，从而使气体得到净化，采用这种方式投资少，但是需要定期更换活性炭，确保吸附效果。

2、但是上述方法也存在明显的缺点：如投资大，是本技术方案的三倍以上；效率低，导致第三个缺陷；占地大，需要很大的地面及空间，因而对很多场地受限制的场合无法使用。运行成本高，需要使用大量化学反应物及催化剂等；会形成污染物转移或二次污染；无法实现某些功能，如二恶英的脱除等。

技术实现思路

1、本公开提供了一种脱除污染气体中污染物的脱除方法，以期至少解决现有技术中存在的技术问题之一。

2、一种脱除污染气体中污染物的脱除方法，所述脱除方法包括：

3、步骤1)：将冲击波气源和污染气体引入冲击波发生器中以产生强度为1-5马赫的冲击波，随后污染气体气流进入冲击波管内反应；其中，冲击波气源压力为0.1-2mpa，污染气体的表压大于0.05kpa，所述冲击波气源为空气、水蒸气或氮气；

4、步骤2)：将步骤1)冲击波管内的气流引入冲击波反应/分离器中反应、分离，得到净化气体。

5、在一个实施方式中，所述步骤1)中将试剂与所述冲击波气源和所述污染气体共同引入冲击波发生器中，所述试剂为碱、偏碱性的盐或还原剂；所述污染气体的温度在0-300℃。

6、在一个实施方式中，所述的脱除污染气体中污染物的脱除方法，包括：

7、步骤1)：将冲击波气源、污染气体引入第一级冲击波发生器中以产生强度为1-5马赫的冲击波，随后污染气体气流进入第一级冲击波管内反应；其中，冲击波气源压力为0.1-2mpa，污染气体的表压大于0.05kpa，所述冲击波气源为空气、水蒸气或氮气；

8、步骤2)：步骤1)的第一级冲击波管内的气流进入第一级冲击波反应/分离器中反应、分离，得到第一级净化气体和第一级液相混合物；

9、步骤3)：将第一级净化气体、冲击波气源和还原剂引入第二级冲击波发生器中以产生强度2-5马赫的冲击波，随后气流进入第二级冲击波管内反应；其中所述冲击波气源压力为0.1-2mpa，冲击波气源为空气、水蒸气或氮气，还原剂采用氨或氨水；

10、步骤4)：将步骤3)的第二级冲击波管内的气流引入第二级冲击波反应/分离器中反应、分离得到净化气体和第二级液相冷凝物。

11、在一个实施方式中，所述步骤1)中还可将碱或偏碱性的盐与所述冲击波气源和所述污染气体共同引入第一级冲击波发生器中；所述碱为naoh、ca(oh)2、koh、mg(oh)2、lioh，所述偏碱性的盐为na2co3、k2co3、caco3、nahco3；

12、所述步骤1)中，第一级冲击波发生器可选为用以产生强度为1-3马赫冲击波的冲击波发生器；

13、所述步骤2)中还包括：将得到的第一级液相混合物通过沉淀或离心分离得到粉尘和重金属以及液相产物；

14、所述步骤3)中，第二级冲击波发生器可选为用以产生强度3-5马赫冲击波的冲击波发生器，优选为用以产生强度为4-5马赫冲击波的第二级冲击波发生器。

15、在一个实施方式中，所述的脱除污染气体中污染物的脱除方法，包括：

16、步骤1)：将冲击波气源、污染气体和还原剂共同引入冲击波发生器中以产生强度为2-5马赫的冲击波，随后污染气体气流进入冲击波管内反应；其中，冲击波气源的压力为0.1-2mpa，污染气体的表压大于0.05kpa，所述冲击波气源为空气、水蒸气或氮气，所述还原剂为氨或氨水；

17、步骤2)：步骤1)的冲击波管内的气流进入冲击波反应/分离器中反应、分离，得到净化气体和液相污染产物。

18、在一个实施方式中，还包括：步骤3)：将步骤2)所得液相污染产物固液分离得到固相废物和液相废物；

19、步骤4)：将液相废物与碱或碱性盐中和得到中性盐、氯化盐、氨和co2；

20、步骤5)：将氨和二氧化碳用水吸收得到氨水，将氨水循环至还原剂中；

21、其中，所述步骤1)中，所述冲击波发生器为用以产生强度为3-5马赫冲击波的冲击波发生器，优选为用以产生强度为4-5马赫冲击波的冲击波发生器。

22、第二方面，本公开提供了一种脱除污染气体中污染物的脱除装置，包括：

23、冲击波发生器，其上至少开设有两个进口端和一个出口端，两个所述进口端分别用于引入冲击波气源和污染气体；

24、冲击波管，其上开设有进口端和出口端并且进口端与冲击波发生器的出口端密封连接；

25、冲击波反应/分离器，其上开设有进口端、气相排出口和液相排出口，所述冲击波反应/分离器为前段空置、后段填充填料的容器，所述冲击波反应/分离器的进口端与冲击波管的出口端密封连接；其中，所述冲击波发生器、冲击波管和冲击波反应/分离器至少各设有一个；所述冲击波发生器为一个拉瓦尔管，其用于产生强度为1-5马赫的冲击波。

26、在一个实施方式中，所述冲击波发生器、冲击波管和冲击波反应/分离器各设有一个；所述冲击波发生器为一个拉瓦尔管，其用于产生强度2-5马赫的冲击波，优选为用以产生强度为3-5马赫冲击波的冲击波发生器，更优选为用以产生强度为4-5马赫冲击波的冲击波发生器；所述冲击波发生器还开设有第三进口端，用以引入还原剂；

27、所述冲击波反应/分离器的截面积是冲击波管的截面积的3倍以上。

28、在一个实施方式中，所述脱除装置还包括：

29、固液分离器，其上开设有进口端、固废排出端和液相排出端，该进口端与冲击波反应/分离器的液相排出口密封连接；

30、亚硫酸氨/硫酸氨反应器，其上开设有两个进口端、一个气相排出端和一个液相排出端，其中一个进口端与固液分离器的液相排出端密封连接，另一个进口端用于通入碱/碱性盐；

31、中和反应器，其上开设有气相进口端、进水口、气相排放口和循环口，该气相进口端与亚硫酸氨/硫酸氨反应器的气相排出端密封连接，所述循环口通过管道与冲击波发生器的第三进口端连接。

32、在一个实施方式中，所述的脱除装置中，所述冲击波发生器、冲击波管和冲击波反应/分离器各设有两个，分别为第一/第二级冲击波发生器，第一/第二级冲击波管和第一/第二级冲击波反应/分离器；

33、第一级冲击波发生器，其上至少开设有两个进口端和一个出口端，两个所述进口端分别用以引入冲击波气源和污染气体；

34、第一级冲击波管，具有一个进口端和一个出口端，该进口端与第一级冲击波发生器的出口端密封连接；

35、第一级冲击波反应/分离器，其上开设有进口端、第一级气相排出口、第一级液相排出口，其进口端与第一级冲击波管的出口端密封连接；

36、第二级冲击波发生器，其上开设有三个进口端和一个出口端，其中一个进口端与第一级气相排出口密封连接，另两个进口端分别用以引入还原试剂和冲击波气源；

37、第二级冲击波管，具有进口端和出口端，该进口端与第二级冲击波发生器的出口端密封连接；

38、第二级冲击波反应/分离器，其上开设有进口端、气体排出端和液相排出端，该进口端与第二级冲击波管的出口端密封连接；

39、其中所述第一冲击波发生器为拉瓦尔管，其用于产生强度1-5马赫的冲击波，优选为所述第一级冲击波发生器为用以产生1-3马赫冲击波的冲击波发生器；所述第二级冲击波发生器为拉瓦尔管，用以产生强度2-5马赫的冲击波，优选为所述第二级冲击波发生器为用以产生3-5马赫冲击波的冲击波发生器，更优选为所述第二级冲击波发生器为用以产生4-5马赫冲击波的冲击波发生器。

40、下面对本技术做进一步说明：

41、本公开提供了一种利用冲击波(激波)脱除多种气体污染物及粉尘和重金属，尤其voc和二恶英的工艺过程，以至少解决现有技术中存在的技术问题之一。

42、本技术技术方案要解决的技术问题：脱除污染气体中的粉尘(pm10,pm2.5等)、重金属、硫氧化物(sox)、氮氧化物(nox)、挥发性有机物(voc)、恶二英(pcdds和pcdfs)、一氧化碳(co)、氯化氢(hcl)等，使受污染的气体达到当地规定的排放标准。

43、本方案是利用冲击波(激波)特有的物理特性进行污染气体的气体净化工艺过程。总工艺流程如图1所示。

44、生产或生活过程会产生污染气体，包括工业生产(电力、钢铁、石化、水泥、玻璃、农药、化工、印染等工业过程)及其它过程(如土壤修复、运输、烹饪等)，这些污染物包括但不限于：粉尘(包括pm10及以上、pm10以下至pm2.5，pm2.5及以下)、重金属(包括但不限于：铬、汞、铜、锌、镍、钒、锰、镉、铊、锗、铀、锑、铍、砷、铯等)、硫氧化物(sox：so2及so3)、氮氧化物(nox：no及no2)、挥发性有机化合物(voc)、二恶英(pcdds和pcdfs)、一氧化碳(co)、氯化氢(hcl)等。

45、含污染物的气体由引风机引入本方案的冲击波发生器/冲击波管，冲击波发生器/冲击波管的构成示意及冲击波区的位置如图2所示。进入本方案的污染气体压力必须大于0.05kpa(表压)，温度在0-300℃间，流量不受限制。

46、进入本方案的污染气体首先与雾化的试剂接触(若有必要)，这些试剂可以是碱液，如naoh、ca(oh)2、koh等，或者是偏碱性的盐，如na2co3等。对于还原法过程，采用还原剂如nh3。

47、冲击波(激波)发生器为符合空气动力学的拉瓦尔管，在冲击波(激波)发生器的出口的冲击波(激波)管内形成一个冲击波(激波)区。冲击波(激波)发生器的气源为压力从0.1-2mpa不等的气体，这些气体根据应用场景及经济核算的不同，可以是空气、水蒸气、氮气等不同的气体。

48、冲击波(激波)的强度可以根据应用场景的不同及应用工艺路线的不同从1-5马赫不等，冲击波(激波)的强度取决于冲击波(激波)发生器的设计。对于粉尘、重金属、硫氧化物，冲击波(激波)的强度在1-5马赫，上限为5马赫，当然随着冲击波强度越大，粉尘、重金属、硫氧化物的去除效率越高，为了节省成本，对粉尘、重金属、硫氧化物，冲击波强度优选在1-3马赫即可完成去除。对于氮氧化物、挥发性有机化合物、二恶英等强度在2-5马赫，当然也是冲击波强度越大去除率越高，优选可选用能产生3-5马赫的冲击波发生器，更优选的为能够产生4-5马赫的冲击波发生器。

49、污染气体、试剂(若有必要)、冲击波气源混合后进入冲击波(激波)区，在冲击波(激波)的作用下进行反应，这些反应包括：

50、氧化法中的氧化反应：

51、xhm+yo2＝2hmxoy(hm为重金属)

52、so2+2o2＝2so3

53、so3+h2o＝h2so4

54、2no+o2＝2no2

55、3no2+h2o＝2hno3+no

56、4no+o2+2h2o＝4hno3

57、voc+o2＝co2+h2o

58、pcdds+pcdfs+o2＝co2+nacl+h2o

59、co+o2＝2co2

60、氧化法中的中和反应：

61、h2so4+m(oh)n＝mso4+h2o m(oh)n代表碱，m代表金属离子

62、hno3+m(oh)n＝mno3+h2o

63、hcl+m(oh)n＝mcl+h2o

64、还原法中的还原反应：

65、4nh3+4no+o2＝4n2+6h2o

66、8nh3+6no2＝7n2+12h2o

67、4nh3+3o2＝2n2+6h2o

68、4nh3+5o2＝4no+6h2o

69、nh3+so2+h2o＝(nh4)2so3

70、2nh3+so3+h2o＝2(nh4)2so4

71、(nh4)2so3+m(oh)n＝mso4+nh3+h2o

72、(nh4)2so3+mco3＝mso3+nh3+co2+h20

73、(nh4)2so4+m(oh)n＝mso4+nh3+h2o

74、(nh4)2so4+mco3＝mso4+nh3+co2+h2o

75、污染气体与试剂在冲击波(激波)区完成反应后进入冲击波(激波)反应/分离器，冲击波(激波)反应分离器是一个前(上)段为空后(下)段装有填料的容器，容器内的填料可以是规整填料也可以是乱堆填料，其目的是提供气液分离的表面。在冲击波(激波)反应/分离器中，在冲击波(激波)管中尚未完成的反应可以在空段进一步进行，同时由于冲击波(激波)反应/分离器的截面积是冲击波(激波)管截面积的数倍，气流从冲击波(激波)管进入冲击波(激波)反应/分离器，由于压力降低及截面积的增加，是一个节流膨胀过程，混合产物气流的温度显著下降，存在与气流中的反应产物包括酸、盐及水份会被冷凝，然后在填料表面聚集汇合而从气相中分离出来，脱除这些产物(污染物)的气体从冲击波(激波)反应/分离器上部由引风机引出至烟囱排放，从冲击波(激波)反应/分离器汇集起来的液相混合物从容器的底部排出。

76、其中，需要指出的是，根据图中所示的方位或方向，在本技术附图中，所述冲击波反应/分离器采用卧式结构，那么在冲击波反应/分离器的前段为空，后段填充有填料；而当在实际生产中，若冲击波反应/分离器为立式结构，则冲击波反应/分离器的上段为空，下段填充有填料。因此，冲击波反应/分离器可根据具体是卧式还是立式情况选择填料位置，即应选择靠近进口端的一段结构为空，远离进口端的另一段结构填充填料。

77、冲击波脱除污染物的组合工艺包括以下两种：

78、1.一步还原法

79、一步还原法是利用还原剂(以nh3为例)，脱除污染气体中的粉尘、重金属、硫氧化物、氮氧化物、voc、hcl、co及二恶英等，具体工业过程如图3所示。

80、该工艺采用2-5马赫的冲击波(优选可选择3-5马赫的冲击波，更优选的选择为4-5马赫冲击波的冲击波发生器)，以还原剂为试剂(以氨或氨水为例)，以空气或水蒸气为冲击波介质，可以脱除污染物中的所有粉尘、重金属、硫氧化物、氮氧化物、voc、hcl、co及二恶英等。从冲击波反应/分离器中分离出来的净化气体包括氮气、二氧化碳、氧气、水及合规排放的硫氧化物和氮氧化物；从冲击波反应/分离器中分离出来的液相污染物包括粉尘、重金属、稀盐酸、硫酸氢氨水溶液及硫酸氨水溶液，可以通过沉淀或离心的方式将粉尘及重金属从液相中分离出来。液相中包含的稀盐酸、硫酸氢氨水溶液及硫酸氨水溶液，假如不需要分离这些产物的话可以使用碱液或碱性盐来中和这些溶液，中和完的中性硫酸盐和mcl可以直接排放，气相产物为氨和co2，用水吸收后，其中的氨水可以循环回到还原剂中，co2可以排放或进一步提纯作为产品；假如需要回收硫酸盐/亚硫酸盐和mcl的话，可以通过结晶或膜分离的方法将nacl(若有二恶英)和硫酸盐/亚硫酸盐分离出来作为产品销售。

81、2.两步氧化-中和-还原法

82、两步氧化-中和-还原法是利用氧化-中和法在第一级冲击波发生器/冲击波管仲利用低马赫(1-3马赫)的冲击波脱除污染气体中的粉尘、重金属、硫氧化物、voc、hcl、co等，在第二级冲击波发生器/冲击波管利用高马赫(2-5马赫，优选3-5马赫/4-5马赫)的冲击波发生还原反应脱除氮氧化物及二恶英等，这种工艺可以降低能耗及提高污染物脱除的针对性。具体工艺过程如图4所示。

83、在第一级冲击波发生器中，以空气或水蒸气为冲击波(激波)气源，冲击波强度小于等于3马赫(1-3马赫)，第一级冲击波反应分离器主要脱除粉尘、重金属、硫氧化物、hcl、co及部分voc，以碱或碱性盐为试剂(若有必要)，经过本案处理后，第一级液相混合物包括粉尘、重金属、硫酸盐、硝酸盐、mcl及水，可以通过沉淀或离心的方式将粉尘及重金属从液相中分离出来。液相中包含的硫酸盐、硝酸盐、mcl及水若无进一步分离产物的需求可以直接排放，若有进一步分离产物的需求，可以通过结晶或膜分离的方法分离出高纯度的硫酸盐和硝酸盐及mcl；一级系统顶部排出的富含氮氧化物及二恶英的气体进入第二级，在第二级中，以氨或氨水为试剂，以更高强度的冲击波(激波)(2-5马赫，优选3-5马赫，更优选的为4-5马赫)来实现还原反应，液相产物为nacl水溶液，可以直接排放或与第一级液相产物混合，气相产物为达到排放要求的n2、co2、h2o、o2等。

84、从上述两组工艺可以看出，对于粉尘、重金属、硫氧化物、hcl、co及部分voc，无论是采用一步还原法，还是两部氧化还原法，为了节省成本，只需要1-3低马赫(优选2-3马赫)的冲击波就可以完全去除，而对于氮氧化物及二恶英以及剩余的voc，则需要高一级的冲击波和还原剂组合才能去除，而高一级的冲击波强度可选则2-5马赫，为了提高去除率，优选选择3-5马赫，当然冲击波强度越高，去除效率越好，例如更优选的4-5马赫的冲击波，其去除率会更好。因此，在实际生产中，可以根据实际需求选择上述两种不同的工艺，冲击波发生器也可根据实际生产选择。

85、本发明的效果：

86、1.脱除污染气体中的粉尘，包括pm10、pm2.5及更小的颗粒，粉尘排放至小于5mg/nm3；

87、2.脱除污染气体中的硫氧化物(sox),硫氧化物的排放小于35mg/nm3；

88、3.脱除污染气体中的氮氧化物(nox)，氮氧化物的排放小于50mg/nm3；

89、4.脱除污染气体中的重金属，包括铬、汞、铜、锌、镍、钒、锰、镉、铊、锗、铀、锑、铍、砷、铯等至对应的国家排放标准；

90、5.脱除污染气体中的挥发性有机物(voc)至对应的国家标准；

91、6.脱除污染气体中的二恶英至零排放；

92、7.脱除污染气体中的hcl至零排放；

93、8.脱除污染气体中的co至零排放。

94、本发明的优点：投资成本低；占地面积小；脱除效率高；运行成本低；维护简单；可以生产可销售的化学品；可以灵活组合来满足不同的需求；设备简单可靠，容易操作；对污染气体的物理条件要求低，可以处理的温度、压力、浓度、流量等物理参数范围广。

95、本技术脱除方法的优点在于：1)：本技术可采用两种不同的方法去除污染气体中的污染物，第一种方法是一步还原法，直接将污染气体、冲击波气源、还原剂在冲击波发生器中产生高强度的冲击波，使其在冲击波管内完成反应并通过冲击波反应/分离器中进一步反应、分离得到净化气体和液相产物，净化气体达到要求标准排出，液相产物可通过分离等方法提纯后销售，增加收益；该一步还原法去除效率高；第二种采用两部氧化-中和-还原方法，采用分级处理去除污染气体中的污染物，并且在分级处理中得到的液相产物也可以分离提纯作为产品销售，增加收益，该方法能够降低能耗和提高污染物脱除的针对性；2)本技术方法的脱除效率高，运行成本低，维护简单。

96、本技术的脱除装置的优点在于：本技术装置仅采用冲击波发生器、冲击波管和冲击波反应/分离器就可以去除污染气体中的污染物，使得本技术装置占地面积小，运行成本低，方便维护；本技术装置对污染气体的物理条件要求低，可以处理的温度、压力、浓度、流量等物理参数范围广；本技术装置可以灵活的组合来满足不同的需求。

97、应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本公开的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本公开的范围。本公开的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。