一种微波过硫酸铵激发飞灰诱导自由基的烟气脱汞方法及系统与流程

本发明涉及烟气净化领域，具体涉及一种微波过硫酸铵激发飞灰诱导自由基的烟气脱汞系统。

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。燃煤锅炉是汞排放的最大人为污染源。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。因此，研究和开发有效的燃煤烟气汞污染控制方法是我国环保科技人员面临的重要任务之一。

近年来，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。其它吸附剂，例如贵金属﹑金属氧化物﹑飞灰﹑活性焦﹑钙基材料﹑分子筛以及天然矿物材料等虽然具有潜在的发展前景，但由于在应用成本，脱汞效率，吸附剂稳定性以及吸附机理研究等方面的欠缺与不足，目前还无法获得大规模工业应用。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。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术中存在的技术问题，提供一种微波过硫酸铵激发飞灰诱导自由基的烟气脱汞系统；使来自燃烧器的含hg0的烟气经除尘冷却后进入微波喷淋反应器，微波激发飞灰在微波喷淋反应器中活化过硫酸铵产生羟基和硫酸根自由基将烟气中的hg0氧化为二价汞溶液，二价汞溶液进入汞分离塔后通过添加二价硫离子反应产生硫化汞沉淀后分离回收；该系统能够实现hg0的100％脱除，且脱除过程无二次污染，具有广阔的市场应用前景。

本发明系统的反应过程和基本原理如下：

(1)微波(mw)激发飞灰(flyash)催化分解过硫酸铵产生高活性的硫酸根自由基和羟基自由基。具体反应过程可通过如下方程(1)-(2)表示。如图1所示，我们采用电子自旋共振光普仪成功测定到了脱除系统中产生了硫酸根自由基和羟基自由基，从而证实了以上所述的基本原理。

(2)以上反应(1)-(2)产生的硫酸根自由基和羟基自由基具有超强的氧化性，能够将烟气中的hg⁰将为为二价汞。具体过程可用如下的化学反应(3)-(6)所示。

·oh+hg⁰→hg⁺+oh^-(3)

·oh+hg⁺→hg²⁺+oh^-(4)

(3)以上氧化产生的二价汞溶液进入汞分离塔后通过添加二价硫离子反应产生硫化汞沉淀后分离回收。该系统能够实现hg0的100％脱除，且脱除过程无二次污染，具有广阔的市场应用前景。

为实现以上目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明提供一种微波过硫酸铵激发飞灰诱导自由基的烟气脱汞系统，所述系统包括除尘器、冷却器、风机、烟道和烟囱，所述除尘器、冷却器、风机、烟囱通过烟道依次串联；所述系统包括微波喷淋反应器；所述的微波喷淋反应器通过烟道与冷却器和风机串联，所述微波喷淋反应器包括溶液喷淋反应区﹑冷却空气入口﹑冷却空气出口﹑烟气入口﹑烟气出口﹑总烟气入口﹑总烟气出口﹑冷却空气总入口﹑微波磁控管安装区﹑石英玻璃隔板、氧化剂补充塔、溶液泵；

所述的微波喷淋反应器由多个溶液喷淋反应区并联构成，所述溶液喷淋反应区与微波磁控管安装区依次间隔布置，2个区域中间由石英玻璃隔板隔开；

所述烟气入口和烟气出口分别位于溶液喷淋反应区的两侧；所述溶液喷淋反应区中间并列设置有多个喷嘴；所述喷嘴通过溶液泵连接氧化剂补充塔，所述氧化剂为过硫酸铵溶液；所述总烟气入口连通各个烟气入口，总烟气出口连通各个烟气出口，总烟气入口和总烟气出口分别与烟道连通。

所述冷却空气入口和冷却空气出口分别位于微波磁控管安装区的两侧；所述微波磁控管安装区安装有多个微波磁控管；所述冷却空气入口分别连通冷却空气总入口和冷却空气出口。

所述微波喷淋反应器底部设置有倾斜槽，所述倾斜槽底部设置有产物出口和循环液出口；所述产物出口与汞分离塔连接；循环液出口与氧化剂补充塔连接。

所述微波喷淋反应器的总宽度w位于0.2m-8m之间；微波喷淋反应器的总长度l位于0.2m-8m之间；微波喷淋反应器的总高度h位于0.2m-10m之间。

所述溶液喷淋反应区的宽度b位于0.1m-0.6m之间。

所述微波磁控管之间的横向间距a在0.1m-0.8m之间；所述喷嘴的横向布置间距为2a，纵向布置间距为1.5a。

所述喷嘴喷出的雾化液滴粒径不大于80微米，微波喷淋反应器内的微波辐射功率密度为20w/m3-1600w/m3。

本发明还提供一种微波过硫酸铵激发飞灰诱导自由基的烟气脱汞方法，所述方法基于所述的微波喷淋反应器完成，首先，使来自燃烧器的含hg0的烟气经除尘冷却后进入微波喷淋反应器，经过微波激发飞灰在微波喷淋反应器中活化过硫酸铵溶液产生羟基和硫酸根自由基将烟气中的hg0氧化为二价汞溶液，二价汞溶液进入汞分离塔后通过添加二价硫离子反应产生硫化汞沉淀后分离回收。

所述的烟气中飞灰的最佳浓度为0.2g/m3-200g/m3；所述微波喷淋反应器内的温度应控制在25-160℃。

所述过硫酸铵溶液与烟气的有效液气比为1-12l/m3，过硫酸铵溶液的有效浓度为0.05mol/l-2.5mol/l之间，溶液的ph位于0.1-9.9之间；

所述烟气中hg0的含量不高于1000；所述的燃烧器是燃煤锅炉﹑工业窑路或垃圾焚烧炉中的任何一种。

所述的微波喷淋反应器中的微波激发飞灰在微波喷淋反应器中活化氧化剂过硫酸铵产生羟基和硫酸根自由基将烟气中的hg0氧化为二价汞溶液，二价汞溶液进入汞分离塔后通过添加二价硫离子反应产生硫化汞沉淀后分离回收；该系统能够实现hg0的100％脱除，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：

中国专利(zl201310683054.8)提出了一种基于紫外灯耦合烟道脱汞的方法及系统，而中国专利(zl201010296592.8)则提出了一种基于光化学高级氧化作用的烟气脱汞系统。以上两个专利均由发明人团队提出，与本发明最大的区别在于这两个专利均均采用了紫外光作为激发源。但众所周知，紫外光在水中的穿透距离极短。有相关报道表明，即使是在纯净水中，254nm短波紫外光的有效传播距离也仅有几厘米，这会导致反应装置难以大型化。此外，实际燃煤烟气中存在颗粒物等杂质会严重阻碍紫外光的传递，进而影响光化学脱除系统的安全高效运行。因此，以上不足严重制约了光化学脱除系统的工业应用。

本发明所述微波活化脱除系统能够有效克服以上所述的技术难题。与紫外光不同的是，微波能够有效穿透固体和液体，且微波在溶液中的穿透距离比紫外光长的多(与微波炉加热食物相似)。此外，微波技术在工业和日常生活中已经获得大规模应用，具有很好的工程使用和实践经验。因此，微波活化自由基系统比紫外光活化系统具有高得多的工业化应用前景。本发明所述的微波过硫酸铵激发飞灰诱导自由基的烟气脱汞系统能实现hg0的100％脱除，能够满足国家新出台的燃煤锅炉和窑炉烟气超净排放的技术要求，具有广阔的市场开发和应用前景。

附图说明

图1是微波激发飞灰催化分解过硫酸铵系统中的活性自由基测定图，图中光谱峰代表硫酸根自由基和羟基自由基；

图2是本发明系统的整体示意图；

图3是微波喷淋反应器内喷嘴和微波磁控管关键装置的布置图(俯视图)。

图4是微波喷淋反应器内喷嘴和微波磁控管关键装置的布置图(主视图)。

图中，1-燃烧器，2-烟道，3-除尘器，4-冷却器，5-微波喷淋反应器，6-汞分离塔，7-溶液泵，8-氧化剂补充塔，9-风机，10-烟囱；其中的501-总烟气入口，502-总烟气出口，503-喷嘴，504-微波磁控管，505倾斜槽，506-溶液，507-循环液出口，508-产物出口，509-冷却空气总入口，510-冷却空气入口，511-冷却空气出口,512-烟气入口，513-烟气出口，514-微波喷淋反应器壁面，515-溶液喷淋反应区，516-微波磁控管安装区，517-石英玻璃隔板。

具体实施方式

本发明涉及一种微波过硫酸铵激发飞灰诱导自由基的烟气脱汞系统。来自燃烧器的含hg0的烟气经除尘冷却后进入微波喷淋反应器。微波激发飞灰在微波喷淋反应器中活化过硫酸铵产生羟基和硫酸根自由基将烟气中的hg0氧化为二价汞溶液。二价汞溶液进入汞分离塔后通过添加二价硫离子反应产生硫化汞沉淀后分离回收。该系统能够实现hg0的100％脱除，且脱除过程无二次污染，具有广阔的市场应用前景。

实施例1：

微波过硫酸铵激发飞灰诱导自由基的烟气脱汞系统：如图2、3、4所示，一种微波过硫酸铵激发飞灰诱导自由基的烟气脱汞系统，所述系统包括除尘器3、冷却器4、风机9、烟道2和烟囱10，所述除尘器3、冷却器4、风机9、烟囱10通过烟道2依次串联；所述系统包括微波喷淋反应器5；所述的微波喷淋反应器5通过烟道2与冷却器3和风机9串联，所述微波喷淋反应器5包括溶液喷淋反应区515﹑冷却空气入口510﹑冷却空气出口511﹑烟气入口512﹑烟气出口513﹑总烟气入口501﹑总烟气出口502﹑冷却空气总入口509﹑微波磁控管安装区516﹑石英玻璃隔板517、氧化剂补充塔8、溶液泵7；

所述的微波喷淋反应器5由多个溶液喷淋反应区515并联构成，所述溶液喷淋反应区515与微波磁控管安装区516依次间隔布置，2个区域中间由石英玻璃隔板517隔开；

所述烟气入口515和烟气出口515分别位于溶液喷淋反应区的两侧；所述溶液喷淋反应区515中间并列设置有多个喷嘴503；

所述喷嘴503通过溶液泵7连接氧化剂补充塔8，所述氧化剂为过硫酸铵溶液；所述总烟气入口501连通各个烟气入口512，总烟气出口502连通各个烟气出口513，总烟气入口501和总烟气出口502分别与烟道2连通。

所述冷却空气入口510和冷却空气出口511分别位于微波磁控管安装区516的两侧；所述微波磁控管安装区516安装有多个微波磁控管504；所述冷却空气入口(510)分别连通冷却空气总入口509和冷却空气出口511。

所述微波喷淋反应器5底部设置有倾斜槽505，所述倾斜槽505底部设置有产物出口508和循环液出口507；所述产物出口508与汞分离塔6连接。

所述的微波喷淋反应器5的每个溶液喷淋反应区515的宽度b位于0.1m-0.6m之间；微波喷淋反应器5的总宽度w位于0.2m-8m之间；微波磁控管504之间的横向间距a在0.1m-0.8m之间；微波喷淋反应器5的总长度l位于0.2m-8m之间；微波喷淋反应器5的总高度h位于0.2m-10m之间。喷嘴503的横向布置间距为2a(a为微波磁控管之间的横向间距)，纵向布置间距为1.5a。

所述喷嘴喷出的雾化液滴粒径不大于80微米，微波喷淋反应器内的微波辐射功率密度为20w/m3-1600w/m3。

基于上述系统，还提供一种微波过硫酸铵激发飞灰诱导自由基的烟气脱汞方法，所述方法操作如下，首先，使来自燃烧器的含hg0的烟气经除尘冷却后进入微波喷淋反应器，经过微波激发飞灰在微波喷淋反应器中活化过硫酸铵溶液产生羟基和硫酸根自由基将烟气中的hg0氧化为二价汞溶液，二价汞溶液进入汞分离塔后通过添加二价硫离子反应产生硫化汞沉淀后分离回收。

所述的烟气中飞灰的最佳浓度为0.2g/m3-200g/m3；所述微波喷淋反应器内的温度应控制在25-160℃。

所述过硫酸铵溶液与烟气的有效液气比为1-12l/m3，过硫酸铵溶液的有效浓度为0.05mol/l-2.5mol/l之间，溶液的ph位于0.1-9.9之间；

所述烟气中hg0的含量不高于1000；所述的燃烧器是燃煤锅炉﹑工业窑路或垃圾焚烧炉中的任何一种。

所述的微波喷淋反应器中的微波激发飞灰在微波喷淋反应器中活化氧化剂过硫酸铵产生羟基和硫酸根自由基将烟气中的hg0氧化为二价汞溶液，二价汞溶液进入汞分离塔后通过添加二价硫离子反应产生硫化汞沉淀后分离回收；该系统能够实现hg0的100％脱除，且脱除过程无二次污染，具有广阔的市场应用前景。

实施例2：

烟气中的hg0浓度为60，烟气温度为40℃，过硫酸铵的摩尔浓度为0.1mol/l，溶液ph为3.8，飞灰浓度为6g/m3，微波辐射功率密度为200w/m3，液气比为2l/m3。小试结果为：烟气中hg0的脱除效率可达到43.1％。

实施例3：

烟气中的hg0浓度为60，烟气温度为40℃，过硫酸铵的摩尔浓度为0.2mol/l，溶液ph为3.8，飞灰浓度为6g/m3，微波辐射功率密度为200w/m3，液气比为2l/m3。小试结果为：烟气中hg0的脱除效率可达到54.7％。

实施例4：

烟气中的hg0浓度为60，烟气温度为40℃，过硫酸铵的摩尔浓度为0.2mol/l，溶液ph为3.8，飞灰浓度为6g/m3，微波辐射功率密度为400w/m3，液气比为2l/m3。小试结果为：烟气中hg0的脱除效率可达到69.9％。

实施例5：

烟气中的hg0浓度为60，烟气温度为40℃，过硫酸铵的摩尔浓度为0.2mol/l，溶液ph为3.8，飞灰浓度为6g/m3，微波辐射功率密度为400w/m3，液气比为3l/m3。小试结果为：烟气中hg0的脱除效率可达到87.1％。

实施例6：

烟气中的hg0浓度为60，烟气温度为40℃，过硫酸铵的摩尔浓度为0.3mol/l，溶液ph为3.8，飞灰浓度为6g/m3，微波辐射功率密度为400w/m3，液气比为3l/m3。小试结果为：烟气中hg0的脱除效率可达到94.2％。

实施例7：

烟气中的hg0浓度为60，烟气温度为40℃，过硫酸铵的摩尔浓度为0.4mol/l，溶液ph为3.8，飞灰浓度为6g/m3，微波辐射功率密度为500w/m3，液气比为3l/m3。小试结果为：烟气中hg0的脱除效率可达到100％。

实施例8：

烟气中的hg0浓度为60，烟气温度为90℃，过硫酸铵的摩尔浓度为0.4mol/l，溶液ph为3.8，飞灰浓度为6g/m3，微波辐射功率密度为500w/m3，液气比为3l/m3。小试结果为：烟气中hg0的脱除效率可达到91.2％。

经过以上实施例的综合对比可知，实施例7具有最佳的脱除效果，脱除效率均达到100％，可作为最佳实施例参照使用。