一种利用臭氧和旋流盘塔进行烟气脱硝的脱硝系统的制作方法

本发明涉及烟气脱硝技术领域，尤其涉及一种利用臭氧和旋流盘塔进行烟气脱硝系统。

背景技术：

燃煤发电、钢厂炼钢以及其他以煤、石油为热源的工艺是环境中氮氧化物增高的主要来源之一。为减少对环境的影响，各厂家采取了诸多方法来降低燃烧尾气（本发明所述“烟气”）中氮氧化物的排放，即对烟气进行脱硝处理。现有烟气脱硝技术主要有两大类，一是催化还原法，第二类是氧化法。相对于催化还原法，氧化法理论上具有工艺简单、成本低等优点，因而成为目前烟气脱硝领域探究与研发的方向。臭氧作为一种强氧化剂，生产简单、又是一种清洁氧化剂，自然成为氧化法中选择的对象。现有技术披露了诸多用臭氧进行烟气脱硝的技术方案。如cn109210955a、cn109224820a、cn109173662a、cn108404616a、cn109675421a、cn109621662a等均披露了使用臭氧来进行烟气脱硝。但是，现有技术也同时指出了用臭氧进行脱硝还存在诸多技术难题，如cn109621662a中披露，o3虽然是一种常见的强氧化剂，但是o3的直接性氧化反应具有较高的选择性且反应速率较慢，其利用率也不高。cn108905555a披露，o3很不稳定，在常温下慢慢分解，且在200℃时迅速分解。更为关键的是，烟气的实际状况，如较高的温度（约为为100--300℃）、较低的压力（约为千帕级，甚至为负压）、一氧化氮的低浓度（约为几十--500mg/m³）、较快的流速（约为1--10m/s）等会大大影响臭氧的存在状态及其对no的氧化效果。实际工艺中，臭氧氧化法之所以未能加以大范围的推广应用，就是因为其效果不佳。为提高氧化效果，现有技术中通常采用加大臭氧的投放量，而这又会导致成本增高，无法推广应用。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供一种利用臭氧和旋流盘塔进行烟气脱硝的脱硝系统，其内容为：

一种利用臭氧和旋流盘塔进行烟气脱硝的脱硝系统，包括旋流盘塔、臭氧供给系统、可溶性碱液供给系统，旋流盘塔内设置有旋流盘，臭氧供给系统通过进气管将臭氧输送进旋流盘塔，可溶性碱液供给系统通过进液管将可溶性碱液输送进旋流盘塔，烟气进口在旋流盘下方位置，其特征在于，臭氧进气管的出气口位置设置在旋流盘的下部且靠近旋流盘，可溶性碱液进液管的出液口位于旋流盘的上部，可溶性碱液从出液口流到旋流盘上，臭氧与烟气从旋流盘叶片的缝隙旋流上升并与可溶性碱液相遇，在旋流盘的上面形成气液旋流层，烟气、臭氧和可溶性碱液在气液旋流层中进行反应及传质，然后气液分离，气体继续上升并从烟气出口出旋流盘塔，液体从旋流盘的外围较宽缝隙处流到下方的碱液槽中。

优选地，其中臭氧进气管的出气口排出臭氧的流向朝向旋流盘。

优选地，其中臭氧进气管出气口连接臭氧分布器。

优选地，其中臭氧分布器贴近旋流盘，将臭氧直接释放到旋流盘的叶片缝隙中。

优选地，其中臭氧分布器为带有小孔的螺旋盘管。

优选地，其中可溶性碱液的出口位置位于旋流盘中心的上方。

优选地，其中旋流盘的中心为实心圆盘。

优选地，其中可溶性碱液供给系统连接旋流盘塔的碱液槽，碱液槽中的液体可循环流到旋流盘上。

结合现有技术，对上述发明内容阐述如下：

（一）本发明理论基础

1、与现有技术不同，臭氧不是先氧化烟气中的no，而是直接进入可溶性碱液。

现有技术中，涉及臭氧脱硝的方法通常是：先将臭氧通入至烟气，臭氧在烟气中氧化no，形成高价态氮氧化物；然后烟气再进入吸收系统中，由碱液中来吸收氧化产物。如cn109210955a、cn109224820a、cn109173662a、cn108404616a、cn109675421a、cn109621662a等均是采取了这样的技术手段。

但是本发明中，臭氧是直接进入可溶性碱液，这是本发明与现有技术的区别点之一。如本发明的一个区别技术特征就是，臭氧进气管的出气口位置设置在旋流盘的下部且靠近旋流盘；在一个优选方案中又进一步要求，臭氧的流向朝向旋流盘；在另一个优选方案中要求，臭氧分布器贴近旋流盘，将臭氧直接释放到旋流盘的叶片缝隙中。系统如此设置的目的在于确保臭氧不在烟气中发生分解，也不在烟气中对no进行氧化，而是先进入碱性溶液中进行催化分解。

本发明采取这样技术手段的原因是：

（1）申请人认为，no在向no2转化时存在一平衡关系。

在较高温度、较低压力以及较低no的浓度下，no不容易转化为no2，或者转化后的no2又立即转变成为了no。这样，即使烟气中的no能够被o3氧化，在最终烟气中，no被氧化的比例很小。对比例对此做了实验验证。

o3+no→no2+o2①

no2→o+no②

o+o→o2③

根据平衡关系，如果烟气中的no的浓度较低（一般不超过300mg/m³），烟气中的no即使被氧化成为高价态的no2，依据上述公式①和②，最终也会转化回到no。这也是现有臭氧脱硝技术中臭氧高投入量、并且氧化效果也不高的原因。

（2）臭氧遇到可溶性碱液会发生分解：

《臭氧水稳定性研究》与《不同缓冲液对臭氧分解影响》等资料均指出，碱性溶液会导致臭氧快速发生分解；有实验指出，溶液的ph越大，臭氧分解越快。当ph值达到9时，臭氧在水中的半衰期不到1分钟，ph值超过12时，臭氧的分解几乎是瞬时的。

在碱性环境下，臭氧会快速发生催化分解，分解历程为：

o3+oh^-→o2+ho2^-④

ho2^-→oh^-+o⑤

o+o→o2⑥

对于本发明来说，大部分的臭氧会直接进入旋流盘的缝隙并与旋流盘上的可溶性碱液接触，臭氧与可溶性碱液接触后会发生分解，但臭氧的分解不但不会降低o3对no的氧化作用，反而还会强化其氧化效果，这是因为：臭氧的分解物中有氧化性更强的游离单原子o产生（参见公式⑤），单原子o的氧化性强于o3，更易于、更有能力将no氧化。

o+no→no2⑦

并且，因为在可溶性碱液中，存在液体的隔离作用，臭氧分解产生的单原子o和o之间很难结合为o2，公式⑥发生的概率降低，这样释放的大量单原子o就会按照公式⑦对no进行氧化，烟气中的氮氧化物就会从低价态no向高价态的no2转化。从而臭氧在碱性条件下分解，可以更好的来氧化no，这与现有技术中的技术思路完全不同。

在一个优选方案中，臭氧喷出的方向与烟气的方向是一致的，可快速进入气液旋流层，无需与烟气进行均匀混合，与现有技术的技术手段不同。另外，臭氧与烟气顺向，还可减少气阻，降低能量损耗；在另一个优选方案中，要求均臭氧直接喷入旋流盘叶片缝隙，目的也在于此。

当然，也有部分臭氧在碱性环境下可能直接氧化no：

o3+no→no2+o2⑧

但是相比较而言，o3对no的氧化性要弱于o，因而，将臭氧直接通入到碱液环境中，经催化分解来氧化no，会得到更好的氧化效果。

2、在气液旋流层中，no氧化后会立即被可溶性碱液吸收。

相对于现有技术，本发明的创造性还在于，在碱液环境中，no被氧化后立即被吸收。

如前所述，o原子和o3都可以来氧化no，氧化环境是在气液旋流层中的。由于处于碱液环境中，氧化产物（高价态的氮氧化物，如no2）会立即被可溶性碱液吸收，形成硝酸盐⑨或者亚硝酸盐⑩并留存在碱液中，不会发生公式②的反应，即no2向no的转变，另外，碱液还会促进no的吸收，见公式⑩。这样烟气中的主要氮氧化物就会被脱除。

3no2+2oh^-→no3^-+no+h2o⑨

no2+no+2oh^-→2no2^-+h2o⑩

现有技术中由于氧化和吸收的分离，从而导致no的最终脱除效果不佳。no被氧化后即被吸收的技术手段，构成本发明与现有技术的区别点。

（二）相关名词解释

1、臭氧与臭氧发生器

臭氧由臭氧发生器生成。臭氧发生器可选择高压放电式臭氧发生器，市场购买或者定做。氧源可选择纯氧，为节省成本，可以直接用空气做氧源。需要说明的是，实际工艺中，无论是通过纯氧源产生臭氧，还是通过空气源产生臭氧，纯臭氧只占有气体的一定比例，纯氧源的比例高，空气源的比例低。因而，确切来说，本发明中涉及应用臭氧的工艺，臭氧的概念也包括含臭氧气体。

2、旋流盘塔与旋流盘

旋流盘塔是脱硝系统中实现前述技术思路的场所。旋流盘塔由旋流盘和塔壳构成，旋流盘安装在塔壳内，位于烟气进口的上方。旋流盘可采用现有技术中应用于对气体旋流的旋流盘，其具体结构是：一圆形塔盘，由若干旋流叶片组成，旋流叶片沿盘中心向四周、呈辐条状均匀布置，叶片由薄板制成，与塔轴线倾斜有角度，两叶片间缝隙为烟气通道，缝隙对应于叶片，也与塔轴线有倾角。从中心到外周，缝隙的空腔逐渐增大。为了、制造安装方便，叶片外周为一圆形圈，叶片外周焊接在该圆形圈上。也可以在塔壳内壁一定位置，依次直接将叶片焊接在塔壳的内壁上，形成旋流盘。

在一个优选方案中，旋流盘的中心位置设置成实心结构，目的在于更好承接液体，并使两者更好均匀混合，也不会导致液体过早通过叶片间缝隙，影响烟气脱硝效果。

附图2、附图3以及附图4也表示了一种旋流盘的结构

现有技术中，旋流盘通常应用于气体旋流，但本发明中，将旋流盘塔用于烟气脱硝，能够起到意想不到的技术效果。原因在于，旋流盘不但起到了气体旋流的效果，还能够将上部的液体进行旋流，并且还能够将气液更好的加以搅动、混合，增强气液接触、反应和传质效果。

3、臭氧供给系统

该系统包括臭氧罐、压力泵、阀门以及进气管等。作用为向旋流盘塔中供给臭氧，通过进气管将臭氧输送至旋流盘的下方位置。臭氧的供给量根据烟气中no的含量和臭氧的浓度具体设定。根据前述公式④⑤⑦⑧⑨，no和o3的摩尔比为1：1的关系，即一个o3可以吸收1个no，但是根据④⑤⑦⑧⑩，no和o3的摩尔比小于1：1，这可以使用较少量的臭氧。考虑到臭氧的损耗以及公式②和⑥的影响，可取臭氧与no的摩尔比为：1-10:1，或者根据实际工况来确定。然后再据此选购、或者定制臭氧发生器。

4、可溶性碱液供给系统

可溶性碱，是指能够在水中电离出氢氧根离子的物质，具体包括氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙、氨、醇胺、碳酸钠、碳酸钾、碳酸氢钠、碳酸氢钾、尿素等能够溶解于水，并且能够在在水中电离出氢氧根离子的物质。

可溶性碱液，是指可溶性碱的水溶液或者水溶液与部分可溶性碱的混合物。

可溶性碱液供给系统，包括碱液槽、压力泵、阀门、进液管等。功能为将可溶性碱液输送至旋流盘的上方位置。

考虑到使用一次后的可溶性碱液还具备较大的ph值，因而可以循环使用。将从旋流叶片缝隙流下的碱液收集至碱液槽后，再由压力泵输送至旋流盘上，再次进行催化和吸收。如果ph值降低，可以在碱液槽中加入可溶性碱进行调整。反应产物也可以从碱液槽中定期抽取。该系统的更好定义为：可溶性碱液供给及循环系统。

可溶性碱的oh^-离子浓度以ph值衡量。经实验表明，当ph值达到9时，碱液就可以将臭氧催化分解，对烟气中的no进行氧化，其他条件不变的情况下，ph值越大，no的脱除越迅速，脱除效果越好。当ph值为14时，臭氧接触到可溶性碱液就可迅速分解。从成本考虑，ph值的范围以12-14为宜。

可溶性碱液在催化臭氧的反应中只是起到催化剂的作用，没有量的消耗，因而从理论来说，其消耗量可根据高价态的氮氧化物来确定，而高价态氮氧化物主要由no转化而来，故其消耗量最终由烟气中的no的量确定。在实际应用中，为充分保证催化和吸收效果，碱液的单位喷淋量可以取5-20倍的臭氧的输入量。

5、气液旋流层：旋流盘塔工作时，气液旋流层因为旋流盘的结构而产生。如前所述，当气体通过旋流盘的叶片缝隙时会形成气体旋流，旋流的气体与旋流盘上的液体接触时，会推动液体一起旋转，由于气体上升，从而形成一定高度的液柱。当液柱达到一定高度时，由于重力的作用，部分液体会从旋流盘叶片间较大的缝隙处流出。这样气体的升力和液柱的重力的共同作用，就形成了一定高度的气液旋流层。

本发明的有益效果是：

1、将臭氧用于烟气脱硝，相对于scr还原法脱硝，成本低且高效。

2、将旋流盘塔用于烟气脱硝，增强了气液间的接触、反应和传质效果。

3、通过碱液催化臭氧来氧化no，并用碱液吸收氧化产物，无需另外的催化剂，成本低，且有意想不到的技术效果。

4、适用烟气温度范围大，尤其适用于低温烟气，脱硝效果越好；与scr法技术相比，烟气无需加热，具有巨大成本优势。

说明书附图

图1：最佳实施方式的脱硝系统示意图。

图2：实施例中旋流盘的示意图。

图3：实施例中图2的剖视图。

图4：实施例中叶片的俯视图。

图5：实施例中叶片的右视图。

图6：叶片与实心圆盘的连接关系(a)示意图。

图7：叶片与外圈的连接位置关系（b）示意图。

最佳实施方式

结合各附图，对本发明进行说明：

旋流盘塔为直径0.8m的圆筒，塔高5m，壁厚为8mm，304l不锈钢制造。旋流盘1安装在距离塔壳底部3.5米处位置。旋流盘1的外圈2直径为790mm，用点焊与塔壳连接。旋流盘1的中心为一实心圆盘3，直径为150mm。叶片4的厚度6mm，共计36片，均匀安装在实心圆盘3和外圈2之间，叶片4与水平方向的夹角为36°。

烟气进口5开设在距离旋流盘塔底部1.5m处位置，烟气出口6开设在塔壳顶部，旋流盘塔的底部空间作为碱液槽7使用。臭氧的进气管8在塔外与臭氧发生器9连接，管路上还设置有气体增压泵10和流量调节阀11，在塔内与臭氧分布器12连接，臭氧分布器12位于旋流盘1下方0.5m处，臭氧分布器12为一个平面螺旋状盘管，盘管正对旋流盘1的一面均匀开有若干1mm的小孔。可溶性碱液的进液管13的管路上也设有液体增压泵14和流量调节阀15。进液管13的液体出口设置在实心圆盘3上方的位置，进液管13的另一端连接到旋流盘塔底部的碱液槽7。

烟气取用某钢厂烧结车间的烧结烟气。初始烟气的各参数为：烟气温度135-137℃，烟气的湿度为0.01-0.03%，no含量为174-183mg/m³，氮氧化物总含量273-296mg/m³，氧气含量14-16%，烟气流量为904m³/h。

臭氧发生器9选择青岛中科三氧净化设备有限公司生产的oz型空气源臭氧发生器，臭氧生产量为500g/h，臭氧浓度18-30g/m³。可溶性碱液选用0.1m的氢氧化钠溶液。

烟气经烟气进口5进入旋流盘塔，在塔内上升，并穿过旋流盘叶片4缝隙形成旋流，然后再上升，从烟气出口6出塔。打开臭氧管路的流量调节阀11，开动增压泵10，臭氧发生器9中的臭氧经进气管8输送至臭氧分布器12，并通过小孔喷出。通过调节阀11调整臭氧的流量，使其均匀输入，并保证其每小时的输入量不低于400g；同时，打开可溶性碱液输入及循环系统的调节阀15和增压泵14，碱液槽7中的碱液经进液管12输送至旋流盘1的实心圆盘3上，通过调节阀15调整碱液的流量，保证每小时的输入量为5kg。

实心圆盘3上的可溶性碱液横向向四周扩散，在叶片4缝隙烟气升力的作用下形成一气液旋流层16，叶片4靠近塔壳壁的缝隙由于间隙增大，该处的部分液体会在重力作用下，向下流出流动，并最终汇集到塔的底部。分离的气体则会从烟气出口6排出旋流盘塔。

烟气、臭氧和碱液在气液旋流层中完成接触、反应和传质。

在旋流盘塔的烟气出口6处测量，no含量为14-21mg/m³。