一种燃煤锅炉掺烧污泥烟气污染物脱除装置和工艺的制作方法

本发明涉及烟气污染物处理领域，特别是一种燃煤锅炉掺烧污泥烟气污染物脱除装置和工艺。

背景技术：

实践证明，燃煤耦合污泥发电是污泥当前处置中最有前景的处置方式之一，然而污泥通常含有氯酚(cps)、氯苯(cbs)、硝基苯(nbs)、多氯联苯(pcbs)、多氯代二苯并二恶英/呋喃(pcdd/fs)、邻苯二甲酸酯(pes)、多环芳烃(pahs)等种类复杂的挥发性有机化合物(vocs)和重金属，其焚烧烟气的二次污染问题受到广泛关注。与燃煤电厂排放的烟气相比，掺烧污泥产生的烟气具有烟气量较小，hcl浓度高，so2浓度较低，含水量较高，重金属、二噁英及苯系物浓度增高等特性。尽管燃煤锅炉掺烧污泥产生的细颗粒烟尘和重金属汞等污染物可通过除尘器等大气污染控制设备收集处理，如大多数氧化生成的hg²⁺和颗粒态的hg^p，但汞的第三种形态hg⁰因其较低的反应活性和难溶解性相对于其他两种形态较难捕获，所以传统的烟气净化技术不能很好的脱除掺烧污泥产生的二次污染物。

近年来，低温等离子体(non-thermalplasma，ntp)技术在空气污染物脱除、特别在脱除nox、so2和vocs等方面取得了长足的进步。ntp技术是电子、化学、催化等综合作用下的电化学过程，净化的原理是：1、依靠等离子体在瞬间产生的强大电场能量电离、裂解有害气体的化学键能，从而破坏废气分子结构达到净化目的；2、激活、电离或裂解气体污染物中的h2o、o2等分子，产生氧化性活性粒子和自由基(如o、o3、oh自由基、ho2自由基)与污染物作用降解为co2、h2o或其它有机物质，实现污染物脱除的目的。但该技术也存在一些问题：1、污染物脱除效率有待提高；2、活性粒子和自由基反应活跃，但缺乏选择性，容易产生不完全氧化产物或聚合物；3、产生的臭氧不仅会腐烛设备，排放至大气中也会危害环境和人体健康。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种将等离子体技术与催化剂和吸附液联用催化脱除烟气污染物的燃煤锅炉掺烧污泥烟气污染物脱除装置。

本发明采用以下方式来实现，一种燃煤锅炉掺烧污泥烟气污染物脱除装置，其特征在于：包括等离子体氧化反应器和等离子体吸收处理器；所述等离子体氧化反应器的一端设置有烟气进口，所述等离子体氧化反应器的另一端与所述等离子体吸收处理器相连通，所述等离子体吸收处理器的另一端设置有烟气出口；所述等离子体氧化反应器上设置有给所述等离子氧化反应器提供氧气的进气装置；所述等离子体氧化反应器包括相互连接的脉冲交流高压电源和介质阻挡等离子体线筒式反应器，所述等离子体吸收处理器包括脉冲电源、线筒式反应器和循环供液装置，所述脉冲电源与所述线筒式反应器相连接；所述线筒式反应器内部设置有网载催化剂层。

进一步的，所述介质阻挡等离子体线筒式反应器的筒壁由外至内依次设置有第一非导体层、间隙层和微孔板层，所述微孔板层上设置有若干小孔；所述微孔板层内对称嵌设有高压电极层和接地电极层，所述高压电极层的下端设置有介质层。

进一步的，所述进气装置包括鼓风机，所述鼓风机通过进气管与所述间隙层连通，所述进气管上设置有阀门。

进一步的，所述线筒式反应器的筒壁由外至内依次设置有第二非导体层和防腐层。

进一步的，所述循环供液装置包括雾化喷淋头、喷淋液贮液槽和喷淋液循环泵；所述雾化喷淋头等距离设置于所述线筒式反应器的顶部，所述雾化喷淋头通过连接管与所述喷淋液贮液槽连接，所述连接管上设置有所述喷淋液循环泵；所述喷淋液贮液槽包括凹槽，所述凹槽上设置有过滤盖板。

进一步的，所述线筒式反应器内侧壁上设置有用于固定所述网载催化剂层的导轨，所述网载催化剂层的一端设置有一固定板，所述固定板上设置有将所述网载催化剂层固定于所述线筒式反应器上的螺栓；所述网载催化剂层包括载网和催化剂，所述催化剂采用溶胶-凝胶法均匀附着在所述载网上。

进一步的，所述小孔的孔径为2mm。

进一步的，所述溶胶-凝胶法制备所述网载催化剂层，包括以下步骤：

步骤s1.1：将蜂窝陶瓷放入5%的稀硝酸溶液中加热煮沸1h，用蒸馏水洗涤数次，100℃恒温干燥1h，冷却备用；

步骤s1.2：金溶胶制备方法：在去离子水中分别加入硼氢化钠溶液和四羟甲基氯化磷，再加入新鲜配制的四氯金酸溶液，搅拌机搅拌，即得到棕色的金溶胶；

步骤s1.3：将高锰酸钾和硫酸锰按比例溶解于水中，混合均匀后形成红褐色溶液，然后与金溶胶搅拌混合均匀；

步骤s1.4：将步骤s1.1中处理得到的蜂窝陶瓷浸渍在步骤s1.3中得到的混合溶液中1h后取出，80℃恒温烘干3h，然后放入马弗炉中500℃煅烧2h，冷却备用。

本发明的另一目的在于提供一种燃煤锅炉掺烧污泥烟气污染物脱除工艺，便于操作人员进行燃煤锅炉掺烧污泥烟气污染物的脱除，其特征在于：包括以下步骤：

步骤s2.1：启动所述脉冲交流高压电源和所述鼓风机，并将所述阀门开启；

步骤s2.2：将经过空气预热器、省煤器和除尘器后处理后的烟气由所述烟气进口通入所述介质阻挡等离子体线筒式反应器内，通过高压放电对烟气进行氧化处理，得到初步净化后的气体和气体氧化副产物；

步骤s2.3：启动所述脉冲电源和所述喷淋液循环泵；

步骤s2.4：将步骤s2.2得到的初步净化后的气体和气体氧化副产物通入所述等离子体吸收处理器，通过与所述网载催化剂层与喷淋液的反应，进一步净化烟气；进化后的烟气由所述烟气出口排出；同时，烟气中含有的粉尘和易溶于水的反应产物经过循环喷淋液后，与水结合掉落到装置底部的贮液槽中收集处理。

本发明的有益效果在于：

（1）本发明中通过脉冲交流高压放电可以使烟气污染物中的h2o、o2等分子被激活、电离或裂解，产生o3、·oh、·o、·ho2等强氧化性活性粒子和自由基，其中生成的·oh自由基能与so2反应生成hso3、h2so4，烟气中的nox氧化成硝酸，将烟气中的hg⁰氧化为hg²⁺，便于后续烟气汞的捕捉和成盐吸收。挥发性有机化合物有害气体分子通过强氧化性活性电子发生定向链式反应，裂解成co2等无害的气体分子，著提高了污染物脱除效率。

（2）本发明通过鼓风机泵入氧气，增加了烟气中o2的体积分数，从而增加了放电产生的·o、臭氧等自由基和活性粒子含量，可增强污染物的去除效率。同时等离子体氧化反应器内壁的微孔板层结构在进气后，表面形成“气膜”，即可防止微孔板层上粘附固体粉末，可对设备表面起到防尘、防腐和自洁的作用。

（3）本发明能充分利用烟气中普遍存在的盐酸污染物，通过放电可生成·cl自由基或cl2气体，可促进hg⁰氧化生成hgcl2，即可去除盐酸污染物，又有助于提高气体中hg⁰的去除效率。

（4）本发明中所述介质阻挡等离子体线筒式反应器产生的氧化副产物，如hso3、h2so4、氮氧化物、臭氧等有害物质，在所述线筒式反应器中被电解氨水生成的·nh2、·nh、·oh等活性自由基还原成无害产物，hg²⁺可与喷淋液中的na2s或nahs和feso4或zncl2溶液共沉淀而分离除去。

（5）本发明中设置的网载催化剂层能有效去除副产物臭氧，同时实现汞和挥发性有机物的高效脱除。

（6）本发明采用介质阻挡放电，通过置入所述介质层，避免了在高气压下所述脉冲交流高压电源两极间的放电形成电弧放电或火花放电，能在很大的气压范围内工作；所述介质层的存在能使放电均匀的分布在整个放电空间。

附图说明

图1为本发明燃煤锅炉掺烧污泥烟气污染物脱除工艺步骤图。

图2为溶胶-凝胶法制备网载催化剂层步骤图。

图3为本发明一实施例结构示意图。

图4为本发明网载催化剂层结构示意图。

图5为图1的等离子体氧化反应器截面图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

请参照图3，本发明一实施例中，一种燃煤锅炉掺烧污泥烟气污染物脱除装置，包括等离子体氧化反应器1和等离子体吸收处理器2；所述等离子体氧化反应器1的一端设置有烟气进口3，所述等离子体氧化反应器1的另一端与所述等离子体吸收处理器2相连通，所述等离子体吸收处理器2的另一端设置有烟气出口4；所述等离子体氧化反应器1上设置有给所述等离子氧化反应器1提供氧气的进气装置5；所述等离子体氧化反应器1包括相互连接的脉冲交流高压电源6和介质阻挡等离子体线筒式反应器7，所述脉冲交流高压电源6为烟气在所述等离子体氧化反应器1内的反应提供所需用电；所述等离子体吸收处理器2包括脉冲电源8、线筒式反应器9和循环供液装置10，所述脉冲电源8与所述线筒式反应器9相连接，所述脉冲电源8用于给所述等离子体吸收处理器2供电，提供反应所需用电；所述线筒式反应器9内部设置有网载催化剂层11。使用时，将经过空气预热器、省煤器和除尘器后处理后的烟气由所述烟气进口3通入所述等离子体氧化反应器1进行通过脉冲交流高压电源6的高压放电使得烟气污染物所含的分子氧化，得到初步净化后的气体和气体氧化副产物。初步净化后的气体和气体氧化副产物通入所述等离子体吸收处理器2，通过与所述循环供液装置10提供的喷淋液以及所述网载催化剂层11充分反应进一步净化烟气，净化后的烟气由所述烟气出口4排出装置。在等离子体氧化反应器内，烟气发生的反应原理是：通过高压放电可以使烟气污染物中的h2o、o2等分子被激活、电离或裂解，产生o3、·oh、·o、·ho2等强氧化性活性粒子和自由基，其中生成的·oh自由基能与so2反应生成hso3、h2so4，强氧化性活性粒子将烟气中的nox氧化成硝酸，将烟气中的hg0氧化为hg²⁺，便于后续烟气汞的捕捉和成盐吸收。挥发性有机化合物有害气体分子通过强氧化性活性电子发生定向链式反应，裂解成co2等无害的气体分子。烟气中普遍存在盐酸等污染物，其在低温等离子体放电过程中可生成·cl自由基或cl2气体，可促进hg0氧化生成hgcl2，这便即可去除盐酸污染物，又有助于提高气体中hg⁰的去除效率。烟气经过所述等离子体氧化反应器1后处理，去除了so2、hg⁰和某些复杂的有机化合物，初步净化后的烟气中还含有hso3、h2so4、hg²⁺、氮氧化物、臭氧等有害物质。经过所述等离子体氧化反应器1处理后的烟气进入所述等离子体吸收处理器2进一步脱除。

请参照图5，本发明一实施例中，所述介质阻挡等离子体线筒式反应器7的筒壁由外至内依次设置有非导体层12、间隙层13和微孔板层14，所述微孔板层14上设置有若干小孔15；所述微孔板层14的材质为耐热不锈钢，当所述进气装置5往所述等离子体氧化反应器1内通入氧气时，通入的氧气能在所述微孔板层14处形成气膜，可防止微孔板上粘附固体粉末，可对设备表面起到防尘、防腐和自洁的作用，在有粉尘、腐蚀性气体等恶劣环境中，可有效提高设备使用寿命；所述微孔板层14内对称嵌设有高压电极层16和接地电极层17，所述高压电极层16的下端设置有介质层18。所述介质层18采用具有优异的耐放电性能，相对介电常数较大的绝缘介质，包括batio3、tio2、catio3、a12o3或陶瓷，所述介质层18的相对介电常数越大，可以产生更多促进有机物的分解的氧化性物质。本发明通过置入所述介质层18，两极间的放电避免了在高气压下形成电弧放电或火花放电，能在很大的气压范围内工作；所述介质层18的存在能使放电均匀的分布在整个放电空间；介质的存在防止电极直接与放电等离子体接触，避免了电极发生腐蚀。

请参照图3，本发明一实施例中，所述进气装置5包括鼓风机19，所述鼓风机19通过进气管20与所述间隙层13连通，所述进气管20上设置有阀门21。所述鼓风机19往所述介质阻挡等离子体线筒式反应器7内泵入氧气或空气，增加了烟气中o2的体积分数，从而增加了放电产生的·o、臭氧等自由基和活性粒子含量，可增强污染物的去除效率。同时，通入的氧气能在所述微孔板层14处形成气膜，可防止微孔板上粘附固体粉末，可对设备表面起到防尘、防腐和自洁的作用，在有粉尘、腐蚀性气体等恶劣环境中，可有效提高设备使用寿命。

本发明一实施例中，所述线筒式反应器9的筒壁由外至内依次设置有第二非导体层和防腐层，所述防腐层使用的材料为聚四氟乙烯。

请参照图3，本发明一实施例中，所述循环供液装置6包括雾化喷淋头22、喷淋液贮液槽23和喷淋液循环泵24；所述喷淋液贮液槽23用来收集和储藏可循环使用的喷淋液，从而减少喷淋液的消耗量，降低成本；所述喷淋液的成分为na2s和feso4、na2s和zncl2、nahs和feso4、或nahs和zncl2溶于氨水的吸收剂，所述喷淋液中的na2s或nahs的作用是除去氧化态二价汞，加入feso4或zncl2和氨水可以加强与hgs的共沉淀作用，氨水脉冲等离子体放电作用下生成·nh2、·nh、·oh等活性自由基，羟基自由基在处理气态污染物中处于主导地位，促进污染物转化为无害物质用于去除氮氧化物和所述等离子体氧化反应器1产生的酸性副产物。所述喷淋液的ph值保持在6-8范围内，因为hgs沉淀物在溶液ph为10以上即变成胶体状态，难于把它彻底清除；如果添加的na2s或nahs过量时，hgs则生成[hgs2]^2-，沉淀容易发生溶解；所以应加入对于feso4或zncl2及hg²⁺之浓度的1：1当量的na2s·9h2o或nahs。所述雾化喷淋头22等距离设置于所述线筒式反应器9的顶部，所述雾化喷淋头22通过连接管25与所述喷淋液贮液槽23连接，所述连接管25上设置有所述喷淋液循环泵24；所述雾化喷淋头22将所述喷淋液循环泵24抽送的喷淋液雾化，雾化后的喷淋液能起到加速反应效率和均匀程度的效果，强化气体中污染物的洗涤吸收和催化化学反应；所述喷淋液贮液槽23包括凹槽，所述凹槽上设置有过滤盖板，所述过滤盖板用于过滤固体反应产物和细颗粒烟尘。启动所述喷淋液循环泵24，将所述喷淋液贮液槽23内的喷淋液抽吸至所述雾化喷淋头22处，经由所述雾化喷淋头22雾化进行喷淋，喷淋时与进入所述线筒式反应器9内部的烟气进行对流式吸收反应，为烟气与喷淋液提供了充分接触的时间，可以起到净化充分的效果。

请参照图3至图4，本发明一实施例中，所述线筒式反应器9内侧壁上设置有用于固定所述网载催化剂层11的导轨26，所述网载催化剂层11的一端设置有一固定板27，所述固定板27上设置有将所述网载催化剂层11固定于所述线筒式反应器9上的螺栓，便于后续替换所述网载催化剂层11，所述固定板27在所述网载催化剂层11锁付固定于所述线筒式反应器9后起到密封的作用；所述网载催化剂层11包括载网和催化剂，所述载网为蜂窝结构，蜂窝结构是为了保证烟气可以顺利通过，同时又具有较大的表面积，增加催化剂的反应面积，所述催化剂采用金掺杂锰氧化物，能用于去除汞、臭氧和挥发性有机污染物，所述催化剂采用溶胶-凝胶法均匀附着在所述载网上。

本发明一实施例中，所述小孔15的孔径为2mm。

请参照图2，本发明一实施例中，所述溶胶-凝胶法制备所述网载催化剂层，包括以下步骤：

步骤s1.1：将蜂窝陶瓷放入5%的稀硝酸溶液中加热煮沸1h，用蒸馏水洗涤数次，100℃恒温干燥1h，冷却备用；

步骤s1.2：金溶胶制备方法：在去离子水中分别加入硼氢化钠溶液和四羟甲基氯化磷，再加入新鲜配制的四氯金酸溶液，搅拌机搅拌，即得到棕色的金溶胶；

步骤s1.3：将高锰酸钾和硫酸锰按比例溶解于水中，混合均匀后形成红褐色溶液，然后与金溶胶搅拌混合均匀；

步骤s1.4：将步骤s1.1中处理得到的蜂窝陶瓷浸渍在步骤s1.3中得到的混合溶液中1h后取出，80℃恒温烘干3h，然后放入马弗炉中500℃煅烧2h，冷却备用。

请参照图1，本发明一实施例中，一种燃煤锅炉掺烧污泥烟气污染物脱除工艺，包括以下步骤：

步骤s2.1：启动所述脉冲交流高压电源和所述鼓风机，并将所述阀门开启；

步骤s2.2：将经过空气预热器、省煤器和除尘器后处理后的烟气由所述烟气进口通入所述介质阻挡等离子体线筒式反应器内，通过高压放电对烟气进行氧化处理，得到初步净化后的气体和气体氧化副产物；

步骤s2.3：启动所述脉冲电源和所述喷淋液循环泵；

步骤s2.4：将步骤s2.2得到的初步净化后的气体和气体氧化副产物通入所述等离子体吸收处理器，通过与所述网载催化剂层与喷淋液的反应，进一步净化烟气；进化后的烟气由所述烟气出口排出；同时，烟气中含有的粉尘和易溶于水的反应产物经过循环喷淋液后，与水结合掉落到装置底部的贮液槽中收集处理。

下面结合实施例对本发明作进一步的描述，需要说明的是，实施例并不构成对本发明要求保护范围的限定。本发明中所使用的搅拌机为：上海标模jb200-d强力电动搅拌机，但不仅限于此。

实施例1，本发明一实施例中，所述金掺杂锰氧化物催化层的制备包括：

（1）将蜂窝陶瓷放入5%的稀硝酸溶液中加热煮沸1h,以除去陶瓷表面可能残留的有机物；用蒸馏水洗涤数次，100℃恒温干燥1h，冷却备用。

（2）金溶胶制备方法：在一定体积的去离子水中分别加入硼氢化钠溶液3.75ml和0.96wt％四羟甲基氯化磷1.5ml，再加入适量新鲜配制的25mmol/l的四氯金酸溶液，搅拌机搅拌，转速为900r/min，得到棕色的金溶胶。

（3）将高锰酸钾和硫酸锰按照物质的量之比2.5∶1溶解于水中，混合均匀后形成红褐色溶液，然后与金溶胶混合搅拌。

（4）将处理过的蜂窝陶瓷浸渍在混合溶液中1h后取出，恒温80℃烘干3h。然后放入马弗炉中500℃煅烧2h，冷却备用。上述浸渍-干燥-煅烧过程每完成一次，即在载体上负载一层金掺杂锰氧化物薄膜。

喷淋液na2s浓度为0.10mol/l，feso4浓度为0.10mol/l，氨水浓度为0.15mol/l。

实验室模拟烟气含氮氧化物395mg/m³、二氧化硫2930mg/m³、汞104μg/m³；所用的电源运行参数为：峰值电压40kv，脉冲上升沿为7.5μs，频率30-120hz。

结果显示：脱硝效率约为79.85％，脱硫效率约为95.14％，脱汞效率约为89.24%。

实施例2，本发明一实施例中，所述金掺杂锰氧化物催化层的制备包括：

（1）将蜂窝陶瓷放入8%的稀硝酸溶液中加热煮沸1h，以除去陶瓷表面可能残留的有机物。用蒸馏水洗涤数次，100℃恒温干燥1h，冷却备用。

（2）金溶胶制备方法：在一定体积的去离子水中分别加入硼氢化钠溶液4.15ml和0.92wt％四羟甲基氯化磷2ml，再加入适量新鲜配制的30mmol/l的四氯金酸溶液，搅拌机搅拌，转速为955r/min，得到棕色的金溶胶。

（3）将高锰酸钾和硫酸锰按照物质的量之比2∶1.5溶解于水中，混合均匀后形成红褐色溶液，然后与金溶胶混合搅拌。

（4）将处理过的蜂窝陶瓷浸渍在混合溶液中1h后取出，恒温80℃烘干3h。然后放入马弗炉中500℃煅烧2h，冷却备用。上述浸渍-干燥-煅烧过程每完成一次，即在载体上负载一层金掺杂锰氧化物薄膜。

喷淋液nahs浓度为0.20mol/l，zncl2浓度为0.20mol/l，氨水浓度为0.10mol/l。

实验室模拟烟气含氮氧化物468mg/m³、二氧化硫3068mg/m³、汞151μg/m³；所用的电源运行参数为：峰值电压60kv，脉冲上升沿为8.5μs，频率50-140hz。

结果显示：脱硝效率约为83.59％，脱硫效率约为99.24％，脱汞效率约为92.04%。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。