一种交互式活性炭烟气处理方法及系统与流程

本发明涉及烟气处理技术，具体涉及一种交互式活性炭烟气处理方法及系统，属于活性炭烟气净化处理。

背景技术：

1、近年来，随着社会经济的快速发展，工业烟气的污染问题给环境治理带来了巨大压力。随着国家“超低排放”标准的实行，so2、nox、粉尘等污染物超低排放已成为工业烟气末端治理等过程中烟气达标排放的新常态。

2、吸附法是一种简单且有效的干法工艺，是一种能将多种污染物高效协同脱除的烟气治理技术，从成本和环境友好性考虑，干法工艺优于湿法和半干法工艺，是现有烟气净化技术中最具潜力的脱硫工艺之一。活性炭具有高度发达的孔隙结构和巨大的比表面积，被称为万能的吸附材料，是目前应用最为广泛的吸附净化材料，同时活性炭还具有丰富的含氧官能团，使其具备一定的催化能力，是加速污染物与还原剂发生反应的载体。在污染物的净化中，活性炭吸附技术简单有效，应用范围广，是目前污染物净化的主流技术之一。

3、活性炭烟气净化技术主要分为固定床和移动床两种形式，活性炭固定床法干法技术在工程上的实现是采取类逆流式固定床技术（间歇式移动床），活性炭颗粒装于脱硫吸附塔中，烟气由下部进入固定床法吸附塔后，烟气由下部往上部升，活性炭在重力作用下从上部往下部降，与烟气进行逆行流接触。随着与固定床法脱硫剂的接触so2、和nox等即被脱除，还可以达到深度除尘的效果。处理后的净烟气由固定床吸收仓出口排入净烟气主烟道，最终引至烟囱排放。整个过程不使用水，亦不产生废水。而且也不存在消白的需要。过程简单，效果卓异，投资运行均较省，适用于多种工业废气的处理。

4、但传统的固定床活性炭工艺存在以下几个问题：1：为了保证均匀布料和下料，需要更多地的布料和下料储存空间，因此有效填充率较低，易产生死角，有高温蓄热的风险；2：逆流接触吸附塔为了保证床层厚度，占地面积较大，烟气阻力大；3：常规的活性炭装置，烟气固定从一侧进入吸附塔，运行一段时间后，床层中先接触烟气的活性炭层机械磨损严重，吸附饱和，而此时后侧（或上部）的活性炭层远未吸附饱和，前层活性炭富集到一定程度时，含有较多粘性的酸性颗粒和粉尘的活性炭通道可能已经堵塞，前床层由很多的小料堆组成，烟气可能从料层薄的地方走得多，而从料层厚的地方走得少，这样就造成烟气分布不均，从而导致排料口形成“漏斗料”，出现局部堆积、下料不畅、下料不均、排料口堵塞、运行阻力增大等问题，影响吸附净化效果及后层未饱和活性炭与前层饱和活性炭一起排出，导致活性炭利用率低。4：现有的活性炭装置无旁路功能，一旦出现活性炭升温的现象，只能整个烟气净化系统停机解决，且无法实现在线检修功能。5：现有固定床活性炭工艺无有效的稀释降温设备，原烟气温度过高或浓度过高直接进入活性炭装置，有超温的风险，对烟气波动适应性较差。

技术实现思路

1、针对现有技术中采用活性炭吸附塔净化烟气时存在前后侧净化床层吸附速率不一致而导致料流不均匀甚至堵塞及活性炭利用效率低等问题，本发明提供了一种交互式活性炭烟气处理方法及系统，能够在不改变烟气总进出口方向及烟道系统的情况下，通过吸附塔装置进出口的交互进气切换以及错流立式活性炭吸附净化的工艺，从而解决了常规单侧进气，前侧床层长期过饱和接触原烟气造成活性炭颗粒机械磨损严重、活性炭通道堵塞、烟气分配不均、排料不畅、阻力增大、活性炭利用率低以及活性炭再生困难等问题。

2、为实现上述技术目的，本发明所采用的技术方案如下所述：

3、根据本发明的第一种实施方案，提供一种交互式活性炭烟气处理方法：

4、一种交互式活性炭烟气处理方法，该方法包括：

5、1)原烟气从活性炭吸附塔的前侧气室进入，经过活性炭吸附净化后从活性炭吸附塔的后侧气室排出。

6、2)待步骤1)进行t1时段后，将原烟气改为从活性炭吸附塔的后侧气室进入，经过活性炭吸附脱净化后从活性炭吸附塔的前侧气室排出。

7、3)待步骤2)进行t2时段后，重复步骤1)，并依次循环进行步骤1)和步骤2)。

8、作为优选，根据原烟气性质和活性炭性质以及当前工况实时参数计算得出t1和t2，具体为：

9、t1=k×ρ×s×h1/m×m/v   （1）

10、t2=k×ρ×s×h2/m×m/v   （2）

11、在式（1）-（2）中，k为活性炭的硫容（一般为一个常数）；ρ为活性炭床层堆积密度，kg/m3；s为活性炭床层截面积，m2；h1为前侧碳层厚度，m；h2为后侧碳层厚度，m；m为烟气中需脱除的污染物量，kg/h；m为系统关联系数，取值为0.01~0.25m/s；v为活性炭床层中烟气流速，m/s。其中，前后指的的烟气流动方向上的前后。

12、需要说明的是，本发明中所有的公式均为发明人根据实验和工程应用后拟合所得，所有的计算均为按照规定的单位换算后的数值，将换算单位后的数值代入公式计算获得（换算单位后，仅将数值代入公式计算，不代入单位，单位仅用于调整数值的大小）。根据计算获得的时间进行活性炭吸附塔前后侧的交替进气，可在保障烟气净化效果的同时实现活性炭的高效利用，实现烟气净化和活性炭利用的双赢，起到了一举两得的技术效果。

13、作为优选，所述原烟气在进入活性炭吸附塔前需进行温度调控使得进入活性炭吸附塔的烟气温度不高于145℃，优选为不高于140℃，更优选为不高于135℃。

14、作为优选，对原烟气进行温度调控主要为将高温原烟气进行冷却以降低其温度至设定值以下，冷却的方式包括但不限于向原烟气中兑入冷风以及采用冷风或冷水与原烟气进行间接换热冷却。

15、根据本发明的第二种实施方案，提供一种交互式活性炭烟气处理系统：

16、一种交互式活性炭烟气处理系统或用于第一种实施方案所述方法的系统，该系统包括进气互通阀、碳基吸附塔以及排气互通阀。进气互通阀的进气口与原烟气输送管道相连通，进气互通阀的第一排气口通过第一烟道与排气互通阀的第一进气口相连接。进气互通阀的第二排气口通过第二烟道与排气互通阀的第二进气口相连接。排气互通阀的排气口与尾气输送管道相连通。碳基吸附塔的前侧气室通过第一连通管与第一烟道相连通。碳基吸附塔的后侧气室通过第二连通管与第二烟道相连通。

17、作为优选，所述进气互通阀包括进气阀体、进气挡板、进气挡板导轨以及进气挡板驱动。进气阀体上开设有与其内腔相连通的进气口、第一排气口以及第二排气口。进气挡板导轨设置在进气阀体的内腔中并位于第一排气口与第二排气口之间。进气挡板驱动设置在进气阀体外部并位于第一排气口与第二排气口之间。进气挡板设置在进气挡板导轨上，并且其一端贯穿进气阀体后与进气挡板驱动相连接。通过进气挡板驱动驱动进气挡板在进气挡板导轨上移动进而控制第一排气口和第二排气口的开合。

18、作为优选，所述排气互通阀包括排气阀体、排气挡板、排气挡板导轨以及排气挡板驱动。排气阀体上开设有与其内腔相连通的排气口、第一进气口以及第二进气口。排气挡板导轨设置在排气阀体的内腔中并位于第一进气口与第二进气口之间。排气挡板驱动设置在排气阀体外部并位于第一进气口与第二进气口之间。排气挡板设置在排气挡板导轨上，并且其一端贯穿排气阀体后与排气挡板驱动相连接。通过排气挡板驱动驱动排气挡板在排气挡板导轨上移动进而控制第一进气口和第二进气口的开合。

19、作为优选，在进气阀体上还开设有与其内腔相连通的进气冷风入口。

20、作为优选，在排气阀体上还开设有与其内腔相连通的排气冷风入口。

21、作为优选，所述碳基吸附塔包括塔体以及设置在塔体内部的碳基吸附层。前侧气室设置在塔体前侧，后侧气室设置在塔体后侧，前侧气室与塔体内部的碳基吸附层之间以及后侧气室与塔体内部的碳基吸附层之间均通过带孔透气隔板相连通。

22、作为优选，在塔体顶部还设置有给料仓。带孔透气隔板的开孔率不低于40%，优选为不低于50%。带孔透气隔板上透气孔的直径为1~8mm，优选为3~5mm。

23、作为优选，在第一连通管和第二连通管上均独立设置有通气阀。

24、作为优选，该系统包括有多个并列设置的碳基吸附塔，每一个碳基吸附塔的前侧气室均独立通过一根第一连通管与第一烟道相连通。每一个碳基吸附塔的后侧气室均独立通过一根第二连通管与第二烟道相连通。

25、作为优选，在任意相邻的两个碳基吸附塔之间的第一烟道与第二烟道之间还通过第三连通管相连通，第三连通管的两端分别通过三通阀与第一烟道和第二烟道相连通。

26、作为优选，在进气互通阀和排气互通阀内分布设置有气体温度传感器。在碳基吸附塔内设置有物料温度传感器。

27、作为优选，该系统还包括有控制装置，所述控制装置与进气互通阀、碳基吸附塔、排气互通阀、气体温度传感器以及物料温度传感器之间均独立建立信号连接，并通过控制装置控制它们的启停。优选，所述控制装置为plc控制器。

28、在本发明中，一般地，活性炭在吸附过程中既可能发生物理吸附，也可能发生化学吸附。物理吸附受吸附剂孔隙率的影响，化学吸附受吸附剂表面化学特性的影响。一般来说，影响吸附量的主要因素有：吸附剂的孔分布结构、表面化学官能团等。常规的活性炭净化工艺，原烟气只能固定从一侧进入吸附塔床层，活性炭对烟气中的污染物吸附并不是由单一的反应机制所控制，固定床中发生吸附的有效部分是吸附带，吸附主要在最先接触的前床层部分发生，并在吸附初期、中期、末期呈分阶段线性关系。初级阶段为等速阶段，中期为减速阶段，末期为等速阶段，但一般只有第一阶段吸附量的6%左右。随着so2等污染物在活性炭上反应的进行，一些表面活性位被生成的h2so4·n(h2o)和粉尘等所覆盖，长期的过饱和状态会造成前床层活性炭机械摩擦严重，颗粒逐渐变小，孔隙率逐渐变小，污染物难以均匀的扩散到活性炭后层远未饱和的活性炭微孔中，或发生偏流造成吸附效率下降和阻力的快速增加。且因前床层粉体相对潮湿及因吸附硫酸粉尘后粘附性较强，机械磨损造成粒料尺寸变小，排料时活性炭不能从排料口稳定地流出，从而产生堵塞或前床层饱和活性炭滞料的现象，造成活性炭利用效率降低和浪费，且长期过饱和接触原烟气的活性炭再生困难，影响再生。另外，保持系统高效和安全运行的前提是必须保证烟气与活性炭层的均匀接触，因此，必须保证料流呈现整体流状态和烟气流场在进入活性炭床层时呈层流均压状态。如果前床层活性炭过量饱和造成烟气不能与料流均匀接触，局部地方脱除率高，局部地方则脱除不净，更严重的是，可能产生局部高温，而影响系统安全运行。因此，本发明采用交互进气以及错流立式活性炭吸附净化的工艺，在不改变烟气总进出口方向及烟道系统的情况下，可实现吸附塔装置进出口的交互切换，烟气可交替从吸附塔的前后两侧进入吸附塔活性炭床层，从而解决了常规单侧进气，前侧床层长期过饱和接触原烟气造成活性炭颗粒机械磨损严重、活性炭通道堵塞，烟气分配不均、排料不畅、阻力增大、活性炭利用率低、活性炭再生困难等问题。

29、在本发明中，将原烟气从活性炭吸附塔的前侧气室进入，经过活性炭吸附净化后从活性炭吸附塔的后侧气室排出。待运行一段时间后（即待步骤1)进行t1时段后），根据烟气阻力及运行指标变化情况（如前侧床层吸附已饱和或接近饱和），将吸附塔装置进出口进行互换，从而实现原烟气从另一侧（未吸附饱和侧床层）进入吸附塔床层，即将原烟气改为从活性炭吸附塔的后侧气室进入，经过活性炭吸附脱净化后从活性炭吸附塔的前侧气室排出。待继续运行一段时间后（即待步骤2)进行t2时段后）再重复步骤1)依此类推交替循环进行步骤1)和步骤2)直至烟气全部净化完成。

30、需要说明的是，t1和t2的变化与活性炭净化性能、活性炭下行速度、烟气流速、床层前后方向的厚度、烟气净化指标等相关。也就是说，t1和t2的变化是根据不同时期不同工况的变化而相应变化的，主要是以保证系统稳定安全运行为前提。

31、在本发明中，原烟气温度过高或浓度过高而直接进入活性炭装置，可能造成超温的风险。若工业原烟气的温度较高（如＞145℃），或原烟气中污染物浓度较高时，则可向原烟气中汇入冷风，并在腔体内进行稀释降温，降到130℃左右或浓度降低至设计值后，再进入活性炭吸附塔。从而保证活性炭吸附塔运行的安全和稳定。需要说明的是，对原烟气进行冷却的方式包括但不限于向原烟气中兑入冷风以及采用冷风或冷水与原烟气进行间接换热冷却。

32、在本发明中，本发明的烟气处理方法主要是通过特殊设计的烟气处理系统进行的，该系统进气互通阀、碳基吸附塔以及排气互通阀等。进气互通阀设计有一个进气口和两个排气口，排气互通阀设计有两个进气口和一个排气口。进气互通阀的两个排气口分别通过独立的烟道（第一烟道和第二烟道）分别与排气互通阀的两个进气口相连接（但不直接连通），碳基吸附塔的前后侧气室分别通过连通管道与两根烟道连通。工业原烟气经过原烟气输送管道进入进气互通阀，运行初始阶段，将进气互通阀的进气挡板置于其第二排气口处（靠近第二烟道侧），将排气互通阀的排气挡板置于其第一进气口处（靠近第一烟道侧），此时，原烟气依次通过进气互通阀、第一烟道、第一连通管、碳基吸附塔、第二连通管、第二烟道、排气互通阀；吸附塔采用错流型吸附塔，烟气垂直于活性炭下料的方向进入吸附塔，将有害物质脱除后的净烟气达标排放。待运行一段时间后，根据烟气阻力及运行指标变化情况（如前侧床层吸附已饱和或接近饱和），将吸附塔装置进出口进行互换，从而实现原烟气从另一侧（未吸附饱和侧床层）进入吸附塔床层，具体为：工业原烟气经过原烟气输送管道进入进气互通阀，将进气互通阀的进气挡板置于其第一排气口处（靠近第一烟道侧），将排气互通阀的排气挡板置于其第二进气口处（靠近第二烟道侧），此时，原烟气依次通过进气互通阀、第二烟道、第二连通管、碳基吸附塔、第一连通管、第一烟道、排气互通阀，将有害物质脱除后的净烟气达标排放。也就是说，虽然进气互通阀的两个进气口分别通过烟道与排气互通阀的两个进气口相连接，但是并不直接连通，不论是第一烟道还是第二烟道在系统运行时均不能同时与进气互通阀排气互通阀相连通，即烟气必须按照进气互通阀、碳基吸附塔、排气互通阀的顺序进行流动，两根烟道和两根连通管的作用是在烟气进入碳基吸附塔的方向进行切换时配合进行烟气导流的作用。

33、在本发发明中，碳基吸附塔由一级或多n级吸附塔组成（其中n为大于等于2的整数，根据烟气量及烟气参数进行选择），每级吸附塔至少设置1个吸附单元，每个吸附单元的床层厚度为1~2m，高度为2~10m。每个吸附单元从上至下包括设置在塔顶的吸附塔活性炭给料仓，设置在给料仓出料口处的给料阀，设置在塔内的活性炭吸附模块、设置在塔底的活性炭下料阀等。吸附单元活性炭床层与前后侧气室接触部位设有带孔透气隔板，保证烟气通过，而活性炭能有效隔绝。带孔透气隔板的开孔率一般为50%左右，当量直径约1~8mm（优选为3~5mm）的微孔不锈钢板。带孔透气隔板能满足既能让烟气排出，又能抑制活性炭粉尘泄漏和烟气夹带。优选的方案中，每级吸附塔一般包含2个吸附单元，2个吸附单元的碳基吸附塔各自的前侧气室和后侧气室均独立通过一根连通管分别与两根烟道相连接，并且在每一根连通管上均设置有通气阀（或切断阀），可根据运行情况通过阀门开启或关闭运行吸附塔数量或便于进行在线检修作业，且可配合互通功能实现吸附塔的高效利用和分配。即系统自身具备双旁路，可快速实现双烟气旁路功能，不需要额外增加旁路挡板门和旁路烟道系统，具有超温或检修不需停机的功能，且系统上的双旁路通道具有调节、导流、分配的作用。

34、需要说明的是，在相邻的两个碳基吸附塔之间的第一烟道与第二烟道之间还通过带有通气阀的第三连通管相连通。通过第三连通与两根第一连通管和两根第二连通之间的配合，可以实现两个碳基吸附塔之间并联（即两个碳基吸附塔的前后侧气室分别通过第一连通管和第二连通管与第一烟道和第二烟道相连通，第三连通管不与两根烟道连通，第一烟道（或第二烟道）内的烟气可同时进入两个碳基吸附塔内）和串联（即两个碳基吸附塔的前后侧气室通过第一连通管和第二连通管与第一烟道和第二烟道相连通，第三连通管与两根烟道连通，第一烟道（或第二烟道）内的烟气需要依次流经两个碳基吸附塔）的切换。也就是说，每级吸附塔进出口烟道设置独立切断阀，可根据运行情况通过阀门开启或切断运行吸附塔数量或进行在线检修作业，且可配合互通功能实现吸附塔的高效利用和分配。

35、在本发明中，进气互通阀和排气互通阀整体结构相似，只是进气互通阀的进气阀体上为一个进气口和两个排气口，而排气互通阀的排气阀体上为两个进气口和一个排气口，此外还均包括阀体（进气阀体和排气阀体）、挡板（进气挡板和排气挡板）、挡板导轨（进气挡板导轨和排气挡板导轨）以及挡板驱动（进气挡板驱动和排气挡板驱动）；通过进气互通阀和排气互通阀的设计，原烟气输送管道、第一烟道、第二烟道可与进气互通阀的内腔接通，挡板驱动设置在阀体上（位于外侧壁上），挡板与阀体连接并设置在腔体内，并通过挡板进行烟气通道的切换，从而实现仅通过挡板的切换实现烟气进入吸附塔前侧气室或后侧气室切换的目的。在本发明中，以进气互通阀为例，当原烟气需要连通第一烟道时，进气挡板驱动驱动进气挡板贴合面置于连通第二烟道的第二排气口上，以阻挡第二烟道与腔体的接通；当原烟气需要连通第二烟道时，进气挡板驱动驱动进气挡板贴合面置于连通第一烟道的第一排气口上，以阻挡第一烟道与腔体的接通。同理，排气互通阀与第一烟道连通还是与第二烟道连通也是通过调节排气挡板封闭第一进气口或封闭第二进气口实现的。需要说明的是，同一烟道不同时与进气互通阀和排气互通阀相连通。通过驱动装置（挡板驱动）与挡板相铰接，挡板设置在两个烟气通道之间，驱动装置带动挡板沿弧形轨道随之一同转动，可实现其中一个通道的开闭或者开启时，另一个通道的开启或者关闭。结构简单，配合工艺流程可达到调节两个不同烟气通道之间的切换的目的。

36、需要说明的是，在本发明中，本发明不需额外设置烟气挡板门即可实现整个烟气净化系统双旁路功能。进出口烟道旁路上无需设烟气旁路挡板，当系统运行中需要切换至旁路时，仅需将进气互通阀的进气挡板、排气互通阀的排气挡板均置于第一烟道侧，则第二烟道可作为烟气旁路；若将进气互通阀的进气挡板、排气互通阀的排气挡板均置于第二烟道侧，则第一烟道可作为烟气旁路。此功能可解决活性炭出现升温时实现不停机在线烟气可快速切换至装置旁路，并可实现在线检修，且双旁路具有调节、导流、分配的作用。

37、在本发明中，在进气互通阀和排气互通阀内分布设置有气体温度传感器。在碳基吸附塔内设置有物料温度传感器，同时在进气阀体上以及在排气阀体上还开设有与各自内腔相连通的冷风入口。通过气体温度传感器和物料温度传感器对系统运行的环境温度进行检测，进而选择性的通过冷风入口兑入冷却介质，可降低烟气进入烟气净化装置时的温度和污染物浓度，提高系统对烟气波动的适应性，有利于烟气净化的安全稳定运行。

38、在本发明中，采用的错流（料流与气流的流动方向垂直或接近垂直式的交叉）布置结构，下料斗数量少且容量小，结合长轴给料机整体均匀下料，可避免常规工艺前后床层吸附饱和不均匀而局部堵塞的问题，保证床层阻力均匀，不留死角，不易蓄热高温。此外，由于本发明的吸附塔为错流布置，烟气垂直活性炭床层水平穿过活性炭，占地面积小，相对于现有逆流工艺烟气自下而上与活性炭逆向运动，为了保证烟气流速，在同样的烟气参数条件下，现有的逆流碳层需更大的占地面积。

39、在本发明中，所述第一烟道和第二烟道各自的管径分别独立的为5-1000cm，优选为20~500cm，更优选为40~300cm。所述碳基吸附塔的高度为0.5~100m，优选为1~50m，更优选为2~120m。

40、与现有技术相比较，本发明的有益技术效果如下所述：

41、1：本发明结合互通阀及错流立式活性炭吸附装置，在不改变烟气总进出口方向及烟道系统的情况下，通过吸附塔装置进出口的交互进气切换以及错流立式活性炭吸附净化的工艺，从而解决了常规单侧进气，前侧床层长期过饱和接触原烟气造成活性炭颗粒机械磨损严重、活性炭通道堵塞、烟气分配不均、排料不畅、阻力增大、活性炭利用率低以及活性炭再生困难等问题。

42、2：本发明采用错流立式固定床活性炭吸附塔装置，可有效提高烟气与床层接触面积，降低烟气流速和阻力，减少了占地面积，提高了活性炭的有效填充率。

43、3：本发明通过在每级吸附塔进出口与烟道连接的连通管上设置独立切断阀，可根据运行情况通过阀门开启或切断运行吸附塔数量或进行在线检修作业，且可配合互通功能实现吸附塔的高效利用和分配。

44、4：本发明通过进气互通阀和排气互通阀的设计还可以快速实现双烟气旁路功能，不需要额外增加旁路挡板门设施和旁路烟道系统，实现活性炭超温时或检修时无需停机的功能，提高系统作业率，且双旁路通道具有调节、导流、分配的作用。

45、5：本发明在进气互通阀和排气互通阀上设有降温稀释机构（即冷风入口），可降低烟气进入烟气净化装置时的温度和污染物浓度，提高系统对烟气波动的适应性，有利于烟气净化的安全稳定运行，减少环境污染，此外本发明还具有结构简单，操作便利，维护简单，实用性强，经济价值和社会价值高，易于推广应用等特点。