一种基于光-热耦合改性催化剂净化烟气的方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于光

【技术实现步骤摘要】
一种基于光
‑
热耦合改性催化剂净化烟气的方法及系统


[0001]本专利技术涉及燃煤污染物减排领域，具体涉及一种基于光
‑
热耦合改性催化剂净化烟气的方法及系统
。

技术介绍

[0002]煤炭在能源转化利用，例如燃烧过程中会释放二氧化硫
(SO2)﹑
氮氧化物
(NO
x
)﹑
汞
(Hg)
等空气污染物
。SO2和
NO
x
是引起大气酸雨和光化学烟雾的主要前驱体，也被认为是雾霾产生的关键成分之一
。
汞则会引发致癌致畸等严重危害人体健康的行为
。
因此，开发经济高效的燃煤烟气污染物减排技术是各级政府和环保科技人员面临的重要任务
。
[0003]为了实现上述燃烧污染物的减排，国内外研究人员开发了大量的烟气脱硫脱硝脱汞技术
。
目前，应用最广泛的主流烟气脱硫脱硝技术主要是石灰石
‑
石膏法湿法烟气脱硫技术和氨基选择性催化还原脱硝技术，而使用最多的烟气脱汞技术主要是活性炭吸附技术
。
这几种脱除技术的联合使用虽然可以分级实现烟气脱硫脱硝脱汞，但均无法在一个反应器内实现多种污染物的同时脱除
。
三种工艺的联合叠加使用虽然可以实现烟气同时脱硫脱硝脱汞，但同时也将导致整个系统庞大复杂
、
占地面积大
、
初投资和运行费用高等诸多不足
。/>我国目前在工业和民用行业保有的大量中小型锅炉
﹑
工业窑炉在处理多种污染物时将面临巨大的经济压力，难以获得大规模推广应用
。
[0004]综上所述，如果能够在一个反应器内实现
SO2、NO
x
和汞三种污染物的同时脱除，即同时脱硫脱硝脱汞，则有望大大降低系统的复杂性和占地面积，进而减少系统的初投资与运行费用，具有良好的发展和应用前景
。
目前国内外研究者已经开发了多种烟气同时脱硫脱硝脱汞技术，主要包括催化法
、
等离子体脱除法
、
吸附法
、
络合吸收法
、
传统化氧化法和自由基高级氧化法等
。
等离子体脱除法存在技术装置可靠性差和能耗高等不足
。
吸附法存在脱除效率低和装置需要间歇操作等缺点
。
络合吸收法具有络合剂再生损耗大和能耗高等不足
。
传统氧化法存在氧化能力低
、
氧化剂消耗量大
、
二次污染或试剂成本高等问题
(
每种氧化剂往往包含一种或多种不足
)。
当前广受关注的自由基高级氧化技术获得了较大的发展，但是目前仍然存在投资大和运行费用高
、
技术成熟度差等技术经济难题，离工业应用仍有很大的距离，需要该领域科技人员投入更多的研究努力
。
[0005]在各种同时脱除技术中，催化脱除法具有初投资小
、
工艺流程简单
、
催化剂可活化再生和易于实现多污染物同时脱除等综合优势，是一种具有良好发展前景的烟气同时脱除技术，但传统的催化同时脱硫脱硝脱汞技术的发展却十分缓慢，其主要原因有三个：
(1)
常见的同时脱硫脱硝脱汞催化剂在脱除污染物后很容易发生失活或中毒等现象，需要及时对其实施活化再生，但是目前常用的同时脱硫脱硝脱汞催化剂的活化再生方法往往存在活化再生效率低和无法实时在线活化再生等难题，导致整个脱除过程效率低下；
(2)
目前常用的同时脱硫脱硝脱汞催化剂活化再生方法存在活化再生过程能耗巨大和成本高昂等不足，不符合当前国家大力提倡的节能低碳运行战略，企业负担也很大；
(3)
目前常见的催化同时脱硫脱硝脱汞技术主要是在固定床和流化床中运行，但两种传统反应器的传质速率都很小
。
大量的研究和工业实践已证实：气固反应过程的主要速率控制步骤是传质过程
。
因此，采用传统反应器催化同时脱硫脱硝脱汞很容易导致反应器体积庞大和运行能耗高等不足
。
上述三个关键问题是阻碍催化同时脱硫脱硝脱汞技术实现大规模工业化应用的主要障碍
。

技术实现思路

[0006]为了解决现有技术中存在的问题，本专利技术开发了一种基于光
‑
热耦合改性催化剂净化烟气的方法及系统，来自磁催化剂给料装置的磁催化剂进入光
‑
热耦合活化床，与来自改性试剂储备罐的改性试剂在改性区充分混合
。
改性试剂在紫外光和烟气余热耦合作用下分解释放硫酸根自由基改性磁催化剂产生高活性位点
。
改性后的磁催化剂进入混动床与来自锅炉
/
窑炉的含
SO2、NO
x
和
Hg0烟气在反应区发生吸附催化反应
。
反应后的磁催化剂通过顶部的气固磁分离器实现快速分离，并重新送入光
‑
热耦合活化床内活化改性再生，而清洁烟气则由烟囱送入大气
。
[0007]本专利技术方法及系统的基本原理：
[0008]1、
利用烟气余热和紫外光耦合诱导
S2O
82
‑
产生具有极强氧化性的硫酸根自由基
(SO4·
‑
)
，而产生的硫酸根自由基
(SO4·
‑
)
具有极强的氧化性，能够攻击磁催化剂表面产生具有极强氧化性的高活性位点
(active sites)
，具体过程可用如下的化学方程
(1)
‑
(2)
表示：
[0009][0010]nSO4·
‑
+Catalyzer
→
Catalyzer
‑
active sites(2)
[0012]2、
改性后的磁催化剂利用极强氧化性的高活性位点
(active sites)
可吸附催化烟气中的
SO2、NO
x
和
Hg0，使得相对难溶的
SO2、NO
x
和
Hg0等污染物被分别氧化为相对更加易溶解的
SO3、NO2/N2O4/N2O5和
Hg
2+
等污染物中间体，具体转化过程可用如下的化学方程
(3)
‑
(5)
表示：
[0013]Catalyzer
‑
activesites+SO2→
Catalyzer+SO3ꢀꢀ
(3)
[0014]Catalyzer
‑
active sites+NO
→
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于光
‑
热耦合改性催化剂净化烟气的方法，其特征在于，磁催化剂给料装置
(1)
的磁催化剂
,
改性试剂储备罐
(5)
的改性试剂同时进入光
‑
热耦合活化床
(17)
内，并在光
‑
热耦合活化床
(17)
内充分混合；改性试剂在紫外光和烟气余热耦合作用下分解释放硫酸根自由基改性磁催化剂产生高活性位点；改性后的磁催化剂进入混动床
(18)
与来自锅炉
/
窑炉
(15)
的含
SO2、NO
x
和
Hg0烟气在混动床
(18)
内发生吸附催化反应；反应后的磁催化剂通过顶部的气固磁分离器
(10)
实现快速分离，分离的磁催化剂重新送入光
‑
热耦合活化床
(17)
内活化改性再生，而清洁烟气则由烟囱送入大气
。2.
根据权利要求1所述的一种基于光
‑
热耦合改性催化剂净化烟气的方法，其特征在于：所述磁催化剂包括
Fe2O3﹑Fe3O4﹑CuFe2O4﹑MnFe2O4﹑CoFe2O4﹑CeFe2O4中的一种金属氧化物或者一种以上的金属氧化物混合物；或者所述磁催化剂为磁铁矿或者燃煤飞灰磁珠；所述的改性试剂是单独过硫酸盐或者包含过硫酸盐在内的混合物
。3.
根据权利要求2所述的一种基于光
‑
热耦合改性催化剂净化烟气的方法，其特征在于：所述的磁催化剂的投加量按光
‑
热耦合活化床
(17)
体积的每立方米投加
0.3kg
‑
12kg
；磁催化剂的粒径保持在
0.01
μ
m
‑
0.6
μ
m
之间；所述光
‑
热耦合活化床内磁催化剂改性的最佳改性时间是
15s
‑
120min
；所述光
‑
热耦合活化床
(17)
的循环旁路的循环速率是
15m3/h
‑
400m3/h
；改性试剂的投加浓度保持在
0.002mol/L
‑
5.0mol/L
之间；改性试剂的投加量按光
‑
热耦合活化床
(17)
体积的每立方米投加
50g
‑
3000g
；所述的过硫酸盐包括过硫酸铵
﹑
过硫酸钠或过硫酸钾；所述的光
‑
热耦合活化床
(17)
内的磁催化剂的改性温度保持在
40℃
‑
120℃
之间，混动床
(18)
内的反应温度保持在
60℃
‑
350℃
之间；所述混动床
(18)
内磁催化剂脱除污染物的停留时间是
1s
‑
80s。4.
根据权利要求1至3任一项所述的一种基于光
‑
热耦合改性催化剂净化烟气的方法，其特征在于：来锅炉
/
窑炉
(15)
中的烟气中
SO2、NO
x
和
Hg0的入口浓度分别不大于
9000ppm、2000ppm
和
600
μ
g/m3；所述方法既可以用于
SO2、NO
x
和
Hg0等三种污染物的同时脱除，也可用于其中任意一种或者任意两种以上污染物的脱除
。5.
基于权利要求1所述的一种基于光
‑
热耦合改性催化剂净化烟气的方法的系统其特征在于：所述系统包括用于改性磁催化剂的光
‑
热耦合活化床
(17)
和实现污染物脱除的混动床
(18)
；所述的光
‑
热耦合活化床
(17)
包含一个磁催化剂入口
(a)﹑
改性试剂入口
(b)
；所述的磁催化剂入口
(a)﹑
改性试剂入口
(b)
分别连接磁催化剂给料装置
(1)
和改性试剂储备罐
(5)
；光
‑
热耦合活化床
(17)
上设有循环旁路入口
(e)
和循环旁路出口
(d)
，循环旁路用于循环磁催化剂实现多次反复改性；所述的光
‑
热耦合活化床
(17)
还设有改性后磁催化剂出口
(c)
，所述改性后磁催化剂出口
(c)
与混动床
(18)
的改性后磁催化剂入口
(j)
连接；光
‑
热耦合活化床
(17)
还设有与混动床
(18)
相连通的磁催化剂再入口
(i)
；所述光
‑
热耦合活化床
(17)
底部设有用于喷射和均匀分布磁催化剂颗粒的气固喷嘴阵列
(4)
；所述气固喷嘴阵列
(4)
上方的改性区域内设有多组用于提供光
‑
热耦合诱导过硫酸盐产生硫酸根自由基改性磁催化剂紫外灯
...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋高峰，董文利，张永春，马向东，刘杨先，李建，蔡磊，
申请(专利权)人：江苏省特种设备安全监督检验研究院，
类型：发明
国别省市：