一種光輻射電解耦合脫汞的方法及裝置與流程
本發明涉及煙氣污染物控制領域，具體涉及一種光輻射電解耦合脫汞的方法及裝置。
背景技術：
汞是一種劇毒性的重金屬痕量元素，對人體健康和生態環境具有極大的危害。我國是世界第一大煤炭消費國，能源結構中煤炭的比例高達75％，并且這種格局在今后相當長的一段時間內仍不會有大的改變。隨著燃煤污染物大氣環保標準的日益嚴格，預計在不久的將來，燃煤煙氣汞污染控制標準的出臺將是必然趨勢。國內外學者在研究脫汞新理論和新技術領域做了大量卓有成效的工作。目前，在眾多脫汞方法中，吸附劑吸附和濕法洗滌被認為是燃煤煙氣脫汞領域的兩個最有發展潛力的主流脫汞技術。濕法洗滌脫汞技術中研究最多的是應用現有的濕法煙氣脫硫系統聯合洗滌脫汞。該技術可以實現較高的Hg2+(g)脫除率，但是對難溶的Hg0(g)沒有明顯的脫除效果，部分氧化態汞還可能被還原為單質汞。不少學者嘗試用一些氧化技術在脫硫塔前將煙氣中的Hg0(g)先氧化為Hg2+(g)，然后再用濕法煙氣脫硫系統洗滌脫除Hg2+(g)。目前研究較多的選擇性催化還原(SCR)催化氧化脫汞可實現部分Hg0(g)轉化為Hg2+(g)，但脫汞效果受到燃煤組分﹑催化劑類型﹑燃燒方式以及燃燒器結構的明顯影響，相關催化氧化機理仍不十分清楚。其它氧化技術，例如等離子體氧化﹑光催化氧化和臭氧氧化等尚處于實驗室探索階段。利用高錳酸鉀﹑過硫酸鉀和亞氯酸鈉等傳統氧化劑在吸收塔中氧化吸收Hg0(g)也取得了良好效果，但也存在吸收劑昂貴或產物成分復雜難處理等不足，相關技術還有待于進一步完善。吸附法主要是通過活性炭或者其它吸附劑吸附煙氣中的Hg2+(g)和Hg0(g)，先將其轉化為顆粒汞，然后利用現有的除塵設備將其捕獲而達到脫汞目的。目前研究較多且技術最成熟的活性炭吸附法具有較高的脫汞效率，但應用成本極高，企業難以承受。綜上所述，目前還沒有一種適合于大規模商業化的燃煤煙氣脫汞技術。因此，在完善現有脫汞技術的同時，積極開發經濟高效的新型燃煤煙氣脫汞技術具有重要理論和現實意義。
技術實現要素：
一種光輻射電解耦合脫汞的方法及裝置，先采用電解裝置制備氯氣，而氯氣溶于水后形成次氯酸溶液。紫外光輻射分解次氯酸產生氯原子和羥基作為汞的氧化劑，在光輻射射流床中氧化脫除煙氣中的汞。該系統具有極強的氧化性，能夠實現100％脫汞率，且脫除過程無二次污染，具有廣闊的市場應用前景。
本發明方法及裝置的基本原理：
1、由圖1所示，采用電子自旋共振技術可測定到紫外光輻射次氯酸溶液產生了氯原子和羥基。因此，紫外光輻射分解次氯酸溶液首先是釋放了具有高活性的氯原子和羥基，具體過程可用如下的化學反應(1)-(7)表示：
Cl·+H2O→OH-+·OH (6)
·O-++H2O→OH-+·OH (7)
2、羥基可氧化脫除煙氣中的單質汞，具體過程可用如下的化學反應(8)表示：
Hg0+·OH→HgO↓+H· (8)
3、反應產生的氧化汞經過沉淀分離后可作為工業原料回收利用，脫汞過程無二次污染。
依據上述原理，為實現以上脫除汞目的，本發明采用的實施方案及要求如下：
一種光輻射電解耦合脫汞的方法及裝置，設有一個光輻射射流床，它設有煙氣入口﹑煙氣出口﹑溶液入口﹑溶液出口﹑產物出口﹑空氣入口﹑空氣出口﹑旋流霧化噴嘴﹑石英板﹑紫外燈﹑循環泵﹑空氣冷卻裝置﹑電解裝置﹑氯氣回收裝置。
所述光輻射射流床上部作為霧化射流反應區域，底部為溶液區域；所述光輻射射流床中間是紫外燈及冷卻室，所述冷卻室的底部設有空氣入口，所述冷卻室的頂部設有空氣出口；所述光輻射射流床的側壁上設有煙氣入口；所述光輻射射流床底部設有電解裝置；所述光輻射射流床底部設有溶液入口、溶液出口，溶液出口連接有循環泵，循環泵通過液體管路與旋流霧化噴嘴連接，所述煙氣入口與旋流霧化噴嘴連通；所述煙氣出口位于光輻射射流床的頂部，所述煙氣出口與氯氣回收裝置連接。
在光輻射射流床內，旋流霧化噴嘴的橫向和縱向間距太大將無法形成良好的液滴霧化覆蓋，太小將會導致液滴碰撞合并加劇，同樣不利于液滴的霧化覆蓋，故旋流霧化噴嘴的最佳橫向和縱向間距A均位于20cm-50cm之間，且為便于安裝，橫向間距和縱向間距保持相等。
紫外燈與石英板之間的橫向間距太小不利于空氣流動冷卻，太大則導致紫外傳播距離增加，增加能耗，故紫外燈與石英板之間的最佳橫向間距B位于1cm-2cm之間。
光輻射射流床的高度與煙氣的停留時間/反應時間有關，高度增加，煙氣停留時間增加，脫除效率會增加，但高度太高，反應器體積龐大，初始投資增加，因此光輻射射流床的最佳高度C位于0.5m-10m之間。
光輻射射流床的反應室的寬度太小會導致旋流霧化噴嘴無法展開覆蓋，而寬度太大會導致循環泵功率增加，因此反應室的最佳寬度D位于0.1m-2m。
紫外燈的橫向間距太大會導致紫外光輻射功率不足，而太小將導致能量消耗增加，故紫外燈的最佳橫向間距E位于0.1m-1m之間。
光輻射射流床的長度與處理煙氣的流量以及占地面積有關，煙氣流量越大，需要的反應器長度越長，但占地面積也相應增大，綜合兩者因素后發現光輻射射流床的最佳長度F位于0.1m-8m之間。
旋流霧化噴嘴射出的溶液液滴直徑太大無法提供足夠的接觸面積，故旋流霧化噴嘴射出的溶液液滴直徑不大于100微米。
旋流霧化噴嘴射出的溶液液滴出口流速太小無法形成足夠的氣流剛度，不能對石英板形成足夠的沖刷，故旋流霧化噴嘴射出的溶液的出口流速不小于1m/s。
所述的方法是先采用電解裝置制備氯氣，而氯氣溶于水后形成次氯酸溶液。紫外光輻射分解次氯酸產生氯原子和羥基作為汞的氧化劑，在光輻射射流床中氧化脫除煙氣中的汞。
來自鍋爐含汞煙氣從煙氣入口進入光輻射射流床中并與旋流霧化噴嘴出來的次氯酸液滴混合后射向對面的石英板。石英板上的次氯酸在紫外燈輻射下分解產生高活性氯原子和羥基。煙氣中的汞會在石英板表面與羥基發生氧化反應。反應產生的氧化產物會被后續射流沖擊清洗，從而保證石英板具有良好的紫外光穿透性。
脫汞氧化產物主要是氧化汞沉淀，進入底部后會被回收利用。煙氣中殘留的氯氣會被尾部的氯氣回收裝置吸收分離后循環再利用，洗滌后的煙氣經煙氣出口排入大氣。空氣冷卻裝置提供空氣對紫外燈進行冷卻，以保證紫外燈在低溫下高效運行。
煙氣入口溫度太高將導致電解產生的次氯酸加速自分解，不利于脫除過程的進行。另外，煙氣溫度太高還將增加紫外燈冷卻負擔，因此煙氣入口溫度不高于180℃，可通過增加前置煙氣冷卻器冷卻后再進入反應器。
溶液與煙氣的液氣比太低會導致脫除效果下降，而太高則導致反應器無法充分利用，故溶液與煙氣的最佳液氣比是1L/m3-50L/m3。
溶液中氯化鈉是電解制備氯氣的主要介質和原料，其濃度太高將導致霧化溶液粘稠度增加，增加旋流霧化噴嘴流動阻力和霧化難度，同時還會降低氣體溶解度，而濃度太低則無法制取足夠濃度的氯氣，因此溶液中氯化鈉的最佳濃度為0.01mol/L-2mol/L。
溶液的pH太高不利于次氯酸的穩定，也不利于污染物的脫除，因此溶液的pH要求不高于7.5。
溶液溫度太高將會導致次氯酸分解和氯氣溶解度下降，因此溶液溫度不高于75℃。
煙氣中汞濃度太高會導致排放無法達到環保要求，因此煙氣中汞濃度不高于500μg/m3。
紫外光輻射強度越高，脫除效率越好，但能耗也將大大提高，故紫外光有效輻射強度為10μW/cm2-200μW/cm2。紫外線波長越短，釋放的光子能量越大，分解次氯酸的能力越強，但傳播距離明顯下降，即處理能力不足，因此紫外線有效波長為180nm-366nm。
根據煙氣處理量﹑可用的占地面積和脫除效率等綜合指標，光輻射射流床可以是一個單用，也可以是兩個或兩個以上的串聯(串聯可以增加脫除效率)或并聯使用(并聯可以增加處理的煙氣量)。
洗滌后的煙氣中可能有少量的氯氣存在，尾部設有含有次氯化碳的氯氣回收裝置，可以進一步洗滌回收氯氣，回收后的氯氣可再循環利用。紫外燈運行過程中會產生大量的熱量，溫度太高將會大大降低紫外燈的運行效率和使用壽命，因此系統運行時需要設置一套利用空氣循環的冷卻裝置，冷卻空氣量可以根據出口氣流溫度來確定，一般保持紫外燈運行溫度在55攝氏度以下即可。
本發明的優點及顯著效果：
本發明所述的一種光輻射電解耦合脫汞的方法及裝置，具有設備簡單、初投資小、脫汞效率高、整個脫除過程無二次污染等諸多優點，具有廣闊的開發和工業前景。
附圖說明
圖1一種光輻射氯原子和羥基的電子自旋共振光普圖。
圖2是本發明中光輻射射流床的主視圖及結構示意圖。
圖3是本發明中光輻射射流床的旋流霧化噴嘴布置示意圖。
圖4是本發明中光輻射射流床的紫外燈管布置示意圖。
具體實施方式
一種光輻射電解耦合脫汞的方法及裝置，設有一個光輻射射流床，它設有煙氣入口1﹑煙氣出口2﹑溶液入口3﹑溶液出口4﹑產物出口5﹑空氣入口6﹑空氣出口7﹑旋流霧化噴嘴8﹑石英板9﹑紫外燈10﹑循環泵11﹑空氣冷卻裝置12﹑電解裝置13﹑氯氣回收裝置14。光輻射射流床底部裝有氯化鈉溶液，上部作為霧化射流反應區域，反應器以紫外燈10為中心對稱布置，兩側是反應室15(圖1中標有霧化液滴部分)，中間是紫外燈布置及冷卻室(圖1中紫外燈周圍沒有霧化液滴部分)，冷卻室是由石英板圍成的，冷卻室的作用是避免紫外燈與反應液直接接觸，并且可以通入冷卻空氣，降低紫外燈的溫度。
所述光輻射射流床上部作為霧化射流反應區域，底部為溶液區域；所述光輻射射流床中間是紫外燈7及冷卻室，所述冷卻室的底部設有空氣入口6，所述冷卻室的頂部設有空氣出口7；所述光輻射射流床的側壁上設有煙氣入口1；所述光輻射射流床底部設有電解裝置13；所述光輻射射流床底部設有溶液入口3、溶液出口4，溶液出口4連接有循環泵11，循環泵11通過液體管路與旋流霧化噴嘴8連接，所述煙氣入口1與旋流霧化噴嘴8連通；所述煙氣出口2位于光輻射射流床的頂部，所述煙氣出口2與氯氣回收裝置14連接。
所述的方法是先采用電解裝置13制備氯氣，而氯氣溶于水后形成次氯酸溶液。紫外光輻射分解次氯酸產生氯原子和羥基作為汞的氧化劑，在光輻射射流床中氧化脫除煙氣中的汞。來自鍋爐含汞煙氣從煙氣入口1進入光輻射射流床中并與旋流霧化噴嘴8出來的次氯酸液滴混合后射向對面的石英板9。石英板9上的次氯酸在紫外燈10輻射下分解產生高活性氯原子和羥基。煙氣中的汞會在石英板9表面與羥基發生氧化反應。反應產生的氧化產物會被后續射流沖擊清洗，從而保證石英板9具有良好的紫外光穿透性。
脫汞氧化產物主要是氧化汞沉淀，進入底部后會被回收利用。煙氣中殘留的氯氣會被尾部的氯氣回收裝置14吸收分離后循環再利用，洗滌后的煙氣經煙氣出口排入大氣。
空氣冷卻裝置12提供空氣對紫外燈進行冷卻，以保證紫外燈在低溫下高效運行。該系統具有極強的氧化性，能夠實現100％脫汞率，且脫除過程無二次污染，具有廣闊的市場應用前景。
在光輻射射流床內，旋流霧化噴嘴8的橫向和縱向間距A均位于20cm-50cm之間，且橫向間距和縱向間距保持相等。紫外燈10與石英板9之間的橫向間距B位于1cm-2cm之間。光輻射射流床的高度C位于0.5m-10m之間。反應室的寬度D位于0.1m-2m。紫外燈10的橫向間距E位于0.1m-1m之間。光輻射射流床的長度F位于0.1m-8m之間。旋流霧化噴嘴8射出的溶液液滴直徑不大于100微米，出口流速不小于1m/s。煙氣入口溫度不高于180℃，溶液與煙氣的最佳液氣比為1L/m3-50L/m3，溶液中氯化鈉的最佳濃度為0.01mol/L-2mol/L，溶液的pH不高于7.5，溶液溫度不高于75℃，煙氣中汞濃度不高于500μg/m3，紫外光有效輻射強度為10μW/cm2-200μW/cm2，紫外線有效波長為180nm-366nm。
以下為本發明最優實施例：
實施例1.旋流霧化噴嘴的橫向和縱向間距A均為30cm。紫外燈與石英板之間的橫向間距B為1cm。光輻射射流床的高度C為1.0m之間。反應室的寬度D為0.6m。紫外燈的橫向間距E為0.1m。光輻射射流床的長度F為1.0m。旋流霧化噴嘴射出的溶液液滴直徑為80微米，出口流速為3m/s。煙氣入口溫度為120℃，液氣比為8L/m3，氯化鈉濃度為0.5mol/L，溶液pH為4.5，溶液溫度為45℃，煙氣中汞濃度為100μg/m3，紫外光輻射強度為80μW/cm2，紫外線波長為254nm。在小型實驗系統上的結果為：脫汞效率達到84.6％。
實施例2.旋流霧化噴嘴的橫向和縱向間距A均為30cm。紫外燈與石英板之間的橫向間距B為1cm。光輻射射流床的高度C為1.0m之間。反應室的寬度D為0.6m。紫外燈的橫向間距E為0.1m。光輻射射流床的長度F為1.0m。旋流霧化噴嘴射出的溶液液滴直徑為80微米，出口流速為3m/s。煙氣入口溫度為120℃，液氣比為12L/m3，氯化鈉濃度為0.5mol/L，溶液pH為4.5，溶液溫度為45℃，煙氣中汞濃度為100μg/m3，紫外光輻射強度為80μW/cm2，紫外線波長為254nm。在小型實驗系統上的結果為：脫汞效率達到61.1％。
實施例3.旋流霧化噴嘴的橫向和縱向間距A均為30cm。紫外燈與石英板之間的橫向間距B為1cm。光輻射射流床的高度C為1.0m之間。反應室的寬度D為0.6m。紫外燈的橫向間距E為0.1m。光輻射射流床的長度F為1.0m。旋流霧化噴嘴射出的溶液液滴直徑為80微米，出口流速為3m/s。煙氣入口溫度為120℃，液氣比為5L/m3，氯化鈉濃度為0.5mol/L，溶液pH為4.5，溶液溫度為45℃，煙氣中汞濃度為100μg/m3，紫外光輻射強度為80μW/cm2，紫外線波長為254nm。在小型實驗系統上的結果為：脫汞效率達到91.5％。
實施例4.旋流霧化噴嘴的橫向和縱向間距A均為30cm。紫外燈與石英板之間的橫向間距B為1cm。光輻射射流床的高度C為1.0m之間。反應室的寬度D為0.6m。紫外燈的橫向間距E為0.1m。光輻射射流床的長度F為1.0m。旋流霧化噴嘴射出的溶液液滴直徑為80微米，出口流速為3m/s。煙氣入口溫度為120℃，液氣比為8L/m3，氯化鈉濃度為0.5mol/L，溶液pH為4.5，溶液溫度為45℃，煙氣中汞濃度為100μg/m3，紫外光輻射強度為120μW/cm2，紫外線波長為254nm。在小型實驗系統上的結果為：脫汞效率達到97.8％。
實施例5.旋流霧化噴嘴的橫向和縱向間距A均為30cm。紫外燈與石英板之間的橫向間距B為1cm。光輻射射流床的高度C為1.0m之間。反應室的寬度D為0.6m。紫外燈的橫向間距E為0.1m。光輻射射流床的長度F為1.0m。旋流霧化噴嘴射出的溶液液滴直徑為80微米，出口流速為3m/s。煙氣入口溫度為120℃，液氣比為8L/m3，氯化鈉濃度為0.5mol/L，溶液pH為4.5，溶液溫度為45℃，煙氣中汞濃度為100μg/m3，紫外光輻射強度為80μW/cm2，紫外線波長為185nm。在小型實驗系統上的結果為：脫汞效率達到100％。
實施例6.旋流霧化噴嘴的橫向和縱向間距A均為30cm。紫外燈與石英板之間的橫向間距B為1cm。光輻射射流床的高度C為1.0m之間。反應室的寬度D為0.6m。紫外燈的橫向間距E為0.1m。光輻射射流床的長度F為1.0m。旋流霧化噴嘴射出的溶液液滴直徑為80微米，出口流速為3m/s。煙氣入口溫度為120℃，液氣比為8L/m3，氯化鈉濃度為0.5mol/L，溶液pH為4.5，溶液溫度為45℃，煙氣中汞濃度為100μg/m3，紫外光輻射強度為80μW/cm2，紫外線波長為365nm。在小型實驗系統上的結果為：脫汞效率達到26.1％。
經過以上實施例的綜合對比可知，實施例5具有最佳的脫除效果，汞的脫除效率達到100％，可作為最佳實施例參照使用。
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