一種高溫裂解式氣相汞形態轉化裝置及方法與流程

本發明屬于工業鍋爐廢氣汞形態的轉化和汞濃度在線測量領域，涉及一種將煙氣氣相中難以直接測量的氧化態汞快速高效轉化為能夠被測汞儀準確識別的元素態汞的裝置與方法。

背景技術：

汞及其化合物由于具有高揮發性、生物累積性和很強的神經毒害性等特性，日益受到全世界范圍內的關注。隨著工業化的發展，由燃煤、冶金、水泥生產以及礦物開采等引發大氣汞排放問題愈發嚴重，其中，燃煤汞排放占有全球人為汞排放的最大份額。全球多個國家和地區也相繼制定了相關的法律法規和行業標準控制燃煤汞排放問題。我國于2011年首次明確了燃煤汞的排放標準，因此，燃煤汞排放控制迫在眉睫。

事實上，實現燃煤煙氣汞形態濃度的全面準確測量對控制燃煤汞排放至關重要。燃煤煙氣中汞形態可分為三種：氣相元素態汞、氣相氧化態汞和顆粒態汞。不同形態的汞具有不同的物理化學性質，其中元素態汞性質穩定，易揮發，微溶于水，能在大氣中停留很長的時間，具有很強的環境遷移能力。而氧化態汞易溶于水，易被顆粒物所捕集。基于不同形態汞的性質，燃煤電廠煙氣中的汞能不同程度地被現有的污染物控制裝置脫除。因此準確測量煙氣中汞的形態對于了解汞的遷移轉化過程以及汞控制技術的開發具有十分重要的意義。

目前，電廠煙氣中汞濃度的測量可以分成三種：(1)ontariohydromethod(ohm)(2)吸附管離線采樣法(u.s.epamethod30b)(3)在線連續監測(hg-cems)。ohm由美國astmd6784標準提出來，是針對燃煤電廠煙氣排放中的元素態汞、氧化態汞、顆粒態汞的標準檢測方法，是國內外普遍采用的現場汞測試手段。method30b是由吸附管采樣并提取或熱分析技術結合實驗室分析方法，測定燃煤燃燒源排放煙氣中氣相汞的質量濃度。前兩者均為手動采樣汞濃度測試技術。ohm的測量精度雖然比較高，但存在著采樣、回收、分析過程繁瑣，要求較高，消耗的化學試劑多以及容易引入人為誤差等缺點，不適合大規模采用。method30b兼備著準確、便捷等優勢，但對于氣相中氧化態汞的測量仍存在技術壁壘。hg-cems是基于冷蒸氣原子吸收法(cvaas)或者冷蒸氣原子熒光法(cvafs)的汞形態濃度在線連續監測方法，然而受限于在線分析技術僅能夠檢測到元素態汞的問題，進行氧化態汞向元素態汞的高效轉化是hg-cems實現汞形態濃度在線監測的關鍵技術。

目前應用于hg-cems的汞形態轉化裝置有兩種，一種是基于氯化亞錫將氧化態汞還原為元素態汞的濕化學轉化法；另一種是在高溫下采用催化還原劑將氧化態汞還原得到元素態汞。前者濕化學轉化法存在氯化亞錫還原效率低，試劑易消耗，需要定期更換等問題，在長期煙氣汞形態濃度在線監測應用中受到限制。后者也存在催化劑暴露于酸性氣體下失活的問題，且催化劑壽命短，嚴重影響了氧化態汞的轉化效率。因此，如何實現氧化態汞向元素態汞的快速、高效和持續穩定轉化成為hg-cems工業化應用的核心問題。

技術實現要素：

技術問題：本發明提供一種不依賴于化學試劑又能實現氧化態汞向元素態汞高效快速轉化的高溫裂解式氣相汞形態轉化裝置。本發明還提供了一種利用該裝置實現氣相汞形態高效快速轉化的方法。

技術方案：本發明的高溫裂解式氣相汞形態轉化裝置，包括高溫裂解爐、設置在所述高溫裂解爐中的螺旋管、與所述螺旋管連接的出口端直管和與高溫裂解爐連接的電子溫控裝置，所述高溫裂解爐中設置有在內壁側布置加熱管束、包裹所述加熱管束的耐火材料，所述螺旋管設置有在端部的煙氣進口、填充在中心區域內的蓄熱陶瓷，所述螺旋管的煙氣出口與所述出口端直管相連，所述出口端直管內填充有酸性氣體洗滌劑，所示酸性氣體洗滌劑前后設置有玻璃纖維，所述出口端直管還設置有煙氣出口，所述電子溫控裝置包括分別與加熱管束連接的螺旋管進口溫度傳感器、螺旋管中心區域溫度傳感器、出口端直管溫度傳感器、與所述螺旋管進口溫度傳感器、螺旋管中心區域溫度傳感器、出口端直管溫度傳感器連接的電子溫控儀。

進一步的，本發明裝置中，螺旋管和出口端直管均采用耐高溫且不吸附汞的石英材料，玻璃纖維采用不吸附汞的惰性材料。

進一步的，本發明裝置中，蓄熱陶瓷和酸性氣體洗滌劑均為粒徑范圍為12～16目的不吸附汞顆粒材料。該粒徑范圍內的顆粒狀蓄熱陶瓷既能保證樣氣進入螺旋管中心區內后得到穩定持續加熱，又能使得螺旋管內氣路通暢，避免形成進出口壓差。

本發明裝置中，酸性氣體洗滌劑采用不吸附汞的堿性顆粒材料，粒徑范圍為12～16目。該粒徑范圍內的顆粒狀酸洗氣體洗滌劑既能保證樣氣中的酸性氣體被充分去除，又能使得出口端直管內氣路通暢，避免形成進出口壓差。

本發明利用上述高溫裂解式氣相汞形態轉化裝置進行汞價態轉化的方法，包括如下步驟：

1)將混合有元素態汞和氧化態汞的樣氣由煙氣進口通入螺旋管內，使其在螺旋管前端被高溫裂解爐產生的輻射熱流預熱；

2)蓄熱陶瓷在高溫裂解爐的熱輻射下持續蓄熱，為進入螺旋管中心區域的樣氣氣流提供集中和穩定的高溫熱源，氣相中的氧化態汞在該中心區域快速完全分解為元素態汞；

3)充分分解后的樣氣隨著氣流進入出口端直管中；

4)在出口端直管中，樣氣中原有的酸性氣體和高溫裂解產生的酸性氣體被酸性氣體洗滌劑捕獲；

5)得到充分分解和除酸后的樣氣由煙氣出口排出，進入元素態汞分析儀器進行汞濃度分析檢測。

本發明實現氧化態汞向元素態汞完全快速轉化的原理在于：螺旋式換熱面布置，極大地增加了樣氣在裂解爐內的停留時間和受熱面積；螺旋管中心區域填充高效蓄熱陶瓷材料，進一步擴大換熱表面，有效強化管內傳熱，保證煙氣中氧化態汞充分分解；出口端直管內填充高效酸性氣體洗滌劑，完全吸收分解反應生成的酸性氣體，避免溫度降低后氣相元素態被酸性氣體再次氧化的可能性。因此，該裝置能夠實現氧化態汞向元素態汞完全快速轉化。

步驟3)中，新生成的元素態汞蒸氣和樣氣中原有的元素態汞蒸氣不與光滑惰性的蓄熱陶瓷表面發生反應，高溫裂解反應生成的酸性氣體和樣氣中原有的其他氣體組分同樣不會對蓄熱陶瓷表面產生腐蝕。步驟4)中，樣氣中的元素態汞不會與堿性的酸性氣體洗滌劑表面發生反應吸附和反應。惰性玻璃纖維(3-1)材料對氣相中的元素態汞沒有粘附作用。

本發明方法中，螺旋管進口溫度傳感器、螺旋管中心區域溫度傳感器、出口端直管溫度傳感器與加熱管束同電子溫控儀相連，實現對整套高溫裂解式氣相汞形態轉化裝置溫度的實時反饋和精確控制。

有益效果：本發明與現有技術相比，具有以下優點：

(1)本發明裝置創新性地采用螺旋管式直接高溫裂解氧化態汞的方法，相比于現有的現有催化還原氧化態汞的技術，規避了催化劑在酸性氣體下中毒失活的問題，既節約了催化劑昂貴的使用成本，又提高了氧化態汞的轉化穩定性和持續性；相比于現有的濕化學還原氧化態汞的技術，本裝置規避了氯化亞錫還原劑易損耗失效、反應池冗長、氧化態汞還原速率緩慢等缺點，使用時無化學試劑消耗，極大地提高了氧化態汞向元素態汞的轉化效率，有效地節約了汞形態的轉化時間和裝置的占地空間。

(2)基于螺旋管的設計原理，增大了樣氣在裂解爐內的停留時間和換熱面積，有利于促進氧化態汞的分解效率；

(3)利用顆粒狀高效陶瓷蓄熱材料，進一步增大了樣氣在裂解爐內的停留時間和換熱面積，有效提高了螺旋管中心區域的環境溫度，加快氧化態分解反應的速率，極大提高了氧化態汞的分解效率；

(4)出口端直管內填充高效酸性氣體洗滌劑，完全吸收分解反應生成的酸性氣體，杜絕了溫度降低后氣相元素態汞被酸性氣體再次氧化的可能性，保證了氣相中元素態汞的穩定存在，同時也避免了酸性氣體對后續的汞檢測設備產生腐蝕和干擾。

(5)三段式溫度反饋布置，精確控制樣氣預熱、分解和除酸的反應溫度，保證了裝置的穩定高效運行。

(6)上述四者的巧妙耦合，既能保證氧化態汞完全、快速和持續穩定地轉化，又能降低了裂解爐的工作溫度，實現分解反應能耗最小化。

(7)本發明的高溫裂解式氣相汞形態轉化裝置既可在實驗室條件下與元素態汞檢測儀器聯用實現煙氣氣相汞形態濃度的在線測量；也可以作為燃煤鍋爐在線監測儀表的一個模塊組成，實現汞形態濃度的同步分析和實時監測。

本發明裝置基于螺旋式管路布置和蓄熱陶瓷材料，充分提高了樣氣在裂解爐內的停留時間，極大強化高溫裂解爐的傳熱效率，保證了氣相氧化態汞的全面快速分解。

本發明裝置基于采用酸性氣體洗滌劑為分解后的樣氣除酸，有效規避了降溫后氣相元素態汞被酸性氣體再次氧化的可能性，避免了酸性氣體對后續的汞檢測設備產生腐蝕和干擾，保證了轉化裝置的安全穩定運行。

附圖說明

圖1為本發明高溫裂解式氣相汞形態轉化裝置結構系統圖。

圖中有：1高溫裂解爐、2螺旋管、3出口端直管，4電子溫控裝置，1-1加熱管束，1-2耐火材料包裹，2-1煙氣進口，2-2蓄熱陶瓷，3-1玻璃纖維，3-2酸性氣體洗滌劑，3-3煙氣出口，4-1螺旋管進口溫度傳感器、4-2螺旋管中心區域溫度傳感器、4-3出口端直管溫度傳感器，4-4電子溫控儀。

具體實施方式

下面結合實施例和說明書附圖對本發明作進一步的說明。

本發明的高溫裂解式氣相汞形態轉化裝置，包括高溫裂解爐1、螺旋管2、出口端直管3和電子溫控裝置4四個主體部分，高溫裂解爐1內壁側布置加熱管束1-1，加熱管束1-1四周被耐火材料包裹1-2，螺旋管2一側設有煙氣進口2-1，中心區域內填充有蓄熱陶瓷2-2，螺旋管2另一側與所述出口端直管3相連，出口端直管3內填充有酸性氣體洗滌劑3-2，酸性氣體洗滌劑3-2前后設置有玻璃纖維3-1，出口端直管3一側設有煙氣出口3-3，電子溫控裝置4設有螺旋管進口溫度傳感器4-1、螺旋管中心區域溫度傳感器4-2、出口端直管溫度傳感器4-3，螺旋管進口溫度傳感器4-1、螺旋管中心區域溫度傳感器4-2、出口端直管溫度傳感器4-3與所述加熱管束1-1同電子溫控儀4-4相連。本發明裝置中，螺旋管和出口端直管均采用耐高溫且不吸附汞的石英玻璃材料，出口直管段內玻璃纖維采用不吸附汞的硅烷化玻璃纖維材料。蓄熱陶瓷采用不吸附汞的顆粒惰性陶瓷材料，粒徑范圍為12～16目。該粒徑范圍內的顆粒蓄熱陶瓷既能保證樣氣進入螺旋管中心區內后得到穩定加熱，又能使得螺旋管內氣路通暢，避免形成進出口壓差。酸性氣體洗滌劑采用不吸附汞的堿性顆粒材料，粒徑范圍為12～16目的顆粒材料。該粒徑范圍內的顆粒蓄熱陶瓷既能保證樣氣中的酸性氣體充分去除，又能使得出口端直管內氣路通暢，避免形成進出口壓差。

本發明裝置中與樣氣接觸的螺旋管、蓄熱陶瓷以及出口端直管在填充裝配前均采用去離子化洗滌處理，保證樣氣在氣路流程中汞無吸附損失。

啟動高溫裂解爐1，設置電子溫控儀4參數使得高溫裂解爐的目標加熱溫度為600℃，等待螺旋管進口溫度、螺旋管中心區域溫度、出口端直管溫度升至設定溫度600℃，整個升溫時間需要5分鐘。

待螺旋管進口溫度、螺旋管中心區域溫度、出口端直管溫度升至設定溫度后，將混合有元素態汞和氧化態汞的樣氣由煙氣進口2-1通入螺旋管2內，螺旋管2有效擴大了氣流的輻射換熱面積，使得樣氣在螺旋管前端被裂解爐產生的輻射熱流得到充分預熱。

蓄熱陶瓷2-2在裂解爐的熱輻射持續蓄熱，為進入中心區域的樣氣氣流提供集中和穩定的高溫熱源，氣相中的氧化態汞在該區域快速完全分解為元素態汞。

新生成的元素態汞蒸氣和樣氣中原有的元素態汞蒸氣不會與光滑惰性的蓄熱陶瓷2-2表面發生反應，高溫裂解反應生成的酸性氣體和樣氣中原有的其他氣體組分同樣不會對蓄熱陶瓷表面產生腐蝕，充分分解后的樣氣隨著氣流進入出口端直管3中。

在出口端直管3中，樣氣中原有的酸性氣體和高溫裂解產生的酸性氣體被酸性氣體洗滌劑3-2捕獲，樣氣中的元素態汞不會與堿性材料表面發生反應吸附和反應。惰性玻璃纖維3-1材料對氣相中的元素態汞沒有粘附作用。

螺旋管進口溫度傳感器4-1、螺旋管中心區域溫度傳感器4-2、出口端直管溫度傳感器4-3實時反饋各區域溫度數值，電子溫控儀4根據溫度反饋精確調控裂解式氣相汞形態轉化裝置溫度。確保整個裂解過程和酸洗過程均在600℃完成。

得到充分分解和除酸的樣氣由煙氣出口3-3排出，進入元素態汞分析儀器進行汞濃度分析檢測。

上述實施例僅是本發明的優選實施方式，應當指出：對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和等同替換，這些對本發明權利要求進行改進和等同替換后的技術方案，均落入本發明的保護范圍。