通过改造电除尘器实现高效脱汞的方法.pdf

本发明公开了一种通过改造电除尘器实现高效脱汞的方法。燃煤或焚烧烟气先通过氨选择性催化还原脱硝装置，使NOx还原为N2；然后，烟气进入配有放电等离子体反应单元的电除尘器，使元素态汞高效氧化为氧化态汞，同时，实现烟尘高效分离；最后，烟气进入湿式吸收塔，实现高效脱硫和脱汞。本发明提供的方法只需对常规的烟气净化系统，即氨选择性催化还原脱硝，电除尘分离烟尘和湿法脱硫系统中的电除尘器稍加改造，在投资和运行费用几乎不变，脱硝、除尘和脱硫效率不受影响的前提下，实现80％以上的汞去除率。

1.  通过改造电除尘器实现高效脱汞的方法，其特征在于：烟气自锅炉排出后，先在氨选择性催化还原脱硝装置中，使NO_x还原为N₂；然后，烟气进入配有放电等离子体反应单元的电除尘器，放电等离子体反应单元使烟尘荷电、定向运动，沉积到极板或极线，使元素态汞氧化为氧化态汞；在电除尘器的常规电除尘区域，发生常规的电除尘过程；最后，烟气进入湿式吸收塔，实现高效脱硫和脱汞。

2.  根据权利要求1所述的通过改造电除尘器实现高效脱汞的方法，其特征在于：所述的配有放电等离子体反应单元的电除尘器，是指将电除尘器的部分电场空间改造为放电等离子体反应单元，改造内容包括调整极板和极线及其匹配方式，用正极性的高压电源替代负极性的高压电源供电。

3.  根据权利要求1或2所述的通过改造电除尘器实现高效脱汞的方法，其特征在于：所述的放电等离子体反应单元位于电除尘器的入口端；或者位于电除尘器的出口端；或者位于电除尘器的中部。

4.  根据权利要求2所述的通过改造电除尘器实现高效脱汞的方法，其特征在于：所述的放电等离子体反应单元的极板和极线匹配方式，采用常规电除尘器极板和极线的结构型式，或不同于常规电除尘器极板和极线的结构型式，而且缩小了极板与极线的间距。

5.  根据权利要求2所述的通过改造电除尘器实现高效脱汞的方法，其特征在于：为放电等离子体反应单元供电的正极性高压电源是正极性直流高压电源；或正极性直流高压叠加交流的高压电源；或正极性的脉冲电源。

通过改造电除尘器实现高效脱汞的方法
技术领域
本发明涉及一种通过改造电除尘器，实现燃煤或焚烧烟气中汞被高效脱除的方法，属于环境保护领域，更具体地说，涉及一种针对氨选择性催化还原脱硝→电除尘→湿式脱硫烟气净化系统中的电除尘器进行改造，即可实现高效脱汞的方法。
背景技术
燃煤和焚烧烟气所含污染物包括烟尘、SO₂、NO_x和Hg等。常规的处理方法是先利用氨选择性催化还原技术脱硝；然后，利用电除尘器分离烟尘(近年来布袋除尘器的应用越来越广泛)；最后，利用湿式脱硫系统脱硫。
汞及其化合物属于具有严重生理毒性的化学物质，它可以通过呼吸道、食道和皮肤进入人体，人体吸入过量汞会引起汞中毒。汞主要产生于燃煤烟气和垃圾焚烧烟气，各国继烟尘、SO₂和NO_x之后，普遍将Hg作为烟气污染控制的又一重点。烟气中的汞以颗粒态汞(Hg^p)、元素态汞(Hg⁰)和氧化态汞(Hg²⁺)三种形式存在，其中，颗粒态汞(Hg^p)可通过电除尘器或布袋除尘器脱除，氧化态汞(Hg²⁺)可在湿式脱除系统有效去除。元素态汞(Hg⁰)由于呈气态，且亲水性差，所以除尘器和湿式洗涤系统对其脱除效率皆很低。尽管烟气经过氨选择性催化还原脱硝系统时，少量元素态汞(Hg⁰)会氧化为氧化态汞(Hg²⁺)，从而在湿式脱除系统中去除。但是，仍有相当大比重的元素态汞(Hg⁰)不能通过常规烟气净化系统脱除。因此，随着汞排放标准的日趋严格，采用适当的技术方法实现汞的高效脱除势在必行。
在除尘器前喷入活性炭吸附汞，然后利用除尘器分离含汞活性炭，既能脱除元素态汞，又能脱除氧化态汞，这种方法已经成功应用于焚烧烟气中高浓度汞的脱除，尤其适用于不配备湿式烟气净化系统的应用场合。不过，燃煤烟气中汞浓度很低，而且烟气在除尘器前停留时间短，受热力学和动力学过程制约，吸附脱汞能力非常有限。要获得高的脱汞效率，必须喷入大量吸附剂，并延长活性炭与烟气的接触时间，这势必大大增大处理成本，使投资和运行费用难以承受。
在烟气进入湿式洗涤系统之前，将气相元素汞氧化为二价汞是提高脱汞效果的又一方法，如美国Powerspan公司开发了一种称为电催化氧化的烟气污染物同时脱除技术，宣称对SO₂、NO_x和Hg的脱除效率分别达到98％、90％和80％以上。但该技术用到的电催化氧化反应器电耗高且结构复杂，因而投资和运行费用皆较高，维护管理难度也大，难以推广应用。近年来，基于利用等离子体与吸收相结合脱除SO₂、NO_x和汞，并强化细颗粒物脱除的思路，国内学者也做了不少工作，申请的专利包括集散控制式流光放电烟气脱硫的半湿法(ZL02116300.6)、立式流光放电烟气脱硫湿式反应器(ZL02208831.8)、流光放电等离子体烟气污染物同步净化方法(ZL200410029622.3)、一种等离子体燃煤锅炉烟气净化新工艺(ZL200310121117.7)、资源化同时脱除烟气中二氧化硫、氮氧化物的臭氧氧化干法(CN101337152)等。值得注意的是，这些专利技术皆建立在利用等离子体同步氧化NO和元素态汞(Hg⁰)，然后吸收脱除的设想之上，没有注意到NO对于元素态汞(Hg⁰)氧化的抑制效应。实际上，由于NO和元素态汞(Hg⁰)的氧化皆依赖于放电等离子体中所含氧化性组分(主要是O₃)，而烟气中NO浓度比元素态汞(Hg⁰)高得高，对于燃煤烟气通常相差3个数量级以上，而且NO与O₃反应的速率也远高于元素态汞(Hg⁰)与O₃反应的速率。因此，欲利用放电等离子体反应器同步氧化NO和元素态汞(Hg⁰)，要求注入的能量非常高，以便产生足够高浓度的O₃，这势必导致能量消耗过高。实际上，由于活性炭吸附和放电等离子体同步氧化技术存在上述问题，迄今为止，这些技术均未在燃煤烟气中得到应用。
发明内容
本发明的目的是针对常规烟气处理工艺，即氨选择性催化还原脱硝→电除尘→湿法脱硫工艺路线，提出一种对电除尘器进行改造，实现高效脱除烟气中汞的方法，既适用于现有系统改造，也适用于新系统的设计和建设。该方法能在改造工程量小，对投资和运行费用影响不大的前提下，实现烟气中SO₂、NO_x、Hg和烟尘的高效脱除，SO₂、NO_x、Hg和烟尘的去除效率分别达到95％、85％、80％和99％％以上。
本发明提出的高效脱除烟气中汞的方法建立在氨选择性催化还原脱硝→电除尘→湿法脱硫的烟气净化工艺路线之上，即只有采用这一工艺路线，才能通过电除尘器的改造，实现高效脱汞的目的。否则，缺少这种烟气净化工艺路线中的任何一个环节，或改变任何一个环节(如用布袋除尘器替代电除尘器，采用干法脱硫)，或改变工艺顺序(如将氨选择性催化还原脱硝置于电除尘之后，或将烟气脱硫置于电除尘之前)，皆无法实现高效脱汞之目的。
电除尘器的改造是将电除尘器的部分电场空间改造成正极性流光放电的等离子体反应单元，该反应单元可位于电除尘器的入口端、出口端或电除尘器中部，其主要作用是产生足够高浓度的臭氧(O₃)，保证元素态汞(Hg⁰)被高效氧化为氧化态汞(Hg²⁺)。同时，在该反应区，也发生烟尘荷电，并在电场力作用下，定向迁移至极板或极线的过程。
整个高效脱汞净化过程包括如下三个主要步骤：
1)烟气自锅炉排出后，先进入氨选择性催化还原脱硝装置，在该装置中，氨选择性地与NO_x(主要是NO，有少量NO₂)作用，使NO_x转化为N₂。NO_x的去除为防止后续工序中NO与元素态汞(Hg⁰)竞争与O₃反应，确保元素态汞(Hg₀)的高效氧化提供了前提。另外，在该装置中，也发生少部分元素态汞(Hg⁰)被催化氧化为氧化态汞(Hg²⁺)的反应。
2)烟气从氨选择性催化还原脱硝装置排出后进入电除尘器，在电除尘器的放电等离子体反应单元，基于正极性流光放电诱导产生足够高浓度的O₃，O₃将元素态汞(Hg⁰)高效氧化为氧化态汞(Hg²⁺)。与此同时，在该反应区域内，也有部分烟尘荷电，并在电场力作用下定向运动，沉积到极板或极线上。对于未改造的电除尘器电场区域，依旧按照常规的方式进行除尘。值得注意的是，由于同时存在正、负电性的烟尘，因而有助于烟尘颗粒凝聚增大，从而提高除尘效率。
3)从电除尘器排出的烟气进入湿式吸收塔，该湿式吸收塔以石灰石或其它碱性溶液作吸收液，可有效吸收脱除烟气中的SO_x(主要是SO₂，还有少量SO₃)和氧化态汞(Hg²⁺)。
与传统的氨选择性催化还原法脱硝→电除尘→湿法脱硫烟气净化方法相比，该法的优点是仅需对电除尘器稍加改造，在不致造成工程量和投资、运行费用明显增加的前提下，即可使传统净化系统增加高效脱汞功能。
与现有专利提出的放电等离子体与吸收相结合处理烟气多种污染物方法相比，本发明的优势在于，充分认识到NO和元素态汞(Hg⁰)会竞争与O₃作用，在可接受的能量消耗前提下，同步高效氧化NO和元素态汞(Hg⁰)难以实现这一认识。通过设计先在氨选择性催化还原脱硝装置中，使NO_x还原为N₂，再在配有放电等离子体反应区的电除尘器中，氧化元素态汞(Hg⁰)为氧化态汞(Hg²⁺)的工艺方案，规避了同步高效氧化NO和元素态汞(Hg⁰)的不足。
附图说明
图1为本发明涉及的烟气净化工艺流程示意图；
图2至图4为配有放电等离子体反应单元的电除尘器的3种布置方式。
图中：1为锅炉或焚烧炉；2为氨选择性催化还原脱硝装置；3为空气预热器；4为配有放电等离子体反应单元的电除尘器；5为湿式吸收塔；6为烟囱；7为负极性高压电源；8为电除尘常规除尘单元区域；9为正极性高压电源；10为放电等离子体反应单元区域。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明提供的通过改造电除尘器实现高效脱汞的方法进行说明。
本发明提供的燃煤或焚烧烟气净化工艺流程如图1所示，具体如下：
(1)烟气自锅炉或焚烧炉1排出后，先进入氨选择性催化还原脱硝装置2，在该装置中，氨选择性地与NO_x作用，使NO_x还原为N₂。
(2)烟气从氨选择性催化还原脱硝装置2排出后，进行空气预热器3，将热量传递给待进入锅炉的空气。
(3)从空气预热器3排出的烟气进入电除尘器4，在电除尘器4的放电等离子体反应单元，基于正极性流光放电诱导产生足够高浓度的O₃，O₃将元素态汞(Hg⁰)高效氧化为氧化态汞(Hg²⁺)。与此同时，在该反应区域内，也有部分烟尘荷电，并在电场力作用下定向运动，沉积到极板或板线上。在电除尘器4的其它区域，发生常规的电除尘过程。
(4)从电除尘器4排出的烟气进入湿式吸收塔5，该湿式吸收塔5采用石灰石或其它碱性水溶液作吸收液，可有效吸收脱除烟气中的SO_x(主要是SO₂，还有少量SO₃)和氧化态汞(Hg²⁺)。最后烟气从烟囱6排出。
步骤(3)所述的电除尘器4是对现有普通电除尘器进行的改进，即在普通电除尘器内部设置了放电等离子体反应单元10，使其具有氧化元素汞功能，如图2、图3和图4所示。放电等离子体反应单元10的极板和极线的结构型式可以与常规电除尘单元8相同，只是其间距有所缩小；或放电等离子体反应单元10的极板和极线不仅其间距有所缩小，而且极板和板线的结构型式也不同于常规电除尘单元。
图2中，放电等离子体反应单元10设置在常规电除尘单元8之前；图3中，放电等离子体反应单元10设置在常规电除尘单元8之后；图4中，放电等离子体反应单元10设置在两个常规电除尘单元8之间。放电等离子体反应单元由正极性高压电源9供电；常规电除尘单元由负极性高压电源7供电。
实施例1：
燃煤锅炉烟气温度为350℃、含2800mg/m³SO₂、550mg/m³NO_x、140μg/m³Hg和11g/m³烟尘，流量为220000m³/h。经过氨选择性催化还原脱硝装置2，空气预热器3、电除尘器4(等离子体反应单元与常规电除尘单元的布置如图2所示)和湿法吸收塔5(采用石灰石浆液作吸收液)后，SO₂、NO_x、Hg和烟尘的浓度分别降为140mg/m³、55mg/m³、25μg/m³和55mg/m³。SO₂、NO_x、Hg和烟尘的去除效率分别为95％、90％、82％和99.5％。
实施例2：
燃煤锅炉烟气温度为310℃、含2100mg/m³SO₂、520mg/m³NO_x、110μg/m³Hg和13.5g/m³，流量为150000m³/h。经过氨选择性催化还原脱硝装置2，空气预热器3、电除尘器4(等离子体反应单元与常规电除尘单元的布置如图3所示)和湿法吸收塔5(采用氧化镁浆液作吸收液)后，SO₂、NO_x、Hg和烟尘的浓度分别降为84mg/m³、47mg/m³、22μg/m³和27mg/m³。SO₂、NO_x、Hg和烟尘的去除效率分别为96％、91％、80％和99.8％。
实施例3：
燃煤锅炉烟气温度为380℃、含3500mg/m³SO₂、620mg/m³NO_x、170μg/m³Hg和10.5g/m³，流量为80000m³/h。经过氨选择性催化还原脱硝装置2，空气预热器3、电除尘器4(等离子体反应单元与常规电除尘单元的布置如图4所示)和湿法吸收塔5(采用废碱液作吸收液)后，SO₂、NO_x、Hg和烟尘的浓度分别降为105mg/m³、46mg/m³、29μg/m³和32mg/m³。，SO₂、NO_x、Hg和烟尘的去除效率分别为97％、92.6％、83％和99.7％。
实施例4：
焚烧炉烟气温度为310℃、含1200mg/m³SO₂、420mg/m³NO_x、21mg/m³Hg和8.5g/m³，流量为65000m³/h。经过氨选择性催化还原脱硝装置2，空气预热器3、电除尘器4(等离子体反应单元与常规电除尘单元的布置如图3所示)和湿法吸收塔5(采用石灰浆液作吸收液)后，SO₂、NO_x、Hg和烟尘的浓度分别降为36mg/m³、47mg/m³、3.99mg/m³和51mg/m³。SO₂、NO_x、Hg和烟尘的去除效率分别为97％、90％、81％和99.4％。