烟道气旋流FENTON脱汞的方法与装置.pdf

本发明涉及烟道气旋流-Fenton脱汞的方法与装置，提供了一种烟道气旋流-Fenton脱汞的方法，该方法包括以下步骤：(1)对Fenton氧化吸收液进行雾化，以得到小粒径液滴；(2)使用步骤(1)中得到的液滴与烟道气进行氧化吸收反应，并对混合后的气液进行微旋流反应分离，以脱除气体中的零价汞；以及(3)对步骤(2)中经微旋流反应分离出的液体中的二价汞进行固化处理，以脱除液体中的汞离子。还提供了一种烟道气旋流-Fenton脱汞的装置。

权利要求书
1.  一种烟道气旋流-Fenton脱汞的方法，该方法包括以下步骤：
(1)对Fenton氧化吸收液进行雾化，以得到小粒径液滴；
(2)使用步骤(1)中得到的液滴与烟道气进行氧化吸收反应，并对混合后的气液进行微旋流反应分离，以脱除气体中的零价汞；以及
(3)对步骤(2)中经微旋流反应分离出的液体中的二价汞进行固化处理，以脱除液体中的汞离子。

2.  如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述烟道气中零价汞的含量为50μg/m3～3500μg/m3。

3.  如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述Fenton氧化吸收液为0.01～1.0mol/L的H2O2溶液和0.005～0.5mol/L的FeSO4溶液的混合溶液，溶液雾化产生的液滴粒径为10-100μm。

4.  如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(2)中，Fenton氧化吸收液液滴与含零价汞的气体均匀混合后，进行微旋流反应分离的时间为0.1～1秒。

5.  如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(2)中，含零价汞的烟道气与Fenton氧化吸收液液滴充分发生氧化吸收反应，零价汞被氧化为二价汞，进而被液滴充分吸收，最终脱除效率为55％或更高。

6.  如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(2)中，在微旋流反应分离中，氧化吸收液液滴与气体产生分离作用，分离效率达85％或更高，最大压力降不大于30mmH2O。

7.  一种烟道气旋流-Fenton脱汞的装置，该装置包括：
雾化罐(3)，用于对Fenton氧化吸收液进行雾化，以得到小粒径液滴；
与雾化罐(3)连接的微旋流反应器(4)，用于将雾化罐(3)中均匀分散的液滴与烟道气进行氧化吸收反应，并对混合后的气液进行微旋流反应分离，以脱除气体中的零价汞；以及
与微旋流反应器(4)连接的吸收罐(6)，用于对微旋流反应器(4)中经微旋流反应分离出的液体中的二价汞进行固化处理，以脱除液体中的汞离子。

8.  如权利要求7所述的装置，其特征在于，该装置还包括：与雾化罐(3)连接 的储存罐(1)，用于储存Fenton氧化吸收液。

9.  如权利要求7或8所述的装置，其特征在于，雾化罐(3)内设置单流体或双流体喷嘴对Fenton氧化吸收液进行雾化。

10.  如权利要求7或8所述的装置，其特征在于，微旋流反应器(4)内根据处理量大小并联微旋流芯管1-2000根。

说明书烟道气旋流-Fenton脱汞的方法与装置
技术领域
本发明属于化工环保领域，涉及一种采用微旋流系统进行氧化吸收脱汞的方法和装置。具体涉及采用双流体喷嘴将Fenton氧化吸收液雾化为10～100μm粒径的液滴，在微旋流反应器内进行零价汞的氧化吸收反应，并在旋流场内分离出富汞液滴，得到净化气的方法与装置。
背景技术
汞在常温下比较稳定，不易被空气氧化，在加热状态下与氧作用形成氧化汞。自然界中，汞主要以以下三种形式存在，分别是金属汞、无机汞、有机汞。二价汞离子与硫离子亲和力很强，接触后能迅速形成稳定的HgS沉淀。自然界中的固体物质对汞的化合物具有较强的吸附能力，如有机物、粘土矿物、金属氧化物等，吸附力的大小与固体物质的种类、汞化合物的形态以及环境的条件有关。国内外许多学者文献报道了汞对生态环境及人类的危害，人体若摄入0.1克的汞就会中毒死亡。汞对人体的主要影响是对中枢神经系统造成损害，可通过呼吸吸入、皮肤吸附、食物摄入等方式进入人体。大气中汞的来源主要有自然排放及人类活动排放两个方面。自然界中，汞以多种形式存在，如岩石中的硫化汞形式。不同形态的汞经过一系列的自然化学过程进入大气中。同时，水体、植物表面的释放也是大气中汞的一个重要来源。自然排放到大气中的汞主要是元素汞的形式，另外还有一些有机汞和无机汞的化合物等。人类活动排放的汞主要来自于汞矿和其他金属的冶炼、氯碱工业和电器工业中的使用、矿物燃料的燃烧等。据统计，2010年人类活动汞排放量达到1960吨，且自1990年至2010年人类活动排放量稳定，占汞总排放量的30％-55％。东亚东南亚地区人类活动汞排放量所占比例最多，约为39.7％，且不断增加，而北美和欧洲地区汞排放量不断减少，仅为汞总排放量的8％左右。由于汞的剧毒性、持久性、生物体积累性，目前汞排放控制已经引起各国环保部门的强烈重视。
研究表明，全球大气汞排放的主要最大来源为化石燃料的燃烧，其中以煤炭在工业、家庭锅炉中的燃烧为主。据统计，煤炭燃烧造成的汞排放为石油燃烧的数百倍。其次，水泥生产及矿产类生产是第二大人为活动的汞排放源。因此燃煤烟气汞排放控制尤为重要。
中国专利申请No.201310631987.2公开了一种总烟气除尘脱汞系统，系统包括：烟气控温管、烟气氧化塔、烟气除尘装置和汞吸附室；首先利用物理过滤和静电吸附除尘，进而利用氯气氧化零价汞，采用载溴活性炭继续吸附，最后喷淋氨水进行吸收。该系统的脱汞效果较好，但是其设备繁琐，体积较大，因此设备投资大。
中国专利申请No.201210261529.X公开了一种湿法脱汞系统及其脱汞工艺，该系统主要包括烟气输入装置、吸收塔和净烟气排放装置，主要采用活性炭作为其工艺的脱汞剂。该发明利用了现有脱硫设备，节省了设备投资，然而其采用的脱汞剂活性炭的脱汞效率低，不能有效地脱除烟气中的零价汞。
中国专利申请No.201010192345.3公开了一种烟气脱汞装置，该装置主要利用塔设备中的吸附填料进行吸附脱汞，该装置设计简单，实施成本较低，然而其采用吸附脱汞，吸附后的吸附剂未做处理，脱汞效果一般，填料更换困难。
因此，为满足环保要求、减少吸收剂的使用量及提高吸收效率，有必要针对烟道气零价汞，开发出一种新颖、有效、经济性好的氧化吸收剂以及方法和装置以对零价汞进行吸收处理。
发明内容
本发明提供了一种新颖的烟道气旋流-Fenton脱汞的方法与装置，克服了现有技术中存在的缺陷。
本发明的目的在于，充分发挥微旋流系统体积小、重量轻、压降低、易放大等工程优势，结合旋流流场中的液滴自转剪切，强化Fenton氧化吸收脱汞过程。具体包括，利用双流体喷嘴喷雾的方法，产生Fenton氧化吸收液液滴，进而进行氧化吸收脱汞，同时分离气体中的液滴，降低设备体积，从而解决现有技术中存在的问题。
本发明所要解决的首要技术问题是，解决现有的脱汞工艺中氧化效果低， 吸收效率不高的问题，依托微旋流器引入旋流流场提高了吸收效率和分离精度。本发明同时还解决的另一个技术难题是，提供了一种具有上述高效脱汞的装置，该装置结构简单，容易实施，符合设备设计规范，可以稳定高效运转。
一方面，本发明提供了一种烟道气旋流-Fenton脱汞的方法，该方法包括以下步骤：
(1)对Fenton氧化吸收液进行雾化，以得到小粒径液滴；
(2)使用步骤(1)中得到的液滴与烟道气进行氧化吸收反应，并对混合后的气液进行微旋流反应分离，以脱除气体中的零价汞；以及
(3)对步骤(2)中经微旋流反应分离出的液体中的二价汞进行固化处理，以脱除液体中的汞离子。
在一个优选的实施方式中，所述烟道气中零价汞的含量为50μg/m3～3500μg/m3。
在另一个优选的实施方式中，在步骤(1)中，所述Fenton氧化吸收液为0.01～1.0mol/L的H2O2溶液和0.005～0.5mol/L的FeSO4溶液的混合溶液，溶液雾化产生的液滴粒径为10-100μm。
在另一个优选的实施方式中，在步骤(2)中，Fenton氧化吸收液液滴与含零价汞的气体均匀混合后，进行微旋流反应分离的时间为0.1～1秒。
在另一个优选的实施方式中，在步骤(2)中，含零价汞的烟道气与Fenton氧化吸收液液滴充分发生氧化吸收反应，零价汞被氧化为二价汞，进而被液滴充分吸收，最终脱除效率为55％或更高。
在另一个优选的实施方式中，在步骤(2)中，在微旋流反应分离中，氧化吸收液液滴与气体产生分离作用，分离效率达85％或更高，最大压力降不大于30mmH2O。
另一方面，本发明提供了一种烟道气旋流-Fenton脱汞的装置，该装置包括：
雾化罐，用于对Fenton氧化吸收液进行雾化，以得到小粒径液滴；
与雾化罐连接的微旋流反应器，用于将雾化罐中均匀分散的液滴与烟道气进行氧化吸收反应，并对混合后的气液进行微旋流反应分离，以脱除气体中的零价汞；以及
与微旋流反应器连接的吸收罐，用于对微旋流反应器中经微旋流反应分离 出的液体中的二价汞进行固化处理，以脱除液体中的汞离子。
在一个优选的实施方式中，该装置还包括：与雾化罐连接的储存罐，用于储存Fenton氧化吸收液。
在另一个优选的实施方式中，雾化罐内设置单流体或双流体喷嘴对Fenton氧化吸收液进行雾化。
在另一个优选的实施方式中，微旋流反应器内根据处理量大小并联微旋流芯管1-2000根。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施方式的烟道气旋流-Fenton氧化吸收脱汞工艺流程示意图。
具体实施方式
本申请的发明人经过广泛而深入的研究后发现，在目前的工艺设备中，由于零价汞不溶于水，而二价汞离子易溶于水，因此对烟气中的零价汞进行吸收首先需将零价汞氧化为二价汞，进而进行吸收处理，故选择合适的氧化剂尤为重要；而另一方面，气-液两相接触反应器，吸收效率低，设备体积大、投资大，并且操作不稳定；因此，氧化剂的选取及强化气液相接触在工业研究中越来越受关注。基于此考虑，本发明提出了采用旋流与Fenton氧化耦合强化的脱汞过程。
本发明的技术构思如下：
旋流反应器体积较小、重量轻、压降低、易放大，节约投资成本，并且同时脱除了气体中夹带液滴，故可采用微旋流器作为氧化吸收的反应设备；同时结合Fenton试剂作为氧化吸收剂，Fenton试剂氧化性强，反应速度快，可结合旋流器对短流程强化的优势，实现低浓度气相汞的脱除；对Fenton氧化吸收液采用了喷雾的方法，产生Fenton氧化吸收液液滴，混合气在反应设备内与微液滴充分接触反应，经氧化脱汞后气体夹带微液滴进行旋流分离脱除液滴，得到净化气体，从而开发了一种新颖、高效、节能、适用长周期运行而又经济的氧化脱汞方法，可将其用于烟道气的脱汞过程。
在本发明的第一方面，提供了一种烟道气旋流-Fenton脱汞的方法，该方法包括以下步骤：将Fenton氧化吸收溶液雾化为液滴，以得到小粒径液滴，增加气液传质面积；液滴与含零价汞气体均匀混合后喷入微旋流反应器中，液滴氧化吸收气体中的零价汞，并吸收二价汞，同时液滴在微旋流反应器的旋流场中被分离出来，并聚集形成含二价汞的溶液，之后含二价汞的溶液进入二价汞吸收罐内进行固汞，进而排出。
在本发明中，设置了Fenton氧化吸收液液滴发生系统和微旋流反应器，氧化零价汞并进行吸收，同时分离出了吸收后的液滴。
在本发明中，烟道气中零价汞的含量为：50μg/m3～3500μg/m3。
在本发明中，微液滴发生器和微旋流分离器的数量和布置方式可以根据混合气进气的气量、压力，组成成分等条件合理设计。
较佳地，Fenton氧化吸收液浓度为0.01～1.0mol/L的H2O2溶液和0.005～0.5mol/L的FeSO4的溶液混合溶液，溶液雾化产生的液滴粒径为10-100μm。
较佳地，在Fenton氧化吸收液液滴与含零价汞气体均匀混合后，在微旋流反应器内停留时间为0.1～1秒。
在本发明中，含零价汞的烟道气与Fenton氧化吸收液液滴充分发生氧化吸收反应，零价汞被氧化为二价汞，进而被液滴充分吸收，最终脱除效率在55％以上。
在本发明中，在微旋流分离器中，氧化吸收液液滴与气体产生分离作用，分离效率达85％以上，最大压力降不大于30mmH2O。
在本发明的第二方面，提供了一种烟道气旋流-Fenton脱汞的装置，该装置包括：
用于将Fenton氧化吸收液雾化为液滴的雾化罐，液滴均匀分散在雾化罐中；
微旋流反应器，用于对含零价汞的烟道气进行氧化吸收，同时进行分离净化；以及
吸收罐，用于对二价汞进行固汞吸收。
较佳地，雾化罐内设置单流体或双流体喷嘴，对Fenton(芬顿)液进行雾化操作，得到Fenton液液滴。
较佳地，微旋流反应器采用DN75的微旋流芯管，并根据处理量大小，并联根数选择为1～2000根。
以下参看附图。
图1是根据本发明的一个实施方式的烟道气旋流-Fenton氧化吸收脱汞工艺流程示意图。如图1所示，用于储存Fenton氧化吸收液的储存罐1经离心泵2与雾化罐3连接，雾化罐3用于将氧化吸收液雾化为液滴，且液滴均匀分散在雾化罐3中；含汞烟道气(含零价汞混合气体)进入雾化罐3内，迅速与氧化吸收液接触后进入微旋流反应器4中进行氧化吸收反应，并同时在微旋流反应器4中进行超低压降的气-液分离，净化后的气体由微旋流反应器4的溢流口排空，分离出的二价汞液滴从微旋流反应器4的底流口富集后经离心泵5进入二价汞吸收罐6进行固汞吸收后直接排放。
本发明的方法和装置的主要优点在于：
(1)本发明中选用氧化吸收剂为Fenton氧化剂，其产生的·OH自由基具有极强的氧化性，可迅速氧化零价汞，使之氧化为二价汞离子，溶解于溶液中；另外，Fenton氧化吸收液的还原产物为水，无污染，实现绿色生产；
(2)本发明的方法与装置解决了现有气液吸收过程中常用装置体积庞大的问题，采用微旋流反应器，在旋流反应器内气液迅速接触反应、吸收，同时进行气-液的旋流分离；一方面极大地增加了气液相界面积和传质系数，另一方面减小了装置尺寸，降低了设备投资。
实施例
下面结合具体的实施例进一步阐述本发明。但是，应该明白，这些实施例仅用于说明本发明而不构成对本发明范围的限制。下列实施例中未注明具体条件的试验方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。除非另有说明，所有的百分比和份数按重量计。
实施例1：
在一个5万m3/h的烟道气处理工艺中，按照本发明的方法，采用新型氧 化吸收剂Fenton试剂雾化液滴，强化脱汞装置，达到以高效率、低损耗完成对烟道气中零价汞的氧化吸收操作，其具体运作过程及效果描述如下：
1.含零价汞气体的性质及操作条件
处理气体为烟道气，主要成分为氮气80％，二氧化碳13％，氧气7％；处理量为5万m3/h；含汞量为400μg/m3。Fenton氧化吸收液浓度为0.05mol/L(以H2O2浓度计，wt％)，通过双流体喷嘴进行雾化，平均的雾化颗粒直径到50μm以下。
2.实施过程
工艺流程如图1所示。
利用离心泵将Fenton氧化吸收液输送到雾化罐内，利用双流体喷嘴将其雾化为液滴，平均的微液滴颗粒直径到50μm以下；含零价汞的气体与Fenton氧化吸收液液滴充分混合后，迅速进入旋流反应器；在旋流反应器内，Fenton氧化吸收液液滴与气体充分接触，与零价汞进行氧化吸收反应，同时利用旋液分离进行超低压力降的气-液旋流分离，将反应后二价汞溶液与净化后的混合气进行分离，压降小于30mm H2O(300Pa)。
3.分析方法
对进气口和出气口的零价汞利用冷原子光谱法进行检测，分析其零价汞的含量，利用下式计算脱汞率。
η＝(Cin-Cout)/Cin×100％
式中：η为Hg0脱除率；Cin和Cout分别为入口、出口气体中Hg0的含量。
对反应后溶液进行检测，分析溶液中二价汞含量，对整个过程进行物料平衡计算。
4.结果分析
通过使用烟道气Fenton旋流脱汞方法分离后，分离器气相出口零价汞含量不大于50μg/m3，脱汞率达到87.5％，夹带液相含量小于50mg/m3。
在本发明提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申 请所附权利要求书所限定的范围。