基于过氧化氢催化氧化烟气同时脱硫脱硝的装置及方法

摘要

本发明提供一种基于过氧化氢(H

说明书

技术领域

本发明属于化工技术、气体污染物治理技术领域，具体涉及一种基于H₂O₂催化氧化烟气同时脱硫脱硝的装置及方法。

背景技术

近年来，我国SO₂和NO_X的排放日益增加，其带来的污染也越来越严重，并产生了一系列的问题：由它们形成的酸雨和光化学烟雾等严重威胁人类健康，破坏生态环境，这些污染物物已经严重影响了人民群众的生活和国民经济的发展。因此，控制SO₂和NO_X的排放已是迫在眉睫。

目前，在我国普遍采用湿法烟气脱硫(WFGD)与选择性催化脱硝(SCR)相结合的方法来脱硫脱硝，虽然此种方法污染物脱除效率高，但投资和运行成本较高，且工艺复杂，脱硫副产物如硫酸钙等价值低，甚至还带来二次污染的问题，脱硝则是无价值的副产物N₂。所以开发低投资、低成本的同时脱硫脱硝技术，实现脱硫脱硝资源化是燃煤副产物控制新技术的发展方向。

CN102327735公开了一种基于H₂O₂作用的对烟气同时脱硫脱硝的系统和方法。其脱硫脱硝系统主要由由烟气产生装置，除尘器，脱硫塔，烟囱，过氧化氢储罐，风机，过滤装置，注射泵，结晶分离装置及其相应的烟道组成。此系统将价格低廉的H₂O₂通过注射泵注入与风机相连的管道内，随来自风机的空气气流吹扫进入烟道内，氧化NO_X和SO₂为硝酸和硫酸，在吸收塔或高效除雾器内将两种产物转化为工业原料。这种方法投资和运行成本较低，且工业原料来源广泛，但是，H₂O₂在高温下易产生无效分解（分解产生氧气和水），降低了氧化效率，当H₂O₂过量时甚至发生爆炸，限制了其推广应用。

发明内容

本发明的目的旨在解决H₂O₂氧化效率低，可能发生爆炸等缺陷，提供一种基于H₂O₂催化氧化烟气同时脱硫脱硝的装置及方法，本发明在CN102327735的基础上做了进一步改进，增加了H₂O₂催化分解装置，使H₂O₂分解产生羟基自由基，大大提高了NO_X和SO₂的脱除率，降低了H₂O₂爆炸的可能性。

实现本发明目的的技术方案：

一种基于H₂O₂催化氧化烟气同时脱硫脱硝的装置，所述装置包括H₂O₂储罐，注射泵，H₂O₂喷头和H₂O₂催化分解装置，鼓风机和活性物质喷头；所述H₂O₂储罐与注射泵相连，注射泵与H₂O₂喷头相连，H₂O₂喷头安装与H₂O₂催化分解装置内，H₂O₂催化分解装置一端连接鼓风机，另一端连接活性物质喷头。

一种基于H₂O₂催化氧化烟气同时脱硫脱硝的装置，所述装置在鼓风机和H₂O₂催化分解装置之间装有预热装置。

一种基于H₂O₂催化氧化烟气同时脱硫脱硝的装置，所述装置在H₂O₂催化分解装置外侧包裹加热装置。

    一种基于H₂O₂催化氧化烟气同时脱硫脱硝的装置，所述装置在鼓风机和H₂O₂催化分解装置之间装有预热装置，在H₂O₂催化分解装置外侧包裹加热装置。

    一种基于H₂O₂催化氧化烟气同时脱硫脱硝的方法，其步骤包括：

1）存储在H₂O₂储罐中的H₂O₂经注射泵喷入H₂O₂催化分解装置，与装入H₂O₂催化分解装置中的催化剂作用产生大量活性物质，所述的活性物质随来自鼓风机的旁路气流流向活性物质喷头并注入烟道内与烟气中的SO₂和NO_X反应生成硫酸和硝酸；

2）所述的硫酸和硝酸以及烟气中的残留污染物进入氨法吸收塔最终转化为硫酸铵和硝酸铵。

    其中，步骤1）中所述的H₂O₂溶液为30 wt% H₂O₂溶液；所述的催化剂选用过渡金属氧化物催化剂氧化铁、氧化钴、氧化镍、氧化铜、氧化锌的一种，空速小于等于72000 h^-1（空速定义：烟气体积流量与催化剂体积比）。

    步骤1）中所述的旁路气流是空气，旁路气流流量与烟气总体积流量比为1:6；所述的活性物质主要是羟基自由基。

    步骤2）中所述的氨法吸收塔液气比为4，所述的氨水初始浓度为18 wt%。

    所述的烟气温度为120~180℃。

步骤2）中所述的残留污染物包括NO，NO₂和SO₂。

反应原理：

（1）H₂O₂与催化剂发生反应生成活性物质，其反应原理如下：(S. Lin, M.D. Gurol, Catalytic decomposition of hydrogen peroxide on iron oxide: kinetics, mechanism, and implications [J]. Environmental Science and Technology, 1998, 32: 1417-1423)(以氧化铁为例)：

 

(2) H₂O₂催化分解装置中的活性物质、水以及少量未反应的H₂O₂与烟道中的NO_X和SO₂反应生成硝酸和硫酸，其反应原理如下：(Y. Liu, J. Zhang, et al. Simultaneous removal of NO and SO₂ from coal-fired flue gas by UV/H₂O₂ advanced oxidation process [J]. Chemical Engineering Journal, 2010, 162: 1006-1011)。

（3）所述的硝酸和硫酸通入氨法吸收塔变成硝酸铵和硫酸铵。烟气中残留的SO₂、NO和NO₂在氨法吸收塔内存在协同吸收生成亚硫酸铵、硫酸铵、亚硝酸铵以及硝酸铵，进一步提高SO₂和NO_X的脱除率。其反应原理如下：

所述的亚硝酸盐、亚硫酸盐经塔底曝气氧化后生成硝酸盐和硫酸盐。

本发明与现有技术相比其显著优点是：（1）本发明所述的脱硫脱硝装置是在现有技术基础上做了进一步改进，增加了H₂O₂催化分解装置，另外还增加了预热装置和加热装置，使H₂O₂分解产生活性物质，能够有效提高了NO_X和SO₂的脱除率，降低了H₂O₂在烟气中的浓度，从而抑制爆炸的可能性。（2）本发明所述的脱硫脱硝方法采用廉价的H₂O₂作为氧化剂，使用廉价的过渡金属氧化物催化剂(氧化铁，氧化镍，氧化锌等)催化分解H₂O₂产生大量活性物质，所述的活性物质氧化烟气中的NO_X和SO₂，大大增强了H₂O₂的氧化效率，从而提高了NO_X和SO₂的脱除率，SO₂的脱除率为95%以上，NO_X的脱除率为60%以上，最高可达80%。（3）与此同时，H₂O₂经催化分解后其浓度大大降低，因此也降低了其爆炸的可能性。该方法可在原脱硫系统上改进，也可以投资建设，投资和运行成本低。

附图说明

图1为本发明基于H₂O₂催化氧化烟气同时脱硫脱硝装置结构示意图。

图2为本发明基于H₂O₂催化氧化烟气同时脱硫脱硝的装置及方法实施例一的结构示意图。

图3为本发明实施例一对NO_X和SO₂脱除的效果图。

图4为本发明基于H₂O₂催化氧化烟气同时脱硫脱硝的装置及方法实施例二的结构示意图。

图5为本发明实施例二对NO_X和SO₂脱除的效果图。

图6为本发明基于H₂O₂催化氧化烟气同时脱硫脱硝的装置及方法实施例三的结构示意图。

图7为本发明实施例三对NO_X和SO₂脱除的效果图。

图8为本发明基于H₂O₂催化氧化烟气同时脱硫脱硝的装置及方法实施例四的结构示意图。

图9为本发明实施例四对NO_X和SO₂脱除的效果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非限于本发明的范围。

     一种基于H₂O₂催化氧化烟气同时脱硫脱硝的装置，所述装置包括H₂O₂储罐1，注射泵2，H₂O₂喷头3和H₂O₂催化分解装置4，鼓风机5和活性物质喷头6；所述H₂O₂储罐1与注射泵2相连，注射泵2与H₂O₂喷头3相连，H₂O₂喷头3安装与H₂O₂催化分解装置4内，H₂O₂催化分解装置4顶部连接鼓风机5，底部连接活性物质喷头6（如图1图2）。

     一种基于H₂O₂催化氧化烟气同时脱硫脱硝的装置，所述装置在鼓风机5和H₂O₂催化分解装置4之间装有预热装置7（如图4）。

     一种基于H₂O₂催化氧化烟气同时脱硫脱硝的装置，所述装置在H₂O₂催化分解装置4外侧包裹加热装置8（如图6）。

     一种基于H₂O₂催化氧化烟气同时脱硫脱硝的装置，所述装置在鼓风机5和H₂O₂催化分解装置4之间装有预热装置7，在H₂O₂催化分解装置4外侧包裹加热装置8（如图8）。

 

实施例一

一种基于H₂O₂催化氧化烟气同时脱硫脱硝的装置，所述装置包括H₂O₂储罐1，注射泵2，H₂O₂喷头3和H₂O₂催化分解装置4，鼓风机5和活性物质喷头6；所述H₂O₂储罐1与注射泵2相连，注射泵2与H₂O₂喷头3相连，H₂O₂喷头3安装与H₂O₂催化分解装置4内，H₂O₂催化分解装置4一端连接鼓风机5，另一端连接活性物质喷头6（如图1图2）。H₂O₂通过注射泵2进入H₂O₂催化分解装置4，与催化剂反应产生大量的活性物质。所述的活性物质随来自鼓风机5的气流经活性物质喷头6注入烟道内氧化SO₂和NO_X为硫酸和硝酸，最后经氨法吸收塔吸收生成硫酸铵和硝酸铵。

使用实施例1的方法进行脱硫脱硝时，其中，H₂O₂溶液喷入量的摩尔数为NO摩尔数的2倍，氧化时间为1秒，在本实施例中，烟道内烟气温度为120~180℃，总气流流量为旁路气流流量的6倍，在不同烟气温度下脱硫脱硝效果如图3所示，由图可知，采用本发明SO₂脱除率最高可达99%，NO_X脱除率最高可达69.4%。烟气中的NO_X和SO₂采用的检测仪器是：ecom烟气分析仪。

实施例二

如图4所示，和实施例一不同之处在于，在所述的H₂O₂催化反应装置4和鼓风机5之间设有预热装置7，所述预热装置7为管壳式换热器或板式换热器或管板式换热器或容积式换热器等，所述预热装置7主要是对旁路气流升温，较高温度的旁路气流更有利于H₂O₂溶液在催化剂表面的分散，也更容易将催化剂表面的活性物质以及H₂O₂溶液注入烟道中，所述预热装置的热气流来自烟气。

使用实施例二的系统进行脱硫脱硝操作时，其中，H₂O₂溶液喷入量的摩尔数为NO摩尔数的2倍，氧化时间为1秒，在本实施例中，烟道内烟气温度为120~180℃，预热装置内空气温度为90~150℃，总气流流量为旁路气流流量的6倍，在不同烟气温度下脱硫脱硝效果如图5所示，由图可知，采用本发明SO₂脱除率最高可达100%，NO_X脱除率最高可达74.9%。烟气中的NO_X和SO₂采用的检测仪器是：ecom烟气分析仪。

实施例三

如图6所示，和实施例一不同之处在于，在所述H₂O₂催化反应装置4外侧包裹加热装置8，所述加热装置8为电加热或蒸汽加热或烟气加热等，所述加热装置8主要是对H₂O₂催化分解装置升温，使H₂O₂分解加速产生更多的活性物质，更多的活性物质随旁路气流注入烟道内，氧化NO_X和SO₂。所述的电加热或蒸汽加热能量均来自外界，所述的烟气加热中的烟气来自除尘器之前的部分。

使用实施例三的系统进行脱硫脱硝操作时，其中，H₂O₂的喷入量的摩尔数为NO摩尔数的2倍，氧化时间为1秒，在本实施例中，烟道内烟气温度为120~180℃，加热装置9内温度为40~100℃，总气流流量为旁路气流流量的6倍，在不同烟气温度下脱硫脱硝效果如图7所示，由图可知，采用本发明SO₂脱除率最高可达100%，NO_X脱除率最高可达76.5%。烟气中的NO_X和SO₂采用的检测仪器是：ecom烟气分析仪。

实施例四

如图8所示，和实施例一不同之处在于，在所述H₂O₂催化反应装置4外侧包裹加热装置8以及催化反应装置4和鼓风机5之间设有预热装置7，所述预热装置7主要是对旁路气流升温，使旁路气流与催化剂具有较高的接触温度，所述加热装置8主要是对H₂O₂催化反应装置加热以提高H₂O₂和催化剂的反应速率以及活性物质的脱附速率。

使用实施例四的系统进行脱硫脱硝操作时，其中，H₂O₂喷入量的摩尔数为NO摩尔数的2倍，氧化时间为1秒，在本实施例中，烟道内烟气温度为120~180℃，加热装置7内温度为40~100℃，预热装置6内温度为100~140℃，总气流流量为旁路气流流量的6倍，在不同烟气温度下脱硫脱硝效果如图9所示，由图可知，采用本发明SO₂脱除率最高可达100%，NO_X脱除率最高可达79.3%。烟气中的NO_X和SO₂采用的检测仪器是：ecom烟气分析仪。