技术领域
[0001] 本
发明属于化学链燃烧技术领域，具体涉及一种煤化学链燃烧脱汞装置及方法。
背景技术
[0002] 工业生产和居民生活产生的CO2是导致全球
温室效应的主要原因。在针对CO2排放问题上，化学链燃烧是一种用于CO2捕集
封存的新型燃烧技术。与传统
燃料燃烧技术相比，化学链燃烧系统由空气反应器和燃料反应器组成，在整个燃烧过程中燃料与空气之间不直接
接触，燃料燃烧所需要的
氧由载氧体提供。具体流程如下：进入到燃料反应器中的燃料在载氧体供氧作用下发生燃烧，燃烧产生的烟气及飞灰随后经过旋
风分离器后实现分离，经过旋风分离器后的烟气中的主要成分为CO2和H2O(g)，烟气随后经过
冷凝器，H2O(g)
凝结成为液态与CO2实现分离并由此获得高浓度的CO2，高浓度的CO2随后被CO2捕集装置捕集储存。载氧体在燃料反应器中发生还原反应，还原后的载氧体被收集送入空气反应器并被空气氧化，然后再次送入燃料反应器为燃料燃烧提供所需氧和热量。化学链燃烧技术是一种十分具有应用前景的富集CO2技术。
[0003] 由于我国富煤贫油少气的
能源现状，用于化学链燃烧技术的燃料以煤为主，由于煤中汞元素的存在，考虑到汞对人类和自然环境的严重危害性，因此煤燃烧过程中产生的汞污染问题不容忽视。一般而言，汞在燃煤烟气中主要以三种形态存在:单质汞，氧化态汞和颗粒态汞。氧化态汞由于具有
水溶性且不易挥发，可以被热
力发电厂的湿法烟气
脱硫装置协同脱除。颗粒态汞一般存在于固体颗粒表面，可以被热力发电站的静电
除尘器或布袋式除尘器等除尘设备脱除。然而，单质汞由于难溶于水且极易挥发，难以被现有热力发电站的烟气处理设备脱除，且高温下汞主要以单质汞的形式存在。因此，热力发电站的汞污染处理问题集中于单质汞的处理上。
[0004] 在燃煤烟气脱汞方面，汞
吸附剂喷射法的应用十分普遍。其中最常见的汞吸附剂主要包括
活性炭基吸附剂，但活性炭基吸附剂存在着成本高昂的严重
缺陷。与活性炭基吸附剂相比，飞灰作为燃煤电厂的副产品，具有容易获取，成本低廉的显著优势，近年来也有许多研究者提出利用飞灰作为汞吸附剂用于烟气脱汞的相关
专利。但这些专利提出的飞灰喷射法往往应用于
温度低于300℃的烟气冷却侧，而缺少对于高温下汞吸附剂的相关研究。在化学链燃烧技术中，由于燃料反应器温度一般高于700℃，如果想要在化学链燃烧技术下利用飞灰吸附剂，则需要额外增加烟气管道长度从而延长烟气冷却路径，使得烟气能够冷却到300℃以下再来喷射飞灰吸附剂。但这样一来会使得设备占用空间变大，使得化学链燃烧技术投资成本增加，且高温下吸附作用一般较弱。
[0005] 在化学链燃烧烟气脱汞方面，一篇题目为“氧化法去除燃煤烟气中Hg0技术的研究进展”(赵毅等；发表于《化工环保》，2018年3月)的文献介绍了国内外燃煤烟气氧化法脱汞技术的研究进展，一些研究者提出了利用金属氧化物载氧体对烟气中汞单质进行催化氧化从而实现脱除单质汞的相关专利。由于燃料反应器中金属载氧体在为煤燃烧提供所需氧的过程中被不断还原，其氧化性不断减弱，因此难以在燃料反应器的高温环境下继续将烟气中的单质汞进行氧化，而如果为了提高脱汞效率向燃料反应器中送入更多的金属氧化物载氧体的话,则会带来由于金属载氧体投入量增多而产生的成本增加等问题。
发明内容
[0006] 本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种煤化学链燃烧脱汞装置及方法。
[0007] 本发明提供了一种煤化学链燃烧脱汞装置，具有这样的特征，包括：燃料反应器，用于放入燃料进行燃烧；燃料反应器U相
阀，与燃料反应器连接；空气反应器，与燃料反应器U相阀连接，用于提供载氧体；空气旋风分离器，与空气反应器连接，用于将载氧体与空气进行分离；烟气旋风分离器，与燃料反应器连接，用于将燃料燃烧产生的烟气及飞灰进行分离；空气反应器U相阀，同时与空气旋风分离器、烟气旋风分离器以及燃料反应器连接，用于接收载氧体与分离后的部分烟气，并使烟气与载氧体进行反应并一同进入燃料反应器，载氧体将烟气中的Hg0吸附氧
化成Hg2+，将CO氧化成CO2，将H2氧化成H2O(g)；冷凝器，与烟气旋风分离器连接，用于将烟气中的H2O(g)凝结，进而将H2O(g)从烟气中分离；SCR脱硝器，与冷凝器连接，用于对烟气中的氮氧化物进行脱除；烟气除尘器，与SCR脱硝器连接，用于收集烟2+
气中混有的飞灰；湿法
烟气脱硫器，与烟气除尘器连接，用于脱除烟气中的Hg ；以及CO2捕集器，与湿法烟气脱硫器连接，用于收集烟气中的CO2，其中，烟气旋风分离器与空气反应器U相阀之间设有导
流管进行连接，该导流管用于将分离后的部分烟气输送至空气反应器U相阀中，空气反应器U相阀与导流管连接一侧的阀内高度比空气反应器U相阀与空气旋风分离器连接一侧的阀内高度高，烟气旋风分离器的入口管道为粗管道，且入口截面为骤扩截面，燃料反应器中被还原的载氧体经过燃料反应器U相阀进入空气反应器来再次氧化，氧化后的载氧体再经过空气旋风分离器后进入空气反应器U相阀和燃料反应器进行循环反应，湿法烟气脱硫器还与燃料反应器连接，用于将CO2再输送至燃料反应器中。
[0008] 在本发明提供的煤化学链燃烧脱汞装置中，还可以具有这样的特征：其中，燃料反应器还设有燃料进口以及燃料布风板。
[0009] 在本发明提供的煤化学链燃烧脱汞装置中，还可以具有这样的特征：其中，空气反应器还设有空气进口以及空气布风板。
[0010] 在本发明提供的煤化学链燃烧脱汞装置中，还可以具有这样的特征：其中，烟气除尘器为
静电除尘器或袋式除尘器。
[0011] 在本发明提供的煤化学链燃烧脱汞装置中，还可以具有这样的特征：其中，空气反应器与燃料反应器均为
流化床反应器。
[0012] 本发明还提供了一种基于煤化学链燃烧脱汞装置的脱汞方法，具有这样的特征，包括以下步骤：步骤1，燃料进入燃料反应器发生燃烧反应，燃烧产生的飞灰和烟气进入烟气旋风分离器的入口管道，经过烟气旋风分离器将烟气与飞灰分离后，一部分烟气沿着导流管进入空气反应器U相阀，并与空气反应器U相阀中的载氧体发生反应，载氧体将烟气中的Hg0吸附氧化成Hg2+，将CO氧化成CO2，将H2氧化成H2O(g)；
[0013] 步骤2，经过载氧体吸附氧化后的烟气与被还原的载氧体共同进入燃料反应器，并再次经过烟气旋风分离器后进入冷凝器中，冷凝器将烟气中的H2O(g)凝结，将H2O(g)从烟气中分离；
[0014] 步骤3，经
过冷凝器的烟气进入SCR脱硝器对氮氧化物进行脱除；
[0015] 步骤4，经过SCR脱硝器的烟气进入烟气除尘器对烟气中混有的飞灰进行脱除；
[0016] 步骤5，经过烟气除尘器的烟气进入湿法烟气脱硫器对烟气中的Hg2+进行脱除，完成脱汞；
[0017] 步骤6，经过湿法烟气脱硫器的烟气中的一部分CO2被CO2捕集器捕集，另一部分CO2与H2O(g)再次进入燃料反应器与燃料混合，在燃料反应器中被还原的载氧体被收集后经过燃料反应器U相阀并送至空气反应器中被氧化，然后再经过空气旋风分离器与空气反应器U相阀进入到燃料反应器中，完成循环反应，其中，载氧体为将军煤灰，燃料为将军煤，空气反应器与燃料反应器的设定温度均为850℃。
[0018] 发明的作用与效果
[0019] 根据本发明所涉及的一种煤化学链燃烧脱汞装置及方法，因为在经过冷凝器进行烟气处理之前，通过导流管分流让一部分烟气再次循环到空气反应器U相阀中，使得烟气与空气反应器U相阀中的载氧体接触，并在载氧体的作用下将烟气中的Hg0进行吸附氧化，同时也可以对烟气中少量的CO和H进行氧化，所以，能够在实现Hg0催化氧化的同时，也提高了对CO和H的氧化率，提高了CO2的转化和捕集效率；因为空气反应器U相阀与导流管连接的一侧具有较高的阀内高度，所以，能够增加从导流管引入的烟气与载氧体之间的接触时间，有利于烟气中CO，H2进一步氧化成CO2和H2O
蒸汽，且有利于Hg0的氧化；因为烟气旋风分离器的入口管道设置为粗管道和骤扩截面，所以，能够通过烟气和飞灰在
密度、自身重力及流速上的显著差异，更加有效地对烟气与飞灰进行分离；因为载氧体为容易获取且成本低廉的将军煤灰，所以能够有效地降低成本；因为载氧体被还原后能够通过进入空气反应器得到再次氧化后再进入燃烧反应器，所以，能够保证载氧体能在燃烧反应器的高温条件下保持氧化性来对烟气中的单质汞进行氧化。
附图说明
[0020] 图1为
实施例中的一种煤化学链燃烧脱汞装置的结构示意图；
[0021] 图2为实施例中的测试将军煤灰脱汞效率的固定床反应器实验装置示意图；
[0022] 图3为实施例中的将军煤的升温程序图；
[0023] 图4为实施例中的将军煤灰在模拟空气反应器与模拟燃料反应器中的脱汞效率示意图。
具体实施方式
[0024] 为了使本发明实现的技术手段与功效易于明白了解，以下结合实施例及附图对本发明作具体阐述。
[0025] 图1为实施例中的一种煤化学链燃烧脱汞装置的结构示意图。
[0026] 如图1所示，本实施例提供了一种煤化学链燃烧脱汞装置100，包括燃料反应器1、燃料反应器U相阀2、空气反应器3、空气旋风分离器4、烟气旋风分离器5、空气反应器U相阀6、冷凝器7、SCR脱硝器8、烟气除尘器9、湿法烟气脱硫器10以及CO2捕集器11。
[0027] 燃料反应器1用于放入燃料进行燃烧。
[0028] 燃料反应器1还设有燃料进口101以及燃料布风板102。
[0029] 燃料反应器U相阀2与燃料反应器1连接。
[0030] 空气反应器3与燃料反应器U相阀5连接，用于提供载氧体。
[0031] 空气反应器3与燃料反应器1均为流化床反应器。
[0032] 空气反应器3还设有空气进口301以及空气布风板302。
[0033] 空气旋风分离器4与空气反应器3连接，用于将载氧体与空气进行分离。
[0034] 烟气旋风分离器5与燃料反应器1连接，用于将燃料燃烧产生的烟气及飞灰进行分离。
[0035] 本实施例中，燃烧产生的飞灰和烟气在流化气体作用下，进入烟气旋风分离器5的入口管道，由于管道壁面摩擦阻力和飞灰颗粒自身重力作用，飞灰颗粒主要集中于贴近管道壁面处，烟气主要集中于管道轴心处。因此将烟气旋风分离器5的入口管道设计为粗管道，且入口截面设计为骤扩截面，使得烟气与飞灰通过入口管道截面时流速下降，在经过烟气旋风分离器5入口管段沿程阻力消耗后，密度较大且流速较慢的飞灰颗粒趋向于骤扩截面两侧流动，随后在重力作用下降落在骤扩截面两侧斜面上并逐渐堆积，而密度较小，流速较快且集中于烟气旋风分离器5轴心
位置的烟气会通过烟气旋风分离器5的出口管道排出，从而完成烟气与飞灰的分离。
[0036] 空气反应器U相阀6同时与空气旋风分离器4、烟气旋风分离器5以及燃料反应器1连接，用于接收载氧体与分离后的部分烟气，并使烟气与载氧体进行反应并一同进入燃料反应器1，载氧体将烟气中的Hg0吸附氧化成Hg2+，将CO氧化成CO2，将H2氧化成H2O(g)。
[0037] 烟气旋风分离器5与空气反应器U相阀6之间设有导流管12进行连接，该导流管12用于将分离后的部分烟气输送至空气反应器U相阀6中。
[0038] 空气反应器U相阀6与导流管12连接一侧的阀内高度比空气反应器U相阀6与空气旋风分离器4连接一侧的阀内高度高，通过增加空气反应器U相阀6与导流管12连接一侧的阀内高度，使得从导流管12进入的烟气在空气反应器U相阀6内能够与载氧体具有更长的接触时间，有利于烟气中CO，H2进一步氧化成CO2和H2O蒸汽，且有利于Hg0的氧化。
[0039] 冷凝器7与烟气旋风分离器5连接，用于将烟气中的H2O(g)凝结，进而将H2O(g)从烟气中分离。
[0040] SCR脱硝器8与冷凝器7连接，用于对烟气中的氮氧化物进行脱除。
[0041] 烟气除尘器9与SCR脱硝器8连接，用于收集烟气中混有的飞灰。
[0042] 烟气除尘器9为静电除尘器或袋式除尘器。
[0043] 湿法烟气脱硫器10与烟气除尘器9连接，用于脱除烟气中的Hg2+。
[0044] 烟气中的Hg2+由于具有
水溶性，能够通过湿法烟气脱硫器10进行脱除。
[0045] 湿法烟气脱硫器10还与燃料反应器1连接，用于将CO2再输送至燃料反应器1中。
[0046] CO2捕集器11与湿法烟气脱硫器10连接，用于收集烟气中的CO2。
[0047] 燃料反应器1中被还原的载氧体经过燃料反应器U相阀2进入空气反应器3来再次氧化，氧化后的载氧体再经过空气旋风分离器4后进入空气反应器U相阀6和燃料反应器1进行循环反应。
[0048] 本实施例中，燃料为将军煤，载氧体为将军煤灰，将军煤不直接与空气接触，燃烧时所需的空气由高
铁(Fe2O3)高
钙(CaSO4)的将军煤灰载氧体提供，本实施例的一种基于煤化学链燃烧脱汞装置100的脱汞方法包括以下步骤：
[0049] 步骤1，将军煤进入燃料反应器1发生燃烧反应，燃烧产生的飞灰和烟气进入烟气旋风分离器5的入口管道，经过烟气旋风分离器5将烟气与飞灰分离后，一部分烟气沿着导流管12进入空气反应器U相阀6，空气反应器U相阀6中具有来自空气反应器3的并经过空气旋风分离器4与空气分离的将军煤灰，烟气在空气反应器U相阀6中与将军煤灰发生反应，将军煤灰将烟气中的Hg0吸附氧化成Hg2+，将CO氧化成CO2，将H2氧化成H2O(g)，同时将军煤灰被还原。
[0050] 步骤2，经过将军煤灰吸附氧化后的烟气与被还原的将军煤灰共同进入燃料反应器1，并再次经过烟气旋风分离器5后进入冷凝器7中，冷凝器7将烟气中的H2O(g)凝结，将H2O(g)从烟气中分离。
[0051] 步骤3，经过冷凝器7的烟气进入SCR脱硝器8对氮氧化物进行脱除。
[0052] 步骤4，经过SCR脱硝器8的烟气进入烟气除尘器9对烟气中混有的飞灰进行脱除。
[0053] 步骤5，经过烟气除尘器9的烟气进入湿法烟气脱硫器10对烟气中的Hg2+进行脱除，完成脱汞。
[0054] 步骤6，经过湿法烟气脱硫器10的烟气中的一部分CO2被CO2捕集器11捕集，另一部分CO2与H2O(g)再次进入燃料反应器1与将军煤混合，在燃料反应器1中被还原的将军煤灰被收集后经过燃料反应器U相阀2并送至空气反应器3中被氧化，然后再经过空气旋风分离器4与空气反应器U相阀6进入到燃料反应器1中，完成循环反应。
[0055] 空气反应器与燃料反应器的设定温度均为850℃。
[0056] 图2为实施例中的测试将军煤灰脱汞效率的固定床反应器实验装置示意图，图3为实施例中的将军煤的升温程序图。
[0057] 本实施例中通过如图2所示的固定床反应器实验装置对将军煤灰催化氧化Hg0的效果进行实验，包括以下步骤：
[0058] 步骤1，使用磨煤机对将军煤进行
粉碎处理成170目(约90um)将军
煤粉，通过增加将军煤粉产生的将军煤灰颗粒与Hg0的接触面积来有助于Hg0的吸附和催化氧化；
[0059] 步骤2，将将军煤粉在80℃下进行干燥处理8h，除去其中的水分，以此来避免后续高温实验中产生的水蒸气对Hg0催化氧化的影响；
[0060] 步骤3，将干燥后的将军煤粉置于
马弗炉，设定
煅烧温度和升温速率为850℃度和20℃/min，设置煅烧时间为2h，升温程序如图3所示；
[0061] 步骤4，将升温煅烧后将军煤灰取出，取0.2g将军煤灰与1.0g
石英砂混合并置于管式炉中，将军煤灰两侧置有0.03g的石英
棉，该石英砂用于使气流均匀，防止将军煤灰被气流吹跑；
[0062] 步骤5，考虑到HgCl2是最主要的氧化态汞形式，通过输入50ppmHCl模拟燃料反应器的反应气氛，通过输入高纯空气模拟空气反应器的反应气氛，在固定床反应器中分别对750℃、850℃、950℃、1050℃四种温度下燃料反应器和空气反应器中载氧体催化氧化Hg0的效果进行实验，实验装置如图2所示：装有100ng/min渗透率的Hg0渗透管的U型管置于50℃恒温水浴锅中，在流速为1L/min的N2作为载气输送下，100ug/min稳定流速的汞蒸气分别与HCl和高纯空气混合后，进入管式炉内与样品发生反应，随后烟气通过汞进样口进入QM201H测量反应后的Hg0浓度，在经过QM201H测汞仪后，尾气中的残留Hg0和HCl气体依次被活性炭和NaOH溶液吸收。脱汞效率计算公式如下：η＝(C1-C2)/C1，C1为进入管式炉之前的Hg0浓度，C2为进入管式炉之后的Hg0浓度。
[0063] 图4为实施例中的将军煤灰在模拟空气反应器与模拟燃料反应器中的脱汞效率示意图。
[0064] 如图4所示，在燃料反应器和空气反应器中，将军煤灰均表现出良好的催化氧化Hg0效果，将军煤灰在空气反应器和燃料反应器中的反应最佳温度均为850℃，其中，850℃下模拟燃料反应器中催化氧化脱汞效率高达约91％，850℃下模拟空气反应器中催化氧化脱汞效率高达70％。
[0065] 实施例的作用与效果
[0066] 根据本实施例所涉及的一种煤化学链燃烧脱汞装置及方法，因为在经过冷凝器进行烟气处理之前，通过导流管分流让一部分烟气再次循环到空气反应器U相阀中，使得烟气与空气反应器U相阀中的载氧体接触，并在载氧体的作用下将烟气中的Hg0进行吸附氧化，0
同时也可以对烟气中少量的CO和H进行氧化，所以，能够在实现Hg催化氧化的同时，也提高了对CO和H的氧化率，提高了CO2的转化和捕集效率；因为空气反应器U相阀与导流管连接的一侧具有较高的阀内高度，所以，能够增加从导流管引入的烟气与载氧体之间的接触时间，有利于烟气中CO，H2进一步氧化成CO2和H2O蒸汽，且有利于Hg0的氧化；因为烟气旋风分离器的入口管道设置为粗管道和骤扩截面，所以，能够通过烟气和飞灰在密度、自身重力及流速上的显著差异，更加有效地对烟气与飞灰进行分离；因为载氧体为容易获取且成本低廉的将军煤灰，所以能够有效地降低成本；因为载氧体被还原后能够通过进入空气反应器得到再次氧化后再进入燃烧反应器，所以，能够保证载氧体能在燃烧反应器的高温条件下保持氧化性来对烟气中的单质汞进行氧化。
[0067] 上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。
