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在酸性条件下利用煤灰和外加氧化剂的方法，进行脱硫脱硝除尘一体化的设备
技术领域
本发明专利涉及一种在酸性条件下利用煤灰和外加氧化剂的方法，进行脱硫脱硝除尘一体化的设备。
背景技术
目前在工业企业中，特别是在矿山、工厂车间等地方产生大量的含尘气体，各方面都在努力解决排烟时的除尘脱硫脱硝问题，现有的除尘设备投资昂贵，占地面积大，脱硫效率低。本除尘设备在酸性条件下多次利用粉煤灰里的有效物质，在必要时通过外加氧化剂的形式，进行脱硫、脱氮，除尘。减少使用单位脱硫费用，实现了节能减排。
发明内容
本发明专利的目的在于提供一种克服现有脱硫脱硝技术不足，提供一种脱硫脱硝效率高，资源综合利用的在酸性条件下利用煤灰和外加氧化剂的方法，进行脱硫脱硝除尘一体化的设备。为了实现上述目的，本发明专利是通过以下技术方案来实现的：
初级脱硫脱硝净化原理
脱硫脱氮的化学反应原理
1.脱硫脱氮
本人通过独自研究把目前世界上已成熟的两种脱硫方法结合起来(既中和法和以铁离子作为催化剂把烟气中SO₂制成硫酸的方法)，应用到脱硫脱氮的环保工程上，现已经取得了在燃煤锅炉上的实践经验。
同时本人根据近10年的不断研究发现，仅仅利用煤灰同时适量的外加铁元素，即可达到良好的脱硫脱硝效果。
根据已经使用的山西煤种分析如下：烟灰成分含量(表1)
 

名称SiO₂Al₂O₃Fe₂O₃CaOMgOSO₃K₂OTiO₂其他数量47.6830.8510.432.911.41.911.621.641.61百分比      ％         49.22     32.19    9.68   2.7    1.16    1.46    1.29    1.18    1.12
从上述烟气分析表得知：有近48％的金属氧化物存在(氧化铝，氧化铁，氧化钙，氧化镁等)。其中氧化铁含量高达9.68％，这些金属氧化物与脱硫液中的亚硫酸发生中和反应生成相应的硫酸盐，并且氧化铁与亚硫酸反应生成Fe₂(SO₃)₃，Fe₂(SO₃)₃遇水分解生成氢氧化铁，它不仅是二氧化硫的吸收剂，也是还原剂。同时由于加入的单质铁，保证了系统中含有大量丰富的Fe(II)，Fe(II)同氮氧化物发生反应，在自身被氧化的同时，将氮氧化物还原为氮气，从而达到脱硝效果，根据以上情况，为循环除尘脱硫脱硝一体化提供了前提。
在一级除尘脱硫脱硝过程中，烟气冲击水时，产生如下反应：

氧化铁被酸化水溶解，游离出的铁离子作为氧化催化剂，将亚硫酸氧化成硫酸，同时又把“中和酸”能力最强的氧化铝(两性氧化物)和其它金属氧化物也溶解，从而在不添加其它脱硫剂和脱硝剂的情况下，可利用烟气自身的成分进行脱硫。
SO₂与金属氧化物的反应是中和法：
(MgO.CaO)+H₂SO₃＝(Mg、.Ca)SO₃+H₂O(2)
还有在灰份中以高岭石(Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O)及其部分分解物——黏土形式存在的Al₂O₃(两性氧化物)，仅就Al₂O₃而言其重量百分含量比其它金属氧化物组份都高，与Fe₂O₃一样，也是两性氧化物，因Al₂O₃的溶解度积K₅₈＝2×10^-33，即当循环洗涤水的PH值为4.7以下，Al³⁺才开始溶存于水中，所以也只有循环洗涤水PH值在较低的情况下，它才能充分地发挥它中和酸的作用，而且在酸性较强的水中结晶出来的硫酸盐，不论其溶解度大小，都不会生成细小的、胶体状沉淀，而附着于设备表面，造成设备堵塞，而且过滤性能也好。但是由于金属氧化物量是有限的，脱硫率始终只能达到70％左右，而脱硝效率也只有30％左右。
为此，本人在本系统中添加了一定量的单质铁。
利用酸性条件下，被酸性洗涤水所溶解的Fe₂O₃会产生如下反应：
4H⁺+2SO₃^2-+Fe₂O₃＝FeSO₄+FeSO₃+2H₂O     (3)
Fe₂O₃即中和了H+且将SO₃^2-氧化成SO₄^2-，自身还原成二价Fe²⁺，所产生的硫酸根最终以硫酸盐的形式稳定存在(Al₂(SO₄)₅等)。
亚铁离子在酸性水中很容易被烟气中剩余的氧所氧化：
2Fe²⁺+1/2O₂+3H₂O＝2Fe(OH)₂⁺+2H⁺        (4)
H⁺+2Fe(OH)₂⁺+HSO₃^-＝2Fe²⁺+SO₄^2-+3H₂O    (5)
在这一过程中，O₂氧化Fe²⁺为Fe³⁺，Fe³⁺形成中间络离子Fe(OH)-₂⁺，并作为后续反应的氧化剂，从而实现了S(IV)→S(VI)的转化。同时，在吸收液中还发现有红色Fe(OH)₃沉淀。此时，Fe(OH)₃可作为多相催化剂吸附O₂，使气相中的O₂变为溶解O₂，从而加快氧化反应。
从(1)式可以看出，要加速并增加SO₂向洗涤水中的溶解(酸化)以提高脱硫效率，唯一可行的办法就是除去亚硫酸水解后生成的氢离子(H⁺)和亚硫酸根离子(SO₃^2-)以打破这一平衡。因此在此处，正是因为Fe³⁺的存在，才使得氢离子(H⁺)和亚硫酸根离子(SO₃^2-)能够迅速被除去，从而确保SO₂能更多更迅速的溶解于水，等到除去。同时铁离子的半径小，正电性强，对烟气中的另一个污染物NO的电子分布正好不对称产生了氧化作用，生成了络合物，其反应式：
NO+FeSO₃＝Fe(NO)SO₃         (6)
生成亚硝基亚硫酸铁，在酸性条件下，易氧化产生如下反应：
2Fe(NO)SO₃+O₂+H₂SO₄＝Fe₂(SO₄)₃+N₂↑+H₂O    (7)
其效应使有害的NO被还原成N₂(氮气)，从而达到了脱硝的目的。由于NO在进入酸性洗涤水中时，它比O₂更易把水中的SO₃^2-氧化成SO₄^2-；把Fe²⁺氧化成Fe³⁺，比单纯的O₂存在具有更强的脱硫能力。而且通过实践得知，NO的生成速度是随炉温的提高而增长的，炉子热效率增高，NO也增加，氧化能力也增强。
同时，有研究数据表明，Fe³⁺对SO₂的氧化存在一个快速氧化反应阶段，该阶段SO₂的氧化速率同Fe³⁺的浓度成正比。吸收液pH的改变对Fe³⁺的催化氧化速率有较大影响。在pH>一定值时，Fe以Fe(OH)，形式存在，Fe³⁺浓度开始减小，而起催化作用的主要物质是Fe³⁺。因此，pH值增加，反应速率迅速地减小。pH<一定值时，随pH值减小，Fe³⁺浓度增加，但此时SO₂溶解度减小，整个催化氧化反应体系受控于气膜阻力，反应速率减小，因此，Fe³⁺的催化氧化速率在整个pH值范围内以pH在定值范围时最大。
相反，对脱硝起决定性作用的是Fe²⁺，而Fe²⁺需要在pH值较低且Fe过量的情况下方能稳定存在，且发挥其作用，因此需控制系统pH值，保证其达到脱硫脱硝的最佳效果。在实际应用中证实，pH在某个区间时，其脱硫脱硝效果最佳。
同时，除了铁元素之外，煤灰中的其他碱性物质也对脱硫起很大的作用。通过下述碱性物质溶出率与pH值关系表的分析可以得知，pH在某个区间时，其他碱性物质的溶出率也为最大。
有益效果
除尘脱硫采用铁离子脱硫脱硝的新工艺，利用铁离子进行脱硫脱硝，在实际运行中，脱硫已达到95％，脱硝已达到60％。与其他脱硫剂成本相比，节约费用80％。由于利用铁离子作为添加剂，自形成蓄凝剂，在运行当中水质不浑浊，加速沉淀。
附图说明
图1为本发明专利的侧面图；
图2为本发明专利的平面图；
图3为本发明专利的原理简图。
如图1和图2所示本发明专利由1-除尘器进口、2-S型通道、3-出渣机、4-除尘器、5-烟道、6-脱硫塔、7-喷淋管、8-进引风机烟道、9-PH议、10-自来水、11-电磁阀、12-搅拌机、13-水池、14-水泵、15-铁硝、16-PH调解水管、17-冲击水粉煤灰、18-脱硫脱硝水、19-除尘器组成。
具体实施方式
含尘气体经进气孔进入，气流冲击水面，较大尘粒落入水中，含有较小尘粒气体以18-25米/秒的速度通过2-S型通道，激起大量水花，使气水充分接触，微细尘粒混入水中，使含尘气体得到净化；在除尘的同时，含硫气体与雾化水接触，产生酸性水，与煤灰里的碱性物质和加入的铁元素发生反应，完成脱硫过程；同时由于加入的单质铁，保证了系统中含有大量丰富的Fe(II)，Fe(II)同氮氧化物发生反应，在自身被氧化的同时，将氮氧化物还原为氮气，从而达到脱硝效果，到此完成了一级除尘脱硫脱硝过程。没有完全净化的气体，经过6-脱硫塔后，再次逆向喷淋达到再次除尘脱硫脱硝的效果，净化后的气体通过设在塔顶的脱水器进行脱水后排入大气。