專利名稱：鼓泡式超聲波霧化汞價態(tài)轉(zhuǎn)化裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于重金屬汞的測量領(lǐng)域，涉及一種將燃煤煙氣中不易測量的氧化態(tài)汞高效轉(zhuǎn)化為容易測量的元素態(tài)汞的裝置與方法。
背景技術(shù)：
汞及其化合物由于具有高揮發(fā)性、大氣遷移性、生物體內(nèi)累積性及神經(jīng)損害性等，作為一類有毒有害物質(zhì)正受到廣泛關(guān)注。隨著世界煤炭資源消耗量的日益提高，燃煤電站已成為全球最大的人為汞排放單源。美國、加拿大、中國等已針對燃煤電站汞排放制定了相關(guān)法律法規(guī)或行業(yè)標準，各種控制燃煤電站汞排放技術(shù)的研究，如煤中添加脫除劑、活性炭吸附劑尾部煙道噴射、利用現(xiàn)有脫硫脫硝除塵裝置等，也在蓬勃開展中。無論是建立相對準確的汞排放清單，還是評估各種汞捕獲技術(shù)的效率，實現(xiàn)汞的全面精確測量無疑是重要前提和基礎(chǔ)。燃煤電站所涉及的汞及其化合物主要包括三種形態(tài)氣態(tài)元素態(tài)汞、氣態(tài)氧化態(tài)汞和顆粒態(tài)汞。顆粒態(tài)汞包括底渣和飛灰中汞，一般可按照嚴格的標準方法取樣后進行實驗室分析。煙氣中氣態(tài)汞的測量則分為兩類，一是按照美國環(huán)保署和能源部等機構(gòu)推薦的標準方法安大略法(Ontario-Hydro Method, OHM)進行現(xiàn)場取樣、分析，可有效采集和分析燃煤煙氣中不同形態(tài)的汞及其化合物；二是基于在線分析技術(shù)，利用冷蒸氣原子吸收法(CVAAS)或者冷蒸氣原子熒光法(CVAFS)的原理在線實時檢測煙氣中的汞濃度。但是，目前的汞濃度在線分析檢測技術(shù)都是基于檢測元素態(tài)汞的方法，即只能檢測出元素態(tài)汞而不能檢測出氧化態(tài)汞。因此欲檢測氧化態(tài)汞必須先進行氧化態(tài)汞向元素態(tài)汞的轉(zhuǎn)換。通常做法是在檢測儀器前配備汞價態(tài)轉(zhuǎn)化裝置，將氧化態(tài)汞轉(zhuǎn)化為元素態(tài)汞后再檢測煙氣中的總汞含量，最后通過總汞含量與元素態(tài)汞含量兩者之差間接獲得氧化態(tài)萊含量。燃煤煙氣汞在線檢測分析技術(shù)由于測量過程簡單、實時反映測量結(jié)果等得天獨厚的優(yōu)勢，成為世界各國該領(lǐng)域的研究熱點。其中具備高效轉(zhuǎn)化效率的價態(tài)轉(zhuǎn)化裝置成為實現(xiàn)氣態(tài)元素態(tài)汞和氣態(tài)氧化態(tài)汞同步實時在線監(jiān)測的核心部件。目前汞的價態(tài)轉(zhuǎn)化裝置主要有兩種，一種是利用氯化亞錫溶液進行濕化學轉(zhuǎn)化，將氧化態(tài)汞還原為元素態(tài)汞；另一種是在高溫條件下使各類氧化態(tài)汞化合物受熱分解，進而轉(zhuǎn)化為元素態(tài)總汞。高溫加熱法的轉(zhuǎn)化效率依賴于溫度的選擇以及惰性氣體的吹掃，近來針對轉(zhuǎn)化溫度爭議較大，且額外的能量損耗、惰性氣體的使用也提高了其使用的復(fù)雜性和成本。氯化亞錫濕化學方法常溫下即可進行，其利用的限制在于轉(zhuǎn)化效率低，如何在有限的時間和空間內(nèi)達到滿足要求的轉(zhuǎn)化效率，成為該方法在工業(yè)化裝置中應(yīng)用的關(guān)鍵。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明針對氯化亞錫濕化學方法中氧化態(tài)汞向元素態(tài)汞的轉(zhuǎn)化效率低的現(xiàn)狀，提供了一種既可顯著提高氧化態(tài)汞向元素態(tài)汞轉(zhuǎn)化效率又能同步實時檢測元素態(tài)汞和氧化態(tài)汞的鼓泡式超聲波霧化汞價態(tài)轉(zhuǎn)化裝置。本發(fā)明還提供了 一種利用該裝置進行汞價態(tài)高效轉(zhuǎn)化的方法。技術(shù)方案本發(fā)明的鼓泡式超聲波霧化汞價態(tài)轉(zhuǎn)化裝置，包括從下至上依次連接設(shè)置的進氣風室、布風板、鼓泡反應(yīng)段、霧化反應(yīng)段、冷卻水夾套、延伸反應(yīng)及溶液回收段和外接導(dǎo)氣管路，進氣風室一側(cè)設(shè)置有進風口，布風板上內(nèi)嵌超聲波霧化片，鼓泡反應(yīng)段中設(shè)置有冷卻換熱管，冷卻換熱管通過管路與冷卻水夾套連接，冷卻水夾套上設(shè)置有冷卻水進口和冷卻水出口，延伸反應(yīng)及溶液回收段中設(shè)置從下至上依次錯開布置的4飛個折流板，外接導(dǎo)氣管路中設(shè)置有浸潰氫氧化鈉溶液的石英纖維濾水芯。本發(fā)明裝置中，進氣風室、各反應(yīng)段主體、冷卻水夾套及外接導(dǎo)氣管路均采用不吸附汞的聚四氟乙烯材料，冷卻換熱管及其與冷卻水夾套間連接管路采用不吸附汞的高硼硅玻璃材料。本發(fā)明裝置中的布風板采用不吸附汞的石英材料，密布孔徑范圍為f 10微米的小孔。其上密布的大量微米級小孔可以讓樣氣從進氣風室順利進入鼓泡反應(yīng)段，同時又可保證所盛放的氯化亞錫鹽酸溶液不致滲漏。本發(fā)明利用上述鼓泡式超聲波霧化汞價態(tài)轉(zhuǎn)化裝置進行汞價態(tài)轉(zhuǎn)化的方法，包括如下步驟I)將混合有元素態(tài)汞和氧化態(tài)汞的樣氣由進風口通入進氣風室，經(jīng)布風板后均勻進入鼓泡反應(yīng)段與氯化亞錫鹽酸溶液發(fā)生反應(yīng)；2)由超聲波霧化片震蕩產(chǎn)生的大量氯化亞錫鹽酸霧滴充斥整個霧化反應(yīng)段，樣氣進一步與氯化亞錫鹽酸霧滴充分接觸，發(fā)生還原反應(yīng)；3)樣氣經(jīng)過這兩步反應(yīng)之后通過冷卻水夾套的中心孔進入延伸反應(yīng)及溶液回收段，沿折流板在延伸反應(yīng)及溶液回收段中阻隔形成的通道，樣氣與氯化亞錫鹽酸霧滴繼續(xù)發(fā)生相互作用，氯化亞錫鹽酸霧滴同時沿樣氣流程逐步凝結(jié)團聚在折流板表面并回落入鼓泡反應(yīng)段中；4)得到充分還原的樣氣與極少量的氯化亞錫鹽酸霧滴排出進入外接導(dǎo)氣管路，流經(jīng)氫氧化鈉溶液浸潰過的石英纖維濾水芯，由排氣口排出，進入元素態(tài)汞分析儀進行分析和測量。實現(xiàn)強化氧化態(tài)汞向元素態(tài)汞轉(zhuǎn)化效率的原理在于鼓泡式反應(yīng)器對樣氣進行處理，產(chǎn)生大量微米級的氣泡，極大地提高了樣氣與氯化亞錫鹽酸溶液的接觸面積；超聲波霧化技術(shù)對氯化亞錫鹽酸溶液進行處理，形成大量微米級的霧滴，進一步提高了樣氣與氯化亞錫鹽酸霧滴的接觸面積；此外，折流板的導(dǎo)流和擾動作用也能夠延長樣氣與氯化亞錫鹽酸霧滴的相互作用時間。因此氧化態(tài)汞向元素態(tài)汞的轉(zhuǎn)化效率得到極大提高。有益效果本發(fā)明提出的一種鼓泡式超聲波霧化汞價態(tài)轉(zhuǎn)化裝置具有如下的特色及優(yōu)點(I)利用鼓泡式反應(yīng)器原理，增大了樣氣與氯化亞錫鹽酸溶液的接觸面積，有利于提高氧化態(tài)汞向元素態(tài)汞的轉(zhuǎn)化效率；(2)利用超聲波霧化技術(shù)，增大了樣氣與氯化亞錫鹽酸霧滴的接觸面積，有利于提高氧化態(tài)汞向元素態(tài)汞的轉(zhuǎn)化效率；(3)折流板結(jié)構(gòu)延長了樣氣與氯化亞錫鹽酸溶液的相互作用時間，同時回收未反應(yīng)完的氯化亞錫鹽酸溶液，在有利于提高氧化態(tài)汞向元素態(tài)汞轉(zhuǎn)化效率的同時也提高氯化亞錫鹽酸溶液的利用效率；(4)將上述三者巧妙恰當?shù)芈?lián)系在一起，構(gòu)成一個實用高效的整體，在保證高效轉(zhuǎn)化汞的前提下，實現(xiàn)氯化亞錫鹽酸溶液使用量最小化和裝置能耗最小化；(5)本發(fā)明鼓泡式超聲波霧化汞價態(tài)轉(zhuǎn)化裝置既可在實驗室條件下與各類元素態(tài)汞分析儀聯(lián)合使用檢測樣氣中的元素態(tài)汞和氧化態(tài)汞；也可作為燃煤電站現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備的一個子模塊進行氧化態(tài)汞向元素態(tài)汞的轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)汞價態(tài)的全面分析和測量。本發(fā)明裝置結(jié)合了鼓泡式化學反應(yīng)器的原理和超聲波霧化技術(shù)，對含有元素態(tài)汞和氧化態(tài)汞的混合氣體進行預(yù)處理，能夠顯著提高氧化態(tài)汞向元素態(tài)汞轉(zhuǎn)化的效率，為元素態(tài)汞和氧化態(tài)汞的同步實時在線監(jiān)測提供了可行性。本發(fā)明裝置中，超聲波霧化片在霧化反應(yīng)段形成約50微米的氯化亞錫鹽酸霧滴。本發(fā)明結(jié)合了鼓泡床反應(yīng)原理與超聲波霧化技術(shù)以實現(xiàn)增加樣氣與反應(yīng)溶液的接觸面積和反應(yīng)時間，提高氧化態(tài)汞向元素態(tài)汞的轉(zhuǎn)化效率。


圖1為本發(fā)明專利鼓泡式超聲波霧化汞價態(tài)轉(zhuǎn)化裝置的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)圖。圖中有1進氣風室，2布風板，3鼓泡反應(yīng)段，4霧化反應(yīng)段，5冷卻水夾套，6延伸反應(yīng)及溶液回收段，7外接導(dǎo)氣管路，1-1進風口，2-1超聲波霧化片，3-1冷卻換熱管，5-1冷卻水進口，5-2冷卻水出口，6-1折流板，7-1石英纖維濾水芯，7-2排氣口。
具體實施例方式下面結(jié)合說明書附圖和實例具體說明本發(fā)明的技術(shù)方案。本發(fā)明的鼓泡式超聲波霧化汞價態(tài)轉(zhuǎn)化裝置，包括從下至上依次連接設(shè)置的進氣風室1、布風板2、鼓泡反應(yīng)段3、霧化反應(yīng)段4、冷卻水夾套5、延伸反應(yīng)及溶液回收段6和外接導(dǎo)氣管路7，進氣風室I 一側(cè)設(shè)置有進風口 1-1，布風板2上內(nèi)嵌超聲波霧化片2-1，鼓泡反應(yīng)段3中設(shè)置有冷卻換熱管3-1,冷卻換熱管3-1通過管路與冷卻水夾套5連接,冷卻水夾套5上設(shè)置有冷卻水進口 5-1和冷卻水出口 5-2，冷卻水夾套5內(nèi)部為兩個獨立的中空儲水腔，以隔板分開，一個儲水腔與冷卻水進口 5-1連通，底部接冷卻換熱管3-1進口管路，另一個儲水腔與冷卻水出口 5-2連通，底部接冷卻換熱管3-1出口管路，構(gòu)成冷卻水流動通路，延伸反應(yīng)及溶液回收段6中設(shè)置從下至上依次錯開布置的4飛個折流板6-1，外接導(dǎo)氣管路7中設(shè)置有浸潰氫氧化鈉溶液的石英纖維濾水芯7-1。本發(fā)明裝置中，進氣風室1、各反應(yīng)段主體、冷卻水夾套5及外接導(dǎo)氣管路7均采用不吸附汞的聚四氟乙烯材料，冷卻換熱管3-1及其與冷卻水夾套5間連接管路采用不吸附汞的高硼硅玻璃材料。本發(fā)明裝置中的布風板2采用不吸附汞的石英材料，密布孔徑范圍為f 10微米的小孔。其上密布的大量微米級小孔可以讓樣氣從進氣風室I順利進入鼓泡反應(yīng)段3，同時又可保證所盛放的氯化亞錫鹽酸溶液不致滲漏。在單獨使用或與元素態(tài)汞分析儀聯(lián)合使用本發(fā)明裝置前，需對本裝置樣氣觸及部分預(yù)先使用質(zhì)量分數(shù)10%的硝酸浸泡12 24小時，之后用去離子水潤洗干凈，以保證測量過程中對汞無吸附損失效應(yīng)。配制質(zhì)量分數(shù)10%的氯化亞錫鹽酸溶液將100克氯化亞錫溶于體積分數(shù)100毫升10%的鹽酸中，并用體積分數(shù)10%的鹽酸稀釋至1000毫升。將配制好的氯化亞錫鹽酸溶液緩慢注入裝置鼓泡反應(yīng)段3中，用量視樣氣體積流量及樣氣中預(yù)估汞濃度而定，氯化亞錫鹽酸溶液液面距離布風板距離不超過10厘米。啟動超聲波霧化片2-1，由12伏特直流電壓驅(qū)動，待霧化反應(yīng)段4充滿氯化亞錫鹽酸霧滴即可接入所需測量樣氣進行汞價態(tài)轉(zhuǎn)化并測量。混合有元素態(tài)汞和氧化態(tài)汞的樣氣由進風口 1-1進入進氣風室1，由于布風板2是密孔板，壓降較大，樣氣通過布風板2后氣體分布較為均勻。布風板2采用不吸附汞的石英材料燒結(jié)而成，孔徑f 10微米，可以使樣氣從進氣風室I進入鼓泡反應(yīng)段3。微米級的密布小孔可使樣氣在通過時產(chǎn)生大量微米級的密集氣泡，使得樣氣與氯化亞錫鹽酸溶液的接觸面積得以大幅提高，同時又可保證所盛放的氯化亞錫鹽酸溶液不致滲漏。布風板2上視具體載汞負荷嵌入一定數(shù)量的超聲波霧化片2-1，由于氯化亞錫鹽酸溶液具有較強的腐蝕性，因此超聲波霧化片2-1上表面及與布風板2連接處均涂有防腐薄層。進入鼓泡反應(yīng)段3的載汞樣氣經(jīng)布風板2產(chǎn)生大量氣泡，與布風板2上氯化亞錫鹽酸溶液充分接觸，發(fā)生還原反應(yīng)，經(jīng)初步轉(zhuǎn)化的樣氣由溶液中逸出，進入霧化反應(yīng)段4。由超聲波震蕩產(chǎn)生的大量氯化亞錫鹽酸霧滴充斥整個霧化反應(yīng)段4，霧滴直徑約50微米。樣氣進一步與氯化亞錫鹽酸霧滴充分接觸，繼續(xù)發(fā)生還原反應(yīng)，經(jīng)進一步轉(zhuǎn)化的樣氣通過冷卻水夾套5的中心孔進入延伸反應(yīng)及溶液回收段6。由于超聲波震蕩霧化會產(chǎn)生較大熱量，因此設(shè)計冷卻水系統(tǒng)用于氯化亞錫鹽酸溶液的冷卻，以保證氯化亞錫鹽酸溶液溫度維持正常反應(yīng)溫度。冷卻水系統(tǒng)由冷卻水夾套5、冷卻水進口 5-1、冷卻水出口 5-2和冷卻換熱管3-1等組成。冷卻水夾套5內(nèi)部設(shè)計為相互獨立的兩個中空儲水腔，中間以隔板分開，控制一定流量的冷卻水由冷卻水進口 5-1進入第一個儲水腔，流經(jīng)冷卻換熱管3-1進入另一個儲水腔，最后由冷卻水出口 5-2排除。冷卻水夾套5與霧化反應(yīng)段4和延伸反應(yīng)及溶液回收段6之間可采用螺紋連接或法蘭連接以保證氣密性。進入延伸反應(yīng)及溶液回收段6的樣氣與少量上升的氯化亞錫鹽酸霧滴繼續(xù)相互作用，且在折流板6-1的導(dǎo)流和擾動作用下，兩者繼續(xù)發(fā)生還原反應(yīng)，同時氯化亞錫鹽酸霧滴逐步凝結(jié)團聚在折流板6-1表面，達到一定程度后順折流板6-1回落入鼓泡反應(yīng)段3中，如此循環(huán)反復(fù)。得到充分還原的樣氣及極少量的氯化亞錫鹽酸霧滴排出，進入外接導(dǎo)氣管路7中，部分元素態(tài)汞分析儀器對所分析樣氣有含濕量的要求，因此設(shè)計外接導(dǎo)氣管路7中添加一石英纖維濾水芯7-1，可保證無汞吸附損失的條件下達到除濕的作用。石英纖維濾水芯7-1可預(yù)先用氫氧化鈉溶液浸潰，以脫除可能揮發(fā)的氯化氫氣體。最終，干燥的被完全還原的樣氣由排氣口 7-2排出，進入元素態(tài)汞分析儀進行分析和測量。每次測量使用本發(fā)明裝置后，均需及時處理殘余的氯化亞錫鹽酸溶液，并用去離子水潤洗進風口 1-1、各反應(yīng)段及外接導(dǎo)氣管路7。
權(quán)利要求
1.一種鼓泡式超聲波霧化汞價態(tài)轉(zhuǎn)化裝置，其特征在于，該裝置包括從下至上依次連接設(shè)置的進氣風室(I)、布風板(2)、鼓泡反應(yīng)段(3)、霧化反應(yīng)段(4)、冷卻水夾套(5)、延伸反應(yīng)及溶液回收段(6)和外接導(dǎo)氣管路(7)，所述進氣風室(I)一側(cè)設(shè)置有進風口(1-1)，所述布風板(2 )上內(nèi)嵌超聲波霧化片(2-1)，所述鼓泡反應(yīng)段(3 )中設(shè)置有冷卻換熱管(3-1)，所述冷卻換熱管(3-1)通過管路與冷卻水夾套(5 )連接,所述冷卻水夾套(5 )上設(shè)置有冷卻水進口(5-1)和冷卻水出口(5-2)，所述延伸反應(yīng)及溶液回收段(6)中設(shè)置從下至上依次錯開布置的4~6個折流板(6-1)，所述外接導(dǎo)氣管路(7)中設(shè)置有浸潰氫氧化鈉溶液的石英纖維濾水芯(7-1)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鼓泡式超聲波霧化汞價態(tài)轉(zhuǎn)化裝置，其特征在于，所述進氣風室(I)、各反應(yīng)段主體、冷卻水夾套(5)及外接導(dǎo)氣管路(7)均采用不吸附汞的聚四氟乙烯材料，所述冷卻換熱管(3-1)及其與冷卻水夾套(5)間的連接管路采用不吸附汞的高硼硅玻璃材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鼓泡式超聲波霧化汞價態(tài)轉(zhuǎn)化裝置，其特征在于:所述的布風板(2)采用不吸附汞的石英材料，密布孔徑范圍為1~ 10微米的小孔。
4.一種利用權(quán)利要求1所述鼓泡式超聲波霧化汞價態(tài)轉(zhuǎn)化裝置進行汞價態(tài)轉(zhuǎn)化的方法，其特征在于，該方法包括如下步驟: 1)將混合有元素態(tài)汞和氧化態(tài)汞的樣氣由進風口(1-1)通入進氣風室(1 )，經(jīng)布風板(2)后均勻進入鼓泡反應(yīng)段(3)與氯化亞錫鹽酸溶液發(fā)生反應(yīng)； 2)由超聲波霧化片(2-1)震蕩產(chǎn)生的大量氯化亞錫鹽酸霧滴充斥整個霧化反應(yīng)段(4)，樣氣進一步與氯化亞錫鹽酸霧滴充分接觸，發(fā)生還原反應(yīng)； 3)樣氣經(jīng)過這兩步反應(yīng)之后通過冷卻水夾套(5)的中心孔進入延伸反應(yīng)及溶液回收段(6)，沿折流板(6-1)在延伸反應(yīng)及溶液回收段(6)中阻隔形成的通道，樣氣與氯化亞錫鹽酸霧滴繼續(xù)發(fā)生相互作用，氯化亞錫鹽酸霧滴同時沿樣氣流程逐步凝結(jié)團聚在折流板(6-1)表面并回落入鼓泡反應(yīng)段(3)中； 4)得到充分還原的樣氣與極少量的氯化亞錫鹽酸霧滴排出進入外接導(dǎo)氣管路(7)，流經(jīng)氫氧化鈉溶液浸潰過的石英纖維濾水芯(7-1)，由排氣口(7-2)排出，進入元素態(tài)汞分析儀進行分析和測量。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種鼓泡式超聲波霧化汞價態(tài)轉(zhuǎn)化裝置和轉(zhuǎn)化方法，將燃煤煙氣中不易測量的氧化態(tài)汞高效轉(zhuǎn)化為容易測量的元素態(tài)汞。本發(fā)明裝置利用鼓泡式反應(yīng)器對現(xiàn)場抽取的煙氣進行處理，產(chǎn)生大量微米級尺度的氣泡；同時利用超聲波霧化技術(shù)對氯化亞錫鹽酸溶液進行處理，形成大量微米級尺度的霧滴。兩者結(jié)合能夠極大地提高樣氣與氯化亞錫鹽酸溶液的接觸面積。同時，設(shè)置折流板以延長樣氣與氯化亞錫鹽酸溶液的相互作用時間。本發(fā)明能夠最大限度地提高氯化亞錫濕化學方法將氧化態(tài)汞轉(zhuǎn)化為元素態(tài)汞的效率，實現(xiàn)實驗室和實際煙氣條件下在線連續(xù)轉(zhuǎn)化氧化態(tài)汞成為還原態(tài)汞的操作，實施在線模式下對汞形態(tài)的實時、全面和準確的測量。
文檔編號G01N1/28GK103076215SQ201210584530
公開日2013年5月1日 申請日期2012年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月28日
發(fā)明者朱純, 段鈺鋒, 冒詠秋, 王軍龍, 周強 申請人:東南大學