臭氧氧化結合堿液吸收法煙氣脫硝的工藝研究

李 君 ，盛重義 ，楊 柳 ， 鄧勁松

(1.浙江大學環(huán)境與資源學院，浙江 杭州 310058；2.俄克拉荷馬大學土木工程與環(huán)境科學學院，美國 俄克拉何馬州 諾曼 73019；3.南京師范大學環(huán)境科學與工程系，江蘇 南京 210046)

0 引言

低溫氣相氧化—吸收技術是利用氣相氧化劑將煙氣NOx中溶解度較小的NO氧化成NO2、N2O5等，然后再用堿性、氧化性或者還原性的吸收液將其吸收。各種低溫氣相氧化—吸收脫硝技術的區(qū)別在于氣相氧化方法的不同。氧化方法主要包括：氣相化學氧化[1]、氣相光催化氧化[2]、氣相熱催化氧化[3]以及氣相超聲波氧化[4]。與SCR技術相比，氣相氧化—吸收脫硝技術的投資、運行成本較低，吸收液可以回收資源化利用，脫硝效率較高，適合各種規(guī)模的鍋爐。

氣相化學氧化法是直接向煙氣中注入強氧化劑將NO氧化，常見的氧化劑有O3、Cl2、ClO2和H2O2。

20世紀90年代，中佛羅里達大學[5-6]進行了一系列關于H2O2氧化NO的實驗室研究，并完成中試。Haywood和Cooper[6]對氣相化學氧化脫除燃煤煙氣中NOx的經(jīng)濟性進行了研究，認為對于已經(jīng)建有SO2吸收裝置的電廠，該技術比SCR技術更經(jīng)濟。

近年來，O3因其如下的優(yōu)點而受到廣泛關注[7-11]：(1)適應的溫度范圍廣；(2)對NO的選擇性好，利用率高；(3)來源方便，易于原位生成；(4)容易分解，不易引起二次污染。

本文利用臭氧將煙氣中溶解度較小的NO氧化成NO2，再結合吸收脫除臭氧氧化產(chǎn)物。通過本研究，旨在確定O3與NOx反應的最佳摩爾比，考察進口NO濃度、煙氣中SO2濃度及相對濕度等條件對O3氧化NO的影響，并探明不同的吸收液脫除臭氧氧化產(chǎn)物的特性。

1 試驗設備與方法

1.1 試驗設備

本研究采用的試驗裝置如圖1所示。

圖1 試驗系統(tǒng)示意

試驗中，模擬煙氣由N2、O2、NO、SO2混合而成，N2、O2的氣源純度為99.99%，NO、SO2氣源濃度為20000μL/L。4路氣體經(jīng)過減壓閥后，再由流量計調節(jié)至合適的配比，然后于緩沖罐中充分混合。臭氧發(fā)生器采用空氣作為氣源，生成的臭氧噴入氧化反應器與模擬煙氣反應，后進入填料塔吸收。圓柱型的氧化反應器內(nèi)徑4cm，長10cm。填料塔內(nèi)徑8cm，填料層高60cm，填料是直徑1cm的鮑爾環(huán)。氣體流量5L/min，反應停留時間1.5s，NO濃度100～1000μL/L，SO2濃度0～1000μL/L，相對濕度20%～90%。分別采用水、尿素溶液、氫氧化鈣溶液和氫氧化鈉溶液吸收氧化后的模擬煙氣，液體流量為16～80L/h。

1.2 試驗方法

試驗過程中，分別采用Thermo公司產(chǎn)的42i-HL型高濃度NO-NO2-NOx分析儀測量NOx濃度；北京山美水美環(huán)保高科技有限公司產(chǎn)的CPR-G6型臭氧檢測儀測量O3濃度；Testo公司產(chǎn)的605-H1型濕度計測量相對濕度。NO的氧化效率可以按下式進行計算：

ηconversion=[(NOin-NOout)/NOin]×100%

(1)

NOx的去除效率由以下公式計算：

ηremoval=[(NOxin-NOxout)/NOxin]×100%

(2)

式中：NOin、NOout分別代表氧化反應器進、出口NO的濃度；NOxin、NOxout分別代表填料塔進、出口NOx的濃度，ηconversion、ηremoval分別代表NOR的氧化效率和NOx的去除效率。

2 結果與討論

2.1 NO的氧化

試驗中采用直接注入臭氧法將NO氧化。注入臭氧后，氧化反應器中NO氧化成NO2的主要反應可以表示成：

NO+O3→NO2+O2

(3)

除了上述反應之外，在O3氧化NO的過層中，還存在許多的反應，詳見表1。

表1 O3-NOx體系的主要反應

反應式 反應速率常數(shù)(L/mol·s)NO+O3→NO2+O2k1=2.59×109exp(-3.176/RT)NO2+O3→NO3+O2k2=8.43×107exp(-4.908/RT)NO2+NO3→N2O5k3=3.86×108T0.2NO2+NO3→NO+NO2+O2k4=3.25×107exp(-2.957/RT)N2O5→NO2+NO3k5=1.21×1017exp(-25.41/RT)NO+NO3→2NO2k6=1.08×1010exp(0.219/RT)NO+O→NO2k7=3.27×109T0.3NO2+O→NO+O2k8=3.92×109exp(0.238/RT)O3→O2+Ok9=4.31×1011exp(-22.201/RT)O+O3→2O2k10=4.82×109exp(-4.094/RT)O+2O2→O3+O2k11=1.15×1011T1.2O+O→O2k12=1.89×107exp(1.788/RT)

圖2顯示了O3的注入量與出口NO、NO2濃度之間的關系，圖中直線是根據(jù)理論計算得出的濃度。反應條件：進口NO濃度300μL/L，無SO2，氧氣濃度5%，氣體流量5L/min，停留時間1.5s，相對濕度20%，反應溫度30℃。

圖2 出口NO、NO2濃度與O3注入量之間的關系

從圖2可以看出，隨著臭氧注入量的增加，出口NO濃度呈線性下降，迅速轉變成NO2。當注入臭氧濃度大于進口NO的濃度(300μL/L)時，反應器出口無NO，且此時NO2的生成量減少，主要原因是NO2轉化成更高價的氮氧化物。

從圖2中可以看出，試驗實測數(shù)據(jù)與理論計算的數(shù)據(jù)相關性較好，O3與NO反應的最佳摩爾比為1.02∶1。當注入O3與NO的摩爾比小于1.02時，反應主產(chǎn)物為NO2，基本無NO3、N2O5等高價氮氧化物生成；當注入O3與NO的摩爾比大于1.02時，過量的O3將與NO2反應生成N2O5。因此，在實際應用中，應該嚴格控制O3的注入量，避免生成高價態(tài)的氮氧化物。

2.2 NO進口濃度的影響

圖3顯示了進口NO濃度的變化對NO氧化效率的影響。反應條件：O3濃度150μL/L，無SO2，氧氣濃度5%，氣體流量5L/min，停留時間1.5s，相對濕度20%，反應溫度30℃。

圖3 進口NO濃度變化對氧化轉化率的影響

從圖3可以看出，當注入臭氧濃度一定時，NO的轉化率隨著其濃度的升高而下降。由于O3與NO的反應按照1.02∶1進行，一定量的O3氧化NO量固定不變，從而導致了轉化效率隨著NO濃度的升高而下降。

2.3 SO2的影響

燃煤煙氣中的SO2是除NOx外的另一種主要污染物，即使在脫硫之后的煙氣中也會含有少量SO2存在，因此SO2對O3氧化NO的影響是決定該工藝可行性的關鍵因素之一。

圖4顯示了煙氣中SO2濃度對NO氧化轉化率的影響。反應條件：NO濃度為300μL/L，O3濃度為200μL/L，氧氣濃度5%，氣體流量5L/min，停留時間1.5s，相對濕度20%，反應溫度30℃。

從圖4可以看出，SO2濃度在0～1000μL/L范圍內(nèi)，隨著濃度的增加，NO的轉化率略微上升。由此可見，當煙氣中存在SO2和NO時，O3優(yōu)先與NO反應，而不會將SO2氧化。

圖4 煙氣中SO2對NO氧化的影響

2.4 相對濕度的影響

煙氣相對濕度對O3氧化NO的影響試驗結果如圖5所示。反應條件：NO濃度300μL/L，O3濃度200μL/L，無SO2，氧氣濃度5%，氣體流量5L/min，停留時間1.5s，反應溫度30℃。

從圖5可以看出，相對濕度在20%～90%范圍內(nèi)，隨著相對濕度的增大，NO的轉化率略微下降。由此可見，煙氣中相對濕度對O3氧化NO的反應影響較小。

圖5 相對濕度對NO氧化的影響

2.5 NOx的脫除

表2反映了氧化反應器出口NO和NO2在NaOH溶液中的吸收特性。反應條件：進口NO濃度300μL/L，氧氣濃度5%，氣體流量5L/min，停留時間1.5s，相對濕度20%，反應溫度30℃，NaOH溶液濃度0.5M。

從表2可知，NO在NaOH溶液中的去除效率較低，NO2去除率較高。當液體流量大于24L/h時，NO2的去除率大于90%。

表2反應器出口NOx在NaOH溶液中的吸收特性

液體流量/L·h-1氧化反應器后NOx/μL·L-1吸收塔后NOx/μL·L-1NOx吸收率/%NONO2NONO2NONO2NOx1680215302662.587.981.12471219262463.389.083.04064220222265.690.084.65668222192272.190.185.76475213192174.790.286.28070223181974.391.087.2

圖6顯示了不同的吸收液脫除NOx的效果。反應條件：進口NO濃度300μL/L，O3濃度200μL/L，無SO2，氧氣濃度5%，氣體流量5L/min，停留時間1.5s，相對濕度20%，反應溫度30℃。

從圖6可以看出，堿液比尿素溶液和純水具有更好的NOx脫除性能，隨著液氣比的增大，NOx的脫除率隨之增加。

圖6 不同溶液脫除氧化后的NOx

3 結語

(1)臭氧能有效地將煙氣中難溶于水的NO氧化成NO2，O3與NO反應的摩爾比為1.02∶1。當注入臭氧的量大于1.02時，NO將被氧化成價態(tài)較高的NO3、N2O5等，因此，在實際使用中應避免投加過量的O3。

(2)NO的氧化效率隨著反應器進口NO濃度的增加而降低，煙氣中的SO2、相對濕度對O3氧化NO的影響較小。

(3)NaOH溶液能較好的脫除煙氣中的NO2，但是對NO的吸收量較小。當液體流量大于24L/h時，NO2的去除效率大于90%，NOx總的脫除效率大于83%。

(4)與純水、尿素溶液相比，堿液能更好的脫除氧化后的NOx。Ca(OH)2溶液脫除NOx的效果與NaOH溶液相差不大，因此，利用Ca(OH)2溶液來脫除氧化后的NOx具有更廣闊的市場應用前景。

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