尿素濕法添加高錳酸鉀聯(lián)合脫硫脫硝

王 偉

（中北大學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院，山西 太原 030051）

我國(guó)能源消費(fèi)以煤為主，煤炭已成為我國(guó)環(huán)境污染的主要污染源，對(duì)其燃燒產(chǎn)生的以SOx和NOx為主的污染物排放進(jìn)行控制已刻不容緩。其中，SOx中的SO2和SO3、NOx中的NO和NO2是污染大氣的主要成分，能引起人體中毒、植物損害、酸雨酸霧等，并與碳?xì)浠衔镄纬晒饣瘜W(xué)煙霧，造成臭氧層的破壞［1］。此外，汽車消費(fèi)量的快速增加，燃油消耗年平均增長(zhǎng)達(dá)6%，大城市空氣的NOx、SO2及相關(guān)污染物濃度升高［2］。近年來(lái)，暴露于未達(dá)標(biāo)空氣質(zhì)量的城市人口占統(tǒng)計(jì)城市人口的近三分之二。北京、沈陽(yáng)等大城市曾被列入世界十大污染城市，中國(guó)城市空氣污染已明顯引起公共健康效應(yīng)和經(jīng)濟(jì)損失［3］。

由于濕法FGD工藝（煙氣脫硫）在當(dāng)前市場(chǎng)上占據(jù)了主要地位，所以在原有濕法脫硫系統(tǒng)上采用促進(jìn)NOx吸收的化學(xué)添加劑對(duì)我國(guó)煙氣聯(lián)合脫硫脫硝的控制戰(zhàn)略有重要影響。尿素法同時(shí)脫硫脫硝技術(shù)目前仍處在探索階段，國(guó)內(nèi)外研究很少。但有文獻(xiàn)報(bào)道，該法對(duì)煙氣中SO2和NOx的脫除效率較高?，F(xiàn)有的尿素法有CaCO3／尿素法、尿素／添加劑法。該法的反應(yīng)產(chǎn)物為N2、CO2、硫酸銨，無(wú)二次污染的產(chǎn)生。本文將對(duì)尿素添加高錳酸鉀聯(lián)合脫硫脫硝進(jìn)行深入的研究，明確其機(jī)理、影響因素、適宜的操作條件以及合適的比例，為該法的真正工業(yè)化打下堅(jiān)實(shí)的理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)采用自行設(shè)計(jì)的1套以噴淋塔為核心的脫硫脫硝一體化實(shí)驗(yàn)裝置，如第40頁(yè)圖1所示。實(shí)驗(yàn)裝置主要包括3大部分，分別為煙氣模擬系統(tǒng)（模擬煙氣由SO2液化氣、NO壓縮氣、N2及壓縮空氣按比例配制）、反應(yīng)系統(tǒng)及煙氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（實(shí)現(xiàn)SO2、NO在線即時(shí)監(jiān)測(cè)）。噴淋塔塔體高1.6m，內(nèi)徑0.28m，安裝有2層錐形噴嘴，產(chǎn)生均勻分布的霧滴，覆蓋整個(gè)塔截面［4］。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

配制10L尿素／高錳酸鉀復(fù)合吸收液于儲(chǔ)液槽內(nèi)，調(diào)節(jié)吸收液循環(huán)流量至實(shí)驗(yàn)所需流量后，由循環(huán)泵提升并經(jīng)2層噴嘴霧化，在噴淋塔內(nèi)與逆流煙氣接觸，將其洗滌［5］并充分氧化吸收，反應(yīng)后的吸收液回落至儲(chǔ)液槽內(nèi)，循環(huán)吸收。在線監(jiān)測(cè)反應(yīng)過(guò)程中SO2、NO濃度值，并按第40頁(yè)式（1）、（2）計(jì)算SO2、NO去除率η。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

此外，儲(chǔ)液槽內(nèi)尿素與高錳酸鉀濃度恒定，吸收液初始pH值由硫酸及氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)，反應(yīng)溫度通過(guò)加熱裝置（TN99溫控器）加熱吸收液調(diào)節(jié)。

2 結(jié)果與討論

經(jīng)綜合考慮，實(shí)驗(yàn)選用SO2初始質(zhì)量濃度為2 850mg／m3，NO初始質(zhì)量濃度為670mg／m3。大量文獻(xiàn)表明，當(dāng)尿素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)，脫硫脫硝效率最高，故本實(shí)驗(yàn)采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的尿素。

2.1 吸收液初始濃度對(duì)脫硫脫硝效率的影響（見(jiàn)圖2）

圖2 吸收液質(zhì)量濃度對(duì)脫硫脫硝效率的影響

由圖2中可觀察到，最終總脫硝率分別為63.1%、68.5%、69.6%、78.9%、83.0%；脫硫效率為74.7%、79.1%、82.3%、85.2%、90.2%。高錳酸鉀的加入，使得脫硫脫硝效率有了明顯的提高。這說(shuō)明，高錳酸鉀的濃度對(duì)脫硝率影響很大。發(fā)生這種現(xiàn)象的主要原因是，NOx和SO2的氧化是脫硫脫硝的關(guān)鍵因素，而高錳酸鉀有利于NOx和SO2氧化的提高，從而加大溶液中氮氧化物和硫氧化物的吸收。當(dāng)高錳酸鉀質(zhì)量濃度增大至2.0g／L時(shí)，脫硝率和脫硫率均可達(dá)到95%以上。但是，高錳酸鉀過(guò)多，易造成過(guò)重的色度污染和浪費(fèi)，也不利于儀器清洗。綜合考慮，選擇高錳酸鉀質(zhì)量濃度為0.2g／L。

2.2 溫度對(duì)脫硫脫硝效率的影響（見(jiàn)圖3）

圖3 溫度對(duì)脫硫脫硝效率的影響

由圖3可觀察到，最終總脫硝率分別為50.3%、55.8%、60.2%、80.6%、86.5%、92.1%、90.4%、87.3%，脫 硫 效 率 為 55.8%、63.7%、77.5%、83.6%、88.9%、93.2%、94.4%、89.3%。當(dāng)反應(yīng)溫度不超過(guò)70℃時(shí)，脫硝率隨著反應(yīng)溫度的增加而上升。這主要是因?yàn)?，溫度升高，反?yīng)速率常數(shù)加大，NOx的氧化反應(yīng)加快。同時(shí)，由圖3可以看出，當(dāng)溫度超過(guò)70℃后，脫硝率會(huì)有所下降。

發(fā)生這種現(xiàn)象主要是因?yàn)?，溫度升高，NO等在水中的溶解度會(huì)下降，導(dǎo)致NO液相氧化速度減慢。另外，溫度過(guò)高會(huì)使尿素的水解反應(yīng)速度加快，尿素水解生成NH3。由圖3可以看出，隨著溫度的升高，脫硫效率漸漸升高，當(dāng)反應(yīng)溫度超過(guò)80℃時(shí)，脫硫效率有所下降，其原因與氮氧化物的變化趨勢(shì)是相同的。該研究結(jié)果與岑超平等的研究結(jié)果相吻合。綜合考慮，實(shí)際適宜的脫氮溫度定為60℃～70℃。

2.3 吸收液初始pH值對(duì)脫硫脫硝效率的影響

第41頁(yè)圖4為吸收液初始pH值對(duì)脫硫脫硝效率的影響曲線。由圖4可以看出，脫硫效率為83.5%、88.9%、90.2%、93.5%、92.2%、85.1%，脫硝效率為53.7%、62.1%、73.9%、82.7%、72.9%、63.2%。根據(jù)數(shù)據(jù)可知，pH值的變化對(duì)脫硫效率影響不是很大，脫硫效率為85%～95%，只有少量的變化，但是脫硝的效率變化比較大。從圖4可以看出，當(dāng)吸收液的pH＜7的時(shí)候，隨著pH值的升高，脫硝效率漸漸增大；當(dāng)pH值超過(guò)7的時(shí)候，隨著溫度的升高，脫硝效率在下降。

圖4 吸收液初始pH值對(duì)脫硫脫硝效率的影響

發(fā)生這種現(xiàn)象主要是因?yàn)?，在尿素濕法中，酸性條件下，亞硝酸易分解成NO，而且也不利于NO的氧化；尿素在過(guò)酸或過(guò)堿溶液中易發(fā)生水解，同時(shí)會(huì)對(duì)設(shè)備造成腐蝕。但針對(duì)高錳酸鉀而言，其氧化能力隨著酸性的增強(qiáng)而增強(qiáng)，在中性或堿性條件下，氧化能力較弱。至于在尿素／高錳酸鉀溶液中，何種因素在起關(guān)鍵作用，有待進(jìn)行進(jìn)一步的研究。綜合經(jīng)濟(jì)成本等各種因素，實(shí)驗(yàn)條件下選擇最佳的pH值為7。

3 結(jié)論

本文通過(guò)一系列的理論和實(shí)驗(yàn)分析，得到以下的結(jié)論：

1）在恒定的溫度、壓力和pH值下，當(dāng)尿素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一定時(shí)，最適宜的高錳酸鉀添加量為0.2g／L。

2）在恒定的壓力、pH值和高錳酸鉀添加量下，當(dāng)尿素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一定時(shí)，最適宜的溫度為70℃。

3）在恒定的溫度、壓力和高錳酸鉀添加量下，當(dāng)尿素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一定時(shí)，最適宜的pH值為7。

［1］ 畢列鋒，李旭東.微生物法凈化含 NOx廢氣［J］.環(huán)境工程，1998，16（3）：37－39.

［2］ 國(guó)家統(tǒng)計(jì)局.中國(guó)能源統(tǒng)計(jì)年鑒（1991－1996）［M］.北京：中國(guó)統(tǒng)計(jì)局出版社，1997：25－26.

［3］ 張繼娟，魏世強(qiáng).我國(guó)城市大氣污染現(xiàn)狀與特點(diǎn)［J］.四川環(huán)境，2006，25（3）：104－105.

［4］ 趙靜，嚴(yán)金英，邱婧偉，等.NaClO2／NaClO復(fù)合吸收液同時(shí)脫硫脫硝［J］.環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2012，6（10）：3685.

［5］ 何萍.噴淋塔和鼓泡塔式濕法脫硫的工藝比較［J］.江西電力，2004，30（5）：1－3.