生物法煙氣脫硝技術(shù)在集中供熱鍋爐中的應(yīng)用

陳玉佳

(晉能控股煤業(yè)集團(tuán)云崗礦環(huán)保科污水處理廠，山西 大同 037003)

0 引言

集中供熱是我國北方居民冬季所采用的主要供暖方式，其以蒸汽或者熱水作為傳統(tǒng)載體將熱能供給終端用戶。由于集中供暖具有高效率、低燃料成本以及占地面積少等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用。通過大數(shù)據(jù)分析，由于冬季集中供暖，我國北方城鎮(zhèn)的冬季空氣污染嚴(yán)重，主要表現(xiàn)為PM2.5超標(biāo)，而氮氧化物是集中供熱鍋爐所排放的主要污染物[1]。因此，為解決集中供熱對(duì)空氣造成的污染，相關(guān)部門應(yīng)對(duì)集中供熱鍋爐所排放的煙氣進(jìn)行脫硝處理。本文重點(diǎn)基于生物法對(duì)集中供熱鍋爐煙氣中的硝元素進(jìn)行脫除處理。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

目前，基于生物法對(duì)集中供熱鍋爐煙氣進(jìn)行脫硝處理還處于實(shí)驗(yàn)室階段，其關(guān)鍵需要突破的難題在于如何提高生物滴濾塔的生化去除量[2]。本文將通過實(shí)驗(yàn)的方式對(duì)基于生物法脫硝的最佳生物填料進(jìn)行篩選，并通過對(duì)不同操作參數(shù)對(duì)煙氣脫硝效率的影響進(jìn)行對(duì)比，從而對(duì)相關(guān)工藝進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

根據(jù)上述的實(shí)驗(yàn)需求，需要準(zhǔn)備煙氣分析儀、紫外分光光度計(jì)、轉(zhuǎn)子流量計(jì)、酸度計(jì)、顯微鏡、電子天平、蒸餾水制備器、壓力蒸汽滅菌鍋、馬弗爐等儀器，需要準(zhǔn)備硫酸、氯化鉀、草酸銨、無水乙醇、氫氧化鈉、結(jié)晶紫等化學(xué)試劑[3]。本實(shí)驗(yàn)需要在實(shí)驗(yàn)室條件下模擬集中供熱鍋爐的煙氣的氮氧化物，實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示。

圖1 生物滴濾塔模擬集中供熱鍋爐氮氧化物流程圖

如圖1所示，本次實(shí)驗(yàn)裝置主要包括有集中供熱鍋爐煙氣中的氮氧化物發(fā)生器、處理煙氣中氮氧化物的滴濾塔以及循環(huán)噴淋裝置[4]。其中，實(shí)驗(yàn)室中的氮氧化物通過亞硫酸鈉和硫酸亞鐵與填料柱發(fā)生反應(yīng)，模擬集中供熱鍋爐煙氣中的氮氧化物。生物滴濾塔是整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置的核心部分。為了便于掌握反應(yīng)過程，筆者通過玻璃材質(zhì)的殼體對(duì)反應(yīng)過程中的填料的狀態(tài)以及生物膜的生長情況進(jìn)行觀察，生物滴濾塔的具體主要參數(shù)如表1所示。

表1 生物滴濾塔主要參數(shù)

循環(huán)噴淋系統(tǒng)主要由循環(huán)槽和高位槽組成，該裝置的主要作用是保證滴濾塔中填料層的濕潤。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

根據(jù)本實(shí)驗(yàn)的目的，研究人員需要對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行測定。其中，需要基于電化學(xué)法和煙氣分析儀對(duì)氣相的一氧化氮和二氧化氮的濃度進(jìn)行檢測；基于紫外分光光度法和紫外分光光度計(jì)對(duì)硝酸根粒子的濃度進(jìn)行檢測；基于α-萘胺光度法和紫外分光光度計(jì)對(duì)亞硝酸根粒子的濃度進(jìn)行檢測；基于電化學(xué)法和pH計(jì)對(duì)循環(huán)液中的pH值進(jìn)行檢測[5]。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

填料作為基于生物法脫硝工藝中的滴濾塔的關(guān)鍵，其主要為微生物的生長提供一個(gè)相對(duì)適宜的環(huán)境。一般而言，填料可以分為人工填料和天然填料兩種類型[6]。本節(jié)重點(diǎn)對(duì)生物陶粒、活性生物填料、柱狀活性炭和輕質(zhì)陶粒四種填料進(jìn)行優(yōu)選，其對(duì)應(yīng)的物理參數(shù)如表2所示。

表2 不同填料的物理參數(shù)對(duì)比

2.1 填料對(duì)脫硝效率的影響

以上述四種填料在掛膜期間內(nèi)的脫硝效率為主要考察對(duì)象，通過實(shí)驗(yàn)得出上述四種填料脫硝效率隨掛膜時(shí)間的變化情況對(duì)比如圖2所示。

圖2 不同填料對(duì)應(yīng)脫硝效率隨掛膜時(shí)間的變化對(duì)比

如圖2所示，對(duì)于輕質(zhì)陶粒填料，當(dāng)掛膜時(shí)間為2 d時(shí)，對(duì)應(yīng)的脫硝效率非常低，僅為10%；當(dāng)掛膜時(shí)間超過17 d后，脫硝效率逐漸趨于穩(wěn)定并保持在75%左右；當(dāng)掛膜時(shí)間為30 d時(shí)，脫硝效率為80%。對(duì)于柱狀活性炭填料而言，當(dāng)掛膜時(shí)間為2 d時(shí)對(duì)應(yīng)的脫硝效率較高，為40%；當(dāng)掛膜時(shí)間超過17 d后，脫硝效率逐漸趨于穩(wěn)定并保持在78%左右。對(duì)于塑料活性填料和生物陶粒而言，當(dāng)掛膜時(shí)間為3 d時(shí)，對(duì)應(yīng)的脫硝效率非常低，僅為12%；當(dāng)掛膜時(shí)間為24 d后，生物陶粒的脫硝效率逐漸趨于穩(wěn)定并保持在70%；當(dāng)掛膜時(shí)間為26 d時(shí)，塑料生物填料的脫硝效率逐漸趨于穩(wěn)定并保持在73%左右。

因此，綜合對(duì)比不同填料對(duì)應(yīng)的脫硝效率和穩(wěn)定性，最終確定選用輕質(zhì)陶粒。

2.2 填料對(duì)掛膜前后壓降的影響

以不同填料對(duì)應(yīng)的掛膜前后的壓降為主要考察對(duì)象，通過實(shí)驗(yàn)得出上述四種填料掛膜前后壓降隨掛膜時(shí)間的變化情況對(duì)比如圖3所示。

圖3 不同填料對(duì)應(yīng)掛膜前后壓降對(duì)比

如圖3所示，采用柱狀活性炭為填料時(shí)，對(duì)應(yīng)進(jìn)出口壓降最高，其余三類填料對(duì)應(yīng)的壓降處于同一水平，而且以活性生物填料對(duì)應(yīng)的進(jìn)出口壓降最小。導(dǎo)致上述現(xiàn)象的主要原因在于不同填料對(duì)應(yīng)的孔隙率不同。當(dāng)填料的孔隙率越大，其內(nèi)部可為微生物提供附著的面積越大，對(duì)應(yīng)的壓降越小。因此，綜合對(duì)比其余三種填料的孔隙率和比表面積得出，輕質(zhì)陶粒和活性生物填料的參數(shù)相似。因此，以掛膜前后壓降為主要考察基準(zhǔn)，可選用活性生物填料和輕質(zhì)陶粒。

同理，筆者通過實(shí)驗(yàn)分析了不同填料對(duì)滴濾塔微生物數(shù)目變化、掛膜前后壓降變化以及脫硝性能等綜合因素對(duì)比，得出如下結(jié)論：輕質(zhì)陶粒對(duì)應(yīng)的滴濾塔的脫硝效率最好、掛膜前后的壓降最小、性價(jià)比最高。因此，最終選用輕質(zhì)陶粒為滴濾塔的填料。

3 結(jié)語

集中供暖為我國北方冬季取暖的主要形式，在滿足人們生活、生產(chǎn)需求的同時(shí)，集中供暖系統(tǒng)所排放的煙氣中含有氮氧化物對(duì)空氣造成了嚴(yán)重的污染，尤其是PM2.5的指標(biāo)非常高[7]。本文采用生物法對(duì)集中供暖中煙氣的氮氧化物進(jìn)行處理，重點(diǎn)通過實(shí)驗(yàn)的方式確定了滴濾塔中生物填料的選型，總結(jié)如下。

輕質(zhì)陶粒填料當(dāng)掛膜時(shí)間30 d時(shí)，脫硝效率為80%；柱狀活性炭填料當(dāng)掛膜時(shí)間超過17 d后，脫硝效率逐漸趨于穩(wěn)定并保持在78%左右；當(dāng)掛膜時(shí)間為24 d時(shí)，生物陶粒的脫硝效率逐漸趨于穩(wěn)定并保持在70%；當(dāng)掛膜時(shí)間為26 d時(shí)，塑料生物填料的脫硝效率逐漸趨于穩(wěn)定并保持在73%左右。

填料的孔隙率和比表面積是影響進(jìn)出口壓降的主要指標(biāo)。輕質(zhì)陶粒和活性生物填料的參數(shù)相似，對(duì)應(yīng)的進(jìn)出口壓降處于同一水平。

綜合對(duì)比不同填料對(duì)滴濾塔微生物數(shù)目變化、掛膜前后壓降變化以及脫硝性能的影響，最終確定最佳滴濾塔的填料為輕質(zhì)陶瓷。