臭氧同時脫硫脫硝技術(shù)
日期：2015/6/11 / 人氣： / 來源：派尼爾環(huán)保
摘要:對利用臭氧同時脫硫脫硝技術(shù)進行了綜述，分析了臭氧對NOx的脫除機理。臭氧同時脫硫脫硝技術(shù)具有明顯的一體化脫除特性，但臭氧的發(fā)生費用卻制約了它的應(yīng)用。介紹了目前國外在工程上應(yīng)用的低溫氧化技術(shù)（LoTOx），分析了其脫除效果及優(yōu)缺點。 關(guān)鍵詞:臭氧,同時脫硫脫硝,低溫氧化技術(shù) 派尼爾環(huán)保 派尼爾臭氧,臭氧發(fā)生器,臭氧脫硫,臭氧脫銷,泳池臭氧,臭氧消毒.
煤炭作為主要能源物，其燃燒過程排放的SO2、NOx等污染物的總量很大，會造成嚴(yán)重的大氣污染，危害人類健康。對SO2的控制，目前較為成 熟的技術(shù)是石灰石—石膏法，脫除效率可達95%以上。此外還有爐內(nèi)噴鈣脫硫、電子束法脫硫等技術(shù)。對NOx的控制分為兩類，一類是控制燃煤過程中NOx的生成，主要有低氧燃燒法、兩段燃燒法和煙氣再循環(huán)法等。另一類是通過物理化學(xué)方法進行脫除，主要有催化、吸收、吸附、放電等。其中廣泛應(yīng)用的是選擇性催化還原法（SCR），脫除效率達90%以上。隨著國家對火電廠污染物排放的要求越來越嚴(yán)格，同時脫硫脫硝已成為煙氣污染物控制技術(shù)的發(fā)展趨勢。目前國內(nèi)外廣泛使用的是濕式煙氣脫硫和NH3選擇催化還原技術(shù)脫硝的組合。該技術(shù)的脫硫脫硝效率雖然高，但是投資和運行成本昂貴。其他的脫硫脫硝技術(shù)還包括等離子體法、催化法、吸附法等，但只有少數(shù)進入生產(chǎn)應(yīng)用。 煙氣中NOx的主要組成是NO（占95%），NO難溶于水，而高價態(tài)的NO2、N2O5等可溶于水生成HNO2和HNO3，溶解能力大大提高，從而可與后期的SO2同時吸收，達到同時脫硫脫硝的目的。臭氧作為一種清潔的強氧化劑，可以快速有效地將NO氧化到高價態(tài)。電子束法和脈沖電暈法雖然能夠產(chǎn)生強氧化劑物質(zhì)，如·OH、·HO2等，但工作環(huán)境惡劣，自由基存活時間非常短，能耗較高。O3的生存周期相對較長，將少量氧氣或空氣電離后產(chǎn)生O3，然后送入煙氣中，可顯著降低能耗。目前利用臭氧進行脫硫脫硝在國外已有工程應(yīng)用實例，在我國還處于探索階段。
1臭氧脫硝機理 臭氧的氧化能力極強，從下表可知，臭氧的氧化還原電位僅次于氟，比過氧化氫、高錳酸鉀等都高。此外，臭氧的反應(yīng)產(chǎn)物是氧氣，所以它是一種高效清潔的強氧化劑。
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臭氧 |
過氧化氫 |
高錳酸鉀 |
二氧化氯 |
氯 |
氧 |
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分子式 |
F2 |
O3 |
H2O2 |
KMnO4 |
CLO2 |
CL2 |
O2 |
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標(biāo)準(zhǔn)電極電位 |
2.87 |
2.07 |
1.78 |
1.67 |
1.50 |
1.36 |
1.23 |
臭氧脫硝的原理在于臭氧可以將難溶于水的NO氧化成易溶于水的NO2、N2O3、N2O5等高價態(tài)氮氧化物。浙江大學(xué)王智化等人對臭氧同時脫硫脫硝過程中NO的氧化機理進行了研究，構(gòu)建出O3與NOX之間65步詳細的化學(xué)反應(yīng)機理，該機理比較復(fù)雜。在實際試驗中，可根據(jù)低溫條件下臭氧與NO的關(guān)鍵反應(yīng)進行研究。低溫條件下，O3與NO之間的關(guān)鍵反應(yīng)如下：
NO+O3→NO2+O2（1）
NO2+O3→NO3+O2（2）
NO3+NO2→N2O5（3）
NO+O+M→NO2+M（4）
NO2+O→NO3（5）
2臭氧同時脫硫脫硝研究概況 臭氧同時脫硫脫硝主要是利用臭氧的強氧化性將NO氧化為高價態(tài)氮氧化物，然后在洗滌塔內(nèi)將氮氧化物和二氧化硫同時吸收轉(zhuǎn)化為溶于水的物質(zhì)，達到脫除的目的。 浙江大學(xué)王智化等對采用臭氧氧化技術(shù)同時脫硫脫硝進行了試驗研究，結(jié)果表明在典型煙氣溫度下，臭氧對NO的氧化效率可達84%以上，結(jié)合尾部濕法洗滌，脫硫率近100%，脫硝效率也在O3/NO摩爾比為0.9時達到86.27%。YoungSunMok和Heon-JuLee將臭氧通入煙氣中對NO進行氧化，然后采用Na2S和NaOH溶液進行吸收，最終將NOx轉(zhuǎn)化為N2，NOx的去除率高達95%，SO2去除率約為100%。ZhihuaWang等將O3注入模擬煙氣進行脫除SO2、NOx以及Hg的研究，然后采用堿吸收塔對煙氣進行洗滌，結(jié)果表明NO和Hg0的脫除率與O3的注入量有關(guān)，當(dāng)O3加入量為200ppm時，NO的脫除效率可達到85%，此工藝對NO和SO2的脫除率最高可分別達到97%和100%。 此外SirpaK.Nelo等在臭氧氧化的基礎(chǔ)上，用H2O2進行吸收，也得到了較好的結(jié)果。BOC公司將其專利低溫氧化技術(shù)（LoTOx）授權(quán)給Belco（貝爾哥）公司，把這種NOx控制技術(shù)同Belco公司的EDV濕式洗滌器結(jié)合起來應(yīng)用于石油精煉廠，該系統(tǒng)可以同時脫除煙氣中的NOx、SO2和顆粒物。 3臭氧同時脫硫脫硝的主要影響因素 利用臭氧同時脫硫脫硝的影響因素主要有摩爾比、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間、吸收液性質(zhì)等，這些因素對脫硝和脫硫效率都有不同程度的影響。 3.1摩爾比 摩爾比（O3/NO）是指O3與NO之間摩爾數(shù)的比值，它反映了臭氧量相對于一氧化氮量的高低。NO的氧化率隨O3/NO的升高直線上升。目前已有的研究中，在0.9≤O3/NO＜1的情況下，脫硝率可達到85%以上，有的甚至幾乎達到100%。根據(jù)式（1）可見，O3與NO完全反應(yīng)的摩爾比理論值為1，但在實際中，由于其他物質(zhì)的干擾，可發(fā)生一系列其他反應(yīng)，如式（2）～（5），使得O3不能100%與NO進行反應(yīng)。 3.2溫度 由于臭氧的生存周期關(guān)系到脫硫脫硝效率的高低，所以考察臭氧對溫度的敏感性具有重要意義。王智化等人在對臭氧的熱分解特性的研究中得出在150℃的低溫條件下，臭氧的分解率不高，但隨著溫度增加到250℃甚至更高時，臭氧分解速度明顯加快。ZhihuaWang等人也得出在25℃時臭氧的分解率只有0.5%，當(dāng)溫度高于200℃時，分解率顯著增加。這些結(jié)果對研究臭氧在煙氣中的生存時間及氧化反應(yīng)時間具有重要意義。 3.3反應(yīng)時間 臭氧在煙氣中的停留時間只要能夠保證氧化反應(yīng)的完成即可，在ISHWARK.PURI的研究中，反應(yīng)時間在1～104s之間對反應(yīng)器出口的NO摩爾數(shù)沒有什么影響，而且增加停留時間并不能增大NO的脫除率。這主要是因為關(guān)鍵反應(yīng)的反應(yīng)平衡在很短時間內(nèi)即可達到，不需要較長的臭氧停留時間。 3.4吸收液性質(zhì) 利用臭氧將NO氧化為高價態(tài)的氮氧化物后，需要進一步地吸收。常見的吸收液有Ca(OH)2、NaOH等堿液。不同的吸收劑產(chǎn)生的脫除效果會有一定的差異。例如王智化等人在利用水吸收尾氣時，NO和SO2的脫除效率分別達到86.27%和100%。這是利用氣體在水中的溶解度進行吸收，也有試驗利用吸收液將高價氮氧化物還原成為N2后直接排入大氣中，如YoungSunMok和Heon-JuLee采用Na2S和NaOH溶液作為吸收劑，NOx的去除率高達95%，SO2去除率約為100%，但存在吸收液消耗量大的問題。 4臭氧氧化技術(shù)的工程應(yīng)用 美國BOC公司開發(fā)的LoTOx是一種低溫氧化技術(shù)，將氧/臭氧混合氣注入再生器煙道，將NOX氧化成高價態(tài)且易溶于水的N2O3和N2O5，然后通過洗滌形成HNO3。 主要的反應(yīng)如下：NO+O3→NO2+O2（6）2NO2+O3→N2O5+O2（7）N2O5+H2O→2HNO3（8）煙氣處理流程見下圖。
需要較長的臭氧停留時間。 3.4吸收液性質(zhì) 利用臭氧將NO氧化為高價態(tài)的氮氧化物后，需要進一步地吸收。常見的吸收液有Ca(OH)2、NaOH等堿液。不同的吸收劑產(chǎn)生的脫除效果會有一定的差異。例如王智化等人在利用水吸收尾氣時，NO和SO2的脫除效率分別達到86.27%和100%。這是利用氣體在水中的溶解度進行吸收，也有試驗利用吸收液將高價氮氧化物還原成為N2后直接排入大氣中，如YoungSunMok和Heon-JuLee采用Na2S和NaOH溶液作為吸收劑，NOx的去除率高達95%，SO2去除率約為100%，但存在吸收液消耗量大的問題。 4臭氧氧化技術(shù)的工程應(yīng)用 美國BOC公司開發(fā)的LoTOx是一種低溫氧化技術(shù)，將氧/臭氧混合氣注入再生器煙道，將NOX氧化成高價態(tài)且易溶于水的N2O3和N2O5，然后通過洗滌形成HNO3。 主要的反應(yīng)如下：
NO+O3→NO2+O2（6）
2NO2+O3→N2O5+O2（7）
N2O5+H2O→2HNO3（8）
煙氣處理流程見下圖。
采用LoTOx技術(shù)可得到較高的NOX脫除率，典型的脫除范圍為70%～90%，甚至可達到95%，并且可在不同的NOX濃度和NO、NO2的比例下保持高效率；因為未與NOX反應(yīng)的O3會在洗滌器內(nèi)被除去，所以不存在類似SCR中O3的泄漏問題；除以上優(yōu)點外，該技術(shù)應(yīng)用中SO2和CO的存在不影響NOX的去除，而LoTOx也不影響其他污染物控制技術(shù)。BELCO公司將LoTOx技術(shù)與自己研發(fā)的EDV（Electro-DynamicVenturei）洗滌系統(tǒng)結(jié)合形成一體化的脫硫脫硝系統(tǒng)，用于石油精煉廠中加熱器、鍋爐等的廢氣治理。經(jīng)氧化后生成的N2O5通過EDV洗滌器很容易與煙氣中水分發(fā)生反應(yīng)生成HNO3，然后再同洗滌劑生成鹽類，最后通過洗滌清理排出系統(tǒng)外。具體的化學(xué)反應(yīng)如下：
N2O5+H2O→2HNO3（9）
HNO3+NaOH→NaNO3+H2O（10）
LoTOx-EDV系統(tǒng)可使NOx排放減少到10μg/g以下，可滿足最嚴(yán)格的減排要求。并且不會使SO2轉(zhuǎn)化為SO3，此外，煙氣中的顆粒物和硫化物對臭氧消耗或NOX脫除效率的影響并不明顯，該系統(tǒng)不僅可以高效去除氮氧化物，而且對二氧化硫和粉塵等顆粒物也有明顯的去除效果。此外，它不存在堵塞、氨泄漏等問題，是一種應(yīng)用前景廣闊的脫硫脫硝技術(shù)。 根據(jù)MARAMA2007評估數(shù)據(jù)報告，在保證NOX脫除率為80%～95%的情況下，LoTOx運行費用為1700～1950美元/噸NOX，比SCR的運行費用2364～2458美元/噸NOX要低。目前LoTOx技術(shù)已有應(yīng)用實例，如大西洋中部的某石油精煉廠采用該技術(shù)進行NOX的脫除，Ohio地區(qū)的1臺25MW燃煤鍋爐采用該技術(shù)進行了工程示范，NOX去除率可達85%～90%；在California地區(qū)，某利用LoTOx技術(shù)的熔鉛爐可去除80%的NOX。 5結(jié)語 （1）隨著環(huán)保要求的日益嚴(yán)格，傳統(tǒng)的煙氣脫硫脫硝工藝將不能滿足嚴(yán)格的減排要求，此外，傳統(tǒng)工藝還存在設(shè)備投資高、占地面積大、系統(tǒng)復(fù)雜等缺點。因此開發(fā)工藝簡單、可靠的脫硫脫硝工藝具有重要意義。 （2）采用臭氧的高級氧化技術(shù)不僅對NOX具有良好的脫除效果，而且對煙氣中的其他有害污染物，比如重金屬汞也有一定的去除能力。 （3）影響臭氧同時脫硫脫硝的因素主要有摩爾比、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間、吸收液性質(zhì)等。 （4）LoTOx的工程應(yīng)用表明該技術(shù)在國外已進入工業(yè)化應(yīng)用階段，但現(xiàn)階段臭氧的制備費用較高，制約了該技術(shù)的推廣使用，隨著臭氧發(fā)生裝置的逐步改進，臭氧氧化同時脫硫脫硝技術(shù)必將會有更加廣泛的應(yīng)用前景。
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