煤粉工業(yè)鍋爐臭氧脫硝應(yīng)用的可行性分析

北極星環(huán)保網(wǎng)訊:煤炭在短期內(nèi)依然是我國能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的主體，但其燃燒產(chǎn)生的污染物帶來了嚴(yán)重的環(huán)境污染問題?，F(xiàn)有脫硫脫硝工藝普遍占地大且投資及運(yùn)行成本較高，不適宜煤粉工業(yè)鍋爐應(yīng)用。根據(jù)臭氧氧化機(jī)理，提出一種高效的鍋爐煙氣污染物脫除方法，并通過文獻(xiàn)研究，證明脫硝效果，分析了影響其污染物脫除效率的主要因素，闡述了技術(shù)在國外的應(yīng)用情況。

介紹了煤粉工業(yè)鍋爐系統(tǒng)現(xiàn)有煙氣凈化技術(shù)，提出采用臭氧氧化法耦合煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司自主高倍率灰鈣循環(huán)煙氣脫硫(NGD)技術(shù)，完成高階態(tài)氮氧化物和SO2、SO3等酸性氣體、重金屬Hg、As等的有效脫除，達(dá)到超低排放效果，對(duì)于形成符合煤粉工業(yè)鍋爐自身特點(diǎn)的一體化煙氣凈化技術(shù)具有重要意義。

關(guān)鍵詞:煤粉工業(yè)鍋爐;臭氧;脫硝;氮氧化物;二氧化硫

煤炭在我國能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的主體地位在短時(shí)期內(nèi)是不會(huì)改變的，但其燃燒產(chǎn)生的二氧化硫、氮氧化物等在內(nèi)的污染物帶來了嚴(yán)重的環(huán)境污染問題?，F(xiàn)階段，鍋爐煙氣脫硫脫硝工藝大多選用選擇性催化還原(SCR)技術(shù)脫硝串聯(lián)濕法(wetFGD)脫硫裝置，雖然脫除效率較高，但一次性投資及運(yùn)行成本大，不適宜應(yīng)用于煤粉工業(yè)鍋爐煙氣凈化。

近年來，同時(shí)脫硫脫硝的煙氣凈化技術(shù)不斷涌現(xiàn)，例如以氧化性為特征的利用等離子體、電子束等方法，在實(shí)現(xiàn)污染物脫除效果的同時(shí)，存在能耗大、費(fèi)用昂貴等突出問題[1-2]。燃煤煙氣中，NO占NOx組成的95%，且不溶于水，反應(yīng)活性差。

臭氧作為一種強(qiáng)氧化劑，可氧化煙氣中的多種污染物，能快速有效地將NO氧化到高價(jià)態(tài)，而高價(jià)態(tài)NO2、N2O5等可溶于水生成HNO2和HNO3，提高了溶解能力，并能夠在脫硫洗滌塔內(nèi)與SO2同時(shí)吸收，達(dá)到NOx與SO2聯(lián)合脫除的效果。

此外，臭氧自身還原產(chǎn)物為O2，無二次污染，目前該技術(shù)于國外已有應(yīng)用實(shí)例，而國內(nèi)只在中小型鍋爐上有少數(shù)應(yīng)用案例。煤粉工業(yè)鍋爐是一種集高效、節(jié)能及清潔排放為一體的燃燒技術(shù)，現(xiàn)已在市政供熱及工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域有了應(yīng)用，研究臭氧脫硝在煤粉工業(yè)鍋爐中應(yīng)用的可行性，形成完整的、符合煤粉工業(yè)鍋爐自身特點(diǎn)的煙氣凈化技術(shù)，使系統(tǒng)排放符合國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，甚至達(dá)到天然氣鍋爐或電站鍋爐等當(dāng)水平，對(duì)于煤粉工業(yè)鍋爐技術(shù)進(jìn)步及推廣意義重大。

1臭氧脫硝原理

臭氧脫硝的原理是將NOx中難溶于水的NO氧化成NO2、N2O3、N2O5等易溶于水的高價(jià)態(tài)氮氧化物。低溫條件下，臭氧與NO的關(guān)鍵反應(yīng)可描寫[3]如下

O3+NO→NO2+O2(1)

O3+NO→2NO3+O2(2)

NO2+NO→3N2O5(3)

NO+O+M→NO2+M(4)

NO2+O→NO3(5)

2臭氧聯(lián)合脫硫脫硝

臭氧聯(lián)合脫除NOx與SO2的原理是利用強(qiáng)氧化性將NO氧化為高價(jià)態(tài)氮氧化物，再通過洗滌塔同時(shí)將NOx與SO2吸收轉(zhuǎn)化為溶于水物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)脫硫脫硝。王智化等[4]對(duì)臭氧氧化技術(shù)同時(shí)脫除NOx及SO2效果進(jìn)行了基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)研究。

結(jié)果顯示:在150℃無催化條件下，10s內(nèi)臭氧熱分解率為28%，已知0.01s即可完成化學(xué)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)，可見臭氧與NOx及SO2之間的反應(yīng)基本不受其自身分解反應(yīng)影響。在100～200℃條件下，臭氧可有效氧化NO，且氧化趨勢(shì)相似。

在O3/NO摩爾比為1.0時(shí)，100℃條件下，臭氧對(duì)NO的氧化效率為85.7%，200℃條件下，臭氧對(duì)NO的氧化效率為84.8%;高于300℃時(shí)，臭氧熱分解反應(yīng)速度變快，氧化NO效率下降;到400℃時(shí)，氧化能力基本喪失。

此外，臭氧對(duì)NO的氧化效率不受SO2影響，尾部加裝濕法洗滌裝置后，可以實(shí)現(xiàn)NOx及SO2同時(shí)高效脫除，脫除SO2效率接近100%，脫除NOx效率隨著O3/NO摩爾比的增加而提高，在O3/NO摩爾比為0.9時(shí)，脫硝效率達(dá)到86.27%。代邵凱等[5]在固定床反應(yīng)器上，以模擬煙氣為對(duì)象研究了臭氧對(duì)NOx、SO2以及Hg的去除作用。

結(jié)果表明:臭氧對(duì)NO氧化效率在150℃以內(nèi)基本不變，溫度升高時(shí)也無明顯變化，超出150℃后開始降低;臭氧對(duì)NO的氧化效率隨著O3/NO摩爾比的增大而升高，當(dāng)O3/NO摩爾比超過1.0時(shí)增速變緩。臭氧對(duì)Hg0的脫除效率隨著溫度的增加先升后降，在150℃時(shí)為曲線頂點(diǎn)，脫除效率最高，達(dá)到90%;臭氧對(duì)Hg0的氧化效率隨著O3/Hg0摩爾比的增大而升高，當(dāng)O3/Hg0摩爾比超過30000后，氧化效率趨于平穩(wěn)，基本不再增加。

當(dāng)NOx、SO2和Hg同時(shí)存在時(shí)，臭氧對(duì)Hg0的氧化作用受到抑制，但對(duì)NO的氧化效率依然很高。綜上，在鍋爐典型排煙溫度下，臭氧能夠?qū)崿F(xiàn)很好的污染物脫除效果。

延伸閱讀：

SCR脫硝催化劑硫酸鈣失活及再生試驗(yàn)

大型燃煤機(jī)組脫硝尿素水解工藝說明(含與尿素?zé)峤鈱?duì)比)

低氮燃燒器不同煤粉濃淡比脫硝效果和燃燒特性數(shù)值模擬