烟气中多种污染物超低排放的活性分子氧化及一体化脱除机理研究

摘要

目前成熟的燃煤烟气污染物治理措施具有相当强的针对性，而由于烟气中的污染物成分较为复杂，致使后续环保系统复杂、占地面积大、投资和运行成本高和影响锅炉正常运行等问题，能够协同脱除两种或两种以上烟气污染物的技术亟待开发。由于中国单位国土面积的能源利用强度较高，不论从煤炭消费总量还是从实际单位国土面积煤炭消费量来看，中国要想实现空气质量的根本改善，燃煤企业必须执行比其他国家更为严格的烟气污染物排放标准。燃煤企业烟气污染物超低排放是未来其生存与发展的重要方向。因此能够实现两种或两种以上烟气污染物超低排放的技术是现在研究的重点。
　　臭氧氧化结合湿法洗涤实现烟气中多种污染物协同脱除的方法具有反应温度低，能耗较低，并且臭氧反应产物为氧气，在烟气治理过程不引入其他污染等优点。相对来说，该方法在烟气多种污染物协同治理方面有较为广阔的应用前景。
　　传统湿法喷淋对于 NO2脱除效率较低，本文提出采用氧化还原电极电势理论遴选化学活性物质作为促进NO2脱除的添加剂，并对据此理论选出的I-进行全面的研究，包括I-浓度、模拟烟气氧气浓度、模拟烟气中SO2和NO2初始浓度及SO2/NO2体积浓度比、循环浆液pH值等。研究结果显示随着I-添加浓度的增大， NO2脱除效率逐步提高，当c（I-）=2 mol/L时，NO2脱除效率可达98.7％。且I-对于 NO2的脱除不受模拟烟气中氧气的影响，可抗氧气氧化。烟气中 SO2和NO2的同时存在可实现I-的循环使用和无损耗使用。试验结果证明本文针对NO2的脱除机理提出的遴选添加剂的理论是正确的。
　　重新审核 O3与 NOx之间的反应，着重研究该反应在低温（＜120℃）、大O3/NOx摩尔比（＞1）和较长反应时间（＞2s）时的终产物。首先提出更加完善的反应机理，利用化学反应动力学模拟软件 Chemkin进行该反应的敏感性分析和一些反应影响因素的前期研究。研究发现反应温度、O3/NOx摩尔比和反应时间是该反应生成N2O5的主要控制条件，较低温度（≤90℃）、O3/NOx摩尔比＞1、较长的反应时间（＞2s）有利于 N2O5的生成。当反应温度=70℃、O3/NOx摩尔比=2.0、反应时间=4 s时，N2O5的生成率可达80%以上。研究还发现当O3/NOx摩尔比＞1时，随反应温度升高，烟气中SO2的氧化率增大，反应温度=90℃时， SO2的氧化率最高可达5%。在模拟结果的基础上开展针对性的试验研究，通过对O3与NOx反应条件（包括反应温度、反应摩尔比、反应时间和SO2）的小型试验，证明文中之前提出的反应机理和模拟结果较为真实地描述了O3与NOx之间的反应。开展N2O5的湿法洗涤脱除效率试验，利用该机理可取得90%以上的脱硝效率。根据该机理需要研究的关键性参数搭建5000 Nm3/h中型试验平台，开展中试试验。试验结果表明臭氧氧化生成N2O5并结合湿法洗涤可实现同时脱硫脱硝，当喷淋洗涤塔前烟气温度=90℃、O3/NOx摩尔比=2.0时，可实现90%以上的脱硝效率和98%的脱硫效率。
　　基于之前的理论和试验研究基础，在一烟气量6万 Nm3/h炭黑干燥炉上成功进行该技术的工程示范。并在该示范工程上开展调试试验，调试试验结果除了验证之前的脱硝规律，还显示：循环浆液 pH值对该技术脱硝效率的影响较小；强制氧化风机不工作会在一定程度上降低该系统的脱硝效率。经过对运行参数的优化，烟气中SO2和NOx分别由初始浓度800~1000 mg/Nm3和600~900 mg/Nm3降至＜35 mg/Nm3和10~20 mg/Nm3。实际工程运行结果表明臭氧氧化生成N2O5可与传统石灰石石膏湿法脱硫进行有效结合，实现烟气中 SO2和 NOx的同时超低排放。
　　对比活性分子多脱实现NOx超低排放和目前主流的SCR或SNCR耦合SCR实现 NOx超低排放的技术特点和成本，活性分子多脱在成本上高于传统脱硝技术，但其主要设备布置简单、适用于低温烟气（＜120℃）和可同时实现 Hg高效脱除的特点，使其具有较为广阔的应用推广前景。

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1. 绪论

1.1. 引言

1.2. 研究背景——燃煤烟气污染物治理技术现状

1.3. 研究背景——烟气污染物超低排放技术研究现状

1.4. 活性分子臭氧氧化结合湿法洗涤协同脱除烟气污染物技术

1.5. 本文主要研究内容

2. 试验仪器设备与试验试剂

2.1. 主要仪器设备

2.2. 辅助仪器设备

3. 促进NOx氧化产物NO2液相吸收添加剂的研究

3.1. 引言

3.2. 试验系统介绍

3.3. 不同性质添加剂的试验研究

3.4. 还原性添加剂的选择

3.5. I-促进NO2脱除的试验研究

3.6. 工艺流程设计

3.7. 本章小结

4. O3/NOx深度反应脱除机理研究

4.1. 引言

4.2. 反应机理Chemkin软件模拟研究

4.3. 反应机理试验研究

4.4. N2O5喷淋洗涤脱除

4.5. 工艺流程设计

4.6. 本章小结

5. 活性分子氧化结合洗涤塔协同脱除烟气中SO2和NOx中试试

5.1. 引言

5.2. 路线一和路线二技术与经济性对比

5.3. 中试试验平台介绍

5.4. 烟道内活性分子喷枪设计与烟气混合的流场CFD模拟

5.5. NOx氧化与脱除效果

5.6. 本章小结

6. 活性分子氧化烟气污染物超低排放技术工程示范

6.1. 示范工程概况

6.2. 示范工程系统介绍

6.3. 调试试验结果与分析

6.4. 168 h连续运行

6.5. 本章小结

7. 脱硝领域活性分子臭氧多脱与SCR脱硝的技术经济对比

7.1. SCR脱硝技术介绍

7.2. 技术特点对比

7.3. 投资成本对比

7.4. 运行成本对比

7.5. 本章小结

8. 全文总结和工作展望

8.1. 主要研究结论总结

8.2. 本文主要创新点

8.3 未来工作展望

参考文献

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