加壓條件下稀硝酸吸收氮氧化物的實驗研究

景香順，李玉平，冒翠娥，鄭 楠，遲正平，孟慶海，姜 鑫，田景彩，張玉桂，蘇元元

（1.北京理工大學化工與環境學院，北京100081；2.北京中兵北方環境科技發展有限責任公司，北京100070）

引 言

氮氧化物（NOx）已經成為中國當前主要的大氣污染物之一，如果不及時加以控制，勢必會對人體健康和生態環境造成巨大的威脅，因此，開展對NOx廢氣的治理已經迫在眉睫。廢氣脫硝是當前治理NOx最重要的方法，廢氣脫硝技術有干法和濕法兩大類［1］。濕法脫硝技術具有工藝設備簡單、操作溫度低、耗能少、處理費用低等優點，適合火炸藥和其他工業生產過程中產生的高濃度NOx廢氣的處理。硝酸吸收法由于能夠副產硝酸，具有一定的經濟效益，已成為被廣泛研究和應用的NOx濕法處理技術。但是，常規硝酸吸收法的吸收效率較低，通過增大吸收壓強可顯著提高NOx的吸收效率［2］。陳曦等人［3］研究了加壓條件下水吸收NOx的規律，得到的吸收液為濃度極低的硝酸，既不適合回收又不能直接排放，還會帶來二次污染。本實驗研究了加壓條件下硝酸吸收NOx的規律，得到的吸收液為一定濃度的硝酸，可以回收利用，具有一定的實用價值。

1 實 驗

1.1 實驗裝置

實驗裝置和實驗步驟參見文獻［3］。與文獻介紹不同的是在其原有裝置的基礎上，利用在吸收柱外表面上纏繞的電加熱帶、溫度傳感器和數顯式溫度調節儀來實現溫度的定量控制。同時吸收液由水變為一定濃度的稀硝酸。

1.2 NOx 濃度的檢測

本研究使用的NOx模擬廢氣濃度較高（2 000～20 000mg／m3），采用中和滴定法測定。一定量的NOx在封閉容器（采用注射器）中被過量的H2O2和NaOH 的混合溶液吸收，NOx全部被H2O2氧化為HNO3，HNO3再與NaOH 反應生成NaNO3，用鹽酸標準溶液滴定剩余的NaOH，根據鹽酸消耗量求得NOx的濃度。

2 結果與討論

用質量分數分別為35.4%、41%、45.3%和51.2%的硝酸作吸收劑，在壓強分別為0.4、0.6和0.8MPa 下，NOx進 口 濃 度（C）在2 000 ～20 000mg／m3進行吸收試驗，結果見圖1。

圖1 進口濃度對吸收效率的影響Fig.1 Effect of inlet gas concentration on NOxabsorption efficiency

2.1 進口NOx濃度對吸收效率的影響

由圖1可知，吸收柱進口處氣體中NOx的濃度對吸收效率（η）的影響很大，在同一硝酸濃度和同一壓強條件下，吸收效率隨著進口NOx濃度的增大而提高。

硝酸吸收NOx的過程比較復雜，主要發生以下反應：

綜合反應（2）、（3）和（4）可得總方程式：

用膜理論分析本填料塔中NOx的吸收過程：NOx的氣相進口濃度越高，填料塔內NOx的平均氣相濃度就越高，使得吸收過程的傳質推動力增大，傳質速率也增大，因而吸收效率提高。

由式（1）～（5）可知，在NOx的吸收過程中主要是NO2被吸收，而其中的NO 很難被吸收，且在NO2的吸收過程中還會放出NO。要想提高NOx的吸收效率，必須將NO 氧化為NO2，提高NO 的氧化反應，即反應（1）的反應速率。文獻［4］表明，NO 濃度較低時NO 的氧化是整個吸收過程的速度控制步驟。此反應為不可逆的三級反應［5］，因此，其化學反應速率主要決定于反應物的濃度，反應物濃度越大，化學反應速率越快（這個現象可用碰撞理論［6］來解釋）。因此，提高NOx的進口濃度可以提高NO 的平均氣相濃度，進而提高反應（1）的速率，加快NOx的吸收

2.2 壓強對吸收效率的影響

壓強對NOx吸收效率的影響非常明顯。從圖1可以看出，在硝酸質量分數和NOx進口濃度相同的條件下，吸收效率隨著壓強的升高而提高。這是因為在相同條件下，隨著壓強的升高，NOx的濃度升高，同時提高了氣液傳質速率和NO 的氧化速率，進而提高吸收效率。同時，壓強的升高可延長吸收和反應時間。隨著系統壓強的升高，氣體摩爾體積減小，當以常壓計量的氣體體積流量一定時，NOx廢氣在吸收塔內的停留時間增加。在一定的反應速率和吸收速率條件下，停留時間增加，NOx的吸收量也增加，吸收效率提高。

綜上所述，壓強的升高可提高NOx的吸收效率，但同時也會導致系統的動力消耗增加，運行費用升高。綜合考慮動力消耗和尾氣排放指標，吸收壓強定為0.6MPa。

2.3 硝酸濃度對吸收效率的影響

本實驗研究了硝酸質量分數（35%～50%）對吸收效率的影響，結果見圖2。從圖2可以看出，當硝酸的質量分數為35%～50%時，吸收效率隨著硝酸濃度的增大而逐漸下降。

圖2 硝酸質量分數對吸收效率的影響Fig.2 Effect of mass ratio of nitric acid on NOx removal

硝酸作為NO2吸收反應的生成物，其質量分數增大不利于NO2的吸收；但作為釋放NO 的亞硝酸分解反應的生成物，硝酸質量分數的增大則會抑制亞硝酸的分解，從而有利于NO 的吸收。因此，吸收液中硝酸的質量分數對NOx吸收效率有正反兩方面的影響。當硝酸質量分數為35%～50%時，NO2的吸收對吸收效率起主要作用。

在實際工業應用中，可以通過多塔串聯、由后向前逐級提高硝酸濃度的方法，在保證NOx去除效率的前提下硝酸回收濃度達50%。

2.4 液氣比對吸收效率的影響

在NOx進口濃度約為10 000mg／m3、壓強為0.6M Pa、硝酸質量分數為47.3%的條件下研究了液氣比對吸收效率的影響，結果見圖3。液體流量穩定在18L／h 時，依次將氣體流量定為6、4、3、2m3／h，即液氣比分別為3、4.5、6、9L／m3；氣體流量穩定在3m3／h時，依次將液體流量定為9、12、18、21、27L／h，即液氣比分別為3、4、6、7、9L／m3。從圖3可以看出，不論以何種方式改變液氣比，NOx的吸收效率均隨液氣比的增大而逐漸提高。在液氣比小于6L／m3時，吸收效率的增幅較大，但是液氣比大于6L／m3后，吸收效率的增幅則趨于平緩。

液氣比增加，即液體流量相對增大，液相湍流程度隨之增大，使得氣、液界面附近的液膜厚度減小，提高了NOx吸收的液相傳質分系數，從而提高NOx的傳質速率；同時，液體流量增大，吸收同樣量的吸收質引起的液相濃度增幅減小［7］，使吸收過程中液相主體濃度降低，傳質推動力加大，吸收速率增大。

圖3 液氣比對吸收效率的影響Fig.3 Effect of liquid-gas ratio on NOxremoval

當液氣比增加時，液體流量相對增大，液體噴淋密度也增加，可使填料獲得良好的濕潤，提高其表面利用率，從而提高NOx的吸收效率。但是，當液氣比增大到一定程度以后，填料表面已被液體充分浸濕，再增大液氣比對于吸收面積的影響不再明顯，因而吸收效率的增幅開始變得緩慢。

從經濟上考慮，采用較小的液氣比，液體輸送的動力消耗降低，吸收系統的操作費用下降；但液氣比減小，塔內的傳質推動力也隨之減小，給定填料層內的吸收效率降低，要達到要求的NOx去除效率就需要較高的填料層，使吸收系統的設備費用增加。因此，液氣比定為6L／m3。

2.5 溫度對吸收效果的影響

在NOx進口濃度為10 000mg／m3、系統壓強0.6MPa、硝酸質量分數為47.3%、氣液流量分別為3m3／h和18L／h的條件下，依次將溫度設定在20、25、30、35、40、45、50℃進行NOx吸收試驗，結果見圖4。由圖4可知，吸收效率隨溫度的升高而下降。

圖4 溫度對吸收效率的影響Fig.4 Effect of temperature on NOx removal

NOx的吸收包含兩個主要過程：NOx的物理溶解過程、NO 的氣相氧化和HNO2的液相氧化等化學反應過程。溫度對這兩個過程均有不同程度的影響。物理溶解過程會釋放出溶解熱，使系統溫度升高；氣體在液相中的溶解度隨著溫度的升高而減小，因此溫度升高不利于NOx吸收；從化學反應速率理論分析［8］，NO 氧化的速率常數隨溫度的變化具有與一般反應不同的特點，其活化能為負值。此反應在273～600K 的阿倫尼烏斯方程如式（6）：即溫度升高，速率下降。此外，從化學反應平衡角度分析，NO 的氧化反應是放熱反應，反應后的氣體溫度比反應前高［9］，提高溫度有利于放熱反應平衡向逆反應方向進行，即不利于NO 轉化為易溶于水的NO2，導致吸收效率下降。

綜上可知，無論是物理溶解還是化學反應，系統溫度均會隨著吸收的進行而提高，引起吸收效率下降。因此在實際應用中，必要時要采取措施對吸收系統進行降溫。

3 結 論

（1）用質量分數35.4%、41%、45.3%和51.2%的硝酸作吸收劑，在表壓強分別為0.4、0.6和0.8MPa條件下，NOx濃度在2 000～20 000mg／m3范圍內，吸收效率隨著進氣濃度的增大而提高。

（2）升高壓強、增大液氣比有利于提高NOx的吸收效率；系統溫度升高，吸收效率下降。綜合考慮設備費用及運行費用，建議將壓強控制在0.6MPa，液氣比定為6L／m3，必要時需要采取降溫措施。

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