淺議臭氧氧化脫硝原理及對臭氧污染的影響

劉華慶

（勝利石油管理局臨盤社區(qū)管理中心 山東臨邑 251507）

淺議臭氧氧化脫硝原理及對臭氧污染的影響

劉華慶

（勝利石油管理局臨盤社區(qū)管理中心 山東臨邑 251507）

臭氧氧化脫硝作為新型的低溫脫硝方法，在市場上得到較多應(yīng)用。本文對臭氧氧化脫硝技術(shù)的原理和優(yōu)勢進(jìn)行簡要分析，結(jié)合傳統(tǒng)脫硝工藝進(jìn)行簡單對比。并從理論上簡要分析對臭氧污染無影響的原因。

臭氧脫硝原理；優(yōu)勢不足；臭氧污染；環(huán)境影響

引言

當(dāng)前環(huán)保風(fēng)暴越演越烈，環(huán)保要求日益嚴(yán)格，眾多中小型鍋爐以及工業(yè)鍋爐迫切需要環(huán)保改造升級。傳統(tǒng)的煙氣脫硝工藝已經(jīng)不能滿足嚴(yán)格的減排要求，傳統(tǒng)的工藝也存在設(shè)備投資高、占地面積大等各種缺點(diǎn)。選擇即高效又經(jīng)濟(jì)的脫硝技術(shù)方案，成為了各鍋爐環(huán)保改造的一道難題。

1 臭氧氧化脫硝的原理

作為一種新興的低溫?zé)煔饷撓跫夹g(shù)，臭氧氧化脫硝近年來在許多中小型鍋爐、工業(yè)鍋爐上得到了廣泛應(yīng)用。原理是由臭氧發(fā)生器制備臭氧，通過噴射及布?xì)庋b置引入煙道將煙氣中的NO氧化成高價態(tài)、易溶于水的NO2、N2O5等，并在通過煙道后方布置的吸收塔中的噴淋溶液對煙氣進(jìn)行噴淋洗滌，使煙氣中的氮氧化物從煙氣中脫出并轉(zhuǎn)移到液體中，實(shí)現(xiàn)煙氣的脫硝處理目的。

臭氧氧化脫硝過程中NO的氧化機(jī)理比較復(fù)雜。

低溫條件下，O3與NO之間的關(guān)鍵反應(yīng)如下：

臭氧氧化脫硝技術(shù)主要是利用臭氧的強(qiáng)氧化性，將難溶的低價態(tài)NO氧化為易溶的高價態(tài)氮氧化物，然后用噴淋液將氮氧化物溶解吸收轉(zhuǎn)化，從而實(shí)現(xiàn)脫硝的目的。因?yàn)槌粞醯膹?qiáng)氧化性，煙氣中的氮氧化物被轉(zhuǎn)化成易溶的離子化合物，使氧化反應(yīng)更加完全和不可逆轉(zhuǎn)，從而在徹底脫除氮氧化物的同時不產(chǎn)生二次污染。因此，臭氧脫硝可以在氮氧化物污染物多種濃度和比例下，都能夠高效率脫除，而且還不影響其他污染治理系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。所以該技術(shù)可以和傳統(tǒng)脫硝技術(shù)聯(lián)合或者完全替代傳統(tǒng)脫硝技術(shù)。

圖1 某項(xiàng)目臭氧脫硝工藝流程圖

2 臭氧氧化脫硝的優(yōu)勢

目前占80%以上煙氣脫硝市場的技術(shù)是SCR和SNCR，其原理是作為還原劑的氨水或尿素，在高溫下直接（或催化劑的協(xié)同下）與煙氣中的NOx發(fā)生氧化還原反應(yīng)，把NOx還原成氮?dú)夂退５@兩項(xiàng)技術(shù)均有局限性，SCR脫除效率高，但其反應(yīng)溫度在300-450℃之間，需要消耗NH3和昂貴的催化劑，運(yùn)行費(fèi)用高、設(shè)備投資大。SNCR反應(yīng)溫度在850℃-1100℃之間，還原劑耗量大、NOx脫除率低，一般在30%-50%之間。溫度窗口和脫除效率嚴(yán)重限制了這兩種技術(shù)。對于中小型鍋爐以及工業(yè)鍋爐來說，排煙溫度遠(yuǎn)不能達(dá)到SCR反應(yīng)所需要的溫度，SNCR過低的效率往往造成煙氣排放不達(dá)標(biāo)的窘境。

臭氧氧化脫硝技術(shù)，解決了很多鍋爐傳統(tǒng)工藝上的難題。就其本身來說，該技術(shù)不需要對鍋爐及其附屬設(shè)施進(jìn)行改造，無需更換風(fēng)機(jī)、不需考慮阻力，更不需要停爐影響生產(chǎn)。只需在風(fēng)機(jī)和脫硫塔之間合適位置投加，運(yùn)行成本只有設(shè)備本身的能耗和制備臭氧所需氧氣，相比其他技術(shù)，投資省，工藝簡潔，安裝、操作簡單。

臭氧氧化脫硝工藝適用排出煙氣溫度90-250℃之間，而且脫硝效率可到95%以上。在低溫?zé)煔饷撓跎蟽?yōu)勢明顯，彌補(bǔ)了SCR脫硝技術(shù)的溫度窗口限制。而且，在同等脫硝效率的基礎(chǔ)上，投資低，也不需要催化劑成本，煙道阻力小，改造簡單。總體來說，對于改造難度大、排煙溫度不高、改造空間受限、一次性投入資金有限的鍋爐來說，臭氧氧化脫硝技術(shù)是一種經(jīng)濟(jì)高效的選擇。

3 臭氧氧化脫硝的不足

臭氧氧化脫硝的脫除效率跟臭氧氧化性的高低有直接關(guān)系，而臭氧氧化性的高低是由臭氧的濃度高低決定的，因此要得到高效的脫硝效果，臭氧的濃度就不能過低。高濃度臭氧是臭氧脫硝效率的保證。

但是，由于臭氧極不穩(wěn)定易分解的化學(xué)特性，就決定了它不能通過運(yùn)輸手段來為鍋爐脫硝提供原料，只能由臭氧發(fā)生器設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場制備。但現(xiàn)階段臭氧的制備成本費(fèi)用較高，耗電量較大，而且大部分制備設(shè)備需要采購液氧，成本較高。

以某項(xiàng)目熱電廠為例，處理煙氣量為220,000Nm3/h，氮氧化物出口濃度為400mg/Nm3，達(dá)標(biāo)排放要求為50mg/Nm3以下，每年的實(shí)際運(yùn)行成本如下：

表1

實(shí)際上，該項(xiàng)目臭氧脫硝系統(tǒng)工程建設(shè)成本（臭氧發(fā)生器設(shè)備采購安裝及管道儀表施工）要遠(yuǎn)低于年運(yùn)行成本，因此，較高運(yùn)行成本制約了企業(yè)采用臭氧氧化脫硝的熱情，阻礙臭氧氧化脫硝技術(shù)的進(jìn)一步推廣。

但是，臭氧氧化脫硝的優(yōu)勢明顯，隨著技術(shù)的不斷革新，臭氧氧化脫硝的運(yùn)行成本在逐年下降，臭氧氧化脫硝技術(shù)必將得到廣泛應(yīng)用。

4 臭氧脫硝對臭氧污染的影響

2017年上半年以來，全國各地不斷爆出“臭氧污染”的新聞，根據(jù)中國環(huán)境監(jiān)測總站發(fā)布的信息，從2013年以來，三大重點(diǎn)區(qū)域（京津冀、長三角、珠三角）中，京津冀和長三角臭氧濃度有顯著的逐年上升趨勢，特別是2017年上升最為顯著；近日發(fā)布的《2016年中國環(huán)境狀況公報》顯示，京津冀超標(biāo)天數(shù)中(空氣質(zhì)量指數(shù)AQI大于100的天數(shù))，以臭氧為首要污染物的天數(shù)占污染總天數(shù)的26.3%。珠三角超標(biāo)天數(shù)中，以臭氧為首要污染物的天數(shù)占總數(shù)的70.3%。2017年，全國臭氧超標(biāo)率明顯增加，峰值濃度出現(xiàn)明顯抬升。現(xiàn)如今，臭氧已多次位列多個城市的首要污染物，臭氧污染正進(jìn)入人們視野。

低層大氣中的臭氧對地球生態(tài)系統(tǒng)和對人類及生物圈都是有害的，也是“健康殺手”。臭氧具有強(qiáng)氧化性，可嚴(yán)重影響人體健康，對人體的呼吸系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生損傷。可以抑制植物的生長，影響生態(tài)環(huán)境。而且?guī)缀鯇λ械慕饘俸头墙饘俨牧嫌袕?qiáng)烈的腐蝕作用等等一系列的危害。

那么，臭氧污染是怎么形成的？臭氧脫硝會不會加重臭氧污染？

低層大氣中的臭氧是典型的二次污染物，不是污染源直接排放產(chǎn)生的，而是由排放到空氣中的氮氧化物和揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOCs)等污染物，在空氣中進(jìn)行復(fù)雜的光化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的。比如來自機(jī)動車尾氣、熱電廠、工業(yè)鍋爐等排放的氮氧化物，在強(qiáng)陽光輻射及高溫的氣象條件下經(jīng)光化學(xué)反應(yīng)就可以生成臭氧。對于氮氧化物的排放控制，各行業(yè)有相應(yīng)的排放標(biāo)準(zhǔn)，如火電行業(yè)要求氮氧化物濃度不超過50mg/Nm3。

臭氧的化學(xué)性質(zhì)極不穩(wěn)定，常溫下在空氣和水中都會慢慢分解成氧氣。溫度越高，分解速度越快，當(dāng)溫度超過100℃時，分解反應(yīng)會非常迅速，在溫度在270℃時，臭氧可立即分解為氧氣。臭氧在水中的分解速度要比在空氣中更快。在含有雜質(zhì)的水溶液中臭氧可迅速分解成氧氣。

由于臭氧氧化脫硝工藝在引風(fēng)機(jī)之后，濕法脫硫之前，煙氣溫度基本上都在100℃以上，臭氧氧化反應(yīng)非常劇烈，而且在脫硫塔部位還會被噴淋漿液再次洗滌吸收，臭氧即使未與NO充分反應(yīng)，在后續(xù)的工藝流程中也會分解為氧氣，所以從煙囪排入大氣的臭氧極少，幾乎可以忽略。

然而，在超低排放中，由于煙道氧含量的增加對污染物濃度折算會有較大影響，需要注意。建議臭氧脫硝工藝采用先進(jìn)的噴射混合技術(shù)，合理布?xì)猓M可能提高臭氧利用率，從而控制臭氧逃逸。

總之，臭氧脫硝對臭氧污染的影響幾乎沒有，反而因?yàn)槊撓跣矢撸行Ы档偷趸锏呐欧牛瑴p少了鍋爐煙氣排放到空氣中的氮氧化物污染物，減少了臭氧污染。

[1]工業(yè)鍋爐煙氣臭氧法脫硝應(yīng)用技術(shù)淺析 江厚月，山東化工2016年24期

[2]臭氧氧化法煙氣脫硝初步研究 劉志龍，煉油技術(shù)與工程2012年09期

[3]煤粉工業(yè)鍋爐臭氧脫硝應(yīng)用的可行性分析閆黎黎，潔凈煤技術(shù)2017年04期

[4]煙氣臭氧脫硝應(yīng)用研究 康勇;阮磊，化工管理2016年31期

[5]脫硝技術(shù)及研究進(jìn)展 程宏亮，輕工科技 2017年04期

[6]臭氧脫硝是否會加重臭氧污染，北極星環(huán)保網(wǎng)2017/8/12

劉華慶（1973.12-），男，民族漢族，籍貫山東廣饒，學(xué)歷本科，職稱高級工程師，研究方向安全環(huán)保，工作單位勝利石油管理局臨盤社區(qū)管理中心。