复配氧化剂一体化脱硫脱硝的实验研究

　　

复配氧化剂一体化脱硫脱硝的实验研究

孙旭冉，赵毅*

（华北电力大学环境科学与工程学院，北京，102206）

摘要：在本实验中，对于不同氧化剂同时脱除NOx和SO₂的脱除效率进行比较，同时探讨采用复合吸附剂(NaClO₂/Na₂S₂O₈)的工艺，最终在同等条件下获得了最高的NOx脱除效率超过80%。同时根据实验结果探讨了脱除NOx和SO2的反应机理。该复合吸附剂具有广泛的应用前景采用湿法脱硫脱硝工艺，实现多污染物的协同去除。

关键词：复配；氧化剂；脱硫脱硝；一体化脱除技术

Experimental study on integrated desulfurization and denitration with compound oxidant

SUN Xu-ran, ZHAO Yi*

（College of Environmental Science and Engineering，North China Electric Power University，Beijing 102206，China）

Abstract：In this experiment, for different oxidants to remove NOx and SO2 at the same time to compare the removal efficiency, and explore the use of complex adsorbent (NaClO2/Na2S2O8) process, finally under the same conditions to obtain the highest NOx removal efficiency of more than 80%.The mechanism of removing NOx and SO2 was also discussed according to the experimental results.The composite adsorbent has a wide application prospect. The wet desulfurization and denitration process is adopted to realize the cooperative removal of multiple pollutants.

Key words：mixed; Oxidant; Desulfurization and denitration; Integrated removal technology

0 引言

根据相关报道，煤仍旧是最主要的能源，其消耗量占我国能源消耗量的59%^[1]。我国二氧化硫和氮氧化物主排放源头在于用于发电行业的燃煤锅炉及非电力行业的大多数中小型燃煤锅炉^[2]。燃煤烟气中有大量二氧化硫和氮氧化物，使得我国雾霾和酸雨问题十分严峻。大力研究和发展燃煤行业中脱硫脱硝。自从改革开放开始，我国经济快速发展，对电量的需求也在逐年增加，我国装机容量从1977年的5145kW上升到17.78亿kW，虽然火电装机比例在下滑，但是火电厂装机容量却是上升的趋势^[3]。预计到2040年煤炭仍占我国一次能源消耗的35%^[4]，NO_x的总排放量的60％是由煤炭的燃烧产生的,其中,火电厂发电用煤又占了全国燃煤的70%。随着火电装机容量的上升，火电厂NO_x的排放量逐年递增，2000年NO_x的排放量就已达500万t，根据NO_x的增长趋势，预计2020年的NO_x的排放会达到2000万t^[5]。我们还需特别重视燃煤烟气所带来污染物对空气的影响，其中最主要的污染物是NO和SO₂。

本文将针对不同高效氧化剂用于一体化脱硫脱硝实验研究，对比他们不同条件下的脱除效率，和各自的优势以及劣势。

1.不同氧化剂对脱硫脱硝效率的影响

1.1Na₂S₂O₈溶液一体化脱硫脱硝的效率

本实验是在基于自主模拟实际工况的实验室环境下，搭建了工业烟气多污染物一体化脱除实验平台，此平台由以下四个系统构成：模拟烟气系统，液相氧化吸收系统，烟气分析检测系统。实验中模拟烟气气速是1L/min，吸收液pH是10，反应温度是60℃，模拟烟气中NO浓度是450mg/m3，SO₂浓度是1800mg/m³实验采用0-0.1M的Na₂S₂O₈溶液分别进行一体化脱硫脱硝实验。实验结果如图1所示。

图1-Na₂S₂O₈浓度对脱硫脱硝效率的影响

图1所示，随着Na₂S₂O₈浓度的增大，SO2的脱除效率也随之增大，当Na₂S₂O₈浓度增大至0.05mol/L时，脱硫效率达到95%，之后趋于稳定。而对脱硝而言，当Na₂S₂O₈浓度由初始溶度增至0.04mol/L时，NO的去除率逐渐上升至47.3%，之后随着Na₂S₂O₈溶液浓度继续增加但是脱硝效率提升效果不显著。这是由于Na₂S₂O₈溶液具有强氧化性，S₂O₈^2-被活化产生强自由基SO₄^Ÿ-和HO^Ÿ，与烟气中SO₂和NO发生氧化还原反应，从而达到脱除的效果。但是随着浓度的继续增加，脱除效率不再增加，保持稳定，这可能是由于过量Na₂S₂O₈与催化剂发生了某种反应，从而降低了自由基的活性。

1.2NaClO₂溶液浓度一体化脱除效率的影响

实验中模拟烟气气速是1L/min，吸收液pH是10，反应温度是60℃，模拟烟气中NO浓度是450mg/m3，SO₂浓度是1800mg/m³实验采用0-0.1M的NaClO2溶液分别进行一体化脱硫脱硝实验。实验结果如图2所示。

图2-NaClO₂浓度对脱硫脱硝效率的影响

由图2可知，SO₂的NaClO₂浓度的升高对脱硫效率影响不大，0-0.08 mol/L的浓度变化范围内，脱硫效率基本在99%左右呈波动性变化，NaClO₂浓度为0.08 mol/L时，脱硫效率为99.4%；NaClO₂对NO_x脱硝效率随NaClO₂浓度的升高而明显提高，未添加NaClO₂时，脱硝效果不理想，脱除效率仅为9.4%，加入NaClO₂浓度为0.02 mol/L时，脱硝效率提高至46.8%，NaClO₂浓度逐渐增加至0.08mol/L时，脱硝效率随之增至86.3%，此时达到了较好的同时脱硫脱硝效果。

1.3复配氧化剂浓度对一体化脱除效率的影响

根据实验研究结果表明，NaClO2的脱除效率高于Na2S2O8的脱除效率，但是NaClO2不是安全环保的氧化剂，大量使用容易导致Cl2的释放，还需进行后续处理才可以使用，这样增加了工艺的步骤以及花费，经济型不达标。Na2S2O8是一种安全环保的氧化剂，所以我们将Na2S2O8与NaClO2两种氧化剂进行1：2复配使用，既可以高效脱除，又可以保证经济环保。实验中模拟烟气气速是1L/min，吸收液pH是10，反应温度是60℃，模拟烟气中NO浓度是450mg/m3，SO₂浓度是1800mg/m³实验采用0-0.1M的复配氧化剂分别进行一体化脱硫脱硝实验。

图3-复配氧化剂浓度对脱硫脱硝效率的影响

由图可知，复配氧化剂一直对SO2都保持较高的脱除效率，稳定在96%左右。对于NO的脱除效率，随着浓度的上升脱除效率在增加，在0.6M时达到81.1%，之后随着浓度的增加小幅增长，而且分别高于Na₂S₂O₈溶液和NaClO₂溶液的脱除效率。所以复配氧化剂具有高效环保的优点，是今后开发的重要趋势。

2.机理分析

根据实验结果和文献资料，探讨了同步去除的机理对NaClO₂/Na₂S₂O₈溶液中NOx和SO₂的机理进行了分析。脱除SO₂的机理很清楚和相对简单，SO₂最终转化为SO₄^2-经酸碱中和和氧化吸收。NOx的脱除机理相对比较复杂，参考公式（1）-（6）最后，NO小部分转化为NO₂，而大部分的NO变成了NO₃^-。

2NO(l)+ClO₂^-(aq)→2NO₂(l)+Cl^-(aq) (1)

4NO₂(l)+ClO₂^-(aq)+4OH^-(aq)→4NO₃^-(aq) + Cl^-(aq)+2H₂O(l) (2)

S₂O₈^2-(aq)→2SO4^Ÿ-(aq) (3)

SO4^Ÿ-(aq)+H₂O(l)→H⁺(aq)+SO₄^2-(aq)+OH^Ÿ(aq) (4)

S₂O₈^2-(aq)+NO^2-(aq)→SO₄^2-(aq) + SO4^Ÿ-(aq)+NO₂(l) (5)

NO₂(l)+OHŸ(aq)→H⁺(aq)+NO₃^-(aq) (6)

3.结论与展望

近几年，燃煤烟气的治理愈发严格，所以有必要不断开发新型既经济又高效的吸收剂，具有非常高的现实意义。NaClO₂/Na₂S₂O₈复配氧化剂体系具备了上述的优点，既能达到工业实际所需的脱除效率，同时也保证了环境的健康安全，没有其他有害气体泄露等情况，而且工艺简单投资较小，相信氧化剂复配将会成为市场上的主流工艺。

参考文献

[1]中华人民共和国环境保护部．2020中国生态环境状况公报[M]．2020

[2]Jie Wang,Wenqi Zhong.Simultaneous desulfurization and denitrification of sintering flue gas via composite absorbent[J].Chinese Journal of Chemical Engineering,2016,24(8):1104-1111.

[3]安恩政,何仙平.探究电厂锅炉脱硫脱硝及烟气除尘技术[J].天津化工,2021,35(01):83-85.

[4]B集团.BP世界能源展望2019版[Electronic Source].Electronic Source].Ed.Eds., 2020,Vol.

[5]杨忠凯,武宁,何如意,李玉,李涛,任保增.燃煤烟气同时脱硫脱硝技术研究进展[J].应用化工,2020,49(05):1219-1225.

基金项目:国家重点研发计划（2017YFC0210600） 中央高校基本科研业务费专项资助（2019QN083）

作者简介:孙旭冉(1995—)，女，汉族，籍贯内蒙古，学习单位华北电力大学，硕士研究生，研究方向为烟气多污染物脱除，电话18247966531，电邮18247966531@163.com ；赵毅（1956—），男，汉族，籍贯河北，工作单位华北电力大学，硕士，教授，研究方向为大气污染控制，通讯联系人，电邮zhaoyi9515@163.com。

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