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【热点文章推荐】工业烟气脱硝技术国内外研究进展

工业烟气脱硝技术国内外研究进展

赵琳*1,2,刘庆岭1,周伟2,胡芝娟2,彭学平2,张利娜2刘旭月2

(1. 天津大学环境科学与工程学院,天津  3003502. 天津水泥工业设计研究院有限公司,天津  300400)

摘要


    随着超低排放政策的制定和逐步实施,各项法律法规、国家标准和行业标准对氮氧化物的排放浓度和排放总量均作出要求,氮氧化物减排迫在眉睫,迫切的需要发展更加适合我国国情、适应不同行业烟气特点的多元化脱硝技术,各种脱硝技术的研发与应用也受到了国内外工业和学术界的广泛关注。脱硝技术分为干法和湿法两类,干法脱硝主要包括吸附法、还原法、分解法和氧化法等。湿法脱硝技术包括溶液吸收、气相氧化吸收、液相氧化吸收等技术,还可耦合紫外、微波、电化学等技术提高脱硝效率。对各种技术逐一进行了介绍,并通过对国内外最新研究进展的报道做出具体阐述和简要评价比较最后对烟气湿法脱硝技术进行总结和展望,旨在为各项脱硝新技术的进步及早日实现工业应用提供参考。

引言

2020年是《打赢蓝天保卫战三年行动计划》的收官之年,我国的大气污染治理初见成效,但NOx的容量仍然大幅超标。据统计,仅京津冀地区NOx2018年全年排放为232万吨,超出容量45%,由于移动源统计困难,实际的排放情况可能更加严峻。因此,研究和开发适合我国国情、脱硝效率高、成本和运行费用低的脱硝技术成为学术和工业届关注的热点,具有积极的社会、经济和环境效益。

工业废气以NOxSO2为主要污染物成分,NOx大部分为NO,而NO由于难溶于水、难以被溶液直接吸收。不管通过干法还是湿法脱硝,只能通过物理吸附,将NOx分解或还原/氧化后进行再处理来达到脱硝的目的。目前国内外有报道的干法脱硝技术主要包括吸附法、还原法、分解法和氧化法。而采用湿法技术NO难溶于吸收液从而导致废气的脱硝效率较难提高,湿法脱硝通常的做法是将其氧化到高价态,然后采用不同方法在液相中将高价NOx固定下来达到脱硝的目的。



正文部分


1 干法脱硝技术

1.1  吸附法

吸附法是指采用改性活性炭、分子筛或其他比表面积大且孔洞丰富的吸附材料直接吸附NOx达到脱除的目的,其中有些吸附剂还可以将NO氧化为NO2

1.2 还原法

还原法是指在原有或外加还原剂(如NH3COH2HCH2S和尿素等)的作用下,通过催化、光催化或热(SNCR)还原NOx,达到将NOx转化成无害的N2的目的。

1.2.1  选择性催化还原SCR

选择性催化还原(SCR)法脱硝是由美国Engelhard[2]公司研发,是目前商业应用最为广泛的脱硝技术。

1.2.1.1  NH3-SCR

采用氨气作为还原剂进行SCR是目前应用最广泛也是最成熟的脱硝技术,中高温SCR在火力发电行业得到广泛应用且减排效果良好

1.2.1.2  CO-SCR

使用CO选择性催化还原(CO-SCR)技术可以利用废气中未充分燃烧的CO作为还原剂,在无任何额外反应物供应的情况下,同时去除工业废气中的NOCO两种有害气体,

1.2.1.3  H2-SCR

当使用NH3作为还原剂,因其腐蚀性对管路和设备要求较高,因此采用H2作为还原剂引起了各研究机构的关注,H2作为还原剂催化脱硝多采用贵金属催化剂,反应启动温度一般较低(一般低于150 ℃),因此将大大降低能耗。

1.2.1.4  HC-SCR

以碳氢化合物为还原剂的脱硝技术作为NH3-SCR法的一种替代技术,可避免氨泄漏和氨逃逸等造成的二次污染,可以实现烟气中NOx和碳氢化合物同时脱除,得到了国内外众多学者的广泛关注,具有发展潜力。

1.2.1.5  H2S为还原剂

Lu[9]提出了一种新型硫循环一体化H2SH2S-SCDD)同步催化技术进行脱硫脱硝的方法,在之前报道的H2S-SCDD过程中需要较高的操作温度(超过600 ℃)。

1.2.1.6  NSR

NSR技术即NOx的储存还原技术,原理是在富氧条件下,催化剂中活性组分将NO捕获氧化成NO2NO3-,并在碱性组分的协同下以硝酸盐的形式吸附和吸收,此硝酸盐在化学计量气氛或氧气稀少条件下是热力学不稳定的,在含有还原剂的气氛中被还原,释放氮气,该技术在汽车尾气净化领域应用较多。

1.2.2 选择性非催化还原

选择性非催化还原(SNCR),即不采用催化剂,在高温下(一般为9001100 ℃)让氮氧化物和某些还原剂(如尿素、氨等含氨基的物质)在高温区发生化学反应生成无污染的氮气和水,从而达到脱硝目的。

1.2.3  光催化还原

光催化还原是指在光照和催化剂的作用下,将NOx还原为无害的N2

1.3  分解法

利用热催化或光催化还可将NO直接分解生成氮气和氧气,这个过程不需要添加还原剂,但该反应活化能高,所需反应温度高。

1.4  氧化法

氧化法是通过等离子体技术或金属氧化物将NOx氧化后再固定达到脱硝的目的。

1.4.1  等离子体法

日本茬原公司早在1970年即提出等离子体法烟气治理技术,该法是一种具有发展潜力的脱硝技术。产生等离子体的方法包括电子束法、脉冲电晕法和介质阻挡放电3种。因为能耗和系统结构设计相关问题,等离子体技术未见大规模工业应用报道。

1.4.1.1  电子束(EBA)烟气处理技术

电子束法脱除NOx原理是首先对烟气进行除尘冷却,之后将NH3注入,大量电子(高能电子束发射)与气体分子发生碰撞,

1.4.1.2  脉冲电晕等离子体技术

脉冲电晕等离子体技术与电子束法原理类似,采用高压脉冲电源替代电子加速器产生氧化性自由基和高能电子,然后与NOx反应。

1.4.1.3  介质阻挡放电

介质阻挡放电技术可实现多污染物协同治理,达到同时脱硫脱硝除尘的效果。原理是通过外加高电场,作用于放电区域内的反应物,使带有高能的电子撞击并产生大量具有高活性的活性自由基、自由电子等激发态的粒子,进而与NOx发生反应并脱除。

1.4.2  金属氧化物吸收

金属氧化物脱硫脱硝法也是一种典型的干法脱除技术,可用于同时脱除NOxSO2。以氧化锰为循环介质举例,在反应器中采用氧化锰同时吸收SO2NO,在吸收过程中SO2被氧化成SO3NO被氧化成NO2,之后反应生成硫酸锰和硝酸锰,反应后的固体混合物溶于水过滤,未反应的氧化锰返回使用。

1.4.3  光催化氧化

二氧化钛以其稳定性好、来源广泛、价格低以及光氧化效率高作为光氧化催化剂得到广泛研究,但光氧化会通过形成HNO2NO2而让NO转化成HNO3,从而覆盖在二氧化钛表面导致催化剂失活,需要对从催化剂进行频繁水洗再生。

2  湿法脱硝

2.1  吸收法

2.1.1  溶液吸收

溶液直接吸收包括酸溶液吸收、碱性溶液吸收和海水吸收。

2.1.2  气相氧化吸收

氧化剂可以将NO氧化成易溶于吸收液的高价态氮氧化物,促进脱硝反应的进行。

2.1.2.1  臭氧氧化吸收

采用臭氧进行氧化吸收,有利于溶液中的亚硝酸盐氧化为硝酸盐,亚硫酸盐氧化为硫酸盐,可同时去除NOxSO2,净化效率高且产物对环境友好。

2.1.2.2  ClO2氧化吸收

徐凯杰等[19]采用ClO2气相氧化联合液相吸收对模拟烟气同时进行NOxSO2的脱除,通过研究不同参数并进行试验确定了最佳的工艺反应条件,考察了ClO2/NO物质的量比、SO2初始浓度等对NO氧化率的影响

2.1.3  液相氧化吸收

液相氧化吸收技术是在液相中采用氧化剂将NOx氧化并吸收。

2.1.3.1  Fenton试剂

Yang[20,21]采用一种性能优良、价格低廉的铁基催化剂对典型Fenton系统中的SO2NOx进行了同时脱除。

2.1.3.2  含氯氧化剂

常用的含氯氧化剂主要有次氯酸盐(ClO)、亚氯酸盐(ClO2)和氯酸盐(ClO33种。

2.1.3.3  过硫酸盐

针对船用柴油机SCR系统存在的诸多不足,Xi[25]提出了一种有效的湿法去除柴油机废气中NO的方法。

2.1.3.4  腐植酸钠溶液吸收

Hu[27]提出了一种利用腐植酸钠(HA-Na)溶液同时进行烟气脱硫脱硝(FGDD)工艺。

2.1.3.5  其他手段辅助

Hao[28]提出了一种协同脱除SO2NO并回收烟气中的氮和硫资源的方法。

2.2  生物法

生物法是指利用微生物的代谢将有害物质降解的技术。

2.3  络合吸收法

络合吸收法是指通过配位作用,NO被液相中络合剂配对,固定NO

2.4  高重力旋转填料床技术

为了强化气液两相在能源和环境领域的吸收过程,高重力旋转填料床(HiGee RPB)技术已成功地应用于多种大气污染物的矿化减排和CO2捕集。

3 小结与展望


小结与展望

随着环保政策的收紧,国家对水泥、焦化等行业NOx排放要求日趋严格,迫切的需要开发更加经济、可靠、高效的脱硝技术以实现达标排放。本文对文献报道的脱硝技术进行了分类和阐述,但在实际应用中仍将存在较多需要解决的问题,需要学术和工业届投入更多的研发精力加以克服和解决,今后的方向可以在提高脱硝效率、降低投资运行成本、开发高性能材料方面着重研发。
对于干法脱硝技术,基于投资运行成本、系统稳定性等,仅SNCRSCR和氧化物吸收等技术在工业上有较大规模应用。随着超低排放的实施,SNCR的脱硝效率将无法满足排放标准,今后的重点是研发高性能高稳定性的SCR催化脱硝材料;等离子体法是一种极具发展潜力的脱硝技术,阻碍该技术工业应用的问题是能耗高和系统稳定性较差,研究的重点是提高系统稳定性和优化系统设计等方面;光催化技术未来的研究方向是拓宽催化剂对可见光的吸收光谱、提高光氧化效率、降低催化剂成本和提高催化剂使用寿命等。
对于湿法脱硝技术,氧化吸收技术工艺简单,适用于低温烟气脱硝,但目前运行成本较高,未来可以在选择更经济的氧化剂,优化工艺设计等方面进行着重研究;微生物法脱硝技术由于反应速度慢、脱硝效率低等暂未有工业应用的报道,可以在选择更优良菌种、提高脱硝效率、工艺设备设计等方面进行深入研究;络合吸收法有较好的应用前景,今后还须在工艺技术方面进行研发,促进该技术早日成熟。
工业烟气脱硝技术百花齐放、百家争鸣,有各自的优势和适用的领域,相信通过工业和学术界的共同努力,在不久的将来,能有更多脱硝效率高、投资运行成本低、环境友好的脱硝技术实现大规模工业应用,为我国环保事业添砖加瓦。

引用本文赵琳,刘庆岭,周伟,等. 工业烟气脱硝技术国内外研究进展[J].化学试剂, 2021, 43(6):747-756.

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