臭氧氧化脫硝技術處理石化廢氣的應用

劉超，，魏一塵，董一凡，蔡宇

（1．中國石油北京油氣調控中心，北京 100007；2．蘭州石化職業技術學院，蘭州 730060）

臭氧（O3）是一種強氧化劑，氧化能力僅次于氟。O3不但可以與有機物進行氧化還原反應，與某些無機物也可進行反應，因此工業上通常利用其強氧化性進行漂白、殺菌、消毒、除臭等。近年來隨著環保技術的發展，O3在環保領域的應用越來越廣泛，技術也日臻成熟[1]。馬雙忱開展了臭氧氧化技術同時脫除鍋爐煙氣中NOx及SO2的實驗研究，結果表明O3對NO能夠有效氧化，而且pH值對NO的脫除率影響較小[2]。Zhang J等實驗研究將O3混入煙氣，O3與其中的低價氮氧化物發生氧化反應，并通過堿性溶液將氧化產物進一步處理，NOx最終轉化為硝酸鹽。實驗結果表明，處理后的煙氣氮氧化物殘余量僅為5%，而SO2去除率約為100%[3]。

1 臭氧脫硝技術

1.1 臭氧脫硝原理

臭氧作為強氧化劑被氮氧化物還原的反應物是氧氣，所以是一種清潔環保無二次污染的脫硝劑。NO本身難溶于水，而臭氧可以將其氧化成易溶于水的NO2、N2O3、N2O5等高價氮氧化物，再通過堿性溶液將煙氣中的SO2吸收，達到同時脫硫脫硝的目的[4]。研究證明，O3可以快速有效地將NO氧化到高價態并且氧化過程一般在瞬間即可完成[5]。

在高溫條件下O3與NO的化學反應機理較為復雜，但可通過低溫條件下反應過程進行研究：

電子束法和脈沖電暈法雖然能夠產生強氧化劑，如·OH、·HO2等自由基，但由于實際工況環境惡劣（煙氣溫度高且含有多種污染物），導致自由基存活壽命短并且耗電量高不經濟；而O3存活持續時間長，采用高壓電離法制備O3可顯著降低生產成本[6]。

1.2 臭氧脫硝技術優勢

浙江大學王智化等學者使用臭氧在典型煙氣溫度下對其中的NOx和硫化物同時進行氧化處理，結果表明，O3對NOx的脫除率可達84%，如果在處理過程中使用濕法洗滌，可以完全去除硫化物。如果通入過量的O3，多余的O3可在洗滌器內除去，不存在類似選擇性催化還原法（SCR）中O3的泄漏問題并且SO2和CO的存在不影響NO的去除[7]。在煙道中選取合適位置噴入O3即可完成反應，并通過現有濕法煙氣脫硫（WFGD）系統去除反應生成的NOx，不需要新建SCR反應器，節省大量投資；無氨逃逸、空預器堵塞等問題發生。常規WFGD中，煙氣經過噴淋和洗滌后SO2含量明顯降低，剩余的O3將亞硝酸根離子、亞硫酸根離子和羥銨磺酸鹽化合物最終氧化為HNO3和H2SO4。研究表明采用O3氧化與尾部噴淋的處理工藝可以同時實現NOx和SO2的凈化，從而達到一站式脫硫脫硝的目的[8-9]。近年來臭氧制備工藝也逐漸成熟，一次投資成本及后續運行費用均大幅降低。高壓放電式、紫外線照射式、電解式是常見的臭氧制備方式。工業上最常見的制備方式是以工業純氧為原材料采用高壓電離的工藝，該工藝具有設備運行穩定可靠，全套裝置體積緊湊占地小，自動化程度高等優點。因此臭氧脫硝具有工程改造量小、脫硝效率高和一次投資成本低等優點，在廢氣處理后期改造方面具有巨大優勢。

1.3 臭氧脫硝效果影響因素

O3與NO的分子摩爾數比值是衡量反應中二者相對量的重要指標，并直接影響氧化反應的進行程度。研究表明，二者的分子摩爾數數比值與NO的脫除率呈正比例關系。根據NO被氧化的化學反應方程式，二者發生完全反應的理論摩爾比值為1。但在實際的煙氣中還存在其他物質，例如H2S、SO2、NO2等，這些組分都會對反應形成干擾，導致其他副反應的發生[10]。

整套裝置的運行效果會受到氧化還原反應總時間的直接影響，而由于O3的存在時間又會影響氧化還原反應的總時間，因而研究O3對環境溫度（特別是典型煙氣溫度）的熱分解特性以及在各溫度下的生存時間具有重要意義。有學者特別研究了O3的熱分解特性，O3所處溫度不同其分解速度有很大不同。當O3處在150℃的環境溫度時，其穩定性較好、生存時間長。當環境溫度繼續升高時，其分解速度明顯加快，此項研究表明O3的最高生存溫度大約在200℃，考慮到石化行業典型廢氣溫度一般不會高于150℃，因此只要恰當把握O3加入的位置，一般不會發生O3分解的情況。

2 應用實例

國內某石化企業重油催化裂化裝置以減壓餾分油和焦化餾分油為主要原料并摻有一定量的減壓渣油，生產輕柴油餾分和高辛烷值汽油餾分。原設計采用SNCR工藝進行脫硝脫硫。隨著最新環保排放指標限制，原有處理工藝已經不能滿足廢氣排放要求，需要進行技術改造。在進行各種方案比選時考慮到投資總額、設備占地以及施工周期等因素，最終企業選擇了臭氧—氨水組合高效脫硫脫硝技術方案，主要工藝參數見表1。

表1 臭氧氧化脫硝改造工藝參數

該臭氧—氨水系統工藝流程見圖1，含有氮氧化物的廢氣由下部進入脫硫脫硝塔的入口，首先進入氨水噴淋區，吸收廢氣內含有的硫化物和一小部分NO，90%以上的硫化物和NO2氣體被脫除，10%左右的NO氣體也會被脫除。這主要是由于脫硫液在循環脫硫時會產生一部分NH4HSO3，該化合物溶于水，在循環噴淋過程中，雖然失去了對SO2的吸附能力，但對NO有很強的吸附能力。

圖1 臭氧—氨水系統工藝流程

煙氣經過氨水噴淋脫硫區后繼續向上進入脫硝凈化區，在這一區域煙氣中的NO被O3快速氧化，最終生成NO2、N2O3、N2O5等化合物，這些高價態的氮氧化物本身即易溶于水，與噴淋液的氨水發生化學反應生成NH4NO3和水。

噴淋系統是整個裝置的核心，氨液的霧化效果直接關系到硝酸鹽、亞硝酸鹽和硫化物的脫除效果。噴嘴位置經數值分析和專業仿真軟件進行各物質濃度場計算后設置，保證了不同濃度下的NO去除效率。

煙氣脫硝后進入除霧區，除去煙氣中大于10 μm的霧粒，這是脫硫脫硝塔的最后一個功能區，處理后的潔凈煙氣直接進入煙囪排入大氣。煙氣中的硫化物和氮氧化物在脫硫脫硝塔中轉化生成硫酸銨和硝酸銨，大量的銨鹽溶液因密度大而沉集在裝置底部，為防止塔底結垢需要設置攪拌泵進行攪拌。當塔底的硫酸銨和硝酸銨溶液濃度達到一定數值時，自動控制系統將會啟動排液泵將富銨溶液及時抽出。

整個噴霧系統運行參數可實現實時監控并可根據設定參數進行自動調節，通過實時監測系統出口氮氧化物的排放值，自動調節臭氧產生量和氨液噴淋量，在保證NO脫除率的前提下降低運行費用和生產成本。根據SO2、NO的在線檢測信息自動調節循環液中的氨水濃度，保證系統出口煙氣的SO2、NO濃度低于環保要求的控制指標。

3 改造效果及投資成本

煙氣處理前NOx濃度為155～165 mg/m3，處理后降為50～70 mg/m3，氮氧化物脫除率約為60%。雖然提高臭氧的通入量可繼續大幅降低NOx濃度，但《石油化工工業污染物排放標準》（GB31571—2015）規定，煙氣中NOx含量不得高于100 mg/m3，因此該工藝已可完全滿足排放標準，繼續增加臭氧通入量將增加運行成本。

該次工藝改造工程主要包括臭氧發生系統、氨水供應系統、反應塔、積液排除系統等，各系統一次投資費用見表2。臭氧發生系統費用168萬元主要包括液氧儲存及臭氧發生裝置，占總投資費用的39.11%，反應塔自動控制系統66.08萬元，主要包括自控儀表及控制系統PLC等部分，占總投資費用的15.38%。

表2 臭氧氧化脫硝技術改造一次投資費用

4 結論

臭氧氧化脫硝技術主要是利用臭氧的強氧化性，將煙氣中難溶于水的NO氧化為可溶于水的高價態氮氧化物，最終達到脫硝的目的。該工藝技術成熟、設備先進、運行穩定、操作維護方便、自動化程度較高，運行成本較低且無二次污染，能夠保證脫除效率，完全符合環境保護要求。