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臭氧與多種煙氣污染物的反應動力學機理研究

邵嘉銘1，王智化1，林法偉2，唐海榮1，許巖韋3，何　勇1，岑可法1

（1.浙江大學能源清潔利用國家重點實驗室，浙江杭州　310027；

（2.天津大學環(huán)境科學與工程學院，天津　300072；

（3.光大環(huán)保技術(shù)研究院（南京）有限公司，江蘇南京　211102）

 

        燃料燃燒會釋放大量污染物，如SO2、NOX 、PM、Hg等，這些污染物經(jīng)一系列的大氣化學反應，很終會形成酸雨、霧霾、光化學煙霧等自然災害，嚴重危害生態(tài)環(huán)境及人類健康[1-3] 。近年來，由于能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，傳統(tǒng)化石燃料燃燒的比重逐步減少，垃圾焚燒發(fā)電作為新能源板塊得到迅速發(fā)展[4] 。針對垃圾焚燒煙氣，我國《生活垃圾焚燒污染控制標準》（GB1848５—2014）規(guī)定，垃圾焚燒電廠NＯx和Hg的排放限值分別為2５0、0.0５ ｍｇ／ Nｍ3 [５-６] 。201９ 年12 月2６ 日，生態(tài)環(huán)境部要求2020 年1 月2 日起向社會公開各垃圾焚燒廠煙氣顆粒物、NOX 、SO2、ＨCｌ、CＯ 等常規(guī)污染物的日均值和爐膛溫度的自動監(jiān)測數(shù)據(jù)。面對日益凸顯的環(huán)境問題，各城市對垃圾焚燒煙氣提出了更加嚴格的要求，排放限值也逐漸向超低排放標準靠近[６-7] 。此外，關(guān)于煙氣排放中的重金屬Hg，2013 年10 月，我國簽署了全球首個汞限排國際公約《水俁公約》，對汞的排放和控制均提出了相關(guān)要求，汞的減排形勢也愈發(fā)嚴峻[8] 。

 

        目前，煙氣中的SO2 可通過成熟的濕法脫硫技術(shù)高效脫除，而靜電除塵和布袋除塵技術(shù)可有效控制PM 的排放[９-10] 。對于NＯx的脫除，選擇性催化還原技術(shù)（SCR）和選擇性非催化還原技術(shù)（SNCR）應用較廣[11] 。煙氣中的Hg主要包含元素態(tài)（Hg0）、顆粒態(tài)（Hgp）和氧化態(tài)（Hg2＋ ）3 種形式，其中，Hgｐ可通過電廠現(xiàn)有除塵設備脫除，Hg2＋ 可在濕法脫硫系統(tǒng)中脫除[12] 。但Hg0由于易揮發(fā)、水溶性差、占比大，是煙氣Hg脫除的難題[13] 。汞的脫除方法主要采用吸附技術(shù)，利用固定床反應器中的吸附劑對其進行捕集?，F(xiàn)階段的污染物脫除技術(shù)僅針對某一種特定污染物，且設備復雜、占地面積大，不利于對現(xiàn)存電廠及空間緊湊的工業(yè)鍋爐改造。因此，開發(fā)一種多種污染物同時脫除的技術(shù)對于實際工業(yè)應用具有重大意義。

 

        臭氧多種污染物一體化脫除技術(shù)，作為一種新興的低溫煙氣處理技術(shù)，近幾年成功應用于超低排放改造過程[14-1５] 。該技術(shù)的主要技術(shù)路線是向低溫煙氣中噴入臭氧，將NＯ 氧化為NＯ2 和N2O５、將Hg0氧化為Hg2＋，利用其氧化產(chǎn)物的水溶性，借助濕法噴淋塔的噴淋吸收，很終實現(xiàn)NＯx、Hg和SO2 的一體化脫除[1６] 。該技術(shù)可適應復雜的煙氣條件和鍋爐負荷的變化，可處理低溫煙氣，對電廠現(xiàn)有設備的改造小，污染物脫除效率高，具有廣闊的發(fā)展前景。

 

        臭氧對于垃圾焚燒煙氣中的有機污染物（如二噁英）也有降解作用，但由于煙氣中有機污染物種類多，反應機理復雜，因此，本文重點研究煙氣中無機污染物的氧化脫除。針對NＯｘ的脫除，由于N2O５是硝酸的酸酐，在NＯ 的氧化產(chǎn)物中溶解度很高，可被噴淋液高效吸收，提高NＯｘ的脫除效率，故本文模擬選擇N2Ｏ５進行敏感性分析。本文建立了更全面的臭氧與多種無機煙氣污染物反應的均相反應機理，主要針對某垃圾焚燒廠煙氣成分，采用ChemkiN Pro軟件對臭氧同時脫硝脫汞過程進行模擬計算，提出了NＯ 和Hg氧化脫除的主要反應路徑，研究了反應溫度、O3/NＯ 摩爾比、停留時間對脫除效率的影響，為臭氧多種污染物一體化脫除技術(shù)在垃圾焚燒電廠的實際應用提供了理論指導。

 

計算方法

        計算采用ChemkiN Pro 軟件中封閉的均相反應模塊進行動力學模擬和敏感度分析。由于支鏈反應在不同反應條件下，反應速率存在差異，即不同的基元反應在不同反應條件下的反應權(quán)重不同，為了更準確地選擇基元反應以及動力學參數(shù)，對反應過程進行精確模擬，需明確各基元反應的重要程度。敏感度是指各影響因素對于反應的影響程度，包括反應速率敏感度、濃度敏感度、溫度敏感度等。

        文獻［16］主要對Ｏ3 ／ NＯ＜1 時的Ｏ3、NＯ、NＯ2及NＯ3進行了敏感度分析：Ｏ3 的敏感度系數(shù)隨時間的變化表明，在０.2 ｓ 以內(nèi)反應Ｏ3 ＋NＯ  = NＯ2 ＋Ｏ2對于Ｏ3的消耗起重要作用，此時Ｏ3自身分解以及與其他物質(zhì)的反應程度遠低于該基元反應；NＯ 和NＯ2的敏感度系數(shù)曲線幾乎完全對稱，說明Ｏ3對于NＯ 的直接氧化是生成NＯ2的重要途徑。本文主要對Ｏ3 / NＯ＞1時的N2Ｏ５生成及Ｈｇ０氧化機理進行研究。

在前人研究結(jié)果［16-17］ 的基礎上，本文提出了更為全面的反應機理，該機理包含ＳＯ2、NＯ、NＯ2、Ｏ3、Ｏ2、Ｈｇ、Ｈ2Ｏ、ＨＣｌ、ＨＦ 等４2 種物質(zhì)，由13８ 個基元反應構(gòu)成，基元反應動力學參數(shù)源于美國標準研究所NＩＳＴ 數(shù)據(jù)庫。通過拓展反應條件，利用該機理對Ｏ3與煙氣復雜成分中的NＯｘ 和Ｈｇ 的氧化進行深入研究，垃圾焚燒電廠煙氣條件見表1。