摘要：根据烧结烟气的主要特点及NOX的脱除方法,结合实际设计了一套完整的臭氧脱硝工艺。
引言
在工业生产过程中，有大量的烟尘和废气产生，在废气中含有大量的NOX，SO2和CO2等气体，其中氮氧化物主要为NO和NO2，通常把这两种氮氧化物称为NOX，其中NO含量占90%以上。NO虽然毒性不大，但是高浓度的NO会引起神经中枢障碍，而且它很容易转化为剧毒的NO2;NO2是棕色气体，有特殊的刺激性臭味，被吸入肺后能与肺部的水分结合生成可溶性硝酸，严重时会引起肺气肿。在大气中的氮氧化合物达到100×10-6～150×10-6的高浓度时，人连续呼吸30～60min便会中毒。另外，NOX也会损害动、植物，破坏臭氧层，是引起温室效应和酸雨的主要物质之一。因此，开展对NOX排放的治理具有极其重要的意义。
1烧结烟气的特点
烧结过程是一个高温燃烧条件下的复杂物理、化学过程，被抽入料层的空气与混合料中的燃料发生燃烧反应，燃烧释放的热量保证烧结物理、化学过程的进行，燃烧的烟气作为废气排放。烧结烟气相比于其他工业炉窑产生的烟气有如下特点：
(1)烟气量大。每生产1t烧结矿大约产生1500～3000m3的烟气。
(2)烟气温度变化大，一般在110～150℃范围波动。
(3)烟气携带粉尘较多，烟气中粗颗粒粉尘较多，粒径大于50μm的占30%以上。
(4)含湿量大，露点较高。按体积比计算，含湿量在10%左右，露点一般在65～80℃。
(5)烟气中含有腐蚀性和有毒气体，如HF，HCl，CO气体等。
(6)SO2和NOX浓度随铁矿原料和燃料的差异变化，SO2浓度一般在600～1000mg/m3范围内，可能高达2000～4000mg/m3;NOX浓度一般在200～350mg/m3范围内变化，最高达到600mg/m3左右。
(7)烟气的含氧量较高，通常在14%～17%。
2NOX的脱除方法及特点
2.1常用的脱硝方法
NOX气体的治理常采用还原法、氧化法和吸附法。
(1)还原法：通常采用NH3还原法;分为选择性催化还原(SCR)和选择性非催化还原(SNCR)，利用还原剂将NOX转化为N2排空。近年来，燃煤电厂大量使用选择性催化还原法(SCR法)，脱硝效率达到85%以上，而且运行费用较低，但要求烟气的温度较高，通常需大于280℃。
(2)氧化法：通常采用臭氧氧化法，是利用氧化剂将NOX转化为N2O5进而用水吸收生成硝酸盐，典型的工艺过程是低温氧化工艺(LOTOX);其脱硝效率较高，可以达到85%以上，但电耗较高，致使运行费用高。此方法适合于小规模的烟气脱硝，或者其他办法难以实现的脱硝场合。
(3)吸附法：分为活性炭法和活性焦法，采用活性炭或活性焦吸收烟气中的有害物质，通常用于同时脱除烟气中的SO2和NOX。这种方法需配套制酸系统，投资较高，运行成本高。
2.2脱硝方法的比较
(1)SCR法：由于烧结烟气的温度较低，处理时需要对烟气进行加温，尤其是对于现有的湿法脱硫烟气，所需加热燃料非常多，从而导致脱硝燃料成本大幅增加，企业难以承受。
(2)活性炭吸收法：由于活性炭吸收后需解吸制酸，需配套制酸系统，因此投资较大;从已经投产的设施运行情况看，所生产的酸产品含杂质较高，销价较低，运行费用高;另外还存在着着火问题，一旦着火会造成巨大的损失，对于中、小企业来说，经济上很难承受。
(3)臭氧氧化法：烧结烟气的NOX中95%为NO，而NO难溶于水，通过O3将NO氧化成NO2，然后通过碱液吸收生成硝酸盐，从而脱除烟气中的NOX。
目前大部分烧结厂的烟气NOX含量处于标准的临界点，在烧结生产过程中出现超标现象，但超过排放允许值并不多，所需要脱硝的量较少，因此采用臭氧氧化法脱硝是合适的。
3脱硝设计及实施
3.1设计的参数依据
以360m2烧结烟气脱硝为例，烧结初始烟气的NOX浓度为320mg/m3(10.67mol/m3)，SO2浓度为800mg/m3(12.5mol/m3)，含尘量为50mg/m3，烟气量为110万m3/h;脱硝后的烟气NOX浓度为270mg/m3(9mol/m3，国家排放标准为300mg/m3)。
3.2臭氧脱硝原理
脱硝化学反应式如下：
O3+NO=NO2+O2
O2+2NO2=2NO3
NO2+NO3=N2O5
N2O5+H2O=2HNO3
在脱硝过程中，臭氧与NO发生等摩尔反应。
另外当烟气中含有SO2，还会发生如下的反应：
O3+SO2=SO3+O2(在无催化剂情况下，臭氧脱除SO2效率较低)
3.3臭氧量的选择
初始烟气中的NOX摩尔浓度为：10.67mol/m3，SO2摩尔浓度为：12.5mol/m3，脱硝后的烟气的NOX摩尔浓度为：9mol/m3，所消耗的臭氧量为3.5mol/m3。实际需要的脱硝效率为：(10.67-9)/10.67=15.6%3.3.1烟气反应时间的影响通常吸收塔内的烟气流速为3～4m/s，臭氧的有效流动距离约为20～30m，因此臭氧在烟气中的停留时间约为：6～10s，取停留时间为8s。根据实验，臭氧脱硝效率约为65%，如图1所示。
仅考虑反应时间，则理论上所需的相对臭氧浓度为：15.6%/65%=24%;所需的臭氧浓度为：24%×10.67×48=122.3(mg/m3)。
3.3.2吸收液温度的影响
通常吸收液温度在50～70℃之间，取温度为55℃。在实验过程中，室温时臭氧对NOX的脱除效率为58.2%，在60℃时为28.8%。如图2所示，在55℃时，脱除效率为35%。
仅考虑吸收液温度，则理论上所需的相对臭氧浓度为：15.6%/35%=44.5%;所需的臭氧浓度为：44.5%×10.67×48=227.9(mg/m3)。
3.3.3臭氧浓度的影响
选取臭氧与NOX摩尔浓度之比为：mO3/mNO=0.45，根据图3实验值，脱硝效率约为35%。
仅考虑臭氧浓度对脱硝效率影响，则理论上所需的相对臭氧浓度为：15.6%/35%=44.5%;
当mO3/mNO=0.45，臭氧浓度为：0.45×10.67×48=230(mg/m3);
理论上所需的臭氧浓度为：44.5%×10.67×48=227.9(mg/m3);
因此仅考虑臭氧浓度的影响，则所需的臭氧浓度应选为230mg/m3。
综合以上各种因素考虑，并取保险系数为1.1，
则臭氧浓度应选为：230×1.1=253(mg/m3)。
3.3.4烟气中SO2的影响
在没有催化剂的情况下，臭氧对SO2的脱除效率约为30%(温度对脱硫影响小，不考虑温度影响)，因此烟气中SO2消耗的臭氧量为：
10.67×0.3×(10.67/12.5)×48=131(mg/m3)
由于131+(320-270)=181(mg/m3)<253(mg/m3)，因此在本设计系统中，可以不考虑烟气中的SO2对脱硝效率的影响。
3.3.5综合选择
在目前已运行的臭氧脱硝系统中，脱硝效率大约在35%～50%之间，这是由于实际运行过程中，臭氧脱硝的机理更复杂，臭氧浓度、吸收液温度、反应时间及吸收液浓度等相互都有影响。参考实际已投运的设施，臭氧发生量选择为253×110×10000/1000000=278(kg/h)因此可选择2台150kg/h或3台100kg/h臭氧机，建议选用3台100kg/h臭氧机。
3.4臭氧氧化工艺流程
臭氧氧化工艺流程如图4所示。
3.5臭氧脱硝的主要设备
臭氧脱硝工艺所需的主要设备如表1所示。
4结束语
(1)臭氧脱硝装置设备简单，运行及维护简便，投资费用低于活性炭法和SCR法。
(2)臭氧脱硝法适用于湿法脱硫系统，利用脱硫塔作为吸收塔，脱硫液作为吸收液;烟气中的NOX经臭氧氧化后，通过吸收液吸收生成硝酸盐外排。
对于干法或半干法脱硫系统，则需增加吸收塔，用于吸收臭氧氧化后的NO2，NO3，N2O5等气体，生成硝酸盐;因此投资及运行费用均较湿法为高。
(3)在脱硝量需求较小时(脱硝效率小于40%时)，臭氧脱硝工艺运行费用低于活性炭法和SCR法。
(4)硝酸盐的溶解度远高于硫酸盐，很难通过结晶和沉淀来去除溶液中的硝酸盐离子，为了保证脱硝效率及降低系统腐蚀性，需外排一部分水，用来降低溶液中的硝酸盐浓度。
原标题：烧结烟气臭氧脱硝工艺设计
