摘 要：本文阐述一种以空气清洗技术为核心，基于空气动力学和流体力学，并以空气作为还原剂，能在常温下同步脱硫脱硝的技术。此技术开始进入实际工业应用，并在常温下 大气量脱除烟气中氮氧化物，为我国大气治理创出了一条新路。
    关键词：常温脱硝；同步；NOx脱除率；脱硫率；空气清洗 DOI:10.3772/j.issn.1009-5659.2017.0.

1 空气清洗技术
    空气清洗技术是一种全新型集烟气除尘、脱硫、脱硝为一体的工艺系统技术。其原理是利用高速旋转叶轮产生的离心力，使烟尘中各类分子瞬间获得巨大能量，产生较高的加速度，沿着叶轮转动方向产生的流场运动，气流与环形水幕墙发生激烈碰撞，气体中粒子被高压的液相所吸收，物理性粒子被液相吸收，而气体中化学性分子在液相中发生反应。由于空气的比重较小，可以在水幕墙前划过，而有害的分子物质能被水流带走。
     空气清洗技术具有以下几项特点：
     （1）空气清洗技术的吸收区域内物理和化学反应剧烈。高速气流使气相膜变薄，同时高速水流能使液相膜变薄（为普通液相膜的1/3～1/4），这大幅度拉近气液两相分子交换的距离，使气相粒子更容易进入液相的环境中；
     （2）因为高速离心叶轮的存在，系统自动产生负压，可以省去常规引风机，或根据工艺实际需求减小常规风机的能耗；
     （3）系统能同时吸收污染性化学气体和细段粉尘颗粒物，做到除尘、脱硫、脱硝三合为一。

2 反应机理
    空气清洗机的运作原理和环形水幕墙的设计造就了如下反应环境：在设备内部高速离心力的作用下产生高速气流和高压的环境，高速高压令气相的气膜变薄，同时具有高速水流的液膜也会变薄，气液接触时两相分子的交换更充分。横向气流在冲击水幕墙时产生漩涡，增加气液两相表面接触时间。
    气体单位进入液相水膜层时，液相把整个气体包裹，此时的气相局部压力大，液相压强小，气相在液相中产生极微小的气泡，当液相继续流动后其气液两相总压力下降，但液相压强增大，这种压力差使气泡破裂，释放巨大能量，包裹在气体内的粒子（物理和化学性分子）裸露出来，被液相吸收。这种能促进气液间化学反应的现象被称为空气泡现象。
    空气清洗机的化学反应机制是利用上述优良的气液交换环境，使用不同的吸收剂吸收不同化学性污染物。

3 同步脱硫脱硝
    二氧化硫（SO2）和氮氧化物属于酸性气体，都可用碱性吸收液进行吸收，经实践验证，采用氢氧化钙[Ca(OH)2]作为吸收液和采用氢氧化钠作为吸收液的脱硫率和脱硝率效果相当。
    从常温脱硝工艺的角度进行分析，因为原烟气中普遍存在的气体是一氧化氮（NO），而NO与碱性吸收液反应的效率低，所以在烟气与吸收液反应前需把NO转化为二氧化氮（NO2）。空气清洗技术工艺中设置缓冲氧化段，主要目的是制造一个相对封闭的“自然化环境形态”。该阶段定量吸入部分外部空气，烟气浓度得到缓冲，内部气流速度缓慢，降低烟气温度，增加气相分子接触时间，使NO在这“趋向自然”的环境中稳定转化NO2。学术上称这类空间为“二次流空间”。
    烟气经过缓冲氧化后进入空气清洗机，二氧化硫（SO2）和氮氧化物（NOx）同时被相应的碱性溶液所吸收，生成相应的副产物。
    通常采用Ca(OH)2和NaOH作为碱性吸收液使用，发生的化学反应如下所示：
    （1）以Ca(OH)2作为吸收剂
    脱硫阶段：
        Ca(OH)2＋ SO2 → CaSO3·1/2H2O ＋ 1/2H2O
        2CaSO3·1/2H2O ＋ O2＋ 3H2O → 2 CaSO4·2H2O
    脱硝阶段：
        2Ca(OH)2＋4NO2 → Ca(NO3)2＋Ca(NO2)2＋2H2O
        Ca(OH)2＋NO2＋NO → Ca(NO2)2＋H2O
    （2）以NaOH作为吸收剂
     脱硫阶段：
        2NaOH + SO2→Na2SO3 + H2O
    脱硝阶段：
        NaOH＋NO2 → NaNO3＋NaNO2＋H2O
        2NaOH＋NO2＋NO → 2NaNO2＋H2O
    空气清洗机内部的核心反应区产生的高速气流令流经的每一段烟气分子分布均匀，在保证了气相与环形水幕墙接触时有足够气液接触面积的前提下，就保证气相SO2分子与NOx分子能同时与液相溶质分子发生反应并被吸收。

4 实际工业应用案例
    以湖北省咸宁市通城县某工厂为例，该厂于2017年4月加装1整套空气清洗装置，用于治理厂内4吨/小时工业燃煤锅炉排放的烟气，目标是达到零排放标准。该锅炉以燃烧中硫煤为主（产地内蒙古），锅炉烟气量约为1.6万标准立方米/小时，锅炉后原配有喷淋水塔但已失效，装配引风机进行排烟。
    空气清洗脱硫脱硝装置放置于原系统后方，从原烟道引出一条侧烟道进入第一级缓冲混气房（缓冲氧化空间），第一级混气房后接第一级空气清洗机，第一级空气清洗机上部排气进入第二级混气房，第二级混气房后接第二台空气清洗机，第二台空气清洗机处理后直接外排。

原烟气

第一级 混气房

第一级 清洗机

第二级混气房

第二级 清洗机

外排

图1

    采用NaOH作为清洗用吸收液。
    在混气房与侧烟道相连接的位置增加了外部空气的引入通道，吸入0.2～0.4倍于原烟气量的外部空气。
    实地检测结果：
    （1）当地环保局委派检测单位对实时工况进行检测（检测仪器为青岛明华YQ3000-C型），原烟气SO2浓度为1 545毫克/立方米（mg/m³），一级清洗后浓度为59mg/m³，两级清洗后浓度为21mg/m³。

图2

    原烟气NOx浓度为159mg/m³，一级清洗后浓度为26mg/m³，两级清洗后浓度为12mg/m³。
    原烟气含氧量为13.3%，一级清洗后为15.5%，两级清洗后为16.2%。
    每次吸入外部空气口气体中氧含量都有增加，烟气温度都有下降，排烟温度达到 33.6℃。经过第一级空气清洗机处理后的SO2和NOx的浓度都大幅度下降，单机脱硫率达到95.18%，脱硝率达到83.65%；两级脱硫率达到98.64%，两级脱硝率达到92.45%。处理后的烟气达到锅炉烟气超净排放的标准。

图3

    （2）某合作单位对该工艺系统进行检测（检测仪器为Testo-350），这次工况锅炉加大了燃烧负荷，SO2和NOx的浓度有所提升，增加了混气房的检测点。
    原烟气SO2浓度为2 177.86mg/m³，混气房浓度为1 345.18mg/m³，一级清洗后浓度为2.86mg/m³，两级清洗后浓度为0mg/m³。
    原烟气NOx浓度为482.5mg/m³，混气房浓度为286.4mg/m³，一级清洗后浓度为5.49mg/m³，两级清洗后浓度为4.39mg/m³。

图4

图5

    实测第一级混气房前后烟气氧含量增加约3%，第二级增加约1%。对烟气折算指标有影响。
    排烟温度是31.94℃。
    锅炉高温燃烧下产生的NOx中NO占绝大多数，通过混气房内的反应环境和外部空气中氧气的作用下NO有相当部分向NO2转化。
    该次实测烟气浓度表明一级空气清洗机处理后烟气的SO2和NOx的浓度也大幅度下降。

5 结 论
    （1）空气清洗技术对烟气中二氧化硫和氮氧化物有良好的去除效果，能瞬间彻底脱硫，在常温下能高效脱硝；
    （2）缓冲空间和混气工艺能利用外部空气在常温下氧化氮氧化物的NO，使其转化为更容易被吸收的NO2；
    （3）空气清洗机能同步去除颗粒物、二氧化硫和氮氧化物，工艺系统具有高度灵活性；
    （4）空气清洗机的运作机制使设备前后产生正负压，能为系统提供能量，降低总系统的能耗。