CN108554142B - 一种脱除电弧风洞超高浓度NOx的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种脱除电弧风洞超高浓度NO_x的系统，包括设有第一进气口和第一出气口的前置喷淋吸收塔，还包括：活性分子反应器，用于将所述第一出气口输出的废气与臭氧混合；后置喷淋吸收塔，设有与所述活性分子反应器的出气口连接的第二进气口以及输出已处理废气的排气口；引风机，提供废气从前置喷淋吸收塔、活性分子反应器以及后置喷淋吸收塔通过的动力；本发明的脱除电弧风洞超高浓度NO_x的系统和方法，采用先吸收，后氧化，再吸收的思路，大大的降低了投资和运行成本，而且实现了吸收液的再利用，无污染物排放，具有节能环保的优点。

Description

一种脱除电弧风洞超高浓度NOx的系统及方法

技术领域

本发明涉及污染物脱除技术领域，特别涉及一种脱除电弧风洞超高浓度NO_x的系统及方法。

背景技术

电弧风洞是导弹、卫星和宇宙飞船等高超声速飞行器研制的核心试验设备，作为防热试验的主力设备之一，为国防建设做出巨大贡献，但在其试验过程中，会产生红棕色气体，主要成分为高浓度的氮氧化物(NO_x)。实测发现，当某电弧风洞以300g/s的气量进行高焓值试验时，废气中NO_x的浓度高达60000ppm。

排放到大气中的氮氧化物不仅对人们的身体健康，而且还有我们生存的自然环境都有着巨大的危害：(1)氮氧化物是人们身体健康的冷血杀手，高浓度的NO_x对人体、设备、环境均会造成一定程度的危害。对人体的损害主要体现在呼吸道上，中国《工业企业设计卫生标准》规定居住区大气中二氧化氮最高一次容许浓度为0.15mg/m³(0.073ppm)。人体在0.5ppm 的NO_x下长期接触，会引起人体呼吸道症状，导致肺胶原纤维变性，局部肺泡壁增厚；随着NO_x浓度的升高，人体会逐渐表现为咽部不适、干咳、呼吸异常、肺水肿、呼吸窘迫综合征、血液缺氧而引起中枢神经麻痹，甚至当NO_x浓度＞200ppm时极有可能致人死亡。(2)氮氧化物是生态环境的慢性毒药，NO_x对环境的污染主要表现在形成酸雨、光化学烟雾及破坏臭氧平衡上，其中酸雨又会造成设备腐蚀、植物死亡等。

当前现有的NO_x废气处理技术按照燃烧过程不同可分为：燃烧前控制技术、燃烧中控制技术和燃烧后控制技术。考虑到电弧风洞的参数要求，根据其工作原理、工作要求，电弧加热器所产生的NO_x的控制只能通过燃烧后控制技术入手。现有的燃烧后NO_x控制技术主要有吸收法、固体吸附法、催化氧化法、催化还原法。

吸收法是利用NO_x从气相传递到液相的相际过程实现NO_x的脱除，主要适用于中小工业企业低流量、低浓度的NO_x废气，其处理电弧风洞超高浓度NO_x废气时存在净化效率不高、会消耗大量吸收剂、吸收液需进行后续处理等问题。

固体吸附法是利用废气中一种或几种组分被浓集于固体表面实现 NO_x脱除的方法，主要应用于小型燃煤电厂、工业炉的低流量、低温、低浓度的NO_x烟气，在处理电弧风洞超高浓度NO_x废气时存在设备体积大、投资及运行成本较高、吸收后仍需后续处理、存在二次污染的可能性等问题。

催化氧化法是在催化剂作用下将NO部分氧化成NO₂，再利用吸收剂吸收脱除NO_x的方法，主要应用于热电厂、工业炉的低温、低流量、中低浓度烟气，其净化效率较高，但投资及运行成本很高、需进行后续处理。

催化还原法是在一定的温度和催化剂作用下将NO_x还原为N₂脱除 NO_x的方法，当前被广泛应用于燃煤电厂的大流量、低NO_x浓度、300～350℃的烟气的NO_x脱除，由于催化剂要求较高的温度窗口，在处理电弧风洞常温的废气时，需要将废气加热到300℃以上，需建设投资很大的加热设备，且运行能耗较高，此外电弧风洞超高浓度的NO_x会导致催化剂中毒，活性失效。

综上所述，到目前为止，常规的NO_x脱除技术虽然原理上能实现电弧风洞超高浓度NO_x的脱除，但存在投资、运行成本高，脱除后的产物可能依然对环境有害的弊端，所以并不适合应用于处理电弧风洞超高浓度NO_x废气。

发明内容

本发明提供了一种脱除电弧风洞超高浓度NO_x的系统，具有投资及运行成本低、无后续次生污染、系统结构简单等优点。

一种脱除电弧风洞超高浓度NO_x的系统，包括设有第一进气口和第一出气口的前置喷淋吸收塔，还包括：

活性分子反应器，用于将所述第一出气口输出的废气与臭氧混合；

后置喷淋吸收塔，设有与所述活性分子反应器的出气口连接的第二进气口以及输出已处理废气的排气口；

引风机，提供废气从前置喷淋吸收塔、活性分子反应器以及后置喷淋吸收塔通过的动力。

本发明的脱除电弧风洞超高浓度NO_x的系统通过设置前置喷淋吸收塔，电弧风洞试验产生的废气中NO_x浓度最高可达60000ppm甚至更高，经过前置喷淋吸收塔的碱液喷淋吸收后NO_x浓度大大降低，碱液对NO_x的吸收效率明显下降，且NO不溶于水，然后再通过活性分子反应器利用臭氧氧化NO_x生成易被碱液吸收的高价氮氧化物，使废气达到国家排放标准。

在所述第一进气口的管路上安装有废气入口滤网，流量计和气体成分测量仪，用来过滤废气中的杂质颗粒以及用来测量废气的流量和气体浓度。在碱液母管上安装pH计，监测碱液pH，喷淋的碱液pH小于等于8时，排出吸收液，补充新的碱液。

本发明首先用前置喷淋吸收塔对超高浓度NO_x废气进行初步吸收，然后用臭氧把低浓度的NO_x快速氧化成易被碱液吸收的高价氮氧化物，再用碱液对高价氮氧化物进行吸收，有效减少喷淋吸收塔以及臭氧发生器的投资规模，大大降低了投资成本。

为了使NO₂与碱液有充足的反应时间，同时使NO向NO₂转化，前置喷淋吸收塔分为两个塔，保证了喷淋吸收塔的高度和大小，塔太高造价和安装成本上升，塔的直径过大会造成塔内废气流速的不均匀，优选的，所述前置喷淋吸收塔设有两级。

所述前置喷淋吸收塔或/和后置喷淋吸收塔的塔体内部通过多孔板分隔成上下层，上层布置多层喷嘴，下层设有对应的进气口。为了提高喷淋吸收效率，同时使喷淋吸收塔内废气流速均匀，在喷淋吸收塔内安装多孔板。多孔板安装在喷淋吸收塔废气入口上方，废气经过多孔板向上流动，喷淋的碱液经过多孔板向下流到塔底，二者流动方向相反，增加了扰动，有利于废气的吸收。

优选的，所述引风机安装在所述第一出气口上。引风机安装在前置喷淋吸收塔的出口，使前置喷淋吸收塔内为负压，防止了超高浓度NO_x废气的泄漏。

优选的，还包括连接前置喷淋吸收塔和后置喷淋吸收塔底部的母管，所述母管通过增压泵实现循环喷淋。并且喷淋吸收塔排出碱液母管上安装有pH计，监测碱液的pH值。

本发明的喷淋吸收塔(包括前置和后置)设有多层喷嘴，例如设置五层，并且多层喷嘴分成多组分别控制，例如分成两组，对应的，增压泵分为两台，一台为喷淋吸收塔的上三层喷嘴提供碱液，另一台为喷淋吸收塔的下两层喷嘴提供碱液。从而可以根据废气浓度和流量调整喷嘴工作的数量，降低能耗。

本发明在前置喷淋吸收塔的入口安装流量计和气体成分测量仪，控制喷嘴的投运层数；在活性分子反应器入口安装气体成分测量仪，控制臭氧的生成量；在后置喷淋吸收塔的出口安装气体成分测量仪，监控废气排放是否达标。

一种脱除电弧风洞超高浓度NO_x的方法，包括以下步骤：

(1)超高浓度的NO_x废气进入前置喷淋吸收塔；超高浓度的NO_x被喷淋的碱液吸收，同时促进NO向NO₂的转化，废气中NO浓度降低；

(2)经过步骤(1)碱液吸收的废气在引风机的作用下进入活性分子反应器，废气中的NO_x与臭氧发生反应生成易被碱液吸收的高价氮氧化物；

(3)高价氮氧化物进入后置喷淋吸收塔被碱液吸收，NO_x浓度达到国家排放标准。

为了提高脱除效率，优选的，步骤(1)中，废气在前置喷淋吸收塔内停留时间大于30s。进一步优选的，废气在前置喷淋吸收塔内停留时间大于45s。从而使NO₂与碱液有充足的反应时间，同时使NO向NO₂转化。

电弧风洞以高焓值运行时，废气中NO_x浓度最高可达60000ppm，且 NO占比超过80％，直接采用臭氧氧化投资成本太高，在步骤(2)中，超高浓度的NO_x废气经过碱液喷淋吸收后NO_x浓度大大降低，减小了臭氧发生器的投资规模。

与燃煤锅炉烟气不同，电弧风洞废气中氧的浓度接近20％，较高的氧浓度有利于NO向NO₂转化。优选的，步骤(1)中，保证废气的停留时间大于45s，一方面使NO₂与碱液有充足的反应时间，另一方面促使NO 向NO₂转化；而且在吸收过程中，NO₂浓度下降，有利于NO向NO₂转化。

实验研究发现废气中NO_x浓度降低时，碱液对NO_x的吸收效率明显下降，废气停留时间45s，进口NO₂浓度是20000ppm和5000ppm时，碱液的吸收效率分别为92％和63％。为了避免建设更多的喷淋吸收塔以实现废气达标排放，在步骤(2)中，利用臭氧氧化NO_x生成易被碱液吸收的高价氮氧化物，减少了喷淋吸收塔的投资规模。优选的，步骤(1)中，所述超高浓度的NO_x废气浓度为20000ppm～70000ppm。进一步优选的，所述超高浓度的NO_x废气浓度为40000ppm～60000ppm。

为了使废气的NO_x在步骤(1)中被充分吸收，优选的，步骤(2)中，所述经过步骤(1)碱液吸收的废气NO_x浓度为1000ppm～4000ppm。上述范围的浓度已经不适合直接再通过碱液吸收，排出进入活性分子反应器反应。进一步优选的，所述经过步骤(1)碱液吸收的废气NO_x浓度为 2000ppm～3000ppm。

在步骤(1)和(2)中，喷淋的碱液可以是NaOH，Na₂CO₃，KOH， NaClO等，为了实现喷淋吸收后的溶液再利用，优选的采用KOH溶液，多次循环喷淋后主要生成KNO₃，经过pH调节后可以直接用作复合肥料。优选的，步骤(1)中，喷淋的碱液采用KOH溶液。喷淋的碱液主要成分是KOH，吸收NO_x后生成KNO₃，经过pH调节后可以直接用作复合肥料。

在活性分子反应器中，加入的臭氧先与废气中的NO反应生成NO₂，该过程在毫秒级的时间内完成，随后多余的臭氧再和NO₂反应生成N₂O₅，为了减少臭氧的逃逸，同时保证NO_x被氧化成易被碱液吸收的高价氮氧化物(N₂O₅)，优选的，步骤(2)中，臭氧与废气中的NO_x的摩尔比为1.2～1.8。进一步优选的，臭氧与NO_x的摩尔比为1.3～1.5，摩尔比的计算方法如下：

其中，

为臭氧的浓度，单位ppm；

c_NO为前置喷淋吸收塔NO的浓度，单位ppm；

为前置喷淋吸收塔NO_x的浓度，单位ppm。

本发明的有益效果：

本发明的脱除电弧风洞超高浓度NO_x的系统和方法，采用先吸收，后氧化，再吸收的思路，大大的降低了投资和运行成本，而且实现了吸收液的再利用，无污染物排放，具有节能环保的优点。

附图说明

图1为本发明的脱除电弧风洞超高浓度NO_x系统的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的技术手段、创作特征、工作流程、使用方法易于了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。

如图1所示，本实施例的脱除电弧风洞超高浓度NO_x系统包括前置喷淋吸收塔1，前置喷淋吸收塔2，后置喷淋吸收塔3，作为废气来流入口4 的第一进气口，滤网5，流量计6，气体成分测量仪7，多孔板8，喷嘴组9，气体成分测量仪10，引风机11，臭氧发生器12，活性分子反应器13，除雾器14，废气排放气体成分测量仪15，烟囱16，碱液池17，pH计18，增压泵19和增压泵20。

电弧风洞以高焓值运行时，废气中NO_x浓度最高可达60000ppm，直接采用臭氧氧化投资成本太高，本实施例中前置喷淋吸收塔1和前置喷淋吸收塔2先对超高浓度NO_x废气进行初步吸收，降低废气中NO_x浓度 (5000ppm以下)。

废气中NO_x浓度降低时，碱液对NO_x的吸收效率明显下降，当废气在前置喷淋吸收塔停留时间45s，进口NO₂浓度是20000ppm和5000ppm 时，碱液的吸收效率分别为92％和63％。所以用臭氧把前置喷淋吸收塔的第一出气口的低浓度的NO_x快速氧化成易被碱液吸收的高价氮氧化物，再用碱液对高价氮氧化物进行吸收，大大降低了系统投资成本。

为了提高碱液对超高浓度NO_x废气的吸收效率，前置喷淋吸收塔分为两个塔，使NO₂与碱液有充足的反应时间。同时由于NO不溶于水，而废气中氧的浓度接近20％，这样较高的氧浓度、较长的停留时间及NO₂被碱液吸收浓度下降，非常有利于NO向NO₂转化，间接实现了NO的吸收。

此外，前置喷淋吸收塔设计成两个塔的益处在于保证了喷淋吸收塔的高度和大小，塔太高造价和安装成本上升，塔的直径过大会造成塔内废气流速的不均匀。

为了进一步提高碱液对NO_x的吸收效率，同时保证吸收塔内废气流速均匀，在喷淋吸收塔(包括前置和后置)内安装多孔板8。多孔板8安装在喷淋吸收塔废气入口上方，废气经过多孔板向上流动，喷淋的碱液经过多孔板向下流到塔底，二者流动方向相反，增加了扰动，有利于废气的吸收。

在活性分子反应器13中，加入的臭氧先与废气中的NO反应生成NO₂，该过程在毫秒级的时间内完成，随后多余的臭氧再和NO₂反应生成N₂O₅，为了减少臭氧的逃逸，同时保证NO_x被氧化成易被碱液吸收的高价氮氧化物(N₂O₅)，实施例中臭氧与NO_x的摩尔比为1.5。

为了实现系统的自动控制，在前置喷淋吸收塔的入口安装流量计6和气体成分测量仪7，控制喷嘴的投运层数，当入口废气流量或NO_x浓度低于设计值的60％时，只运行增压泵20，投用上三层喷嘴组；在活性分子反应器13入口安装气体成分测量仪10，根据NO_x浓度计算需要的臭氧的量，进一步控制臭氧的生成量；在后置喷淋吸收塔的第二出气口安装气体成分测量仪15，监控废气排放是否达标，若未达标，根据测量值适当增加臭氧的加入量。

为了防止废气中的固体颗粒杂质进入吸收液，堵塞喷嘴，在废气入口安装滤网5，过滤电弧风洞烧蚀试验产生的固体颗粒及管道内的铁锈。

为了防止超高浓度NO_x废气的泄漏造成人员伤害和环境污染，将引风机11安装在前置喷淋吸收塔2的出口，这样前置喷淋吸收塔内为负压，减小了高浓度废气泄漏的风险。

实施例中为了实现喷淋吸收后的溶液再利用，采用KOH溶液，多次循环喷淋后主要生成KNO₃，经过pH调节后直接用作复合肥料。

脱除电弧风洞超高浓度NO_x系统运行过程中监测碱液的pH值，当pH 小于等于8时，排出吸收液，补充新的碱液。

本实施例的电弧风洞试验废气NO和NO₂浓度分别是5240ppm， 17353ppm，经过两个前置喷淋吸收塔后的浓度为1346ppm，935ppm，臭氧与NO_x的摩尔比为1.5，最后废气排放中NO浓度接近0，NO₂浓度 83ppm，系统总的脱除效率高达99.6％。

本实施例的脱除电弧风洞超高浓度NO_x的方法，包括如下步骤：

(1)根据图1搭建脱除电弧风洞超高浓度NO_x的系统；

(2)开启增压泵实现碱液喷淋循环，再开启引风机11；

(3)电弧风洞试验产生的废气经过滤网5，烧蚀产生的固体颗粒及管道内的铁锈被过滤；

(4)废气进入前置喷淋吸收塔，超高浓度的NO₂被喷淋的碱液吸收，同时促进NO向NO₂的转化，废气中NO浓度降低，间接实现NO的吸收；

(5)经过碱液吸收的废气在引风机11的作用下进入活性分子反应器 13，废气中的NO_x与臭氧发生反应生成易被碱液吸收的高价氮氧化物；

(6)高价氮氧化物进入后置喷淋吸收塔3被碱液吸收，保证烟囱16 出口NO_x浓度达到国家排放标准；

(7)步骤(2)和步骤(4)中吸收NO_x的碱液在三个喷淋吸收塔底汇集到母管，在增压泵19、20的作用下实现循环喷淋；

(8)多次吸收后吸收液中主要是硝酸盐，排出吸收液，补充新的碱液，调节排出吸收液的pH，利用吸收液做复合肥料；

(9)试验结束后先关引风机11再关增压泵19、20。

综上所述，本实施例的脱除电弧风洞超高浓度NO_x的系统和方法，大大的降低了投资和运行成本，而且实现了吸收液的再利用，无污染物排放，具有节能环保的优点。

Claims (9)

1.一种脱除电弧风洞超高浓度NO _x 的系统，包括设有第一进气口和第一出气口的前置喷淋吸收塔，其特征在于，还包括：

活性分子反应器，用于将所述第一出气口输出的废气与臭氧混合，在所述活性分子反应器中，臭氧与废气中的NO _x 的摩尔比为1.2~1.8；

后置喷淋吸收塔，设有与所述活性分子反应器的出气口连接的第二进气口以及输出已处理废气的排气口；

引风机，提供废气从前置喷淋吸收塔、活性分子反应器以及后置喷淋吸收塔通过的动力；

所述前置喷淋吸收塔设有两级；所述超高浓度的NO _x 废气浓度为20000ppm~70000ppm，且NO占比超过80%；废气在所述前置喷淋吸收塔内停留时间大于45s；

电弧风洞试验产生的废气经过所述前置喷淋吸收塔的碱液喷淋吸收后NO _x 浓度降低，然后通过所述活性分子反应器利用臭氧氧化NO _x 生成易被碱液吸收的高价氮氧化物，脱除低浓度的NO _x 。

2.如权利要求1所述的脱除电弧风洞超高浓度NO _x 的系统，其特征在于，所述前置喷淋吸收塔或/和后置喷淋吸收塔的塔体内部通过多孔板分隔成上下层，上层布置多层喷嘴，下层设有对应的进气口。

3.如权利要求1所述的脱除电弧风洞超高浓度NO _x 的系统，其特征在于，所述引风机安装在所述第一出气口上。

4.一种脱除电弧风洞超高浓度NO _x 的方法，其特征在于，使用如权利要求1~3任一所述的脱除电弧风洞超高浓度NO _x 的系统，包括以下步骤：

（1）超高浓度的NO_x废气进入前置喷淋吸收塔；

（2）经过步骤（1）碱液吸收的废气在引风机的作用下进入活性分子反应器，废气中的NO _x 与臭氧发生反应生成易被碱液吸收的高价氮氧化物；

（3）高价氮氧化物进入后置喷淋吸收塔被碱液吸收，NO _x 浓度达到国家排放标准。

5.如权利要求4所述的脱除电弧风洞超高浓度NO _x 的方法，其特征在于，步骤（1）中，废气在前置喷淋吸收塔内停留时间大于30 s。

6.如权利要求4所述的脱除电弧风洞超高浓度NO _x 的方法，其特征在于，步骤（1）中，所述超高浓度的NO_x废气浓度为20000ppm~70000ppm，且NO占比超过80%。

7.如权利要求4所述的脱除电弧风洞超高浓度NO _x 的方法，其特征在于，步骤（2）中，所述经过步骤（1）碱液吸收的废气NO _x 浓度为1000ppm~4000ppm。

8.如权利要求4所述的脱除电弧风洞超高浓度NO _x 的方法，其特征在于，步骤（1）中，喷淋的碱液采用KOH溶液。

9.如权利要求4所述的脱除电弧风洞超高浓度NO _x 的方法，其特征在于，步骤（2）中，臭氧与废气中的NO _x 的摩尔比为1.2~1.8。

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