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原文传递基于O3--Na2SO3/Urea体系的船舶NOx和SO2一体化脱除方法及机理研究

论文题名：	基于O3--Na2SO3/Urea体系的船舶NOx和SO2一体化脱除方法及机理研究
关键词：	船舶发动机;脱硫脱硝;湿法脱除
摘要：	远洋航运业的迅猛发展使得船舶发动机废气排放造成的危害日趋严重，IMO及各国政府对船舶发动机的NOx和SO2排放限制也日趋严格。为了减少对船舶和发动机的影响，航运业迫切需求NOx和SO2湿法一体化脱除技术。现有一体化脱除技术存在NOx脱除效率低、硝酸盐和亚硝酸盐残留浓度高及尿素浓度高等问题。针对航运业的需求和现有技术存在的问题，本文开展了氧化还原吸收体系的研究。在获取NOx和SO2高效脱除及硝酸盐生成抑制的控制机理基础上，创新地构建了O3-Na2SO3/Urea复合体系，进一步提升了NOx和SO2脱除能力，实现了超低硝酸盐排放，并提出了复合体系的NOx脱除效率模型和满足排放法规要求的参数优选方案。本文主要工作如下: 　　以通过高效氧化NO实现NOx高效脱除，降低液相氧化剂与尿素自反应对尿素的消耗为目标，对O3-Urea体系一体化脱除NOx和SO2方法开展了系统的研究。研究表明，在该体系中，臭氧浓度和体系酸碱度对NOx脱除效率的影响尤为关键，SO2脱除效率仅随NO浓度的升高而小幅度升高，中性条件和SO2浓度较高条件下亚硝酸盐残留量极低。臭氧对NO的氧化过程为驱动一体化脱除过程的主要反应路径。NOx和SO2一体化脱除总反应为可完全自发进行的不可逆放热反应，NOx脱除反应级数为1.123。最优实验条件下，尿素浓度仅为0.3mol/L时，NOx和SO2脱除效率分别为96.63％和99.56％，硝酸盐浓度和硝酸氮有效占比却分别为43.94mg/L和32.3％。　　为提高NOx还原脱除效率，有效切断通过NOx水解反应生成大量硝酸盐的反应路径，开展O3-Na2SO3体系一体化脱除NOx和SO2实验与机理研究。研究表明，SO2与亚硫酸根离子的反应是SO2高效脱除的关键路径。O3-Na2SO3体系的NOx脱除效率明显高于O3-Urea体系，亚硫酸钠对NOx的还原过程是O3-Na2SO3体系硝酸盐浓度较低和NOx脱除效率较高的主要原因。NOx和SO2的主要反应产物为亚硝酸盐、N2及硫酸盐等。O3-Na2SO3体系中，NOx和SO2一体化脱除过程是可完全自发进行的不可逆放热反应，NOx脱除反应级数为1.08，氧气浓度、SO2浓度及温度对反应速率常数的影响较小。O3-Na2SO3体系可明显提高NOx脱除效率，但该体系中较高的亚硝酸盐浓度对NOx的高效脱除或硝酸盐超低残留产生不利。　　为保证NOx和SO2的一体化高效脱除，解决O3-Na2SO3体系中由于还原反应引起的亚硝酸盐浓度较高的问题，同时进一步降低硝酸盐浓度，在单一体系研究的基础上，创新地构建了O3-Na2SO3/Urea复合体系。在复合体系中，Na2SO3浓度的升高能明显提高NOx脱除效率，而尿素浓度的升高对NOx脱除效率提升作用不明显，亚硫酸钠对NOx的还原过程是硝酸盐和亚硝酸盐低浓度残留的重要控制路径，尿素对亚硝酸盐的低浓度残留起关键作用。复合体系的NOx脱除反应级数为0.965，总反应速率明显高于O3-Urea体系，当臭氧浓度较低时，复合体系对O3-Urea体系的增强因子明显偏大。复合体系中，NOx和SO2主要被转化为氮气和硫酸盐，NOx和SO2的脱除效率分别为98％和99.57％，硝酸盐和亚硝酸盐的残留浓度分别仅为14.35mg/L和17.14mg/L，硝酸氮的有效占比仅为10.36％。　　针对复合体系中NOx脱除效率与主要参数关系不明确的问题，本文提出了复合体系的NOx脱除效率预测模型。研究发现，模型的p值小于0.0001，F值为123.23。臭氧浓度平方项对响应结果的影响最大，模型的预测值和实验值呈现出高度一致性，预测值与实验值偏差不高于1.50％。在弱碱性环境中，温度对NOx脱除效率产生明显影响。当NOx脱除效率一定时，弱酸性条件下所需的臭氧浓度更低。
作者：	张钊
专业：	轮机工程
导师：	周松
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2022