生物法烟气脱硝技术在集中供热锅炉中的应用

陈玉佳

(晋能控股煤业集团云岗矿环保科污水处理厂，山西 大同 037003)

0 引言

集中供热是我国北方居民冬季所采用的主要供暖方式，其以蒸汽或者热水作为传统载体将热能供给终端用户。由于集中供暖具有高效率、低燃料成本以及占地面积少等优势被广泛应用。通过大数据分析，由于冬季集中供暖，我国北方城镇的冬季空气污染严重，主要表现为PM2.5超标，而氮氧化物是集中供热锅炉所排放的主要污染物[1]。因此，为解决集中供热对空气造成的污染，相关部门应对集中供热锅炉所排放的烟气进行脱硝处理。本文重点基于生物法对集中供热锅炉烟气中的硝元素进行脱除处理。

1 实验设计

目前，基于生物法对集中供热锅炉烟气进行脱硝处理还处于实验室阶段，其关键需要突破的难题在于如何提高生物滴滤塔的生化去除量[2]。本文将通过实验的方式对基于生物法脱硝的最佳生物填料进行筛选，并通过对不同操作参数对烟气脱硝效率的影响进行对比，从而对相关工艺进行优化设计。

1.1 实验装置

根据上述的实验需求，需要准备烟气分析仪、紫外分光光度计、转子流量计、酸度计、显微镜、电子天平、蒸馏水制备器、压力蒸汽灭菌锅、马弗炉等仪器，需要准备硫酸、氯化钾、草酸铵、无水乙醇、氢氧化钠、结晶紫等化学试剂[3]。本实验需要在实验室条件下模拟集中供热锅炉的烟气的氮氧化物，实验流程如图1所示。

图1 生物滴滤塔模拟集中供热锅炉氮氧化物流程图

如图1所示，本次实验装置主要包括有集中供热锅炉烟气中的氮氧化物发生器、处理烟气中氮氧化物的滴滤塔以及循环喷淋装置[4]。其中，实验室中的氮氧化物通过亚硫酸钠和硫酸亚铁与填料柱发生反应，模拟集中供热锅炉烟气中的氮氧化物。生物滴滤塔是整个实验装置的核心部分。为了便于掌握反应过程，笔者通过玻璃材质的壳体对反应过程中的填料的状态以及生物膜的生长情况进行观察，生物滴滤塔的具体主要参数如表1所示。

表1 生物滴滤塔主要参数

循环喷淋系统主要由循环槽和高位槽组成，该装置的主要作用是保证滴滤塔中填料层的湿润。

1.2 实验方法

根据本实验的目的，研究人员需要对实验过程中的关键参数进行测定。其中，需要基于电化学法和烟气分析仪对气相的一氧化氮和二氧化氮的浓度进行检测；基于紫外分光光度法和紫外分光光度计对硝酸根粒子的浓度进行检测；基于α-萘胺光度法和紫外分光光度计对亚硝酸根粒子的浓度进行检测；基于电化学法和pH计对循环液中的pH值进行检测[5]。

2 实验结果与讨论

填料作为基于生物法脱硝工艺中的滴滤塔的关键，其主要为微生物的生长提供一个相对适宜的环境。一般而言，填料可以分为人工填料和天然填料两种类型[6]。本节重点对生物陶粒、活性生物填料、柱状活性炭和轻质陶粒四种填料进行优选，其对应的物理参数如表2所示。

表2 不同填料的物理参数对比

2.1 填料对脱硝效率的影响

以上述四种填料在挂膜期间内的脱硝效率为主要考察对象，通过实验得出上述四种填料脱硝效率随挂膜时间的变化情况对比如图2所示。

图2 不同填料对应脱硝效率随挂膜时间的变化对比

如图2所示，对于轻质陶粒填料，当挂膜时间为2 d时，对应的脱硝效率非常低，仅为10%；当挂膜时间超过17 d后，脱硝效率逐渐趋于稳定并保持在75%左右；当挂膜时间为30 d时，脱硝效率为80%。对于柱状活性炭填料而言，当挂膜时间为2 d时对应的脱硝效率较高，为40%；当挂膜时间超过17 d后，脱硝效率逐渐趋于稳定并保持在78%左右。对于塑料活性填料和生物陶粒而言，当挂膜时间为3 d时，对应的脱硝效率非常低，仅为12%；当挂膜时间为24 d后，生物陶粒的脱硝效率逐渐趋于稳定并保持在70%；当挂膜时间为26 d时，塑料生物填料的脱硝效率逐渐趋于稳定并保持在73%左右。

因此，综合对比不同填料对应的脱硝效率和稳定性，最终确定选用轻质陶粒。

2.2 填料对挂膜前后压降的影响

以不同填料对应的挂膜前后的压降为主要考察对象，通过实验得出上述四种填料挂膜前后压降随挂膜时间的变化情况对比如图3所示。

图3 不同填料对应挂膜前后压降对比

如图3所示，采用柱状活性炭为填料时，对应进出口压降最高，其余三类填料对应的压降处于同一水平，而且以活性生物填料对应的进出口压降最小。导致上述现象的主要原因在于不同填料对应的孔隙率不同。当填料的孔隙率越大，其内部可为微生物提供附着的面积越大，对应的压降越小。因此，综合对比其余三种填料的孔隙率和比表面积得出，轻质陶粒和活性生物填料的参数相似。因此，以挂膜前后压降为主要考察基准，可选用活性生物填料和轻质陶粒。

同理，笔者通过实验分析了不同填料对滴滤塔微生物数目变化、挂膜前后压降变化以及脱硝性能等综合因素对比，得出如下结论：轻质陶粒对应的滴滤塔的脱硝效率最好、挂膜前后的压降最小、性价比最高。因此，最终选用轻质陶粒为滴滤塔的填料。

3 结语

集中供暖为我国北方冬季取暖的主要形式，在满足人们生活、生产需求的同时，集中供暖系统所排放的烟气中含有氮氧化物对空气造成了严重的污染，尤其是PM2.5的指标非常高[7]。本文采用生物法对集中供暖中烟气的氮氧化物进行处理，重点通过实验的方式确定了滴滤塔中生物填料的选型，总结如下。

轻质陶粒填料当挂膜时间30 d时，脱硝效率为80%；柱状活性炭填料当挂膜时间超过17 d后，脱硝效率逐渐趋于稳定并保持在78%左右；当挂膜时间为24 d时，生物陶粒的脱硝效率逐渐趋于稳定并保持在70%；当挂膜时间为26 d时，塑料生物填料的脱硝效率逐渐趋于稳定并保持在73%左右。

填料的孔隙率和比表面积是影响进出口压降的主要指标。轻质陶粒和活性生物填料的参数相似，对应的进出口压降处于同一水平。

综合对比不同填料对滴滤塔微生物数目变化、挂膜前后压降变化以及脱硝性能的影响，最终确定最佳滴滤塔的填料为轻质陶瓷。