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基于紫外/电解海水的船舶废气脱硝性能与机理研究

杨少龙  
【摘要】:船舶排放废气造成了日益严重的大气污染。近年来,国际海事组织、各国环保部门对船舶排放SOx与NOx制定了严格地限值规定。现有的单独脱硫或脱硝技术已较为成熟,但面对船舶同时脱硫脱硝需求,采用单独脱硫与脱硝系统的串联组合方式势必将造成设备投资过高、占用空间过大、运营管理过于复杂等突出问题。而目前,船舶湿法脱硫具有脱硫效率高、成本低、二次污染小等特点,已取得一定的商业推广。在此基础上,通过添加适当的氧化剂,则将有可能同时脱除废气中NOx。鉴于此,充分考虑船舶运营及所处环境特点,本文提出一种基于紫外/电解海水的湿法脱硝技术。利用船舶周围海水资源与自身电力资源解决废气排放问题,进而探索出一种可行的船舶废气湿法综合处理方法,主要内容如下:(1)针对海水电解制备有效氯过程,利用无隔膜电解装置开展了有效氯制备的实验与模型研究。实验研究了电极材料、电极间距、电流密度与海水盐度等因素对海水电解制备有效氯的影响规律。分析有效氯生成反应动力学及电解槽伏安特性,以有效氯浓度、电流效率、槽电压、电功率及电解电耗等参数为目标,建立了多因素作用的数学模型。结果表明,当有效氯生成速率主要受Cl-扩散速率控制时,增加海水盐度能显著提升有效氯生成速率,且降低电解电耗;而当有效氯生成速率由Cl-扩散传质与电荷转移过程共同作用时,一定范围内增加电流密度将能提高有效氯生成速率,但对电流效率影响较小。此外,天然海水电解实验验证了理论模型的合理性。在溶液温度20℃条件下,利用模型预测了实船高盐度海水(S=40.0 ‰)电解制备 500 mg/L[Cl2]有效氯能耗约 3.2 kWh/kg[Cl2]。(2)设计并搭建了模拟船舶废气脱硫脱硝实验平台以及实验级别的半连续鼓泡反应器,对电解海水脱硝的影响因素、反应机理及传质-反应动力学进行了系统研究。结果表明,有效氯浓度、NO入口浓度、溶液初始pH值及O2浓度对脱硝率影响较大。随着有效氮浓度、NO入口浓度及02浓度增加,脱硝率升高。当溶液初始pH值从3增加到10,脱硝率先升高后降低。在此基础上,结合电解海水中有效氯成分随pH值的分布规律以及液相中氮元素质量平衡分析结果,揭示了电解海水脱硝的主要反应途径。随后,采用经典化学法测定了鼓泡反应器传质性能参数,并分析了 NO吸收速率主要影响因素的作用规律。运用宏观反应动力学相关理论,建立了 NO吸收速率方程,并实验验证。分析指出了 NO吸收传质-反应过程的4种潜在强化途径。建立了 NO吸收拟一级反应速率常数随NO入口浓度与有效氯浓度变化的多元非线性拟合模型。最后,提出了一种基于电解海水的船舶废气处理系统方案,并分析了其经济性与应用优势。(3)在单独电解海水脱硝研究基础上,基于自行设计制作的小型紫外-鼓泡反应器,从实验与模型两个角度对紫外/电解海水强化脱硝方法进行了深入研究。结果表明,脱硝率随紫外辐照功率、有效氯浓度、O2浓度的增加而上升。当溶液pH值在3_10范围内时,脱硝率始终较高,且脱硝强化因子随pH值增加而显著升高。当溶液温度升高,脱硝强化因子下降。当NO入口浓度增加时,脱硝率降低。随后,建立了拟一级快速反应NO吸收速率方程,并实验验证。指明了喷洒塔是紫外/电解海水脱硝工艺较为适宜的反应器类型。运用自由基稳态近似理论,建立了简化的液相反应动力学机理模型,并拟合验证模型的合理性。实验与模型研究结果揭示了紫外/电解海水脱硝的主要反应途径及强化脱硝作用机理。相关性能规律及反应动力学模型为后续数值模拟及放大设计提供了理论支撑。最后,提出了一种利用紫外/电解海水高级氧化工艺的船舶多污染物综合处理新方法,为同时处理多种船舶有害污染物(如废气、压载水及生活污水)开拓了新思路。


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