Эффект и перспективы применения озонаторов при очистке дымовых газов

# Эффект и перспективы применения озонаторов при очистке дымовых газов

С ускорением глобальной индустриализации такие загрязняющие вещества, как оксиды азота (NOx), диоксид серы (SO₂) и летучие органические соединения (ЛОС) в промышленных выбросах, стали основными причинами ухудшения качества воздуха. Традиционные технологии очистки дымовых газов, такие как селективное каталитическое восстановление (СКВ) и селективное некаталитическое восстановление (СНКВ), сталкиваются с такими проблемами, как узкий температурный диапазон, отравление катализатора и высокий риск вторичного загрязнения. В связи с этим озоногенераторы, обладающие сильными окислительными свойствами и способностью одновременно очищать несколько загрязняющих веществ, постепенно становятся одним из направлений технологических инноваций в области очистки дымовых газов.

## 1. Технические принципы и основные преимущества генераторов озона

Озон (O₃) имеет высокий окислительно-восстановительный потенциал — до 2,07 В, уступая только фтору, и его генерирование зависит от технологии коронного разряда: электрическое поле высокого напряжения расщепляет воздух или кислород, заставляя молекулы кислорода (O₂) диссоциировать и рекомбинировать в молекулы озона. Этот процесс позволяет точно контролировать концентрацию и выход озона путем регулирования напряжения, тока и скорости потока газа.

По сравнению с традиционными технологиями генераторы озона имеют три основных преимущества:

1. **Высокоэффективная денитрификация и синергетическая очистка**: Озон способен окислять низковалентный NO в высоковалентные оксиды азота, такие как NO₂ и N₂O₅, которые легко растворяются в воде и могут сочетаться с последующими процессами мокрой очистки для эффективной денитрификации. Например, генератор озона высокой концентрации (концентрация озона 180–300 мг/л), разработанный компанией Shandong Zhiwei для очистки дымовых газов агломерационных производств на сталелитейных заводах, достиг степени удаления NOx более 80% при одновременном удалении SO₂ и ртути, что значительно повышает общую эффективность очистки.

2. **Широкая температурная адаптируемость**: реакции окисления озона могут протекать в диапазоне температур от комнатной до 200 °C без необходимости дополнительного нагрева или охлаждения дымовых газов. Например, на заводе по сжиганию твердых бытовых отходов сочетание озонаторов с процессами адсорбции на активированном угле обеспечивало стабильную работу, несмотря на колебания температуры дымовых газов, достигая степени удаления NOx 75% без использования большого количества аммиачной воды или известняка в качестве восстановителей.

3. **Отсутствие вторичного загрязнения и низкое потребление энергии**: после реакции озон разлагается на кислород, не оставляя химических остатков. Оборудование имеет простую конструкцию, занимающую всего около одной трети пространства системы SCR, а интеллектуальная технология регулирования частоты может снизить потребление энергии более чем на 30%. Исследование, проведенное химической компанией, показало, что эксплуатационные расходы системы озоновой денитрификации на 25% ниже, чем у системы SCR, а интервалы технического обслуживания увеличены до шести месяцев.

## 2. Типичные сценарии применения и эмпирические результаты

1. **Сталелитейная промышленность**: Дымовые газы, образующиеся в процессе агломерации, характеризуются высокой температурой, высоким содержанием пыли и значительными колебаниями концентрации NOx. После внедрения озоногенераторов на крупном сталелитейном заводе концентрация пыли сначала была снижена путём предварительного пылеудаления, затем NOx были окислены озоном, и, наконец, было достигнуто удаление множества загрязняющих веществ с помощью колонны мокрой десульфурации. Эксплуатационные данные показывают, что при стабильной работе системы концентрация выбросов NOx составляет менее 50 мг/м³, что соответствует стандартам сверхнизких выбросов, без существенного влияния на значение pH десульфурационной пульпы.

2. **Сжигание отходов**: Дымовой газ, образующийся при сжигании отходов, содержит сложные компоненты, такие как NOx, диоксины и кислотные газы. После внедрения озонаторов на мусоросжигательном заводе в Шанхае озон окислял и разрушал молекулярную структуру диоксинов, превращая NO в NO₂. После последующей обработки в адсорбционной колонне с активированным углем концентрация выбросов диоксинов снизилась до 0,05 нг-ТЭ/м³, а степень удаления NOx увеличилась до 78%, что значительно превышает стандарты ЕС.

3. **Химическая и цветная металлургия**: Химическая компания, работающая со смешанными выхлопными газами, содержащими NOx и ЛОС, внедрила процесс каталитического разложения с окислением озона, что позволило достичь двойного эффекта: удаления 92% NOx и удаления 85% ЛОС, при этом эксплуатационные расходы были снижены на 40% по сравнению с традиционной технологией сжигания RTO.

## 3. Перспективы рынка и движущие факторы политики

Глобальные экологические нормы постоянно ужесточают ограничения на выбросы NOx. Китайский «План внедрения ультранизкоэмиссионной модернизации сталелитейной промышленности» требует, чтобы выбросы NOx из дымовых газов агломерационных машин не превышали 50 мг/м³, в то время как «Директива ЕС о промышленных выбросах» ужесточила ограничения на выбросы NOx для ключевых отраслей промышленности до 100 мг/м³. На этом фоне рынок озонаторов демонстрирует бурный рост:

Прогноз объёма рынка: Ожидается, что к 2025 году объём мирового рынка озонаторов для денитрификации дымовых газов достигнет 1,2 млрд долларов США, а среднегодовой темп роста составит 15%. Ожидается, что объём китайского рынка превысит 8 млрд юаней, что составит более 60% от мирового рынка.

Расширение областей применения: Помимо традиционных отраслей промышленности, таких как сталелитейная, энергетическая и цементная, озонаторы всё чаще применяются в системах низкотемпературной очистки дымовых газов, таких как стекловаренные печи, керамические печи и котлы на биомассе. Например, после внедрения озоноденитрификации стекольный завод достиг 85% удаления NOx при температуре дымовых газов 120 °C, заполнив низкотемпературный пробел, который не могла обеспечить традиционная технология SCR.

Политические стимулы: В «14-м пятилетнем плане» Китая технология окисления озона прямо указана как ключевое природоохранное оборудование, а местные органы власти предоставляют компаниям, внедряющим озоновую денитрификацию, субсидии на закупку оборудования в размере 30–50%. «Зелёный курс» ЕС также включает озоновую технологию в свою дорожную карту промышленной декарбонизации, способствуя её переходу к углеродной нейтральности.

## 4. Технические проблемы и будущие направления

В настоящее время озонаторы по-прежнему сталкиваются с такими проблемами, как низкая производительность озона, относительно высокое энергопотребление и недостаточная коррозионная стойкость материалов. Дальнейшие технологические прорывы будут сосредоточены в трёх основных направлениях:

1. Новые технологии разряда: путем комбинирования диэлектрического барьерного разряда (ДБР) с импульсными источниками питания можно увеличить концентрацию озона до более чем 500 мг/л, одновременно снижая потребление энергии на единицу.

2. Инновации в области материалов: разработка композитных электродов на основе титана и керамических изоляционных материалов для продления срока службы оборудования до более чем 10 лет.

3. Интеллектуальное управление: интеграция алгоритмов Интернета вещей (IoT) и искусственного интеллекта для динамического согласования дозировки озона с компонентами дымовых газов, оптимизируя эксплуатационные параметры.

Благодаря своим эффективным, гибким и экологически безопасным техническим характеристикам озоновый генератор превращается из малоизвестной технологии в основное решение для очистки дымовых газов. Ожидается, что при условии технологического развития и политической поддержки он к 2030 году займет более 30% мирового рынка денитрификации дымовых газов, что обеспечит ключевую технологическую поддержку для улучшения качества воздуха во всем мире.