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本发明公开了一种同步脱除垃圾焚烧烟气中氮氧化物、二噁英和恶臭的工艺,其特征在于垃圾焚烧烟气与还原剂充分混合后,通入具有双催化剂层的催化反应区,在催化剂层I,烟气中的氮氧化物与氨气在催化剂的作用下发生反应转化为氮气和水,而烟气中的二噁英与氧气在催化剂的作用下转化为二氧化物、水、氯化氢;之后烟气再进入催化剂层II,烟气中的VOC在催化剂的作用下,与烟气中的氧气发生反应而生成二氧化碳和水。本发明在催化剂层I的催化剂中添加适量的稀土金属氧化物,可以达到98%以上的氮氧化物净化效率和97%以上的二噁英净化效率,而在催化剂层II可以达到95%以上的VOC净化效率,实现烟气中脱除氮氧化物、二噁英和恶臭目的。