淺析氮氧化物對環境的危害及汙染控制技術

　　摘 要：氮氧化物氣體是危害最大、最難處理的大氣汙染物之一。隨著經濟的迅猛發展,有效控制氮氧化物造成的大氣汙染已刻不容緩。本文對氮氧化物的來源、危害及控制技術進行了概述,這對於“十二五”期間氮氧化物的減排有了更進一步的認識。

　　關鍵詞：氮氧化物 來源 危害 低氮燃燒技術 煙氣脫硝技術

　　我國是以燃煤為主的發展中國家,其能源構成以煤炭為主,消耗量佔一次能源消費量的76 %左右。隨著經濟的快速發展,煤耗的增加,燃煤造成的大氣汙染日趨嚴重,而氮氧化物***NOx*** 是其中的主要汙染物之一。近年來,由於機動車擁有量的迅速增長,尾氣排放氮氧化物***NOX***也是一個不容忽視的問題。因此,國家“十二五”期間把氮氧化物***NOX***做為減排指標考核,控制氮氧化物***NOX***排放量已勢在必行,。

　　氮氧化物的來源及危害

　　大氣中氮氧化物有N2O.NO.NO2.N2O3.N2O4和N2O5,總起來用NOx表示。其中汙染大氣的主要是NO和NO2。NO毒性不太大,但進入大氣後可被緩慢地氧化成NO2,當大氣中有O3等強氧化劑存在時,或在催化劑作用下,其氧化速度會加快。

　　大氣中的NOx來源主要有兩方面:一方面是由自然界中的固氮菌.雷電等自然過程所產生,每年全球約產生5億噸,另一方面是由人類活動所產生,每年全球產生量超過5000萬噸。在人類活動產生的NOx中,由各種爐窯.機動車和柴油機等燃料高溫燃燒產生的約佔90%以上,其次是硝酸生產.硝化過程.***生產及金屬表面的硝酸處理等過程。從燃燒系統中排出的NOx95%以上是NO,其餘主要為NO2。由於在環境中NO最終將轉化為NO2,因此,估算的NOx排放量都按NO2計。

　　NO2的毒性約為NO的5倍。當NO2參與大氣中的光化學反應,形成光化學煙霧後,其毒性更強。大氣中的NOx對人和動植物都有一定的危害。NO還會導致中樞神經受損,引起痙攣和麻痺。高濃度NO中毒時,迅速導致肺部充血和水腫,甚至窒息死亡。

　　NOx與碳氫化合物混合時,在陽光照射下發生光化學反應生成光化學煙霧。光化學煙霧的成分是光化學氧化劑,它最明顯的危害作用是刺激人的眼睛,發生紅煙病。此外,對人的鼻.咽.喉.氣管和肺部等呼吸器官也有明顯的刺激作用,從而增大呼吸阻力。光化學煙霧對植物的損害十分嚴重,嚴重時使作物減產.樹木枯死。

　　氮氧化物的控制技術

　　控制氮氧化物廢氣排放的技術措施主要分兩大類:一類是源頭控制,低NOx燃燒技術,其特徵是通過各種技術手段,控制燃燒過程中產生NOx的生成反應;另一類是尾部控制,即煙氣脫硝,其特徵是把已生成的NOx通過某種手段還原為N2,從而降低排放量。

　　人類活動排入大氣中的NOx,90%以上來自燃料燃燒過程。燃燒過程產生的NOx主要是NO和NO2,其中NO約佔90%,NO2約佔5~10%。燃燒過程中NOx有3種不同的生成途徑,稱作不同的NOx,即熱力型NOx,燃燒型NOx和快速型NOx。

　　在NOX生成機理中,快速型NOX不到5%,當燃燒區溫度低於1350℃時幾乎沒有熱力型NOX,只有當燃燒溫度超過1600℃時,熱力型NOX才可能佔到25~30%。對於常規燃燒裝置,NOX的燃燒控制主要是通過降低燃料型NOX而實現的。

　　機動車排放的NOX也是不可忽視的排放源,機動車排放的NOX主要是熱力型NOX和燃料型NOX。

　　1.低NOx燃燒技術

　　凡通過改變燃燒條件來抑制NOx生成或破壞已生成的NOx達到減少NOx排放的技術稱為低NOX燃燒技術。它包括低過量空氣燃燒.二段燃燒和煙氣再迴圈。在各種NOx汙染控制技術中,低NOX燃燒技術是應用最廣.相對簡單.經濟有效的方法。

　　***1***低過量空氣係數執行技術

　　NOx排放量隨著爐內空氣量的增加而增加,鍋爐採用低空氣過量係數執行,不僅可以降低NOx排放,而且能夠減少鍋爐熱損失,提高鍋爐熱效率。但有可能導致CO.碳氫化合物和炭黑等汙染物以及飛灰中可燃物質量的增加,從而使燃燒效率下降。因此,在確定空氣過剩係數時必須同時滿足鍋爐熱效率.燃燒效率及降低NOX等要求。

　　***2***二段燃燒技術

　　二段燃燒技術是在兩段燃燒裝置中,燃料在接近理論空氣量下燃燒。燃燒所用的空氣分兩次通入,亦即燃燒分兩段進行。第一段通入的空氣約佔總空氣量的80%~95%,燃燒在富燃燒貧氧條件下進行,形成低氧燃燒區,火焰溫度低,因而抑制了NOx的生成。第二段將其餘的空氣從溫度較低的區域送入,使第一段剩餘的不完全燃燒產物CO.碳氫化合物得到完全燃燒。在二次空氣供入後,雖然氧過剩,但由於煙氣溫度較低而限制了NOx的生成量。採用兩段燃燒,避免了在高溫.高氧條件下的燃燒狀況,因而NOx的生成量可大降低。

　　***3***煙氣再迴圈技術

　　對煙氣進行再迴圈是減少NOx形成的很有效的方法。其原理為:部分冷卻了的煙氣再迴圈被送回到燃燒區,起到降低氧濃度和燃燒區溫度的作用,達到減少NO生成的目的。煙氣的迴圈率在25%~40%的範圍內最為適宜,NOx的抑制效果最佳。

　　2.煙氣脫硝技術

　　***1***非選擇性催化還原法***NSCR***

　　含NOx的氣體在一定溫度和催化劑的作用下和還原劑發生反應,將其中的NO2和CO等還原為N2,同時還原劑與氣體中的O2反應生成水和CO2。作為還原劑的氣體,可用H2.CH4.CO和低碳氫化合物。通常的還原劑為含以上組分的混合氣體,如合成氨釋放氣.焦爐氣.天然氣.煉油廠尾氣和氣化石腦油等。催化劑為鉑和鈀,反應溫度控制在550~800℃,淨化效果最好。溫度低時NOx的轉化率低,溫度超過815℃會燒壞催化劑載體,使催化劑活性降低,從而降低淨化效率。

　　***2***選擇性催化還原法***SCR***

　　用NH3作還原劑對含NOx的氣體進行催化還原處理,使NH3能有選擇地和氣體中的NOx進行反應,而不和氧發生反應。催化劑可以用鉑.鈀的貴金屬催化劑,也可以用含銅.鐵.釩.錳等非金屬催化劑。反應溫度控制在400℃以下,可使以下反應占絕對優勢。

　　***3***液體吸收法

　　水吸收法:用水吸收NOx時,水和NO2反應生成硝酸和亞硝酸,亞硝酸不穩定,很快發生分解生成硝酸.NO和水。NO不與水發生反應,在水中的溶解度很小,並且在水吸收NO2時,還放出部分NO,因而水吸收法的淨化效率不高,不能用於主要含NO的燃燒廢氣的淨化。但由於水價格低.方便,可用於淨化小氣量的以含NO2為主的NOx廢氣。

　　酸吸收法:用濃硫酸吸收法的原理是濃硫酸和NOx可生成亞硝基硫酸。亞硝基硫酸可以用於硫酸生產和濃縮硝酸。在同時生產硫酸和濃硝酸的企業中,可以用該法淨化含NOx廢氣。稀硝酸吸收法的原理是利用NOx在稀硝酸中的溶解度比在水中的溶解度高得多這一性質,對NOx進行物理吸收。該法可用於硝酸尾氣的處理。

　　鹼液吸收法:鹼性溶液和NO2反應生成硝酸鹽和亞硝酸鹽。鹼液吸收法也不適合於主要含NO的燃燒廢氣淨化,而比較適合於氧化度較大的含NOx廢氣淨化***氧化度是NO2在NOx中所佔的百分比***。該吸收法中採用較多的吸收劑為NaOH和Na2CO3溶液,吸收效率不高,對NO2/NO也有一定限制。

　　吸收還原法:用亞硫酸鹽.亞硝酸鹽.硫化物或尿素的水溶液作吸收劑,將NOx吸收並將其在液相中還原為N2的方法,這種方法可以達到很高的淨化效率。

　　氧化吸收法:先將NOx中的NO部分地氧化為NO2以提高NOx的氧化度,再用鹼性溶液進行吸收。國內硝酸氧化-鹼液吸收流程已用於工業生產。

　　***4***吸附法

　　吸附法是利用吸附劑對NOx的吸附量隨溫度或壓力變化而變化,通過週期性地改變操作溫度或壓力控制NOx的吸附和解吸,使NOx從氣源中分離出來。常用的吸附劑為分子篩.矽膠.活性炭.含氨泥煤等。該法的優點:能比較徹底地消除NOx的汙染,又能將NOx回收利用,裝置簡單且操作方便。缺點是:由於吸附劑的吸附容量小,需要的吸附劑量大,裝置龐大,需要再生處理,而且過程為間歇操作。因此僅用於淨化處理低濃度的NOx廢氣。

　　3.機動車尾氣氮氧化物控制技術

　　近幾年,我國隨著機動車擁有量的迅猛增長,由此引發的NOx汙染日趨嚴重,控制機動車尾氣排放已迫在眉睫,具體控制措施是:大力推廣小排量汽車,國家並給予一定的政策支援;對於嚴重超標的汽車必須安裝催化器;鼓勵使用無鉛汽油;積極發展綠色環保型汽車***如旅遊區用的電瓶車***等;嚴格控制用車質量,對於不符合排放標準的機動車,應禁止上路,對已超過使用壽命的,應加速淘汰。

　　參考文獻

　　郝吉明,馬廣大 大氣汙染控制工程***2002年版***北京:高等教育出版社,2003

　　劉天齊 “三廢”處理工程技術手冊 廢氣卷 北京:化學工業出版社,1999

　　全國勘察設計註冊工程師環保專業委員會,中國環境保護協會,註冊環保工程師專業考試複習教材,北京:中國環境科學出版社,2007

　　童志權,大氣汙染控制工程,北京:機械工業出版社,2008

　　黨小慶,大氣汙染控制工程技術與實踐,化為工業出版社,2009