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氮氧化物廢氣治理研究進(jìn)展

2019-03-28 12:24:26
福建質(zhì)量管理 2019年21期
關(guān)鍵詞:人類

(青島理工大學(xué)環(huán)境與市政學(xué)院 山東 青島 266033)

含氮氧化物是最主要的大氣污染源之一。我國正處在工業(yè)高速發(fā)展階段,含氮氧化物排放總量呈逐年快速增長趨勢,由此衍生了一系列大氣污染問題。含氮氧化物(NOx)主要為N2O5、N2O4、N2O3、NO2、NO、N2O,其中NO和NO2對(duì)大氣污染尤為嚴(yán)重。含氮氧化物擴(kuò)散至大氣中,與大氣中的水蒸氣結(jié)合,易生成酸霧、酸雨、光化學(xué)煙霧,嚴(yán)重影響動(dòng)植物的正常生長,破壞生態(tài)平衡,威脅人類生命安全,因此國家環(huán)保部門極其重視含NOx廢氣的治理,嚴(yán)格監(jiān)控有NOx廢氣排放的企業(yè),保護(hù)大氣環(huán)境的安全。

一、氮氧化物的來源及其特性

氮氧化物主要來自于兩個(gè)方面:自然界本身產(chǎn)生和人類活動(dòng)產(chǎn)生。自然界形成的氮氧化物來自細(xì)菌對(duì)含氮有機(jī)物的分解以及雷電、火山爆發(fā)、森林火災(zāi)等使氮和氧化合生成的,每年約有5億噸左右;人類活動(dòng)產(chǎn)生的NOx每年約有5千萬噸,為前者的1/10。但是,由于人類活動(dòng)產(chǎn)生NOx往往比較集中,濃度高,且大多在人類活動(dòng)環(huán)境區(qū)域內(nèi),因而其危害性更大。

人類活動(dòng)產(chǎn)生的氮氧化物主要來源于兩個(gè)方面:(1)煤炭及石油產(chǎn)品等含氮化合物的燃燒;(2)亞硝酸、硝酸及其鹽類有關(guān)的工業(yè)生產(chǎn)的廢氣排放。在化學(xué)工業(yè)中,硝酸廠、草酸廠、硝胺廠等一些生產(chǎn)和使用硝酸的企業(yè)排放的工藝尾氣中含有大量的NOx廢氣,這些NOx廢氣的排放,不僅造成了資源的浪費(fèi),而且對(duì)人類和生態(tài)環(huán)境具有極大的危害。

氮氧化物中對(duì)自然環(huán)境及其人類活動(dòng)危害最大的主要是NO和NO2。NO為無色、無味、無臭氣體,微溶于水,可溶于乙醇和硝酸,在空氣中可氧化為NO2,與氧化劑反應(yīng)生成NO2,與還原劑反應(yīng)生成N2。NO2溶于水和硝酸,與水反應(yīng)生成HNO3和HNO2,與堿及強(qiáng)堿弱酸鹽反應(yīng)生成硝酸鹽和亞硝酸鹽,和還原劑反應(yīng)還原為N2。

二、氮氧化物廢氣的處理方法

(一)還原法。還原法即在還原劑存在的條件下,將NOx還原成無毒無害的N2,從而消除污染的一種氮氧化物治理方法。目前國內(nèi)外常用的還原法有:1.選擇性催化還原法(SCR)。SCR工藝是在適宜的溫度(一般為250℃~450℃)下和固體催化劑的催化作用下,NH3與NOx發(fā)生還原反應(yīng)生成N2和水,以達(dá)到凈化NOx廢氣的目的。該技術(shù)可以有效地除去NOx廢氣中90%~95%的NOx。但是采用NH3作還原劑的催化劑選擇還原技術(shù)存在以下幾個(gè)明顯的不足:①反應(yīng)過程中,將有用的NH3轉(zhuǎn)化成無用的N2,造成極大的浪費(fèi),經(jīng)濟(jì)性差;②NH3具有較強(qiáng)的腐蝕性,對(duì)設(shè)備造成傷害;③NH3本身具有毒性,不易于存儲(chǔ)和運(yùn)輸,并且反應(yīng)不完全的NH3存在泄露的問題;④催化劑易失活、使用壽命短、價(jià)格昂貴;⑤該法僅適用于固定污染源的治理和凈化。2.選擇性非催化還原法(SNCR)。SNCR工藝是向高溫廢氣中噴射NH3或者尿素等還原劑,將NOx還原成N2和水,其主化學(xué)與SCR相同,一般可獲得30%~50%的脫NOx效率,所用的還原劑可以是氨、氨水和尿素等,也可添加一些增強(qiáng)劑,與尿素一起使用。影響SNCR法性能設(shè)計(jì)和運(yùn)行的主要因素是反應(yīng)溫度、最佳溫度區(qū)的滯留時(shí)間、噴入的反應(yīng)劑與廢氣混合程度、處理前廢氣中NOx濃度、噴入的反應(yīng)劑與NOx的摩爾比、氨的逃逸量。管一明等研究認(rèn)為對(duì)于氨,最佳反應(yīng)溫度區(qū)域?yàn)?70℃~1100℃;尿素最佳的反應(yīng)溫度區(qū)域?yàn)?00℃~1150℃;滯留時(shí)間能在0.001s~10s范圍內(nèi)波動(dòng),但為獲得較好的NOx去除率,要求最低的滯留時(shí)間為0.5S,摩爾比一般為0.5~3。該工藝不需催化劑,但氨液消耗量較SCR法多,對(duì)溫度的控制要求也更高,操作條件極其復(fù)雜,目前在國內(nèi)未得到推廣。

(二)液體吸收法。液體吸收法是利用NOx不同組分在吸收劑中的溶解度不同,或者與吸收劑發(fā)生選擇性的化學(xué)反應(yīng),從而凈化廢氣中NOx的過程。該法具有工藝簡單,投資少等優(yōu)點(diǎn),可根據(jù)具體情況選擇合適的吸收液,能以硝酸鹽的形式回收NOx,從而達(dá)到綜合治理及利用的目的,缺點(diǎn)是效率不高,對(duì)含NO較多的廢氣凈化效果差,且不宜處理氣量很大的廢氣。液體吸收法是化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)過程中應(yīng)用比較廣泛的方法,大致可歸納為:水吸收法,酸吸收法,堿液吸收法等。

(三)吸附法。吸附法是利用多孔性固體吸附劑對(duì)NOx的吸附量隨溫度或壓力的變化而變化的原理,通過周期性地改變反應(yīng)器內(nèi)的溫度或壓力,來控制NOx的吸附和解吸反應(yīng),以達(dá)到將NOx從尾氣中脫除出來的目的。常用的吸附劑為雜多酸、分子篩、硅膠、活性炭和含氨泥煤等。根據(jù)再生方式的不同,吸附法可分為變溫吸附和變壓吸附兩種,但再生過程需要專門的設(shè)備和系統(tǒng)供應(yīng)蒸汽、熱空氣等再生介質(zhì),造成設(shè)備費(fèi)用和操作費(fèi)用大幅增加,限制了吸附法的廣泛使用。吸附法治理NOx廢氣必須考慮吸附和吸附劑再生的全部過程,因此高濃度廢氣不宜使用吸附法。山東新宇化肥集團(tuán)采用變溫吸附法凈化硝酸尾氣過程中發(fā)現(xiàn),當(dāng)尾氣中NOx的體積濃度大于3000×10-6時(shí),吸附時(shí)產(chǎn)生的吸附熱較大,而吸附熱過高用空氣充壓時(shí)有燃燒的危險(xiǎn),吸附熱過高還會(huì)影響硝酸裝置正常運(yùn)行,因此,該裝置只能運(yùn)行NOx體積分?jǐn)?shù)2000×10-6以下的含氮氧化物尾氣。吸附法即能比較徹底地消除氮氧化物的污染,又能將氮氧化物回收利用。但是,由于吸附容量較小,需要吸附劑量大,因而設(shè)備龐大,投資大,運(yùn)轉(zhuǎn)動(dòng)力消耗也大。

(四)生物法。微生物凈化氮氧化物有硝化和反硝化兩種機(jī)理。適宜的脫氮菌在由外加碳源的情況下,利用氮氧化物為氮源,將氮氧化物同化成為有機(jī)氮化合物,成為菌體的一部分(合成代謝),脫氮菌本身獲得生長繁殖;而異化反硝化作用(分解代謝)則將NOx最終還原成氮。NOx中NO2和NO溶解于水的能力差別較大,因此凈化機(jī)理也不通。在有氧的條件下,NO也會(huì)同時(shí)被亞硝化細(xì)菌氧化成NO2,進(jìn)而被硝化細(xì)菌氧化成NO3。生物凈化法具有設(shè)備簡單、運(yùn)行費(fèi)用低、便于管理、安全性好、無二次污染等優(yōu)點(diǎn),目前運(yùn)用生物法凈化NOx尾氣的研究還處于起步階段。

(五)綜合治理。以上幾種治理NOx廢氣的方法各有優(yōu)缺點(diǎn),但是隨著國家要求的NOx排放指標(biāo)的進(jìn)一步提高,單一的方法不能將廢氣中的NOx徹底脫除,很多企業(yè)達(dá)不到國家要求的標(biāo)準(zhǔn),需要更新或改進(jìn)技術(shù),以降低其尾氣NOx的排放,很多企業(yè)運(yùn)用聯(lián)合的工藝來處理NOx廢氣,并取得了很好的效果。

三、結(jié)束語

含氮氧化物廢氣已經(jīng)嚴(yán)重影響我們的生存環(huán)境,從當(dāng)前的治理情況看來,廢氣的處理還是取得一定成效的,但是隨著環(huán)保需求的不斷增大,在廢氣處理方面的技術(shù)還是要加強(qiáng)。企業(yè)在生產(chǎn)過程要重視廢氣的處理,對(duì)現(xiàn)有的處理工藝和設(shè)備進(jìn)行改進(jìn),最大程度去除廢氣中的有害氣體;而相關(guān)的部門也要重視廢氣處理,加強(qiáng)對(duì)企業(yè)的監(jiān)督,對(duì)于企業(yè)生產(chǎn)過程出現(xiàn)的違規(guī)排放,一定要嚴(yán)懲。多方面共同努力,才能保護(hù)環(huán)境,創(chuàng)造美好家園。

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