氮氧化物對(duì)環(huán)境的危害及污染控制技術(shù)

李國亮

(山西汾西礦業(yè)集團(tuán)環(huán)保處，山西 晉中 032000)

1 NOx控制技術(shù)的研究

1.1 研究的目的及意義

控制NOx排放及研究大氣主要污染物控制技術(shù)和了解其對(duì)環(huán)境、人體的危害，是為了促進(jìn)改善環(huán)境質(zhì)量、減緩酸雨和灰霾天氣的影響，可以控制和改善空氣質(zhì)量，為生活和生產(chǎn)創(chuàng)造清潔適宜的環(huán)境，有效防止生態(tài)環(huán)境破壞，保護(hù)人民健康，并可提高人類保護(hù)環(huán)境的意識(shí)[1-2]。

1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

NOx對(duì)環(huán)境的污染已成為一個(gè)世界性的環(huán)境問題。近年來，隨著科技的進(jìn)步及生態(tài)環(huán)保要求的提高，世界各國已研制開發(fā)了許多控制治理NOx的途徑及技術(shù)方法。當(dāng)前，國內(nèi)外控制煙氣NOx排放的方法很多，歸納起來大致分為三類：一是無氮燃燒技術(shù)，即，通過調(diào)控燃燒過程從源頭上控制NOx生成的潔凈燃燒技術(shù)；二是低NOx燃燒技術(shù)，包括低過量空氣燃燒、空氣分級(jí)燃燒、燃料分級(jí)燃燒以及煙氣再循環(huán)技術(shù)等；三是煙氣凈化技術(shù)，即，通過各種技術(shù)手段來脫除煙氣中的NOx[3-6]。

2 氮氧化物的來源及危害

2.1 氮氧化物的來源

NOx是大氣污染物監(jiān)測(cè)中的一種主要成分。NOx的來源主要有兩方面，一方面是由雷電等自然過程所產(chǎn)生。當(dāng)雷電發(fā)生時(shí)空氣的溫度急劇攀升，大氣中的氮?dú)夂脱鯕獗患せ交罨瘧B(tài)，反應(yīng)生成NO；另一方面是由人類活動(dòng)所產(chǎn)生，主要來自石油、化工行業(yè)排放及機(jī)動(dòng)車輛尾氣排放等；其次是硝酸生產(chǎn)、硝化過程、炸藥生產(chǎn)及金屬表面的硝酸處理等過程。在我國，約56%的NOx來自燃煤排放。

2.2 氮氧化物對(duì)環(huán)境的污染

2.2.1 產(chǎn)生光化學(xué)煙霧

光化學(xué)煙霧的主要污染源是NOx，由高溫燃燒產(chǎn)生的NO，在空氣中一部分轉(zhuǎn)化為NO2，來自太陽的光子(波長310 nm左右)激發(fā)NOx，產(chǎn)生光化學(xué)反應(yīng)，分解為NO和氧原子，光化學(xué)的煙霧的循環(huán)反應(yīng)如式(1)～式(3)。

(1)

(2)

(3)

原子氧和氧分子生成的O3是一種氧化劑，具有強(qiáng)烈的刺激性，它是植物受害的主要原因。O3與烴類進(jìn)一步發(fā)生一系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，在這個(gè)過程中，會(huì)產(chǎn)生醛類、銅類等刺激性物質(zhì)的同時(shí)，NO2還和酰基過氧化基形成另一類刺激性物質(zhì)硝酸過氧乙酞(PAN)。

2.2.2 導(dǎo)致酸雨產(chǎn)生

酸雨是指pH值小于5.6的雨、雪或其他形式的降水，使土壤、湖泊、河流酸化。形成酸雨的主要物質(zhì)是NOx和SO2。我國的酸雨主要是因燃煤及機(jī)動(dòng)車尾氣等而形成的，一些地區(qū)已經(jīng)成為酸雨多發(fā)區(qū)，酸雨污染的范圍和程度已經(jīng)引起人們的高度關(guān)注[7-9]。

2.2.3 破壞臭氧層

臭氧層會(huì)將紫外線擋在地球外面，從而保護(hù)地球上的生物不受到傷害。N2O能轉(zhuǎn)化為NO，會(huì)和O3、O反應(yīng)，最終使O3、O合成O2，上述反應(yīng)不斷循環(huán)，使O3分解，臭氧層遭到嚴(yán)重的破壞。

2.2.4 導(dǎo)致溫室效應(yīng)加劇

NOx和CO2等都是形成溫室效應(yīng)的主要?dú)怏w。NOx的溫室能力是CO2的100倍，它能夠大量地吸收地面放出的長波輻射，會(huì)導(dǎo)致溫室效應(yīng)的加劇，對(duì)全球氣候及人類健康等方面帶來影響。

3 氮氧化物的控制技術(shù)

在燃燒過程中NOx有3種不同的生成途徑，控制NOx廢氣排放的技術(shù)措施主要分兩大類，一類是燃燒前處理，燃燒前脫氮主要是燃燒前通過各種技術(shù)手段將燃料轉(zhuǎn)換為低氮燃料；另一類是燃燒后處理，燃燒后脫硝主要指煙氣凈化技術(shù)，即把已生成的NOx通過某種技術(shù)還原為N2從而降低其排放量。

3.1 低氮氧化物燃燒技術(shù)

低氮氧化物燃燒技術(shù)是改進(jìn)燃燒設(shè)備或控制燃燒條件，以降低燃燒排放中NOx濃度的各項(xiàng)技術(shù)。工業(yè)行業(yè)多采用減少過剩空氣和分段燃燒、煙氣再循環(huán)燃燒和低溫空氣預(yù)熱等方法。在各種NOx污染控制技術(shù)中，低NOx燃燒技術(shù)是目前應(yīng)用最廣，相對(duì)簡單、經(jīng)濟(jì)有效的方法,其缺點(diǎn)是降低NOx排放效率較低(一般在50%以下)。

3.2 煙氣脫硝技術(shù)

對(duì)煙氣進(jìn)行處理，以降低NOx的排放量，通常稱為煙氣脫硝。目前已開發(fā)了多項(xiàng)商業(yè)化的煙氣脫硝技術(shù)，有選擇性催化還原法(SCR)脫硝、選擇性非催化還原法(SNCR)脫硝、吸收法凈化煙氣中的NOx、吸附法凈化煙氣中的NOx等。

3.2.1 選擇性催化還原法(SCR)脫硝

選擇性催化還原法是在一定的溫度和催化劑作用下，利用氨或烴作還原劑可選擇性地將NOx還原為氮?dú)夂退姆椒āCR技術(shù)是還原劑(NH3)在催化劑的作用下，將煙氣中的NOx還原為N2和H2O。此法利用NH3來增加反應(yīng)速率，使該工藝在溫度280 ℃～400 ℃時(shí)就能使用。“選擇性”是指NH3有選擇地將NOx進(jìn)行還原的反應(yīng)。該技術(shù)無副產(chǎn)品，脫硝效率能達(dá)到80%～90%以上，是目前應(yīng)用較為廣泛的脫硝技術(shù)。

3.2.2 選擇性非催化還原法(SNCR)

SNCR工藝是在900 ℃～1 100 ℃范圍內(nèi)，無催化劑作用下，通過注入氨、尿素等化學(xué)還原劑可選擇性地把煙氣中的NOx還原為N2和H2O，達(dá)到去除的目的。SNCR工藝有效脫氮的溫度范圍較窄，當(dāng)溫度下降時(shí)，氣體反應(yīng)速率會(huì)迅速下降，脫氮能力亦隨之下降；當(dāng)溫度高于最佳溫度時(shí)，形成NO的同時(shí)會(huì)加快NH3的氧化，即降低脫氮效率。由于沒有催化劑加速反應(yīng)，為避免NH3被氧化，溫度又不易過高。由于溫度隨鍋爐負(fù)荷、運(yùn)行周期的變化及NOx濃度在鍋爐中的不規(guī)律性，該工藝應(yīng)用時(shí)變得較復(fù)雜，所以脫氮效率低，一般可使NOx降低50%～60%。

3.2.3 吸收法凈化煙氣中的NOx

氮氧化物能夠被水、氫氧化物和氨酸鹽溶液、硫酸、有機(jī)溶液等吸收。

其中，在水吸收法中，由于NO2在與水反應(yīng)生成硝酸的同時(shí)，也會(huì)生成NO，而NO因其溶解度低不易被吸收，所以此法脫硝效果并不理想，但該法可回收硝酸，也能起到一定的凈化作用。

4 結(jié)論與展望

根據(jù)NOx排放的地區(qū)、途徑及燃料等分布特征，嚴(yán)格控制火電廠、工業(yè)燃煤鍋爐和城市機(jī)動(dòng)車NOx排放,對(duì)抑制NOx排放總量和減緩大氣酸沉降、臭氧、灰霾等一系列環(huán)境問題至關(guān)重要。隨著我國對(duì)大氣氮氧化物污染防治工作力度的加大，將會(huì)制定出比較嚴(yán)格的氮氧化物排放標(biāo)準(zhǔn)，因此，單純?cè)谌紵^程中控制NOx排放已不能滿足要求，全面實(shí)施煙氣脫硝及發(fā)展研究先進(jìn)的煙氣脫硝技術(shù)已勢(shì)在必行。

目前，在燃用氣體燃料或重油的鍋爐上，運(yùn)用技術(shù)手段減少NOx的濃度獲得了一定的成果，但如何運(yùn)用技術(shù)措施減少固體燃料燃燒尾氣中NOx濃度，尚處在探索性研究中。

總之，要做好氮氧化物污染防治工作，逐漸完善氮氧化物污染防治相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，更要出臺(tái)相關(guān)政策來鼓勵(lì)、促進(jìn)氮氧化物控制技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，并加大對(duì)各種氮氧化物排放控制技術(shù)的研究力度，為氮氧化物污染防治工作提供保障。