氮氧化物危害及其處理技術(shù)

梁 晶，鄭 健，韓苗苗，馬龍信，石 巖

（華電電力科學(xué)研究院有限公司，浙江 杭州 310030）

從工業(yè)革命到現(xiàn)在，人類改造自然的能力越來越強，隨之而來的環(huán)境問題也越來越突出。隨著我國加入《巴黎協(xié)定》，在關(guān)注經(jīng)濟發(fā)展的同時，對環(huán)境問題也越來越重視，提出了綠色可持續(xù)發(fā)展理念。大氣污染是人們感受最直接的污染類型之一，近年來受到的關(guān)注尤為突出。氮氧化物是世界公認(rèn)的大氣污染物，石油、煤炭等化石燃料燃燒都是氮氧化物污染的來源，對自然環(huán)境以及人體健康都了很大危害[1]。了解氮氧化物的危害及研究其處理技術(shù)具有重要的現(xiàn)實意義。

1 氮氧化物產(chǎn)生及危害

如表1所示，氮氧化物來源廣泛，自然界活動本身也會產(chǎn)生氮氧化物，如火山爆發(fā)、有機物在微生物作用下的分解等，但這種來源通常在環(huán)境自我凈化中保持相對平衡，不會對人類及自然環(huán)境造成危害。主要的污染源自于人類活動，包括煤炭燃燒、石油化工、農(nóng)藥及化肥等的生產(chǎn)，此類來源是造成環(huán)境污染的主要原因。

表1 氮氧化物來源

1.1 對環(huán)境的危害

由表2可知，氮氧化物在陽光照射狀態(tài)下容易分解，并與空氣中的部分化合物發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生光化學(xué)煙霧[2]。光化學(xué)煙霧的危害巨大，不但降低空氣能見度，對出行安全造成影響，而且能造成植物葉脈損傷，對植物具有很大的毒害性。

表2 氮氧化物對環(huán)境的危害

氮氧化物是酸雨危害的主要源頭，酸雨不僅危害地表植物，滲入地下也會對地下水系產(chǎn)生影響，造成水質(zhì)酸化及富營養(yǎng)化，引起水源污染。

氮氧化物也是溫室效應(yīng)的主要原因之一，其對長波輻射有很強的吸收作用，能夠加劇溫室效應(yīng)；同時，氮氧化物還會造成臭氧層破壞，對全球氣候造成影響。

1.2 對人體的危害

氮氧化物具有刺激性氣味，有很強的毒性，會對呼吸系統(tǒng)造成損傷，導(dǎo)致肺泡萎縮、肺泡液外滲等，還可能引起中毒性肺水腫，對生命安全造成嚴(yán)重威脅[3]。

氮氧化物具有較高的生物氧化活性，可加劇人體內(nèi)的氧化反應(yīng)，造成人體氧化產(chǎn)物大量增加。同時，氮氧化物還會對人體蛋白質(zhì)、酶等物質(zhì)造成損害，進一步對免疫系統(tǒng)造成損傷。

氮氧化物在人體內(nèi)會與體液物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)生成亞硝酸鹽類物質(zhì)，其隨著血液流動與血紅蛋白作用，影響血液供氧能力，進而對神經(jīng)系統(tǒng)造成影響。此外，氮氧化物還會對眼部及中樞神經(jīng)等造成危害。如表3所示。

表3 氮氧化物對人體的危害

2 氮氧化物處理技術(shù)

對氮氧化物的處理技術(shù)可分為三類，分別針對燃燒過程的三個階段，即燃燒前處理、燃燒過程中處理、燃燒后處理。燃燒前處理即采用低氮的原料或者通過一定技術(shù)手段減少其所含雜質(zhì)，從而起到減少氮氧化物排放的作用；燃燒過程中處理即通過改進設(shè)備或采用先進的燃燒手段，降低燃燒過程中產(chǎn)生的氮氧化物；燃燒后處理即對燃燒后的產(chǎn)物進行處理，即對煙氣的處理，降低排放的氮氧化物。氮氧化物處理技術(shù)詳見表4。

表4 氮氧化物處理技術(shù)

2.1 催化法

催化還原技術(shù)是在一定溫度條件與催化劑作用下，煙氣中NOX選擇性還原為水和氮氣，從而達(dá)到去除煙氣中NOX的效果[4]。還原劑通常選擇NH3，但也可以選擇丙烯或醛類等碳?xì)浠衔铮壳耙喊焙湍蛩卦诠I(yè)中應(yīng)用較為廣泛。

催化法的關(guān)鍵是催化劑，直接關(guān)系到催化工藝的成效，催化劑的選擇顯得尤為重要。目前，很多學(xué)者在催化劑方面進行研究，主要在金屬和非金屬兩類，為便于實際應(yīng)用，將催化劑制作成板型以及蜂窩型等各種形狀，目前V2O5系催化劑在實際應(yīng)用中使用廣泛。

2.2 等離子法

等離子脫硝技術(shù)最早由日本研究開發(fā)，其原理是利用電子束對煙氣進行照射，隨后產(chǎn)生大量自由基，自由基對煙氣中的氮氧化物進行氧化，加入氨使其生成微小粉塵，對粉塵進行捕捉以達(dá)到脫除目的[5]。此工藝的優(yōu)點是簡單高效、應(yīng)用場所廣泛，同時不產(chǎn)生二次污染，捕捉到的粉塵還可以作為化肥等進行廢物利用。但整個過程耗電量巨大，使用成本較高，無法達(dá)到大規(guī)模應(yīng)用的要求。

目前，在電子束法的基礎(chǔ)上，利用其特點，研究出了脈沖電暈法，其本質(zhì)是以高壓脈沖電源產(chǎn)生等離子體。因為不需要電子束加速器，該方法設(shè)備較為簡化，費用方面也比電子束法要低。該方法可以將煙氣中的氮氧化物轉(zhuǎn)變成硝酸銨，有效進行了廢物二次利用，其在煙氣治理方面具有很好的應(yīng)用前景，但面臨著如何實現(xiàn)控制簡易、靈活的大功率高壓脈沖電源的技術(shù)難題。

2.3 微生物法

微生物法的原理是利用微生物的生理代謝活動，將煙氣中富集的氮氧化物轉(zhuǎn)變?yōu)榈獨饣蛘邿o機物[6]。該方法一般可以分為兩種處理技術(shù)，一是利用微生物將NO氧化，先生成亞硝酸根，隨后繼續(xù)氧化生成硝酸根，以此達(dá)到脫除NO的目的，稱之為氧化法；二是利用微生物將NOX還原，生成無危害的氮氣，稱之為還原法。目前，針對微生物還原作用的研究開展的比較廣泛，但由于微生物對生存環(huán)境要求嚴(yán)格，而實際應(yīng)用中情況復(fù)雜，對微生物法的工業(yè)應(yīng)用形成了阻礙。但同時微生物法具有效率高、安全環(huán)保的優(yōu)點，正逐步成為氮氧化物處理方面的研究熱點。

2.4 吸收法

吸收法可以實現(xiàn)同時脫除硫化物和氮氧化物，其原理是利用氮氧化物等在液態(tài)吸收劑中的水溶性，通過物理溶解以及化學(xué)反應(yīng)等將其去除，該方法可以有效地控制酸性氣體，常用的吸收液為堿性溶液[7]。NO在水和堿液中的溶解度不高，需要通過添加高錳酸鉀、雙氧水等氧化劑的方法，將NO氧化成高價態(tài)的氮氧化物，然后開始吸收處理。吸收法的工藝相對簡單，容易實現(xiàn)，操作也簡易靈活，但其要求在一定溫度條件下進行，同時脫除效率不高，氧化劑的安全保存與使用也是需要認(rèn)真考慮的問題，而且容易產(chǎn)生大量廢液，酸性溶液對設(shè)備的腐蝕問題也是不小的挑戰(zhàn)。

2.5 吸附法

吸附法的原理是通過物理或化學(xué)吸附作用，將氮氧化物吸附到吸附劑表面。目前市場上常見的吸附劑主要是活性炭、飛灰等，此類吸附劑具有較大的比表面積，同時具有密集的孔洞結(jié)構(gòu)，有助于吸附效率的提升[8]。吸附法具有很多優(yōu)點，其設(shè)備、工藝簡單，操作易實現(xiàn)，而且不會產(chǎn)生廢液，是公認(rèn)的實現(xiàn)氮氧化物控制的有效方法。但吸附法的投資較高，也面臨吸附劑失活等關(guān)鍵技術(shù)難題，為了確保經(jīng)濟性，保持吸附劑的長期穩(wěn)定使用，對長時間循環(huán)操作條件下保持吸附劑容量的研究尤為重要。

3 結(jié)束語

目前，國內(nèi)外針對氮氧化物的處理技術(shù)有很多形式，但相應(yīng)又有一定的局限和問題，等離子法和吸附法工藝簡單易行，但投資運行成本較高；微生物法環(huán)保高效，但微生物對環(huán)境的要求苛刻，暫時無法大規(guī)模普及工業(yè)應(yīng)用；催化法脫除效率高，但占地面積大、資金成本高，同時也面臨催化劑中毒失效問題；吸收法操作簡單易行，但效率與設(shè)備要求方面存在改進空間。為了保障社會節(jié)能環(huán)保發(fā)展，對氮氧化物的控制將會越發(fā)嚴(yán)格，針對氮氧化物污染的處理技術(shù)也會越發(fā)先進。