氮氧化物廢氣治理研究進展

(青島理工大學環(huán)境與市政學院 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對大氣污染尤為嚴重。含氮氧化物擴散至大氣中，與大氣中的水蒸氣結合，易生成酸霧、酸雨、光化學煙霧，嚴重影響動植物的正常生長，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，嚴格監(jiān)控有NOx廢氣排放的企業(yè)，保護大氣環(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方面：自然界本身產生和人類活動產生。自然界形成的氮氧化物來自細菌對含氮有機物的分解以及雷電、火山爆發(fā)、森林火災等使氮和氧化合生成的，每年約有5億噸左右；人類活動產生的NOx每年約有5千萬噸，為前者的1/10。但是，由于人類活動產生NOx往往比較集中，濃度高，且大多在人類活動環(huán)境區(qū)域內，因而其危害性更大。

人類活動產生的氮氧化物主要來源于兩個方面：(1)煤炭及石油產品等含氮化合物的燃燒；(2)亞硝酸、硝酸及其鹽類有關的工業(yè)生產的廢氣排放。在化學工業(yè)中，硝酸廠、草酸廠、硝胺廠等一些生產和使用硝酸的企業(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，而且對人類和生態(tài)環(huán)境具有極大的危害。

氮氧化物中對自然環(huán)境及其人類活動危害最大的主要是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，與氧化劑反應生成NO2，與還原劑反應生成N2。NO2溶于水和硝酸，與水反應生成HNO3和HNO2，與堿及強堿弱酸鹽反應生成硝酸鹽和亞硝酸鹽，和還原劑反應還原為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)生還原反應生成N2和水，以達到凈化NOx廢氣的目的。該技術可以有效地除去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存在以下幾個明顯的不足：①反應過程中，將有用的NH3轉化成無用的N2，造成極大的浪費，經濟性差；②NH3具有較強的腐蝕性，對設備造成傷害；③NH3本身具有毒性，不易于存儲和運輸，并且反應不完全的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，也可添加一些增強劑，與尿素一起使用。影響SNCR法性能設計和運行的主要因素是反應溫度、最佳溫度區(qū)的滯留時間、噴入的反應劑與廢氣混合程度、處理前廢氣中NOx濃度、噴入的反應劑與NOx的摩爾比、氨的逃逸量。管一明等研究認為對于氨，最佳反應溫度區(qū)域為870℃～1100℃；尿素最佳的反應溫度區(qū)域為900℃～1150℃；滯留時間能在0.001s～10s范圍內波動，但為獲得較好的NOx去除率，要求最低的滯留時間為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，對溫度的控制要求也更高，操作條件極其復雜，目前在國內未得到推廣。

(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)生選擇性的化學反應，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，可根據具體情況選擇合適的吸收液，能以硝酸鹽的形式回收NOx，從而達到綜合治理及利用的目的，缺點是效率不高，對含NO較多的廢氣凈化效果差，且不宜處理氣量很大的廢氣。液體吸收法是化學工業(yè)生產過程中應用比較廣泛的方法，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器內的溫度或壓力，來控制NOx的吸附和解吸反應，以達到將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備和系統(tǒng)供應蒸汽、熱空氣等再生介質，造成設備費用和操作費用大幅增加，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。山東新宇化肥集團采用變溫吸附法凈化硝酸尾氣過程中發(fā)現，當尾氣中NOx的體積濃度大于3000×10-6時，吸附時產生的吸附熱較大，而吸附熱過高用空氣充壓時有燃燒的危險，吸附熱過高還會影響硝酸裝置正常運行，因此，該裝置只能運行NOx體積分數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，因而設備龐大，投資大，運轉動力消耗也大。

(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，因此凈化機理也不通。在有氧的條件下，NO也會同時被亞硝化細菌氧化成NO2，進而被硝化細菌氧化成NO3。生物凈化法具有設備簡單、運行費用低、便于管理、安全性好、無二次污染等優(yōu)點，目前運用生物法凈化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，但是隨著國家要求的NOx排放指標的進一步提高，單一的方法不能將廢氣中的NOx徹底脫除，很多企業(yè)達不到國家要求的標準，需要更新或改進技術，以降低其尾氣NOx的排放，很多企業(yè)運用聯合的工藝來處理NOx廢氣，并取得了很好的效果。

三、結束語

含氮氧化物廢氣已經嚴重影響我們的生存環(huán)境，從當前的治理情況看來，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還是要加強。企業(yè)在生產過程要重視廢氣的處理，對現有的處理工藝和設備進行改進，最大程度去除廢氣中的有害氣體；而相關的部門也要重視廢氣處理，加強對企業(yè)的監(jiān)督，對于企業(yè)生產過程出現的違規(guī)排放，一定要嚴懲。多方面共同努力，才能保護環(huán)境，創(chuàng)造美好家園。