氮氧化物(NOx)脫除技術(shù)的研究進(jìn)展

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(河南省化工研究所有限責(zé)任公司，河南 鄭州 450052)

氮氧化物(NOx)脫除技術(shù)的研究進(jìn)展

黃蓓，許芳

(河南省化工研究所有限責(zé)任公司，河南 鄭州 450052)

NOX(氮氧化物)是大氣的主要污染物之一，本文主要介紹了氮氧化物的來(lái)源、產(chǎn)生的機(jī)理及造成的危害，并對(duì)生產(chǎn)生活中脫除此類氮氧化物的技術(shù)方法進(jìn)行了總結(jié)。

氮氧化物；煙氣脫硝

0 前言

隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和人民生活水平的不斷提高，環(huán)境污染已作為一個(gè)世界范圍內(nèi)的問(wèn)題被提出來(lái)，其中與人們?nèi)粘Ｉ钕⑾⑾嚓P(guān)的大氣污染是關(guān)注的焦點(diǎn)之一。氮氧化物(NOx)，大氣污染中的一大類，包括NO、NO2、N2O、N2O5、N2O3、NO3、N2O4等，其中N2O5、N2O3、NO3、N2O4這四種氣體在常溫常壓條件下不穩(wěn)定，會(huì)很快分解成NO和NO2；N2O是一種無(wú)色的惰性氣體，俗稱“笑氣”，是底層大氣中含量較高的氮氧化物，是導(dǎo)致溫室效應(yīng)的氣體之一，當(dāng)其進(jìn)入大氣層后會(huì)轉(zhuǎn)化為NO，進(jìn)而破壞臭氧層。因此，通常所稱的污染大氣的NOx主要是以NO和NO2這兩種氣體為主[1]。

NOx是煤炭燃燒和汽車尾氣排放的煙氣的主要污染物，也是導(dǎo)致酸雨的“酸性氣體”。特別是近年來(lái)隨著對(duì)NOx的深入研究，發(fā)現(xiàn)此類物質(zhì)在光照下會(huì)發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，形成光化學(xué)煙霧，從而對(duì)大氣中的臭氧、人體健康造成嚴(yán)重的影響，其危害性正逐漸被人們所認(rèn)識(shí)[2]。

如何控制NOx類物質(zhì)的排放，對(duì)生產(chǎn)生活中生成的氮氧化物進(jìn)行處理使其達(dá)到安全的排放標(biāo)準(zhǔn)，從而不會(huì)對(duì)大氣環(huán)境和人的身體健康造成嚴(yán)重的影響，就成了環(huán)境科學(xué)家、化學(xué)家和工業(yè)生產(chǎn)企業(yè)研究的重點(diǎn)。

1 NOx的來(lái)源與形成方式

1.1 NOx的來(lái)源

大氣中的NOx形成主要來(lái)源于兩方面：一方面是自然界在維持自身運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的，如生物生長(zhǎng)中的固氮菌、雷雨天氣引起的化學(xué)反應(yīng)等；另一方面就是人類在生產(chǎn)生活過(guò)程中排放的，其中在高能耗的玻璃、鋼鐵、水泥等加工行業(yè)等所用的燃料燃燒后排放的NOx占比例較大。近年來(lái)隨著汽車工業(yè)的逐步發(fā)展，汽車尾氣排放的NOx所占的比例也在逐漸增加。

1.2煙氣中NOx形成的方式

煙氣中的NOx其中的氮主要來(lái)自于燃料和空氣，氧則主要來(lái)源于空氣。高溫下氮氧化物(NO、NO2、N2O等)各自的穩(wěn)定性是不同的，如NO在1 100 ℃以上是穩(wěn)定的，所以在高溫窯爐中產(chǎn)生的NOx以NO為主要成分，同時(shí)，當(dāng)氧氣不足時(shí)也易形成NO。因此，NO的形成速率主要由燃燒區(qū)域的氧和氮的濃度及最高溫度所決定，與燃料的其他性質(zhì)無(wú)關(guān)。而NO2的產(chǎn)生主要來(lái)自于NO進(jìn)一步的氧化。NO與NO2在室溫條件下又可以可逆的轉(zhuǎn)化為N2O3[3-4]。

煙氣中NOx的形成主要有以下三種方式：①熱力型。高溫下空氣中的氮和氧反應(yīng)形成氮氧化物；②燃料型。高溫下把燃料中的含氮物質(zhì)氧化成氮氧化物；③快速型。高溫下空氣中的氮?dú)馀c燃料中碳?xì)浠锓磻?yīng)形成氮氧化物。

2 NOx的脫除(即脫硝)

NOx的脫除可分為兩個(gè)階段：①燃燒過(guò)程中的控制，減少NOx的生成進(jìn)而減少其排放；②燃燒后的脫除，通過(guò)對(duì)生成的NOx進(jìn)行物理化學(xué)方法將其轉(zhuǎn)變?yōu)榭杀晃粘サ奈镔|(zhì)。

2.1燃燒過(guò)程中的控制

2.1.1 低NOx燃燒器

其原理是在主燃區(qū)形成富燃料燃燒，形成還原性氣氛，二次風(fēng)采用分級(jí)送入。這樣既保證了燃料能充分燃燒，同時(shí)大大降低了NOx的生成，此法可以脫除或者減少60%左右的NOx排放。

2.1.2 煙氣再循環(huán)

將鍋爐尾部溫度較低的煙氣分離出來(lái)，送入燃燒區(qū)域或與空氣混合后再送入爐內(nèi)。這樣做一方面降低了爐內(nèi)溫度，另一方面降低了燃燒區(qū)內(nèi)氧氣的濃度，這都限制了NOx的生成，但此法的脫除效率并不高，只能達(dá)到25%左右。

2.1.3 分級(jí)燃燒

將空氣分級(jí)送入爐內(nèi)燃燒，通過(guò)減少主燃燒區(qū)的配風(fēng)來(lái)控制主燃燒區(qū)內(nèi)NOx的生成。同時(shí)由于在通入配風(fēng)前的主燃燒區(qū)域處于還原氣氛中燃燒，延長(zhǎng)燃料在該區(qū)域的時(shí)間，也可以促進(jìn)NOx的分解。

2.1.4 水或蒸汽噴射

這種方法主要原理就是降低主燃燒區(qū)域的溫度，進(jìn)而降低NOx特別是NO的的生成。

2.2燃燒后脫除NOx

目前，對(duì)燃燒后生成的氮氧化物的脫除主要有以下兩種方法：

2.2.1 濕法脫除

將難溶于水的NO利用氧化法將其氧化成NO2，然后利用溶液吸收法進(jìn)行回收處理。其中酸、堿液吸收法、還原吸收法、液相配位法、氧化吸收法等是幾種較為常用的方法，但是此類方法由于技術(shù)和設(shè)備條件的限制總的脫除效率只能達(dá)到40%～60%。近年來(lái)，隨著各國(guó)學(xué)者對(duì)濕法脫硝的研究，新的技術(shù)方法也被應(yīng)用到此過(guò)程中，如雜多酸法、生物法等[5]，但NOx的脫除效果并沒(méi)有明顯的改善。

2.2.2干法脫除

主要包括催化還原法和非催化還原法兩種[6]。

催化還原法是在催化劑作用下NOx被還原劑(氨或烴)還原成N2和H2O。催化還原法中依據(jù)還原劑是否與煙氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)，又分為如下兩種催化還原模式：不與煙氣中的氧發(fā)生反應(yīng)的稱為選擇性催化還原(SCR)，反之則為非選擇性催化還原(NSCR)。

非催化還原法中的選擇性非催化還原法(SNCR)是一種不添加催化劑而直接利用NH3、尿素等作為還原劑與煙氣中的NOx反應(yīng)，將其還原成N2和H2O過(guò)程 。

4N2+2CO2+4H2O

比較選擇性催化還原(SCR)、非選擇性催化還原(NSCR)及選擇性非催化還原(SNCR)法后，發(fā)現(xiàn)他們都有各自的應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)，但是自身的缺點(diǎn)也比較明顯。如選擇性催化還原(SCR)和非選擇性催化還原(NSCR)，該法具有凈化率高，工藝設(shè)備成熟，運(yùn)行安全可靠，不會(huì)造成二次污染等特點(diǎn)。此外，在選擇性催化還原(SCR法)下通過(guò)應(yīng)用不同的催化劑也可以在不同的溫度條件下實(shí)現(xiàn)對(duì)NOx的脫除，脫除效率可達(dá)70%～90%，但是此法的一個(gè)顯著的不足就是催化劑相對(duì)比較昂貴，而且在應(yīng)用過(guò)程中也容易被毒化，進(jìn)而導(dǎo)致催化劑失效。而選擇性非催化還原(SNCR)是通過(guò)直接利用還原劑在高溫條件下對(duì)NOx還原，不使用催化劑，這樣雖然避免了催化還原法的缺點(diǎn)，但是也引入了另外的問(wèn)題，如反應(yīng)溫度高，還原劑用量大，脫除NOx效果不好，其脫除率只有50%～60%，而且也容易導(dǎo)致二次污染。

因此，近年來(lái)又發(fā)展了一種將選擇性非催化還原和選擇性催化還原聯(lián)合起來(lái)脫除NOx的工藝(SNCR-SCR工藝)。在該工藝中非催化還原時(shí)過(guò)量的還原劑，可以直接應(yīng)用到下一步的催化還原中而不需要再額外的補(bǔ)加還原劑，同時(shí)經(jīng)過(guò)兩次還原后脫除NOx的效率大大提高，脫除效率可達(dá)90%。

3 結(jié)論及展望

傳統(tǒng)的干、濕法脫除NOx技術(shù)及其在此基礎(chǔ)上的各種改進(jìn)方法仍然是脫硝的主要手段，兩種方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。濕法脫除NOx技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是顯而易見(jiàn)的，如工藝設(shè)備要求簡(jiǎn)單、操作溫度低、能耗少、處理的其他廢棄物的費(fèi)用低等，其主要不足是由于系統(tǒng)比較復(fù)雜，耗費(fèi)成本較高，導(dǎo)致工業(yè)應(yīng)用受到限制。相對(duì)濕法，干法的優(yōu)點(diǎn)是所有的操作在高溫下進(jìn)行，沒(méi)有廢水的生成，同時(shí)生成的煙氣也不需要再次加熱；而干法脫除NOx的缺點(diǎn)就是整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行成本較高，還原劑氨易泄漏，催化劑易失活等，這些因素也都限制了干法脫除NOx技術(shù)在工業(yè)上面的應(yīng)用和推廣。

因此，新技術(shù)、新工藝的研究開(kāi)發(fā)，對(duì)現(xiàn)有脫除氮氧化物(NOx)技術(shù)的不斷完善與改進(jìn)，將是化工行業(yè)不斷追求的目標(biāo)之一。

[1]楊 楠，王 雪. 氮氧化物污染及防治[J].環(huán)境保護(hù)與循環(huán)經(jīng)濟(jì)，2010(11)：63-67.

[2]李雪飛，張文輝，杜銘華.干法煙氣脫硝綜述[J].潔凈煤技術(shù)，2006(3)：43-46.

[3]孫洪民，曲道志.煙氣脫硝技術(shù)發(fā)展綜述[J].鍋爐制造，2013(4)：30-33.

[4]童志權(quán)，莫建紅.催化氧化法去除煙氣中NOx的研究進(jìn)展[J].化工環(huán)保，2007，27(3)，193-199.

[5]印建樸，熊源泉.濕法煙氣脫除NOx的研究進(jìn)展[J].能源研究與利用，2008(4)：6-9.

[6]原長(zhǎng)海，闞中華，陳 嶸.干法煙氣脫硝技術(shù)的研究進(jìn)展[J].廣州化工，2010，38(3)：36-38.

ResearchProgressofRemovalTechnologyofNOx

HUANGBei,XUFang

(Henan Chemical Industry Research Institute Co.Ltd,Zhengzhou 450052,China)

Nitrogen oxide is one of the main pollutants in the ambient air.In this paper,the source and mechanism of nitrogen oxide and the damage of nitrogen oxide are introduced.Meanwhile,the removal technology of nitorgen oxide from the flue gas are summarized.

nitrogen oxide;flue gas denitrification

2014-06-15

黃 蓓(1982-)，女，工程師，從事化工科研開(kāi)發(fā)工作，電話：15237129810。

X511

A

1003-3467(2014)09-0021-03