大氣中氮氧化物的危害及治理

王禹蘇 張蕾 陳吉浩 文欣

摘? 要：隨著社會(huì)不斷發(fā)展進(jìn)步，環(huán)境問(wèn)題愈演愈烈。其中氮氧化物對(duì)人類危害嚴(yán)重，文章介紹了大氣中氮氧化物的來(lái)源、危害，以及針對(duì)現(xiàn)狀介紹多種治理氮氧化物的方法。

關(guān)鍵詞：氮氧化物;環(huán)境危害;大氣治理

中圖分類號(hào)：X511? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2019）07-0137-02

Abstract： With the continuous development and progress of society， environmental problems are becoming more and more serious. Among them， nitrogen oxides do serious harm to human beings. this paper introduces the source and harm of nitrogen oxides in the atmosphere， and introduces a variety of methods to control nitrogen oxides in view of the present situation.

Keywords： nitrogen oxides; environmental hazards; atmospheric treatment

1 概述

現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展急速發(fā)展的同時(shí)，伴隨的環(huán)境問(wèn)題也愈演愈烈。而由于氮氧化物（NOX）的排放量的增加，對(duì)人類環(huán)境和生態(tài)造成了嚴(yán)重污染。因此，氮氧化物的控制是我國(guó)大氣污染控制領(lǐng)域當(dāng)下最緊迫與必須完成的任務(wù)之一。因我國(guó)NOX的控制技術(shù)發(fā)展較晚，且不夠全面，使大氣污染問(wèn)題依舊成為焦點(diǎn)與未解決難題。因此，國(guó)家近幾年在節(jié)能減排要求中增加了“脫硝”的指標(biāo)，工業(yè)煙氣中嚴(yán)格控制NOX的產(chǎn)生，并進(jìn)行強(qiáng)制脫硝。所以，發(fā)展與研究脫硝的技術(shù)及其方法刻不容緩。

受我國(guó)國(guó)情影響，在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)，煤炭依然會(huì)占據(jù)我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中的主要位置。然而，煤炭的燃燒是造成NOX污染的最主要原因。其中燃煤電廠是NOX的主要污染源之一，占到總NOX排放量約80%。2008年我國(guó)NOX的排放量達(dá)到2000萬(wàn)噸左右，為全世界NOX排放量第一的國(guó)家，到2012年已增長(zhǎng)至2400萬(wàn)噸，如果不及時(shí)采取強(qiáng)有力的脫硝措施，則2020年NOX的排放量預(yù)計(jì)將會(huì)突破3000萬(wàn)噸。同時(shí)，我國(guó)大部分火電廠的NOX排放量較高，約3.19g·kW-1。中國(guó)環(huán)境保護(hù)部也在近幾年頒布了《火電廠氮氧化物防治技術(shù)政策》，未來(lái)的幾年內(nèi)，脫硝將依然成為大氣污染防治的重要任務(wù)。

2 氮氧化物的來(lái)源及危害

氮氧化物（NOX）是由氮，氧兩種元素組成的一類化合物。在大氣污染中作為污染物的NOX常指NO與NO2。大氣中的NOX主要來(lái)源與兩個(gè)方面，自然產(chǎn)生與人為制造。自然原因主要是火山爆發(fā)，雷擊或細(xì)菌的活動(dòng)造成的，以此方式產(chǎn)生的NOX在大氣中只占到5%左右。而人為的排放根據(jù)氮氧化物的排放方式不同可分為，固定源排放（如工業(yè)鍋爐，燃煤鍋爐等）與移動(dòng)源排放（如車(chē)輛排放）。其中95%的NOX的排放來(lái)自于車(chē)輛交通尾氣排放與火電廠的煙氣排放[1]。

NOX是一種具有刺激性氣味且毒性很強(qiáng)的氣體，當(dāng)做為一次污染物時(shí)，NO作為NOX的主要成分，會(huì)危害人體的健康。而NO2是棕色帶有惡臭氣味的氣體，對(duì)于人體有較大的毒性，NO2吸入人體后，與呼吸系統(tǒng)發(fā)生接觸，NO2會(huì)與人體內(nèi)的水反應(yīng)生成硝酸及亞硝酸，從而對(duì)整個(gè)呼吸系統(tǒng)甚至肺部造成一定的腐蝕與損傷。而當(dāng)其作為二次污染物時(shí)，NO2能發(fā)生一系列光化學(xué)連鎖反應(yīng)，生成的O3與光化學(xué)煙霧會(huì)對(duì)人體的中樞神經(jīng)產(chǎn)生極大的危害[2]。

NOX可以與環(huán)境中的其它物質(zhì)相互作用，可形成酸雨。當(dāng)NOX與大氣中的水成分進(jìn)行接觸后，發(fā)生反應(yīng)可以形成硝酸與亞硝酸，與降水接觸形成酸雨，對(duì)建筑物，農(nóng)作物及土壤有嚴(yán)重的危害。如酸雨可以腐蝕大理石與金屬，對(duì)一些建筑，文物古跡有所破壞。同時(shí)，酸雨溶解后的金屬，會(huì)被農(nóng)作物吸收，間接對(duì)人體與動(dòng)物的健康產(chǎn)生影響。當(dāng)煙氣中的NOX在大氣中接觸碳?xì)浠衔锖螅谔?yáng)光與紫外線的條件下會(huì)生成臭氧與光化學(xué)煙霧[3]。同時(shí)NOX會(huì)造成溫室效應(yīng)的加劇，N2O對(duì)造成溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)僅次于CO2與CH4。且NOX會(huì)對(duì)臭氧進(jìn)行消耗，使臭氧流失，間接導(dǎo)致溫室效應(yīng)，使其更加嚴(yán)重。

3 NOX的控制技術(shù)

煙氣脫硝是目前世界上普遍采用的減少氮氧化物排放的方法，能達(dá)到很高的氮氧化物脫除效率。其中應(yīng)用較多的有選擇性催化還原法、選擇性非催化還原法，而SCR技術(shù)能達(dá)到90%以上的脫除率。也有新興的一些方法，選擇性催化氧化法、低溫等離子體法等。

3.1 選擇性催化還原法[4]

選擇性催化還原法（SCR）是現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外使用最為廣泛的一種脫硝的方法，開(kāi)始是由美國(guó)最先研發(fā)，之后日本的工業(yè)中廣泛應(yīng)用，使用該方法可以使氮氧化物的脫除效率達(dá)到90%以上。SCR技術(shù)的基本原理是，在催化劑的催化作用下，用氨水等還原劑還原煙氣中的NOX，最終生成對(duì)無(wú)害的N2。同時(shí)這種方法也具有一定的缺點(diǎn)，SCR技術(shù)的核心在于選擇優(yōu)良的催化劑，煙氣中成分復(fù)雜，容易使催化劑失活與中毒，尤其對(duì)于水份與硫來(lái)說(shuō)，SCR催化劑更為敏感，從而影響了催化劑的壽命，使處理成本與運(yùn)行費(fèi)用明顯變高。另外，使用在SCR技術(shù)的催化劑如氨氣，大多都是有毒物質(zhì)，如果外泄會(huì)造成二次污染。

3.2 選擇性非催化還原法（SNCR）[5]

選擇性非催化還原法（SNCR）的發(fā)展的較早且應(yīng)用較為廣泛，技術(shù)相對(duì)成熟。這種方法的主要原理是：在催化劑的條件下，向高溫爐膛（在850℃至1100℃之間）中的煙氣噴入氨水或者尿素等具有NHX基團(tuán)的物質(zhì)，以此作為氮氧化物的還原劑，霧化噴入反應(yīng)器后，將煙氣內(nèi)的NOX還原成為無(wú)危害的氮?dú)馀c水。SNCR技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于投資較少，占地面積相對(duì)較小，但是SNCR技術(shù)同樣存在很大的缺陷，因?yàn)檫@種方法不使用催化劑，所以導(dǎo)致反應(yīng)溫度必須要高，需要提供較大的能量。SNCR技術(shù)具有一定的限性，一般只適用于NOX的含量不高的小型燃煤鍋爐。

3.3 選擇性催化氧化法[6]

現(xiàn)階段，在眾多的脫硝技術(shù)中，效果較好且國(guó)內(nèi)外廣泛使用的是SCR技術(shù)，但是SCR工藝是一種高塵高溫的工藝，因?yàn)闊焿m磨損，飛灰雜質(zhì)的沖刷以及在高溫環(huán)境的條件下，會(huì)導(dǎo)致催化劑的燒結(jié)與失活導(dǎo)致催化劑壽命縮短，運(yùn)行成本變高。而且，且金屬氧化物負(fù)載型催化劑的價(jià)格都偏高，脫硝時(shí)的溫度也較高，不容易進(jìn)行再生利用，并且具有一定的二次污染。因此，選擇性催化氧化技術(shù)的發(fā)展才應(yīng)運(yùn)而生。

選擇性催化氧化法（SCO）的基本原理是在催化劑的作用下，利用燃燒鍋爐內(nèi)煙氣中過(guò)剩的氧作為氧化劑對(duì)NO進(jìn)行氧化，使NO氧化成為NO2，由于NO2為酸性氣體，可再用吸收劑進(jìn)行吸收脫除，以達(dá)到煙氣凈化的目的。SCO工藝的能耗較低、脫硝效率高。NO在無(wú)催化劑的條件下也可以被空氣中的氧氣氧化成為NO2，但在燃煤煙氣中，NO濃度較低，導(dǎo)致NO氧化反應(yīng)的反應(yīng)速率極慢，因此必須加入一定的催化劑來(lái)提高氧化效率。因?yàn)镹O的氧化反應(yīng)是一個(gè)較為特殊的反應(yīng)，隨著溫度的升高反應(yīng)速率會(huì)下降，所以需要將反應(yīng)溫度控制在低溫區(qū)，與SCR技術(shù)有所不同，因此，可以很好的避免煙氣加熱后在高溫環(huán)境中導(dǎo)致運(yùn)行成本高。這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于，脫硝性能非常穩(wěn)定，經(jīng)濟(jì)性較好，不會(huì)造成二次污染，再配合著濕法吸收工藝，脫硝效率可以達(dá)到99%，能很好的回收及利用S、N等元素化合物的資源，具有良好的發(fā)展前景。

3.4 低溫等離子體法[7]

低溫等離子體技術(shù)憑借其在常溫下活化和轉(zhuǎn)化反應(yīng)分子的能力，特別是在煙氣脫硝中，以其極快的動(dòng)力進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。低溫等離子技術(shù)可以同時(shí)處理各種污染物，并能有效避免二次污染，從而達(dá)到徹底凈化的目的，是一種理想的污染凈化技術(shù)。然而，該技術(shù)還存在許多問(wèn)題，例如脫硝反應(yīng)效率低，產(chǎn)物分布廣泛，目標(biāo)產(chǎn)物選擇性差。催化反應(yīng)最重要的特征是催化劑用于加速主反應(yīng)速率，抑制副反應(yīng)，并改善目標(biāo)產(chǎn)物的選擇性。因此，低溫等離子體技術(shù)與催化技術(shù)的結(jié)合可以相互補(bǔ)充，進(jìn)一步提高脫硝效率。

4 展望

我國(guó)是以煤炭為主要能源的國(guó)家，在社會(huì)不斷發(fā)展的大前景下，大型工業(yè)導(dǎo)致大氣中氮氧化物濃度不斷升高，已經(jīng)嚴(yán)重危害人類的健康。目前多數(shù)的氮氧化物控制技術(shù)是在燃燒后進(jìn)行治理，但這要求必須有高效的催化劑進(jìn)行配合才可以持續(xù)、高效的脫除氮氧化物。而催化劑價(jià)格昂貴，且容易失活，導(dǎo)致氮氧化物治理成本比較高。在未來(lái)，應(yīng)該從燃燒前、燃燒中同步對(duì)氮氧化物進(jìn)行治理，達(dá)到更好去除氮氧化物的效果。此外，也應(yīng)多使用新型潔凈能源，或在原煤使用前進(jìn)行處理，從源頭切斷氮氧化物的來(lái)源。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭足紅.Mn-V-CeO2/TiO2低溫催化處理NOX活性及抗毒化性能研究[D].湘潭大學(xué)，2009.

[2]武增華.煤燃燒過(guò)程中NO產(chǎn)生機(jī)理及影響因素[J].環(huán)境保護(hù)，1998（5）：33-35.

[3]Seinfeld J H.Pandis S N Aimospheric chemistry and plyis from air pollution to climate change[M].John wiley & Sons，2012.

[4]宣小平，姚強(qiáng).選擇性催化還原法脫硝研究進(jìn)展[J].煤炭轉(zhuǎn)化，2002，25（3）：26-31.

[5]朱江濤，王曉暉，田正斌.SCNR脫硝技術(shù)在大型煤灰爐中應(yīng)用探討[J].能源研究與信息，2006，22（1）：18-21.

[6]陳霞，張俊豐，童志權(quán)，等.CuCoOx/TiO2催化氧化NO性能研究[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2009，3（5）：869-874.

[7]Indrek Jgia， Eugen Stamateb， Cornelia Irimiea， et al. Camer

on. Comparison of direct and indirect plasma oxidation of NO combined with oxidation by catalyst [J]. Fuel， 2015，144（3）：137-144.