淺析氮氧化物對環(huán)境的危害及污染控制技術(shù)

　　摘 要：氮氧化物氣體是危害最大、最難處理的大氣污染物之一。隨著經(jīng)濟的迅猛發(fā)展,有效控制氮氧化物造成的大氣污染已刻不容緩。本文對氮氧化物的來源、危害及控制技術(shù)進行了概述,這對于“十二五”期間氮氧化物的減排有了更進一步的認(rèn)識。

　　關(guān)鍵詞：氮氧化物 來源 危害 低氮燃燒技術(shù) 煙氣脫硝技術(shù)

　　我國是以燃煤為主的發(fā)展中國家,其能源構(gòu)成以煤炭為主,消耗量占一次能源消費量的76 %左右。隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展,煤耗的增加,燃煤造成的大氣污染日趨嚴(yán)重,而氮氧化物(NOx) 是其中的主要污染物之一。近年來,由于機動車擁有量的迅速增長,尾氣排放氮氧化物(NOX)也是一個不容忽視的問題。因此,國家“十二五”期間把氮氧化物(NOX)做為減排指標(biāo)考核,控制氮氧化物(NOX)排放量已勢在必行,。

　　氮氧化物的來源及危害

　　大氣中氮氧化物有N2O.NO.NO2.N2O3.N2O4和N2O5,總起來用NOx表示。其中污染大氣的主要是NO和NO2。NO毒性不太大,但進入大氣后可被緩慢地氧化成NO2,當(dāng)大氣中有O3等強氧化劑存在時,或在催化劑作用下,其氧化速度會加快。

　　大氣中的NOx來源主要有兩方面:一方面是由自然界中的固氮菌.雷電等自然過程所產(chǎn)生,每年全球約產(chǎn)生5億噸,另一方面是由人類活動所產(chǎn)生,每年全球產(chǎn)生量超過5000萬噸。在人類活動產(chǎn)生的NOx中,由各種爐窯.機動車和柴油機等燃料高溫燃燒產(chǎn)生的約占90%以上,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。從燃燒系統(tǒng)中排出的NOx95%以上是NO,其余主要為NO2。由于在環(huán)境中NO最終將轉(zhuǎn)化為NO2,因此,估算的NOx排放量都按NO2計。

　　NO2的毒性約為NO的5倍。當(dāng)NO2參與大氣中的光化學(xué)反應(yīng),形成光化學(xué)煙霧后,其毒性更強。大氣中的NOx對人和動植物都有一定的危害。NO還會導(dǎo)致中樞神經(jīng)受損,引起痙攣和麻痹。高濃度NO中毒時,迅速導(dǎo)致肺部充血和水腫,甚至窒息死亡。

　　NOx與碳?xì)浠衔锘旌蠒r,在陽光照射下發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)生成光化學(xué)煙霧。光化學(xué)煙霧的成分是光化學(xué)氧化劑,它最明顯的危害作用是刺激人的眼睛,發(fā)生紅煙病。此外,對人的鼻.咽.喉.氣管和肺部等呼吸器官也有明顯的刺激作用,從而增大呼吸阻力。光化學(xué)煙霧對植物的損害十分嚴(yán)重,嚴(yán)重時使作物減產(chǎn).樹木枯死。

　　氮氧化物的控制技術(shù)

　　控制氮氧化物廢氣排放的技術(shù)措施主要分兩大類:一類是源頭控制,低NOx燃燒技術(shù),其特征是通過各種技術(shù)手段,控制燃燒過程中產(chǎn)生NOx的生成反應(yīng);另一類是尾部控制,即煙氣脫硝,其特征是把已生成的NOx通過某種手段還原為N2,從而降低排放量。

　　人類活動排入大氣中的NOx,90%以上來自燃料燃燒過程。燃燒過程產(chǎn)生的NOx主要是NO和NO2,其中NO約占90%,NO2約占5~10%。燃燒過程中NOx有3種不同的生成途徑,稱作不同的NOx,即熱力型NOx,燃燒型NOx和快速型NOx。

　　在NOX生成機理中,快速型NOX不到5%,當(dāng)燃燒區(qū)溫度低于1350℃時幾乎沒有熱力型NOX,只有當(dāng)燃燒溫度超過1600℃時,熱力型NOX才可能占到25~30%。對于常規(guī)燃燒設(shè)備,NOX的燃燒控制主要是通過降低燃料型NOX而實現(xiàn)的。

　　機動車排放的NOX也是不可忽視的排放源,機動車排放的NOX主要是熱力型NOX和燃料型NOX。

　　1.低NOx燃燒技術(shù)

　　凡通過改變?nèi)紵龡l件來抑制NOx生成或破壞已生成的NOx達到減少NOx排放的技術(shù)稱為低NOX燃燒技術(shù)。它包括低過量空氣燃燒.二段燃燒和煙氣再循環(huán)。在各種NOx污染控制技術(shù)中,低NOX燃燒技術(shù)是應(yīng)用最廣.相對簡單.經(jīng)濟有效的方法。

　　(1)低過量空氣系數(shù)運行技術(shù)

　　NOx排放量隨著爐內(nèi)空氣量的增加而增加,鍋爐采用低空氣過量系數(shù)運行,不僅可以降低NOx排放,而且能夠減少鍋爐熱損失,提高鍋爐熱效率。但有可能導(dǎo)致CO.碳?xì)浠衔锖吞亢诘任廴疚镆约帮w灰中可燃物質(zhì)量的增加,從而使燃燒效率下降。因此,在確定空氣過剩系數(shù)時必須同時滿足鍋爐熱效率.燃燒效率及降低NOX等要求。

　　(2)二段燃燒技術(shù)

　　二段燃燒技術(shù)是在兩段燃燒裝置中,燃料在接近理論空氣量下燃燒。燃燒所用的空氣分兩次通入,亦即燃燒分兩段進行。第一段通入的空氣約占總空氣量的80%~95%,燃燒在富燃燒貧氧條件下進行,形成低氧燃燒區(qū),火焰溫度低,因而抑制了NOx的生成。第二段將其余的空氣從溫度較低的區(qū)域送入,使第一段剩余的不完全燃燒產(chǎn)物CO.碳?xì)浠衔锏玫酵耆紵?。在二次空氣供入?雖然氧過剩,但由于煙氣溫度較低而限制了NOx的生成量。采用兩段燃燒,避免了在高溫.高氧條件下的燃燒狀況,因而NOx的生成量可大降低。

　　(3)煙氣再循環(huán)技術(shù)

　　對煙氣進行再循環(huán)是減少NOx形成的很有效的方法。其原理為:部分冷卻了的煙氣再循環(huán)被送回到燃燒區(qū),起到降低氧濃度和燃燒區(qū)溫度的作用,達到減少NO生成的目的。煙氣的循環(huán)率在25%~40%的范圍內(nèi)最為適宜,NOx的抑制效果最佳。

　　2.煙氣脫硝技術(shù)

　　(1)非選擇性催化還原法(NSCR)

　　含NOx的氣體在一定溫度和催化劑的作用下和還原劑發(fā)生反應(yīng),將其中的NO2和CO等還原為N2,同時還原劑與氣體中的O2反應(yīng)生成水和CO2。作為還原劑的氣體,可用H2.CH4.CO和低碳?xì)浠衔?。通常的還原劑為含以上組分的混合氣體,如合成氨釋放氣.焦?fàn)t氣.天然氣.煉油廠尾氣和氣化石腦油等。催化劑為鉑和鈀,反應(yīng)溫度控制在550~800℃,凈化效果最好。溫度低時NOx的轉(zhuǎn)化率低,溫度超過815℃會燒壞催化劑載體,使催化劑活性降低,從而降低凈化效率。

　　(2)選擇性催化還原法(SCR)

　　用NH3作還原劑對含NOx的氣體進行催化還原處理,使NH3能有選擇地和氣體中的NO進行反應(yīng),而不和氧發(fā)生反應(yīng)。催化劑可以用鉑.鈀的貴金屬催化劑,也可以用含銅.鐵.釩.錳等非金屬催化劑。反應(yīng)溫度控制在400℃以下,可使以下反應(yīng)占絕對優(yōu)勢。

　　(3)液體吸收法

　　水吸收法:用水吸收NOx時,水和NO2反應(yīng)生成硝酸和亞硝酸,亞硝酸不穩(wěn)定,很快發(fā)生分解生成硝酸.NO和水。NO不與水發(fā)生反應(yīng),在水中的溶解度很小,并且在水吸收NO2時,還放出部分NO,因而水吸收法的凈化效率不高,不能用于主要含NO的燃燒廢氣的凈化。但由于水價格低.方便,可用于凈化小氣量的以含NO2為主的NOx廢氣。

　　酸吸收法:用濃硫酸吸收法的原理是濃硫酸和NOx可生成亞硝基硫酸。亞硝基硫酸可以用于硫酸生產(chǎn)和濃縮硝酸。在同時生產(chǎn)硫酸和濃硝酸的企業(yè)中,可以用該法凈化含NOx廢氣。稀硝酸吸收法的原理是利用NOx在稀硝酸中的溶解度比在水中的溶解度高得多這一性質(zhì),對NO進行物理吸收。該法可用于硝酸尾氣的處理。

　　堿液吸收法:堿性溶液和NO2反應(yīng)生成硝酸鹽和亞硝酸鹽。堿液吸收法也不適合于主要含NO的燃燒廢氣凈化,而比較適合于氧化度較大的含NOx廢氣凈化(氧化度是NO2在NOx中所占的百分比)。該吸收法中采用較多的吸收劑為NaOH和Na2CO3溶液,吸收效率不高,對NO2/NO也有一定限制。

　　吸收還原法:用亞硫酸鹽.亞硝酸鹽.硫化物或尿素的水溶液作吸收劑,將NOx吸收并將其在液相中還原為N2的方法,這種方法可以達到很高的凈化效率。

　　氧化吸收法:先將NOx中的NO部分地氧化為NO2以提高NOx的氧化度,再用堿性溶液進行吸收。國內(nèi)硝酸氧化-堿液吸收流程已用于工業(yè)生產(chǎn)。

　　(4)吸附法

　　吸附法是利用吸附劑對NOx的吸附量隨溫度或壓力變化而變化,通過周期性地改變操作溫度或壓力控制NOx的吸附和解吸,使NOx從氣源中分離出來。常用的吸附劑為分子篩.硅膠.活性炭.含氨泥煤等。該法的優(yōu)點:能比較徹底地消除NOx的污染,又能將NOx回收利用,設(shè)備簡單且操作方便。缺點是:由于吸附劑的吸附容量小,需要的吸附劑量大,設(shè)備龐大,需要再生處理,而且過程為間歇操作。因此僅用于凈化處理低濃度的NOx廢氣。

　　3.機動車尾氣氮氧化物控制技術(shù)

　　近幾年,我國隨著機動車擁有量的迅猛增長,由此引發(fā)的NOx污染日趨嚴(yán)重,控制機動車尾氣排放已迫在眉睫,具體控制措施是:大力推廣小排量汽車,國家并給予一定的政策支持;對于嚴(yán)重超標(biāo)的汽車必須安裝催化器;鼓勵使用無鉛汽油;積極發(fā)展綠色環(huán)保型汽車(如旅游區(qū)用的電瓶車)等;嚴(yán)格控制用車質(zhì)量,對于不符合排放標(biāo)準(zhǔn)的機動車,應(yīng)禁止上路,對已超過使用壽命的,應(yīng)加速淘汰。

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