氮氧化物废气治理研究进展

(青岛理工大学环境与市政学院 山东 青岛 266033)

含氮氧化物是最主要的大气污染源之一。我国正处在工业高速发展阶段，含氮氧化物排放总量呈逐年快速增长趋势，由此衍生了一系列大气污染问题。含氮氧化物(NOx)主要为N2O5、N2O4、N2O3、NO2、NO、N2O，其中NO和NO2对大气污染尤为严重。含氮氧化物扩散至大气中，与大气中的水蒸气结合，易生成酸雾、酸雨、光化学烟雾，严重影响动植物的正常生长，破坏生态平衡，威胁人类生命安全，因此国家环保部门极其重视含NOx废气的治理，严格监控有NOx废气排放的企业，保护大气环境的安全。

一、氮氧化物的来源及其特性

氮氧化物主要来自于两个方面：自然界本身产生和人类活动产生。自然界形成的氮氧化物来自细菌对含氮有机物的分解以及雷电、火山爆发、森林火灾等使氮和氧化合生成的，每年约有5亿吨左右；人类活动产生的NOx每年约有5千万吨，为前者的1/10。但是，由于人类活动产生NOx往往比较集中，浓度高，且大多在人类活动环境区域内，因而其危害性更大。

人类活动产生的氮氧化物主要来源于两个方面：(1)煤炭及石油产品等含氮化合物的燃烧；(2)亚硝酸、硝酸及其盐类有关的工业生产的废气排放。在化学工业中，硝酸厂、草酸厂、硝胺厂等一些生产和使用硝酸的企业排放的工艺尾气中含有大量的NOx废气，这些NOx废气的排放，不仅造成了资源的浪费，而且对人类和生态环境具有极大的危害。

氮氧化物中对自然环境及其人类活动危害最大的主要是NO和NO2。NO为无色、无味、无臭气体，微溶于水，可溶于乙醇和硝酸，在空气中可氧化为NO2，与氧化剂反应生成NO2，与还原剂反应生成N2。NO2溶于水和硝酸，与水反应生成HNO3和HNO2，与碱及强碱弱酸盐反应生成硝酸盐和亚硝酸盐，和还原剂反应还原为N2。

二、氮氧化物废气的处理方法

(一)还原法。还原法即在还原剂存在的条件下，将NOx还原成无毒无害的N2，从而消除污染的一种氮氧化物治理方法。目前国内外常用的还原法有：1.选择性催化还原法(SCR)。SCR工艺是在适宜的温度(一般为250℃～450℃)下和固体催化剂的催化作用下，NH3与NOx发生还原反应生成N2和水，以达到净化NOx废气的目的。该技术可以有效地除去NOx废气中90%～95%的NOx。但是采用NH3作还原剂的催化剂选择还原技术存在以下几个明显的不足：①反应过程中，将有用的NH3转化成无用的N2，造成极大的浪费，经济性差；②NH3具有较强的腐蚀性，对设备造成伤害；③NH3本身具有毒性，不易于存储和运输，并且反应不完全的NH3存在泄露的问题；④催化剂易失活、使用寿命短、价格昂贵；⑤该法仅适用于固定污染源的治理和净化。2.选择性非催化还原法(SNCR)。SNCR工艺是向高温废气中喷射NH3或者尿素等还原剂，将NOx还原成N2和水，其主化学与SCR相同，一般可获得30%～50%的脱NOx效率，所用的还原剂可以是氨、氨水和尿素等，也可添加一些增强剂，与尿素一起使用。影响SNCR法性能设计和运行的主要因素是反应温度、最佳温度区的滞留时间、喷入的反应剂与废气混合程度、处理前废气中NOx浓度、喷入的反应剂与NOx的摩尔比、氨的逃逸量。管一明等研究认为对于氨，最佳反应温度区域为870℃～1100℃；尿素最佳的反应温度区域为900℃～1150℃；滞留时间能在0.001s～10s范围内波动，但为获得较好的NOx去除率，要求最低的滞留时间为0.5S，摩尔比一般为0.5～3。该工艺不需催化剂，但氨液消耗量较SCR法多，对温度的控制要求也更高，操作条件极其复杂，目前在国内未得到推广。

(二)液体吸收法。液体吸收法是利用NOx不同组分在吸收剂中的溶解度不同，或者与吸收剂发生选择性的化学反应，从而净化废气中NOx的过程。该法具有工艺简单，投资少等优点，可根据具体情况选择合适的吸收液，能以硝酸盐的形式回收NOx，从而达到综合治理及利用的目的，缺点是效率不高，对含NO较多的废气净化效果差，且不宜处理气量很大的废气。液体吸收法是化学工业生产过程中应用比较广泛的方法，大致可归纳为：水吸收法，酸吸收法，碱液吸收法等。

(三)吸附法。吸附法是利用多孔性固体吸附剂对NOx的吸附量随温度或压力的变化而变化的原理，通过周期性地改变反应器内的温度或压力，来控制NOx的吸附和解吸反应，以达到将NOx从尾气中脱除出来的目的。常用的吸附剂为杂多酸、分子筛、硅胶、活性炭和含氨泥煤等。根据再生方式的不同，吸附法可分为变温吸附和变压吸附两种，但再生过程需要专门的设备和系统供应蒸汽、热空气等再生介质，造成设备费用和操作费用大幅增加，限制了吸附法的广泛使用。吸附法治理NOx废气必须考虑吸附和吸附剂再生的全部过程，因此高浓度废气不宜使用吸附法。山东新宇化肥集团采用变温吸附法净化硝酸尾气过程中发现，当尾气中NOx的体积浓度大于3000×10-6时，吸附时产生的吸附热较大，而吸附热过高用空气充压时有燃烧的危险，吸附热过高还会影响硝酸装置正常运行，因此，该装置只能运行NOx体积分数2000×10-6以下的含氮氧化物尾气。吸附法即能比较彻底地消除氮氧化物的污染，又能将氮氧化物回收利用。但是，由于吸附容量较小，需要吸附剂量大，因而设备庞大，投资大，运转动力消耗也大。

(四)生物法。微生物净化氮氧化物有硝化和反硝化两种机理。适宜的脱氮菌在由外加碳源的情况下，利用氮氧化物为氮源，将氮氧化物同化成为有机氮化合物，成为菌体的一部分(合成代谢)，脱氮菌本身获得生长繁殖；而异化反硝化作用(分解代谢)则将NOx最终还原成氮。NOx中NO2和NO溶解于水的能力差别较大，因此净化机理也不通。在有氧的条件下，NO也会同时被亚硝化细菌氧化成NO2，进而被硝化细菌氧化成NO3。生物净化法具有设备简单、运行费用低、便于管理、安全性好、无二次污染等优点，目前运用生物法净化NOx尾气的研究还处于起步阶段。

(五)综合治理。以上几种治理NOx废气的方法各有优缺点，但是随着国家要求的NOx排放指标的进一步提高，单一的方法不能将废气中的NOx彻底脱除，很多企业达不到国家要求的标准，需要更新或改进技术，以降低其尾气NOx的排放，很多企业运用联合的工艺来处理NOx废气，并取得了很好的效果。

三、结束语

含氮氧化物废气已经严重影响我们的生存环境，从当前的治理情况看来，废气的处理还是取得一定成效的，但是随着环保需求的不断增大，在废气处理方面的技术还是要加强。企业在生产过程要重视废气的处理，对现有的处理工艺和设备进行改进，最大程度去除废气中的有害气体；而相关的部门也要重视废气处理，加强对企业的监督，对于企业生产过程出现的违规排放，一定要严惩。多方面共同努力，才能保护环境，创造美好家园。