氮氧化物危害及其处理技术

梁 晶，郑 健，韩苗苗，马龙信，石 岩

（华电电力科学研究院有限公司，浙江 杭州 310030）

从工业革命到现在，人类改造自然的能力越来越强，随之而来的环境问题也越来越突出。随着我国加入《巴黎协定》，在关注经济发展的同时，对环境问题也越来越重视，提出了绿色可持续发展理念。大气污染是人们感受最直接的污染类型之一，近年来受到的关注尤为突出。氮氧化物是世界公认的大气污染物，石油、煤炭等化石燃料燃烧都是氮氧化物污染的来源，对自然环境以及人体健康都了很大危害[1]。了解氮氧化物的危害及研究其处理技术具有重要的现实意义。

1 氮氧化物产生及危害

如表1所示，氮氧化物来源广泛，自然界活动本身也会产生氮氧化物，如火山爆发、有机物在微生物作用下的分解等，但这种来源通常在环境自我净化中保持相对平衡，不会对人类及自然环境造成危害。主要的污染源自于人类活动，包括煤炭燃烧、石油化工、农药及化肥等的生产，此类来源是造成环境污染的主要原因。

表1 氮氧化物来源

1.1 对环境的危害

由表2可知，氮氧化物在阳光照射状态下容易分解，并与空气中的部分化合物发生反应产生光化学烟雾[2]。光化学烟雾的危害巨大，不但降低空气能见度，对出行安全造成影响，而且能造成植物叶脉损伤，对植物具有很大的毒害性。

表2 氮氧化物对环境的危害

氮氧化物是酸雨危害的主要源头，酸雨不仅危害地表植物，渗入地下也会对地下水系产生影响，造成水质酸化及富营养化，引起水源污染。

氮氧化物也是温室效应的主要原因之一，其对长波辐射有很强的吸收作用，能够加剧温室效应；同时，氮氧化物还会造成臭氧层破坏，对全球气候造成影响。

1.2 对人体的危害

氮氧化物具有刺激性气味，有很强的毒性，会对呼吸系统造成损伤，导致肺泡萎缩、肺泡液外渗等，还可能引起中毒性肺水肿，对生命安全造成严重威胁[3]。

氮氧化物具有较高的生物氧化活性，可加剧人体内的氧化反应，造成人体氧化产物大量增加。同时，氮氧化物还会对人体蛋白质、酶等物质造成损害，进一步对免疫系统造成损伤。

氮氧化物在人体内会与体液物质发生反应生成亚硝酸盐类物质，其随着血液流动与血红蛋白作用，影响血液供氧能力，进而对神经系统造成影响。此外，氮氧化物还会对眼部及中枢神经等造成危害。如表3所示。

表3 氮氧化物对人体的危害

2 氮氧化物处理技术

对氮氧化物的处理技术可分为三类，分别针对燃烧过程的三个阶段，即燃烧前处理、燃烧过程中处理、燃烧后处理。燃烧前处理即采用低氮的原料或者通过一定技术手段减少其所含杂质，从而起到减少氮氧化物排放的作用；燃烧过程中处理即通过改进设备或采用先进的燃烧手段，降低燃烧过程中产生的氮氧化物；燃烧后处理即对燃烧后的产物进行处理，即对烟气的处理，降低排放的氮氧化物。氮氧化物处理技术详见表4。

表4 氮氧化物处理技术

2.1 催化法

催化还原技术是在一定温度条件与催化剂作用下，烟气中NOX选择性还原为水和氮气，从而达到去除烟气中NOX的效果[4]。还原剂通常选择NH3，但也可以选择丙烯或醛类等碳氢化合物，目前液氨和尿素在工业中应用较为广泛。

催化法的关键是催化剂，直接关系到催化工艺的成效，催化剂的选择显得尤为重要。目前，很多学者在催化剂方面进行研究，主要在金属和非金属两类，为便于实际应用，将催化剂制作成板型以及蜂窝型等各种形状，目前V2O5系催化剂在实际应用中使用广泛。

2.2 等离子法

等离子脱硝技术最早由日本研究开发，其原理是利用电子束对烟气进行照射，随后产生大量自由基，自由基对烟气中的氮氧化物进行氧化，加入氨使其生成微小粉尘，对粉尘进行捕捉以达到脱除目的[5]。此工艺的优点是简单高效、应用场所广泛，同时不产生二次污染，捕捉到的粉尘还可以作为化肥等进行废物利用。但整个过程耗电量巨大，使用成本较高，无法达到大规模应用的要求。

目前，在电子束法的基础上，利用其特点，研究出了脉冲电晕法，其本质是以高压脉冲电源产生等离子体。因为不需要电子束加速器，该方法设备较为简化，费用方面也比电子束法要低。该方法可以将烟气中的氮氧化物转变成硝酸铵，有效进行了废物二次利用，其在烟气治理方面具有很好的应用前景，但面临着如何实现控制简易、灵活的大功率高压脉冲电源的技术难题。

2.3 微生物法

微生物法的原理是利用微生物的生理代谢活动，将烟气中富集的氮氧化物转变为氮气或者无机物[6]。该方法一般可以分为两种处理技术，一是利用微生物将NO氧化，先生成亚硝酸根，随后继续氧化生成硝酸根，以此达到脱除NO的目的，称之为氧化法；二是利用微生物将NOX还原，生成无危害的氮气，称之为还原法。目前，针对微生物还原作用的研究开展的比较广泛，但由于微生物对生存环境要求严格，而实际应用中情况复杂，对微生物法的工业应用形成了阻碍。但同时微生物法具有效率高、安全环保的优点，正逐步成为氮氧化物处理方面的研究热点。

2.4 吸收法

吸收法可以实现同时脱除硫化物和氮氧化物，其原理是利用氮氧化物等在液态吸收剂中的水溶性，通过物理溶解以及化学反应等将其去除，该方法可以有效地控制酸性气体，常用的吸收液为碱性溶液[7]。NO在水和碱液中的溶解度不高，需要通过添加高锰酸钾、双氧水等氧化剂的方法，将NO氧化成高价态的氮氧化物，然后开始吸收处理。吸收法的工艺相对简单，容易实现，操作也简易灵活，但其要求在一定温度条件下进行，同时脱除效率不高，氧化剂的安全保存与使用也是需要认真考虑的问题，而且容易产生大量废液，酸性溶液对设备的腐蚀问题也是不小的挑战。

2.5 吸附法

吸附法的原理是通过物理或化学吸附作用，将氮氧化物吸附到吸附剂表面。目前市场上常见的吸附剂主要是活性炭、飞灰等，此类吸附剂具有较大的比表面积，同时具有密集的孔洞结构，有助于吸附效率的提升[8]。吸附法具有很多优点，其设备、工艺简单，操作易实现，而且不会产生废液，是公认的实现氮氧化物控制的有效方法。但吸附法的投资较高，也面临吸附剂失活等关键技术难题，为了确保经济性，保持吸附剂的长期稳定使用，对长时间循环操作条件下保持吸附剂容量的研究尤为重要。

3 结束语

目前，国内外针对氮氧化物的处理技术有很多形式，但相应又有一定的局限和问题，等离子法和吸附法工艺简单易行，但投资运行成本较高；微生物法环保高效，但微生物对环境的要求苛刻，暂时无法大规模普及工业应用；催化法脱除效率高，但占地面积大、资金成本高，同时也面临催化剂中毒失效问题；吸收法操作简单易行，但效率与设备要求方面存在改进空间。为了保障社会节能环保发展，对氮氧化物的控制将会越发严格，针对氮氧化物污染的处理技术也会越发先进。