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大气中氮氧化物的危害及治理

作者:未知

  摘  要:随着社会不断发展进步,环境问题愈演愈烈。其中氮氧化物对人类危害严重,文章介绍了大气中氮氧化物的来源、危害,以及针对现状介绍多种治理氮氧化物的方法。
  关键词:氮氧化物;环境危害;大气治理
  中图分类号:X511          文献标志码:A         文章编号: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
  现代工业发展急速发展的同时,伴随的环境问题也愈演愈烈。而由于氮氧化物(NOX)的排放量的增加,对人类环境和生态造成了严重污染。因此,氮氧化物的控制是我国大气污染控制领域当下最紧迫与必须完成的任务之一。因我国NOX的控制技术发展较晚,且不够全面,使大气污染问题依旧成为焦点与未解决难题。因此,国家近几年在节能减排要求中增加了“脱硝”的指标,工业烟气中严格控制NOX的产生,并进行强制脱硝。所以,发展与研究脱硝的技术及其方法刻不容缓。
  受我国国情影响,在未来一段时间内,煤炭依然会占据我国能源结构中的主要位置。然而,煤炭的燃烧是造成NOX污染的最主要原因。其中燃煤电厂是NOX的主要污染源之一,占到总NOX排放量约80%。2008年我国NOX的排放量达到2000万吨左右,为全世界NOX排放量第一的国家,到2012年已增长至2400万吨,如果不及时采取强有力的脱硝措施,则2020年NOX的排放量预计将会突破3000万吨。同时,我国大部分火电厂的NOX排放量较高,约3.19g·kW-1。中国环境保护部也在近几年颁布了《火电厂氮氧化物防治技术政策》,未来的几年内,脱硝将依然成为大气污染防治的重要任务。
  2 氮氧化物的来源及危害
  氮氧化物(NOX)是由氮,氧两种元素组成的一类化合物。在大气污染中作为污染物的NOX常指NO与NO2。大气中的NOX主要来源与两个方面,自然产生与人为制造。自然原因主要是火山爆发,雷击或细菌的活动造成的,以此方式产生的NOX在大气中只占到5%左右。而人为的排放根据氮氧化物的排放方式不同可分为,固定源排放(如工业锅炉,燃煤锅炉等)与移动源排放(如车辆排放)。其中95%的NOX的排放来自于车辆交通尾气排放与火电厂的烟气排放[1]。
  NOX是一种具有刺激性气味且毒性很强的气体,当做为一次污染物时,NO作为NOX的主要成分,会危害人体的健康。而NO2是棕色带有恶臭气味的气体,对于人体有较大的毒性,NO2吸入人体后,与呼吸系统发生接触,NO2会与人体内的水反应生成硝酸及亚硝酸,从而对整个呼吸系统甚至肺部造成一定的腐蚀与损伤。而当其作为二次污染物时,NO2能发生一系列光化学连锁反应,生成的O3与光化学烟雾会对人体的中枢神经产生极大的危害[2]。
  NOX可以与环境中的其它物质相互作用,可形成酸雨。当NOX与大气中的水成分进行接触后,发生反应可以形成硝酸与亚硝酸,与降水接触形成酸雨,对建筑物,农作物及土壤有严重的危害。如酸雨可以腐蚀大理石与金属,对一些建筑,文物古迹有所破坏。同时,酸雨溶解后的金属,会被农作物吸收,间接对人体与动物的健康产生影响。当烟气中的NOX在大气中接触碳氢化合物后,在太阳光与紫外线的条件下会生成臭氧与光化学烟雾[3]。同时NOX会造成温室效应的加剧,N2O对造成温室效应的贡献仅次于CO2与CH4。且NOX会对臭氧进行消耗,使臭氧流失,间接导致温室效应,使其更加严重。
  3 NOX的控制技术
  烟气脱硝是目前世界上普遍采用的减少氮氧化物排放的方法,能达到很高的氮氧化物脱除效率。其中应用较多的有选择性催化还原法、选择性非催化还原法,而SCR技术能达到90%以上的脱除率。也有新兴的一些方法,选择性催化氧化法、低温等离子体法等。
  3.1 选择性催化还原法[4]
  选择性催化还原法(SCR)是现阶段国内外使用最为广泛的一种脱硝的方法,开始是由美国最先研发,之后日本的工业中广泛应用,使用该方法可以使氮氧化物的脱除效率达到90%以上。SCR技术的基本原理是,在催化剂的催化作用下,用氨水等还原剂还原烟气中的NOX,最终生成对无害的N2。同时这种方法也具有一定的缺点,SCR技术的核心在于选择优良的催化剂,烟气中成分复杂,容易使催化剂失活与中毒,尤其对于水份与硫来说,SCR催化剂更为敏感,从而影响了催化剂的寿命,使处理成本与运行费用明显变高。另外,使用在SCR技术的催化剂如氨气,大多都是有毒物质,如果外泄会造成二次污染。
  3.2 选择性非催化还原法(SNCR)[5]
  选择性非催化还原法(SNCR)的发展的较早且应用较为广泛,技术相对成熟。这种方法的主要原理是:在催化剂的条件下,向高温炉膛(在850℃至1100℃之间)中的烟气喷入氨水或者尿素等具有NHX基团的物质,以此作为氮氧化物的还原剂,雾化喷入反应器后,将烟气内的NOX还原成为无危害的氮气与水。SNCR技术的优点在于投资较少,占地面积相对较小,但是SNCR技术同样存在很大的缺陷,因为这种方法不使用催化剂,所以导致反应温度必须要高,需要提供较大的能量。SNCR技术具有一定的限性,一般只適用于NOX的含量不高的小型燃煤锅炉。   3.3 選择性催化氧化法[6]
  现阶段,在众多的脱硝技术中,效果较好且国内外广泛使用的是SCR技术,但是SCR工艺是一种高尘高温的工艺,因为烟尘磨损,飞灰杂质的冲刷以及在高温环境的条件下,会导致催化剂的烧结与失活导致催化剂寿命缩短,运行成本变高。而且,且金属氧化物负载型催化剂的价格都偏高,脱硝时的温度也较高,不容易进行再生利用,并且具有一定的二次污染。因此,选择性催化氧化技术的发展才应运而生。
  选择性催化氧化法(SCO)的基本原理是在催化剂的作用下,利用燃烧锅炉内烟气中过剩的氧作为氧化剂对NO进行氧化,使NO氧化成为NO2,由于NO2为酸性气体,可再用吸收剂进行吸收脱除,以达到烟气净化的目的。SCO工艺的能耗较低、脱硝效率高。NO在无催化剂的条件下也可以被空气中的氧气氧化成为NO2,但在燃煤烟气中,NO浓度较低,导致NO氧化反应的反应速率极慢,因此必须加入一定的催化剂来提高氧化效率。因为NO的氧化反应是一个较为特殊的反应,随着温度的升高反应速率会下降,所以需要将反应温度控制在低温区,与SCR技术有所不同,因此,可以很好的避免烟气加热后在高温环境中导致运行成本高。这种技术的优点在于,脱硝性能非常稳定,经济性较好,不会造成二次污染,再配合着湿法吸收工艺,脱硝效率可以达到99%,能很好的回收及利用S、N等元素化合物的资源,具有良好的发展前景。
  3.4 低温等离子体法[7]
  低温等离子体技术凭借其在常温下活化和转化反应分子的能力,特别是在烟气脱硝中,以其极快的动力进入工业应用领域。低温等离子技术可以同时处理各种污染物,并能有效避免二次污染,从而达到彻底净化的目的,是一种理想的污染净化技术。然而,该技术还存在许多问题,例如脱硝反应效率低,产物分布广泛,目标产物选择性差。催化反应最重要的特征是催化剂用于加速主反应速率,抑制副反应,并改善目标产物的选择性。因此,低温等离子体技术与催化技术的结合可以相互补充,进一步提高脱硝效率。
  4 展望
  我国是以煤炭为主要能源的国家,在社会不断发展的大前景下,大型工业导致大气中氮氧化物浓度不断升高,已经严重危害人类的健康。目前多数的氮氧化物控制技术是在燃烧后进行治理,但这要求必须有高效的催化剂进行配合才可以持续、高效的脱除氮氧化物。而催化剂价格昂贵,且容易失活,导致氮氧化物治理成本比较高。在未来,应该从燃烧前、燃烧中同步对氮氧化物进行治理,达到更好去除氮氧化物的效果。此外,也应多使用新型洁净能源,或在原煤使用前进行处理,从源头切断氮氧化物的来源。
  参考文献:
  [1]郑足红.Mn-V-CeO2/TiO2低温催化处理NOX活性及抗毒化性能研究[D].湘潭大学,2009.
  [2]武增华.煤燃烧过程中NO产生机理及影响因素[J].环境保护,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,姚强.选择性催化还原法脱硝研究进展[J].煤炭转化,2002,25(3):26-31.
  [5]朱江涛,王晓晖,田正斌.SCNR脱硝技术在大型煤灰炉中应用探讨[J].能源研究与信息,2006,22(1):18-21.
  [6]陈霞,张俊丰,童志权,等.CuCoOx/TiO2催化氧化NO性能研究[J].环境工程学报,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.
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