氮氧化物(NOx)脫除技術的研究進展

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(河南省化工研究所有限責任公司，河南 鄭州 450052)

氮氧化物(NOx)脫除技術的研究進展

黃蓓，許芳

(河南省化工研究所有限責任公司，河南 鄭州 450052)

NOX(氮氧化物)是大氣的主要污染物之一，本文主要介紹了氮氧化物的來源、產生的機理及造成的危害，并對生產生活中脫除此類氮氧化物的技術方法進行了總結。

氮氧化物；煙氣脫硝

0 前言

隨著現代工業生產和人民生活水平的不斷提高，環境污染已作為一個世界范圍內的問題被提出來，其中與人們日常生活息息相關的大氣污染是關注的焦點之一。氮氧化物(NOx)，大氣污染中的一大類，包括NO、NO2、N2O、N2O5、N2O3、NO3、N2O4等，其中N2O5、N2O3、NO3、N2O4這四種氣體在常溫常壓條件下不穩定，會很快分解成NO和NO2；N2O是一種無色的惰性氣體，俗稱“笑氣”，是底層大氣中含量較高的氮氧化物，是導致溫室效應的氣體之一，當其進入大氣層后會轉化為NO，進而破壞臭氧層。因此，通常所稱的污染大氣的NOx主要是以NO和NO2這兩種氣體為主[1]。

NOx是煤炭燃燒和汽車尾氣排放的煙氣的主要污染物，也是導致酸雨的“酸性氣體”。特別是近年來隨著對NOx的深入研究，發現此類物質在光照下會發生光化學反應，形成光化學煙霧，從而對大氣中的臭氧、人體健康造成嚴重的影響，其危害性正逐漸被人們所認識[2]。

如何控制NOx類物質的排放，對生產生活中生成的氮氧化物進行處理使其達到安全的排放標準，從而不會對大氣環境和人的身體健康造成嚴重的影響，就成了環境科學家、化學家和工業生產企業研究的重點。

1 NOx的來源與形成方式

1.1 NOx的來源

大氣中的NOx形成主要來源于兩方面：一方面是自然界在維持自身運行過程中產生的，如生物生長中的固氮菌、雷雨天氣引起的化學反應等；另一方面就是人類在生產生活過程中排放的，其中在高能耗的玻璃、鋼鐵、水泥等加工行業等所用的燃料燃燒后排放的NOx占比例較大。近年來隨著汽車工業的逐步發展，汽車尾氣排放的NOx所占的比例也在逐漸增加。

1.2煙氣中NOx形成的方式

煙氣中的NOx其中的氮主要來自于燃料和空氣，氧則主要來源于空氣。高溫下氮氧化物(NO、NO2、N2O等)各自的穩定性是不同的，如NO在1 100 ℃以上是穩定的，所以在高溫窯爐中產生的NOx以NO為主要成分，同時，當氧氣不足時也易形成NO。因此，NO的形成速率主要由燃燒區域的氧和氮的濃度及最高溫度所決定，與燃料的其他性質無關。而NO2的產生主要來自于NO進一步的氧化。NO與NO2在室溫條件下又可以可逆的轉化為N2O3[3-4]。

煙氣中NOx的形成主要有以下三種方式：①熱力型。高溫下空氣中的氮和氧反應形成氮氧化物；②燃料型。高溫下把燃料中的含氮物質氧化成氮氧化物；③快速型。高溫下空氣中的氮氣與燃料中碳氫化物反應形成氮氧化物。

2 NOx的脫除(即脫硝)

NOx的脫除可分為兩個階段：①燃燒過程中的控制，減少NOx的生成進而減少其排放；②燃燒后的脫除，通過對生成的NOx進行物理化學方法將其轉變為可被吸收除去的物質。

2.1燃燒過程中的控制

2.1.1 低NOx燃燒器

其原理是在主燃區形成富燃料燃燒，形成還原性氣氛，二次風采用分級送入。這樣既保證了燃料能充分燃燒，同時大大降低了NOx的生成，此法可以脫除或者減少60%左右的NOx排放。

2.1.2 煙氣再循環

將鍋爐尾部溫度較低的煙氣分離出來，送入燃燒區域或與空氣混合后再送入爐內。這樣做一方面降低了爐內溫度，另一方面降低了燃燒區內氧氣的濃度，這都限制了NOx的生成，但此法的脫除效率并不高，只能達到25%左右。

2.1.3 分級燃燒

將空氣分級送入爐內燃燒，通過減少主燃燒區的配風來控制主燃燒區內NOx的生成。同時由于在通入配風前的主燃燒區域處于還原氣氛中燃燒，延長燃料在該區域的時間，也可以促進NOx的分解。

2.1.4 水或蒸汽噴射

這種方法主要原理就是降低主燃燒區域的溫度，進而降低NOx特別是NO的的生成。

2.2燃燒后脫除NOx

目前，對燃燒后生成的氮氧化物的脫除主要有以下兩種方法：

2.2.1 濕法脫除

將難溶于水的NO利用氧化法將其氧化成NO2，然后利用溶液吸收法進行回收處理。其中酸、堿液吸收法、還原吸收法、液相配位法、氧化吸收法等是幾種較為常用的方法，但是此類方法由于技術和設備條件的限制總的脫除效率只能達到40%～60%。近年來，隨著各國學者對濕法脫硝的研究，新的技術方法也被應用到此過程中，如雜多酸法、生物法等[5]，但NOx的脫除效果并沒有明顯的改善。

2.2.2干法脫除

主要包括催化還原法和非催化還原法兩種[6]。

催化還原法是在催化劑作用下NOx被還原劑(氨或烴)還原成N2和H2O。催化還原法中依據還原劑是否與煙氣中的氧氣發生反應，又分為如下兩種催化還原模式：不與煙氣中的氧發生反應的稱為選擇性催化還原(SCR)，反之則為非選擇性催化還原(NSCR)。

非催化還原法中的選擇性非催化還原法(SNCR)是一種不添加催化劑而直接利用NH3、尿素等作為還原劑與煙氣中的NOx反應，將其還原成N2和H2O過程 。

4N2+2CO2+4H2O

比較選擇性催化還原(SCR)、非選擇性催化還原(NSCR)及選擇性非催化還原(SNCR)法后，發現他們都有各自的應用優點，但是自身的缺點也比較明顯。如選擇性催化還原(SCR)和非選擇性催化還原(NSCR)，該法具有凈化率高，工藝設備成熟，運行安全可靠，不會造成二次污染等特點。此外，在選擇性催化還原(SCR法)下通過應用不同的催化劑也可以在不同的溫度條件下實現對NOx的脫除，脫除效率可達70%～90%，但是此法的一個顯著的不足就是催化劑相對比較昂貴，而且在應用過程中也容易被毒化，進而導致催化劑失效。而選擇性非催化還原(SNCR)是通過直接利用還原劑在高溫條件下對NOx還原，不使用催化劑，這樣雖然避免了催化還原法的缺點，但是也引入了另外的問題，如反應溫度高，還原劑用量大，脫除NOx效果不好，其脫除率只有50%～60%，而且也容易導致二次污染。

因此，近年來又發展了一種將選擇性非催化還原和選擇性催化還原聯合起來脫除NOx的工藝(SNCR-SCR工藝)。在該工藝中非催化還原時過量的還原劑，可以直接應用到下一步的催化還原中而不需要再額外的補加還原劑，同時經過兩次還原后脫除NOx的效率大大提高，脫除效率可達90%。

3 結論及展望

傳統的干、濕法脫除NOx技術及其在此基礎上的各種改進方法仍然是脫硝的主要手段，兩種方法都有各自的優缺點。濕法脫除NOx技術的優點是顯而易見的，如工藝設備要求簡單、操作溫度低、能耗少、處理的其他廢棄物的費用低等，其主要不足是由于系統比較復雜，耗費成本較高，導致工業應用受到限制。相對濕法，干法的優點是所有的操作在高溫下進行，沒有廢水的生成，同時生成的煙氣也不需要再次加熱；而干法脫除NOx的缺點就是整個系統的運行成本較高，還原劑氨易泄漏，催化劑易失活等，這些因素也都限制了干法脫除NOx技術在工業上面的應用和推廣。

因此，新技術、新工藝的研究開發，對現有脫除氮氧化物(NOx)技術的不斷完善與改進，將是化工行業不斷追求的目標之一。

[1]楊 楠，王 雪. 氮氧化物污染及防治[J].環境保護與循環經濟，2010(11)：63-67.

[2]李雪飛，張文輝，杜銘華.干法煙氣脫硝綜述[J].潔凈煤技術，2006(3)：43-46.

[3]孫洪民，曲道志.煙氣脫硝技術發展綜述[J].鍋爐制造，2013(4)：30-33.

[4]童志權，莫建紅.催化氧化法去除煙氣中NOx的研究進展[J].化工環保，2007，27(3)，193-199.

[5]印建樸，熊源泉.濕法煙氣脫除NOx的研究進展[J].能源研究與利用，2008(4)：6-9.

[6]原長海，闞中華，陳 嶸.干法煙氣脫硝技術的研究進展[J].廣州化工，2010，38(3)：36-38.

ResearchProgressofRemovalTechnologyofNOx

HUANGBei,XUFang

(Henan Chemical Industry Research Institute Co.Ltd,Zhengzhou 450052,China)

Nitrogen oxide is one of the main pollutants in the ambient air.In this paper,the source and mechanism of nitrogen oxide and the damage of nitrogen oxide are introduced.Meanwhile,the removal technology of nitorgen oxide from the flue gas are summarized.

nitrogen oxide;flue gas denitrification

2014-06-15

黃 蓓(1982-)，女，工程師，從事化工科研開發工作，電話：15237129810。

X511

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1003-3467(2014)09-0021-03