氮氧化物危害及其處理技術

梁 晶，鄭 健，韓苗苗，馬龍信，石 巖

（華電電力科學研究院有限公司，浙江 杭州 310030）

從工業革命到現在，人類改造自然的能力越來越強，隨之而來的環境問題也越來越突出。隨著我國加入《巴黎協定》，在關注經濟發展的同時，對環境問題也越來越重視，提出了綠色可持續發展理念。大氣污染是人們感受最直接的污染類型之一，近年來受到的關注尤為突出。氮氧化物是世界公認的大氣污染物，石油、煤炭等化石燃料燃燒都是氮氧化物污染的來源，對自然環境以及人體健康都了很大危害[1]。了解氮氧化物的危害及研究其處理技術具有重要的現實意義。

1 氮氧化物產生及危害

如表1所示，氮氧化物來源廣泛，自然界活動本身也會產生氮氧化物，如火山爆發、有機物在微生物作用下的分解等，但這種來源通常在環境自我凈化中保持相對平衡，不會對人類及自然環境造成危害。主要的污染源自于人類活動，包括煤炭燃燒、石油化工、農藥及化肥等的生產，此類來源是造成環境污染的主要原因。

表1 氮氧化物來源

1.1 對環境的危害

由表2可知，氮氧化物在陽光照射狀態下容易分解，并與空氣中的部分化合物發生反應產生光化學煙霧[2]。光化學煙霧的危害巨大，不但降低空氣能見度，對出行安全造成影響，而且能造成植物葉脈損傷，對植物具有很大的毒害性。

表2 氮氧化物對環境的危害

氮氧化物是酸雨危害的主要源頭，酸雨不僅危害地表植物，滲入地下也會對地下水系產生影響，造成水質酸化及富營養化，引起水源污染。

氮氧化物也是溫室效應的主要原因之一，其對長波輻射有很強的吸收作用，能夠加劇溫室效應；同時，氮氧化物還會造成臭氧層破壞，對全球氣候造成影響。

1.2 對人體的危害

氮氧化物具有刺激性氣味，有很強的毒性，會對呼吸系統造成損傷，導致肺泡萎縮、肺泡液外滲等，還可能引起中毒性肺水腫，對生命安全造成嚴重威脅[3]。

氮氧化物具有較高的生物氧化活性，可加劇人體內的氧化反應，造成人體氧化產物大量增加。同時，氮氧化物還會對人體蛋白質、酶等物質造成損害，進一步對免疫系統造成損傷。

氮氧化物在人體內會與體液物質發生反應生成亞硝酸鹽類物質，其隨著血液流動與血紅蛋白作用，影響血液供氧能力，進而對神經系統造成影響。此外，氮氧化物還會對眼部及中樞神經等造成危害。如表3所示。

表3 氮氧化物對人體的危害

2 氮氧化物處理技術

對氮氧化物的處理技術可分為三類，分別針對燃燒過程的三個階段，即燃燒前處理、燃燒過程中處理、燃燒后處理。燃燒前處理即采用低氮的原料或者通過一定技術手段減少其所含雜質，從而起到減少氮氧化物排放的作用；燃燒過程中處理即通過改進設備或采用先進的燃燒手段，降低燃燒過程中產生的氮氧化物；燃燒后處理即對燃燒后的產物進行處理，即對煙氣的處理，降低排放的氮氧化物。氮氧化物處理技術詳見表4。

表4 氮氧化物處理技術

2.1 催化法

催化還原技術是在一定溫度條件與催化劑作用下，煙氣中NOX選擇性還原為水和氮氣，從而達到去除煙氣中NOX的效果[4]。還原劑通常選擇NH3，但也可以選擇丙烯或醛類等碳氫化合物，目前液氨和尿素在工業中應用較為廣泛。

催化法的關鍵是催化劑，直接關系到催化工藝的成效，催化劑的選擇顯得尤為重要。目前，很多學者在催化劑方面進行研究，主要在金屬和非金屬兩類，為便于實際應用，將催化劑制作成板型以及蜂窩型等各種形狀，目前V2O5系催化劑在實際應用中使用廣泛。

2.2 等離子法

等離子脫硝技術最早由日本研究開發，其原理是利用電子束對煙氣進行照射，隨后產生大量自由基，自由基對煙氣中的氮氧化物進行氧化，加入氨使其生成微小粉塵，對粉塵進行捕捉以達到脫除目的[5]。此工藝的優點是簡單高效、應用場所廣泛，同時不產生二次污染，捕捉到的粉塵還可以作為化肥等進行廢物利用。但整個過程耗電量巨大，使用成本較高，無法達到大規模應用的要求。

目前，在電子束法的基礎上，利用其特點，研究出了脈沖電暈法，其本質是以高壓脈沖電源產生等離子體。因為不需要電子束加速器，該方法設備較為簡化，費用方面也比電子束法要低。該方法可以將煙氣中的氮氧化物轉變成硝酸銨，有效進行了廢物二次利用，其在煙氣治理方面具有很好的應用前景，但面臨著如何實現控制簡易、靈活的大功率高壓脈沖電源的技術難題。

2.3 微生物法

微生物法的原理是利用微生物的生理代謝活動，將煙氣中富集的氮氧化物轉變為氮氣或者無機物[6]。該方法一般可以分為兩種處理技術，一是利用微生物將NO氧化，先生成亞硝酸根，隨后繼續氧化生成硝酸根，以此達到脫除NO的目的，稱之為氧化法；二是利用微生物將NOX還原，生成無危害的氮氣，稱之為還原法。目前，針對微生物還原作用的研究開展的比較廣泛，但由于微生物對生存環境要求嚴格，而實際應用中情況復雜，對微生物法的工業應用形成了阻礙。但同時微生物法具有效率高、安全環保的優點，正逐步成為氮氧化物處理方面的研究熱點。

2.4 吸收法

吸收法可以實現同時脫除硫化物和氮氧化物，其原理是利用氮氧化物等在液態吸收劑中的水溶性，通過物理溶解以及化學反應等將其去除，該方法可以有效地控制酸性氣體，常用的吸收液為堿性溶液[7]。NO在水和堿液中的溶解度不高，需要通過添加高錳酸鉀、雙氧水等氧化劑的方法，將NO氧化成高價態的氮氧化物，然后開始吸收處理。吸收法的工藝相對簡單，容易實現，操作也簡易靈活，但其要求在一定溫度條件下進行，同時脫除效率不高，氧化劑的安全保存與使用也是需要認真考慮的問題，而且容易產生大量廢液，酸性溶液對設備的腐蝕問題也是不小的挑戰。

2.5 吸附法

吸附法的原理是通過物理或化學吸附作用，將氮氧化物吸附到吸附劑表面。目前市場上常見的吸附劑主要是活性炭、飛灰等，此類吸附劑具有較大的比表面積，同時具有密集的孔洞結構，有助于吸附效率的提升[8]。吸附法具有很多優點，其設備、工藝簡單，操作易實現，而且不會產生廢液，是公認的實現氮氧化物控制的有效方法。但吸附法的投資較高，也面臨吸附劑失活等關鍵技術難題，為了確保經濟性，保持吸附劑的長期穩定使用，對長時間循環操作條件下保持吸附劑容量的研究尤為重要。

3 結束語

目前，國內外針對氮氧化物的處理技術有很多形式，但相應又有一定的局限和問題，等離子法和吸附法工藝簡單易行，但投資運行成本較高；微生物法環保高效，但微生物對環境的要求苛刻，暫時無法大規模普及工業應用；催化法脫除效率高，但占地面積大、資金成本高，同時也面臨催化劑中毒失效問題；吸收法操作簡單易行，但效率與設備要求方面存在改進空間。為了保障社會節能環保發展，對氮氧化物的控制將會越發嚴格，針對氮氧化物污染的處理技術也會越發先進。