探討NOX對大氣的污染及其處理技術的發展趨勢的論文

時間：2023-04-30 00:46:38 論文范文我要投稿

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　　1.大氣污染的現狀

探討NOX對大氣的污染及其處理技術的發展趨勢的論文

　　目前大氣污染日趨嚴重,有些大氣污染所造成的危害已經沒有了國界的限制,形成了全球性大氣污染,成為與世界各國都有直接利害關系的問題。全球性大氣污染已引起了世界各國的普遍關注.其中CO2,CH4,N2O,CFC是能導致全球氣溫升高的溫室氣體,而N2O,CCL4,哈龍以及CFC等對臭氧層起破壞作用[1]。而N

　　O,SOx導致的酸雨問題在我國尤其嚴重,這主要是由我國的能源結構和大氣污染處理技術水平決定的。

　　氮氧化物(NOx )既是嚴重的空氣污染物,又是誘發光化學煙霧和酸雨的主要原因之一。全球每年排入大氣的NOx 總量達3000萬t,而且還在持續增長。因此,對NOx的治理研究已成為國際上環境保護領域的研究熱點之一。

　　2.氮氧化物的來源

　　2.1 氮氧化物的來源

　　化石燃料燃燒產生的NOx 煙氣(其中95%以NO形式排放) 是最主要的排放源,占人類排放總量的90%[2]。

　　2.1.1 火力發電廠、鋼鐵廠、煉焦廠等工礦企業的燃料燃燒,各種工業窯爐的燃料燃燒以及各種民用爐灶、取暖鍋爐的燃料燃燒均向大氣排放出大量氮氧化物。

　　2.1.2 化工廠、石油煉制廠、鋼鐵廠、焦化廠、水泥廠等各種類型的工業企業,在原材料及產品的運輸、粉碎以及由各種原料制成成品的過程中,都會有一定量的氮氧化物產生。

　　2.1.3農業生產氮肥在施用后,可直接從土壤表面揮發成氣體進入全球性大氣;而以有機氮或無機氮進入土壤內的氮肥,在土壤微生物作用下可轉化為氮氧化物進入全球性大氣,從而增加了全球性大氣中氮氧化物的含量。

　　3.煙氣脫氮技術

　　3.1 選擇性催化還原法(SCR法)

　　此法的原理為:使用適當的催化劑,在一定溫度下以氨作為催化反應的還原劑,使氮氧化物轉化成無害的氮氣和水蒸汽。反應式如下:

　　4NO + 4NH3 + O2 =4N2 + 6H2O

　　8NH3 + 6NO2 =7N2 + 2H2O

　　催化劑不同,反應所需溫度也不一樣。以二氧化鈦為載體的鈀、鉑催化劑,所需的反應溫度為300~400℃,而以焦炭為催化劑,反應溫度為100~150℃。此法具有凈化率高(可達85 %以上),工藝設備緊湊,運行可靠,氮氣放空,無二次污染等特點,但此法存在投資與運行費用(投資費用80美元/ kW)較高,消耗氨液,氮氧化物不能回收等不足之處。若在聯合SCR/ VOC(易揮發的有機化合物)催化系統中,氣流將首先通過一種氧化催化劑將VOC轉化成CO2 和H2O。該法NOx脫除率可達99.0 %。

　　3.2 非催化選擇性還原性(SNCR法)

　　該法原理同SCR法,由于沒有催化劑的幫助,反應所需溫度較高,為900~1200℃。反應式為

　　4NH3 十6NO→5N2 十6H2O

　　由于反應溫度高,此法要控制好反應溫度,以免氨被氧化成氮氧化物。此法的凈化率為50 %~60 %,其特點是不需催化劑,舊設備改造少,投資較SCR法小(投資費用15美元/ kW)。但氨液消耗量較SCR法多。近來研究用尿素代替NH3作為還原劑, 使得操作系統更加安全可靠,而不必擔心因NH3的泄漏造成新污染。

　　3.3 催化助熱燃燒技術

　　催化助熱燃燒技術是采用催化劑使燃燒火焰溫度從l800~2000℃降低到1 500℃左右,從而顯著地阻止了NOx的生成。這是針對含氮少的氣體燃燒的燃燒法,可有效降低NOx 的排放。

　　3.4 臭氧氧化吸收法

　　采用O3使NO氧化,然后用水溶液吸即

　　NO + O3 →NO2 + O2 2NO + O3 →N2O5

　　N2O5 + H2O →2HNO3

　　生成物HNO3經濃縮而得到濃度為60 %。實踐證明,該法不會將其它污染物帶入反應系統中, 而且采用水作吸收劑比較便宜。但是,臭氧要用高電壓制取,故耗電量大, 費用大。

　　3.5 煙氣脫硫脫氮一體化技術[3]

　　3.5.1 電子束照射法( ER法)

　　該法的原理是在煙氣進入反應器之前先加入氨氣,然后在反應器中用電子加速器產生電子束照射煙氣,使水蒸氣、氧等分子激發產生高能自由激, 這些自由激使煙氣中的SO2和NOx很快氧化,產生硫酸和硝酸, 再和氨氣反應形成硫酸銨和硝酸銨化肥。

　　該流程工藝的特點是:能同時脫硫脫硝,脫硫效率高(90%以上) ,脫硝率80 %以上, 不產生廢水和廢渣,副產品可以做化肥使用,系統操作方便簡單,過程易于控制,運行可靠,無堵塞、腐蝕和泄漏等問題,對負荷的變化適應性強,處理后煙氣無需加熱可直接排放,占地面積小(約為常規方法的1/ 2 ~1/ 3),投資和運行費用低,實際運行中,燃煤含硫量在0.8 %~3.5 %之間變化時,脫硫率在 80 %以上脫硝率在20 %以上。電子束輻射法已在我國六大脫硫示范工程之一的成都發電廠脫硫脫硝工程中得到應用。 3.5.2 吸附劑吸收技術采用浸漬了碳酸鈉的γ-Al2O3 圓球(1.6mm)作為吸附劑同時去除煙氣中的二氧化硫和氮氧化物。處理過程包括吸收、再生等步驟。吸收過程反應式為: Na2CO3 + Al2O

　　3 →2NaAlO2 + CO2

　　2 NaAlO2 + H2O →2NaOH + Al2O3

　　2NaOH + SO2 + 1/ 2O2 →Na2SO4 + H2O

　　2NaOH + 2NO + 3/ 2O2 →NaNO3 + H2O

　　2NaOH + 2NO2 + 1/ 2O2 →2NaNO3 + H2O

　　采用天然氣一氧化碳可對吸附劑進行再生,再生反應式如下:

　　4 Na2SO4 + CH4 →4Na2SO3 + CO2 + 2H2O

　　4Na2SO3 + 3CH4 →4NO2S + 3CO2 + 6H2O

　　Al2O3 + Na2SO3 →2NaAlO2 + SO2

　　Al2O3 + Na2S + H2O →2NaAlO2 + H2S

　　此技術對煙氣中二氧化硫的凈化率達90 % ,氮氧化物的凈化率達70 %~90 % ,但此技術需大量吸附劑,設備龐大,投資大,運行動力消耗也大。

　　3.5.3 活性碳脫硫脫氮法

　　在該處理系統中,先用活性碳吸附除去煙氣中的SOx,再讓煙氣通過另一活性碳層同時高效除去SOx和NOx。在脫硫塔中,NOx由于活性碳和催化作用也會被分解除去。但當SOx 同時存在時去除效率甚低。煙氣從脫硫塔出來后,被重新注入NH3,然后通過填滿活性碳的脫氮塔完成高效脫氮。

　　在解吸塔中,從脫硫塔中轉移過來的活性碳被加熱到390℃左右,結果活性碳上的硫酸和硫酸銨被分解,產生富含SO2 的氣體( SO2 濃度約為15 %) ,然后SO2 被還原,并以硫磺被回收。在解吸塔中被再生活化的活性碳先送至脫氮塔,在活性碳的催化作用下以NH3還原除去NOx,然后把活性碳送至脫硫塔去吸附SOx,最后再一次被送回解吸塔。運行結果表明脫硫率在97 %以上,脫氮率在80 %以上,處理裝置在日本已投入實際生產。

　　4.生物法除氮氧化物[4]

　　生物法處理的實質是利用微生物的生命活動將NOx轉化為無害的無機物及微生物的細胞質。由于該過程難以在氣相中進行,所以氣態的污染物先經過從氣相轉移到液相或固相表面的液膜的傳質過程,可生物降解的可或者是微溶性污染物從氣相進入濾塔填料表面的生物膜中,并經擴散進入其中的微生物組織,然后,污染物作為微生物代謝所需的營養物,在液相或固相被微生物吸附凈化。

　　目前,國內外有關生物法處理NOx的報道主要均針對NOx中不易溶于水的NO。根據研究的進展情況,將生物法處理NO歸為反硝化處理、硝化處理和真菌處理三類。

　　4.1 反硝化處理NO

　　在反硝化過程中,NO通過反硝化菌的同化反硝化(合成代謝)還原成有機氮化物, 成為菌體的一部分;異化反硝化(分解代謝),將其最終轉化為N2。由于反硝化菌是一種兼性厭氧菌, 以NO作為電子受體進行厭氧呼吸,故它不像好氧呼吸那樣釋放出更多的ATP, 相應合成的細胞物質量也較少。在生物反硝化過程中,以異化反硝化為主。因此, 生物法凈化NO也主要是利用反硝化細菌的異化反硝化作用。該系統存在的缺點是要求額外提供微生物生長所需要的基質。

　　反硝化菌的種類很多,包括光合細菌、自養菌、異養菌(包括原核生物和真核生物)等。如自養菌種的反硝化硫桿菌能利用S2O2-3 作電子供體還原NO。雖然在有氧條件下也發現了反硝化過程,但一般非常緩慢,盡管氧氣對不同的NO還原酶的抑制作用似乎互不相同。研究表明,反硝化菌在厭氧條件下對NO有很強的親和力,從而能大大增強反硝化作用。

　　4.2 硝化處理NO

　　硝化處理NO的生物濾器的研究首先是戴維斯加州大學提出的,他們研究了利用以NH+4為能源的自養菌氧化廢氣中的NO, 達到70 %的去除率(進氣濃度為107 mg/ m3 , 停留時間為12 ~13min), 這主要是硝化菌和亞硝化菌的硝化作用。當進氣濃度小于188 mg/ m3 時, 攝入的NO與進氣濃度成正比。

　　4.3 真菌處理NO

　　Woertz等人研究了真菌生物反應器利用甲苯作為單一碳源和能源去除NO, 碳氮比,即甲苯∶NO2-N = 14∶1。在有氧條件下, 進氣濃度為335mg/ m3, 停留時間為1 min 時,NO的去除率為93 %。去除機理目前尚不能確定,但可能是反硝化。真菌能選擇性地去除NO (去除率93 %) 而不是O2(去除率< 2 %)的原因尚不清楚, 尤其是O2是一個更強的電子受體且具有更高的濃度。可能的原因是這些真菌的酶系統能同時攻擊甲苯和NO而不是O2 。 5.氮氧化物處理的發展趨勢煙氣中NOx脫除還有很多的方法正在研究階段,技術不是很成熟,比如煙道氣循環法、低NOx燃燒器法、氨堿吸收法、尿素吸收法、亞硫酸銨吸收法等。生物過濾法處理揮發性有機物或臭味在歐洲和美國已得到廣泛的應用,設備及工藝都較為成熟。而在

　　我國,這方面的研究還不多,自有技術的應用就更少。隨著人們對于生物過濾法的研究與開發的進一步深入,生物法處理NOx 必將得到廣泛的應用。

　　NOx的催化脫除研究有氨選擇性催化還原法,貴金屬、金屬氧化物和分子篩催化分解法, 烴選擇性還原法,活性炭為載體和還原劑催化還原法,CO脫除法,紫外光作用下氣相光催化氧化法,而各種催化劑的研究是當今重點[5]。

　　目前,國內外已開發了多種脫硝工藝,評價各種工藝應從氮氧化物凈化率、裝置成本、運行費用以及副產物處理和二次污染等多方面綜合評價。在這方面,國外技術開發較早,已積累了豐富經驗,適當引進國外技術是必要的,但最終必須實現國產化[6]。

　　參考文獻

　　[1] 劉圣勇,袁超,蔣國良,岳建芝,孫金華。全球性大氣污染的現狀及對策。河南農業大學學報,2003.

　　[2] 劉圣勇,袁超,蔣國良,岳建芝,孫金華. 全球性大氣污染的現狀及對策. 河南農業大學學報, 2003.

　　[3] 彭會清,胡海祥,趙根成,田愛堂。煙氣中硫氧化物和氮氧化物控制技術綜述。廣西電力, 2003.

　　[4] 何志橋,王家德,陳建孟。生物法處理NOx 廢氣的研究進展。環境污染治理技術與設備,2002.

　　[5] 李定邦, 劉兆輔, 張大年。節能型光解法廢氣脫硫脫硝技術研究。化學世界,2002.

　　[6] 黃振中。中國大氣污染防治技術綜述。世界科技研究與發展, 2004

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