氮氧化物(NOx) 废气治理工程实例
摘要:针对氮氧化物(NOx) 废气瞬时爆发性浓度极高、气量大，难于治理的危害特性，设计了一套适合敞开作业的通风净化系统装置。该工程既解决了原有NOx 废气处理工艺的难题，提高NOx 废气处理技术，又解决了“黄龙”对大气的污染，达到保护环境与社会和谐的统一。
关键词:氮氧化物(NOx) 废气,两级废气净化塔,配制,吸收液
0 引言
氮氧化物(NOx) 是一种毒性很大的黄烟，不经治理通过烟囱排放到大气中，形成触目的棕( 红) 黄色烟雾，俗称“黄龙”［1］，在众多废气治理中NOx 难度最大，是污染大气的元凶。如果得不到有效控制不仅对操作人员的身体健康与厂区环境危害极大，而且随风飘逸扩散对周边居民生活与生态环境造成公害。专家预测，如不加强控制，到2010 年以后氮氧化物将成为中国大气污染的主要污染物，环保局今后将加强氮氧化物控制立法建设和标准制订工作，在修订《大气污染防治法》和污染源排放标准时，将氮氧化物控制作为重点内容［2］。
浙江某铝业公司是咖啡壶出口量大的企业，在产品表面处理过程中，产生大量的氮氧化物废气，该公司曾建有废气通风净化装置，然而废气排放仍见“黄龙”，处理效果不尽人意，周边纠纷不断。笔者曾有类似工程经验，受业主委托对其进行技改，通过多年的运行实践，消除“黄龙”营造了和谐社会环境。
1 治理思路与工艺选择
1. 1 NOx 废气来源及废气特性分析
废气主要来自酸洗间四只酸洗槽采用硝酸与氢氟酸溶液，对产品具有独特的表面处理使其外观精美的功效，但在酸洗过程中，将产生大量的NO、NO2、 N2O、N2O3、N2O4、N2O5 等有毒有害废气，总称氮氧化物，用NOx 通式表示［3］。
这些废气成分具有强烈的刺激性气味，尤其当产品浸入酸洗槽的瞬间，爆发弥漫浓烈的棕( 红) 黄色酸雾，其特性浓度高(“黄龙”)、气量大、危害也大。
1. 2 工艺选择与系统主要设备
1. 2. 1 工艺流程确定的依据
NOx 气体(“黄龙”) 危害大，治理难度也大。国内外报道过许多方法，归纳有干法、湿法和干湿三种方法。由于各厂产品不同，选择适合生产实际的治理工艺方案和净化设备十分重要。笔者进行了现场调研，通过反复对比，最后确定采用两级( 二个阶段) 湿法废气净化塔治理NOx 气体的方案，并设计了一套 NOx 瞬时爆发性浓度极高、废气量大，适合敞开作业的通风净化系统装置。主要工艺流程如图1 所示。
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1. 2. 2 通风净化系统的关键及主要设备
吸风罩、通风管道、废气净化塔和风机的设计与选用决定了整套通风净化系统的正常运行和处理效果。
首先必须根据四只酸洗槽敞口面积，计算实际需要的NOx 废气排风量，以及整个通风管道、吸风罩、净化塔的阻力损失，选用通风机的排风量和风压损失。同时还应考虑风量、风压的附加安全系数［4］是设计通风净化系统的重要技术指标。本系统处理 NOx 废气量为12 000m3 / h。该工程使用的主要设备见表1。
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注:表中除塔体井子架采用A3( 需涂刷防锈底漆2 遍与面漆3 遍) 其余必须采用耐酸防腐性强的PP、PVC 或FRP 材质。
2 工艺特点与处理技术
与原有通风净化NOx 废气处理工艺相比，本工艺中有几个新特点。
2. 1 改进传统结构的槽边排风罩
当产品浸入酸洗槽时，瞬间爆发大量棕( 红) 黄色酸雾，原有槽边排风罩，因结构设计不合理，吸风效果不理想，而弥漫污染操作间。针对恶劣现状，根据气流学动态原理，减少气体紊流和阻力。在不影响操作情况下，设置顶部与侧边一体式流线型毒气通风柜。较顺畅的捕集酸洗槽外泄酸雾。尤其是瞬时爆发性浓度极高的刺鼻性“黄龙”，强制性的进入管道与废气净化塔。改善了操作间空气质量与工作环境。
2. 2 保证通风系统能正常运行
原有风机经常发生叶轮毁损、断轴、电机等故障影响正常生产，这是因为硝酸与氢氟酸配制的酸性溶液产生的气体，比硫酸、盐酸等渗透腐蚀性还严重。即使采用耐酸防腐性较强的玻璃钢通风机，也难逃 NOx 气体的腐蚀渗透。本工艺将原有正压通风改为负压通风，经前端废气吸收塔处理后，将NOx 废气浓度与腐蚀性降低，延长风机使用寿命。
2. 3 合理设计与选用通风管道
管道走向尽量减少弯管与长度距离，管径流速合理，并选用内壁光滑的PVC 或PP 材质，以减少摩擦系数与通风系统阻力［5］。
2. 4 两级废气净化(吸收)塔是系统的关键主要设备
采用强制性( 离心通风机) 机械抽风，将酸洗槽产生的NOx 废气，瞬时爆发性的“黄龙”，经捕集抽风罩、通风管道引入废气净化塔底侧沿塔内上升，吸收液在填料层或旋流( 斜孔) 板中均匀分布，并向下流动。塔内是以气、液传质双膜理论为机理［6］，使气体与液体溶剂之间充分接触，进行化学反应，处在剧烈的扰动状态。
传质过程是化学反应过程的一个重要基本过程。为了增强气液传质功效，关键在于选择抗堵塞、喷射力度与细密度大的喷嘴，与优良的填料或新颖的旋流 ( 斜孔) 板，其优点如下:
1) 单位体积比表面积大，增加气液接触的表面积，传质能力强。
2) 能改变气体流向，造成气液交换的连续通道，操作弹性大。
3) 耐腐蚀、寿命长、抗污能力强，可反复使用。 NOx 废气不同于SO2、HCl、H2 SO4 等酸雾，只需一台废气净化塔。本工艺依据NOx 废气成分复杂、浓度高、难于治理的特性，系统中设计两个阶段即两级废气净化( 吸收) 塔，以增加NOx 与吸收液传质过程，有充分的反应时间使NOx 废气扩散于液相，被吸收溶解与净化。
2. 5 配制吸收液
笔者通过多年实践与积累经验，采用两级湿法治理高浓度、大风量NOx 废气时，重要的问题是不仅选用气相传质系数大、负荷高、压降低、操作弹性宽的理想设备，而且需要配制合理的吸收剂。
产生与排放的NOx 废气是以二氧化氮与一氧化氮为主，在空气中呈红棕色气体。其中NO 不同于其他酸性气体难溶于水，即使强性碱液也难于把它吸收。针对NO 特性，必须在进入净化塔的NOx 废气中加入一定量的空气，使一氧化氮有足量的空气进行氧化，第1 级用水作吸收液，可节约化工原料，其机理是在引风旋流作用下，NOx 废气在第1 级多功能废气净化塔中被水吸收，生成硝酸和一氧化氮，即:
3NO2 + H2O →2HNO3 + NO
其反应中的2 /3 的NO2 转化成HNO3 ，1 /3 的 NO2 转化成NO，再与氧作用生成NO2 ，而继续被水吸收。其浓度降低，但水吸收只能作为初步预处理，其棕黄色可见度及NOx 有毒物质，仍未彻底除净。因此，在水吸收后再接入第2 级高效废气净化塔，经配制的专用药液吸收去除。
根据NOx 废气成分复杂、浓度高、难于治理的特性，用纯碱或氢氧化钠溶液作为吸收剂，效果不理想，难于达到排放标准。为此，本工艺配制催化还原剂混合吸收液，对高浓度NOx 废气有很好的吸收率，强化了吸收过程，增加了反应速率，提高了吸收效率与净化效果。
3 处理效果
3. 1 系统运行效果
经过调试运行，系统运行效果见表2。
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注:①表2 中进气口采样点，在吸风罩与前级吸收塔中部通风管道处;排气口采样点，在排气筒距净化塔≥1. 5m 处;②表2 中数据为上、下午各两个运行时段共4 次，实际监测的最低与最高NOx 污染物浓度;③标准是以达到GB16297 － 1996《大气污染物综合排放标准》中，按新污染源大气污染物排放限值执行 ( 排气筒高度≥15m)。
3. 2 处理工艺经济技术指标分析
治理工程主要经济技术指标见表3。
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注:表3 中使用功率是系统运行实际电机功率;工程造价是指系统所有设备、电气管道及安装、调试工程总投资;运行成本包括电费、药剂费，不包括设备维修和折旧费等。
4 结论
本工艺及处理技术对难度较大的NOx 废气治理是可行，经济上相对合理。NOx 废气排放符合 GB16297 － 1996《大气污染物综合排放标准》的要求，控制氮氧化物废气排放总量，解决了尾气排放不见 “黄龙”，取得了较好的环境效应，对改善大气质量、环境保护与社会和谐统一，具有十分重要的意义。
参考文献
［1 ］ 张参广. 抑制氮氧化物产生的铜酸洗工艺［J］. 电镀与环保， 1998，18(5) :30-32.
［2 ］ 张黎. 实施重点行业氮氧化物总量控制［N ］. 中国环境报，2007 － 11 － 6.
［3 ］ 彭定一、林少宁. 大气污染及其控制［M］. 北京:中国环境科学出版社，1991:282.
［4 ］ 湖南大学，同济大学，太原工学院. 工业通风［M］. 北京:中国建筑工业出版社，1983:121-138.
［5 ］ 魏先勋，刘建仁. 环境工程设计手册［M］. 长沙:湖南科学技术出版社，1992:43-99.
［6 ］ 萧成基，余国珠. 化学工程手册第13 篇:气液传质设备［M］. 北京:化学工业出版社，1979.
作者
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