氮氧化物对环境的损害作用极大，它既是形成酸雨的主要物质之一，也是形成大气中光化学烟雾的重要物质和消耗臭氧层的一个重要因子。
RTO，即蓄热式热力燃烧装置，作为一种处理VOCs废气的高效工艺，其反应温度一般为760-860℃。其原理是：有机物与氧气在高温环境下充分氧化，生成二氧化碳、水、氮氧化物等。
一、动力学模型
通常情况下，RTO系统中氮氧化物主要为两种：热力型和燃料型。下文对其生成机理及动力学模型进行简述。
1、热力型氮氧化物
热力型氮氧化物由高温下的氮气（N2）与氧气（O2）通过链式反应生成，其核心反应式为：
N2+O2→2NO
2NO+O2→2NO2
反应速率随温度指数级增长，根据工程经验，可笼统的认为，高温环境下，温度每升高100℃，其反应速率增加6-7倍。
高温环境下的氮氧化物主要以NO的形式存在，占比约为95%；但在RTO内蓄热体吸热过程中，热量由气体转入蓄热体内，导致气体温度降低。在此期间，NO向NO2转化，故大气中氮氧化物普遍以NO2的形式存在。
2、燃料型氮氧化物
燃料中的有机氮化合物（如HCN、NH3）在燃烧中分解为中间产物（NH、NH2等），随后氧化生成氮氧化物。以HCN为例，氮元素转化方向为：
HCN→NH→NO
该过程主要在600-800℃低温条件下发生。
由于要保证RTO出口VOCs达标排放，根据元素守恒，有机氮化合物中的氮元素基本全部转化成氮氧化物。
二、防治方法
前文提到，RTO作为一种高效治理工艺，要同时兼顾VOCs和氮氧化物排放达标。关于其防治方法，请见下文。
1、源头削减
尽量将含氮有机物从初始废气中分离，减少氧化反应中的有机氮总量，进而减少燃料氮的生成。
2、RCO工艺的优越性
如果无法实现源头削减，可使用RCO工艺解决燃料氮问题。
RCO装置内置高氮气选择性催化剂，可选择性地将有机氮中的氮元素转化为N2。
需要说明的是，高氮气选择性催化剂对于每种含氮有机物的氮气转化率各不相同，须具体问题，具体分析。
浙江大学、北京化工大学等高校院所，先后开发了高氮气选择性催化剂，抑制氮氧化物的生成，将有机氮转化成氮气，满足环保排放要求。其中，北京化工大学的这一技术，是2016年结题的国家“863”计划，该类型催化剂现已广泛应用于实际工程。
3、RTO结构优化
RTO反应器设计过程中，建议适当增大停留时间，其目的是确保VOCs处理效率的同时，尽量降低反应温度。
前文提及，温度对热力氮的生成影响很大，从实际工程经验来看，此举可有效减少热力氮的生成。
4、使用低氮燃烧器
低氮燃烧器是通过优化燃烧过程，将氮氧化物的排放控制在30-80mg/m³的燃烧设备，超低氮型号可实现30mg/m³以下排放。适用于RTO系统的低氮燃烧器，其核心技术原理为：温度控制和混合优化。
温度控制：通过烟气再循环（FGR）技术，将15%低温烟气（100-200℃）与助燃空气混合，降低燃烧中心温度至1500℃以下，抑制热力型氮氧化物生成。
混合优化：预混燃烧技术（FIR）通过燃气与空气的预先均匀混合，缩短燃烧反应时间，减少高温区停留时间至60ms以下。
5、脱硝装置
倘若上述措施不具备实施条件，在RTO出口，氮氧化物已生成，需要增加脱硝设备处理氮氧化物。SCR工艺由于其较高的脱硝效率和较低的氨逃逸率，目前在市场上最受欢迎，SCR的反应机理如下。
通过催化剂作用，在280-420℃温度区间内，利用氨（NH3）将烟气中的氮氧化物选择性还原为氮气（N2）和水（H2O），核心反应包括：
4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O
NO+NO2+2NH3→2N2+3H2O
催化剂（如V2O5/TiO2）显著降低反应活化能，确保反应在工业适用温度下高效进行。
三、检测原理
氮氧化物的检测目前较为成熟，其原理和检测方法主要为以下几种。
1、化学发光法
NO与O3反应生成激发态NO2，退激时释放光子，光强与NO浓度正相关。
NO+O3→NO2∗+O2→NO2+hν
配合钼催化转化炉，将NO2还原为NO后进行测量，实现氮氧化物总量分析。得益于该检测方法的高灵敏度，化学发光法常用于实验室或高精度工业检测。
2、非分散红外吸收法
利用NO分子在红外波段（5.3μm）的特征吸收峰，通过比尔-朗伯定律计算浓度。
结合CO、CO2的红外吸收通道，实现多污染物同步监测。
需说明的是，该检测方法对水蒸气敏感，使用过程中，需对仪器定期校准。
3、电化学传感器法
NO扩散至传感器内，在催化电极发生氧化反应产生电流，电流值与浓度成线性关系。
NO+H2O→NO2+2H++2e−
检测过程中，需补偿O2、CO等干扰气体影响，通过多电极设计提升选择性。该检测方法响应时间<30秒，常用于便携式检测仪。
4、紫外差分吸收光谱法
利用NO2在紫外波段（200-400nm）的特征吸收，通过差分算法消除颗粒物散射干扰。
该方法无需采样预处理，可实现实时在线监测，主要应用于固定污染源烟气连续排放监测系统（CEMS）。
青岛西子环保研究院有限公司
二零二五年 六月
