背景與回顧

氮氧化物(NO_x)係一種由氮和氧所組成的氣體混合物。兩種顯著 最具毒性的是一氧化氮(nitric oxide；NO)和二氧化氮(nitrogen

圖 1-1 柴油引擎車減排裝置示意圖。

dioxide；NO2)等；兩種氣體都不易燃燒、無色。一氧化氮在室溫下聞 起來有刺激香甜味的氣體，而二氧化氮有強烈的惡劣臭味，在室溫下 是液體，攝氏 21 度以上會變成紅褐色的氣體，是造成環境危害的主 要原因之一，例如：酸雨、全球氣候變遷和生物的生態等^[5][6]。這也 是科學家們致力於發展出去除氮氧化物(DeNO_x)技術的主要動力。而 在一般柴油引擎車或是環境氮氧化物中，NO 為主要的組成氣體，佔 將近 90  95%的含量^[7]。

一氧化氮可能會如下化學反應分解：

2NO → N2 + O2 (式 1.1)

但是上述分解反應(式 1.1)仍需要特定的還原劑以便減少該放熱 (exothermic)反應中的總體焓(enthalpy)值。現今針對一氧化氮轉化反 應所開發出相關於還原劑的技術有：(A)選擇性無催化還原、(B)無選 擇性催化還原以及(C)選擇性催化還原等，依序簡述如下：

(A) 選擇性無催化還原(selective non-catalytic reduction；SNCR)法：

SNCR 法最大的優點在於不需要使用觸媒。Kasuya 等人^[8]以氨氣 (NH3)為還原劑，將之以氣流的方式注入一個裝有一氧化氮及不等量 (050%)氧氣的高溫 (大約 760  1000 ^oC)腔體中。他們隨後證實氨與 一氧化氮需要在相當高的溫度及適量的氧氣下才會有效分解成氮氣 與水，其反應式可表示如下：

4NH3 + 4NO + O2 → 4N2 + 6H2O (式 1.2) 而早期的做法是先將尿素(urea)加熱至 132 ^oC，將其分解成氨氣與二 氧化碳以做為氨氣的主要來源，反應式如下：

(NH2)2CO + H2O → 2NH3 + CO2 (式 1.3) 但是，在沒有觸媒的情況下，如果反應溫度過高(約 > 1093 ^oC)，可 能反而導致氮氣直接與氧氣產生氧化反應生成一氧化氮，而不是去除 一氧化氮：

4NH3 + 5O2 → 4NO + 6H2O (式 1.4)

這種做法是過去製造硝酸的方法之一。綜上所述，SNCR 法由於過度 依賴反應系統的溫度，導致去硝(DeNOx)效率較低，一般僅侷限在 25

~ 70%之間。

(B) 無選擇性催化還原(non-selective catalytic reduction；NSCR)法：

NSCR 法係現今硝酸製造工業中最常使用的去硝技術。一般硝酸 製造工業最主要排放的溫室氣體為一氧化二氮(N₂O)，其全球暖化潛 勢（global warming potential；簡稱 GWP）係為 CO₂的 310 倍。

硝酸製程伴隨著生成 N₂O 的過程如下：

(1) 傳統硝酸的製程是先進行氨氧化反應(見下式 1.5)，接著再將所形 成的一氧化氮與氧氣再次氧化成二氧化氮(式 1.6)，最後二氧化氮 再溶於水形成硝酸(式 1.7)：

4NH3 + 5O2 → 4NO + 6H2O (式 1.5) 2NO + O2 → 2NO2 (式 1.6) 3NO2 + H2O → 2HNO3 + NO (式 1.7) (2) 然而，上述三個步驟中分別都會有附加反應的形成；例如，式 1.5 中的氨氧化反應除了生成一氧化氮之外，還會生成一氧化二氮(式 1.8)。同時，氨氣也會與一氧化氮氧化還原成一氧化二氮(式 1.9)，

甚至氧氣也會參與反應(式 1.10)：

2NH3 + 2O2 → N2O + 3H2O (式 1.8) 2NH3 + 8NO → 5N2O + 3H2O (式 1.9) 4NH3 + 4NO + 3O2 → 4N2O + 6H2O (式 1.10) 此外，而 NSCR 法恰因需要在高溫的製程條件(> 430 ^oC)下進行，致 使其去硝觸媒可以有效轉化 NOx，一般其 DeNOx效率大約在約 80% ^[9]。 但是，由於 NSCR 法必須使用 H2、CO 或碳氫化合物(一般來自於硝 酸工廠廢氣或汽油引擎尾氣)為還原劑，因此其缺點是在 DeNOx程序 中會產生 NO2與 N2O，故需額外的氣體(O2及 NH3等)去除步驟，較 耗費成本。

(C) 選擇性催化還原(selective catalytic reduction；SCR)法：

一般而言，SCR 法是使用 NH₃為還原劑，其去硝反應操作溫度 大約介於 150 ~ 450 ^oC 之間，甚至可以在有氧氣存在的環境下操作，

其優點是反應產物為氮氣(N₂)與水，且其對 NO 的轉化率遠高於 SNCR 及 NSCR 去硝法，一般其 DeNO_x效率可高達 90 ~ 99%。有關氨氣選 擇性催化還原(NH₃-SCR)法將在下一節作較詳細的論述。