城市交通不可或缺的「配角」——隧道脫硝裝置

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【日經BP社報導】汽車廢氣實際上沒有經過任何處理就排放到了隧道內。在貫穿人口密集地區的公路上，必須針對氮氧化物等採取對策。日本在2007年建成的首都高速公路環線上首次設置了脫硝裝置。



日本首都高速公路中央環形新宿線連接著澀谷、新宿和池袋等東京都主要地區，大部分建於地下，對緩解主要呈放射狀分佈的首都高速公路的交通堵塞發揮著重要作用。

建設時，在11公里路段的9個換氣站中，設置可去除氮氧化物（NOx）的脫硝裝置。2004年10月進行了招投標，共有5家公司參與競爭，最終由西松建設公司與富士電機系統公司結成的聯營體（JV）、以及松下公司中標。西松·富士聯營體負責代代木等5處換氣站，松下負責東中野等4處換氣站。每個設施的價格約為9億日元。

在此之前，日本也曾在隧道內設置可去除懸浮顆粒物（SPM）的靜電除塵器，但在隧道換氣站設置脫硝裝置，這在日本尚屬首次。據稱，當時在全球也就只有挪威存在一例。


氮氧化物為主要去除目標

聯營體與松下接單的設備大致由可去除懸浮顆粒物的靜電除塵器和可去除氮氧化物的脫硝裝置兩部分構成。首先使用鼓風機將隧道內排放的汽車廢氣集中到換氣站，然後使其通過靜電除塵器。

柴油汽車排放的懸浮顆粒物名為柴油車廢氣顆粒物（DEP），可致癌或會誘發支氣管哮喘等疾病，會損害健康。除塵器主要用於去除這種柴油車廢氣顆粒物。

聯營體與松下的靜電除塵器在工作原理方面是一樣的，數十年前就確立了相關技術。通過對進入除塵器的廢氣進行放電，使廢氣中的懸浮顆粒物帶電，然後利用有高壓電流通過的除塵極板一舉進行捕獲。

經由靜電除塵器的廢氣會被直接送入脫硝裝置。在進行招標時，發包商首都高速公路公團要求的設備基本性能是，從一氧化氮（NO）和二氧化氮（NO2）構成的氮氧化物中除去90％的二氧化氮。氮氧化物是形成酸雨等的有害物質，尤其會給呼吸器官等造成直接影響。

以前，與氮氧化物一樣，去除硫氧化物（SOx）也是解決空氣污染問題方面的重要課題，但此次招標的條件並不包括這項。這是因為，日本經過多年研究，一直在減少汽車等的燃料中所含硫磺成分，早在1990年代初期就基本在全國達到了硫氧化物環境標準。

為了說明此次使用的脫硝裝置在技術方面如何出色，需要回顧一下以往去除氮氧化物的方法。從1960年代中期起，空氣污染成為社會問題。有關方面針對被視為其罪魁禍首的工廠廢氣和汽車廢氣，開始積極採取各種對策。


需要不同於工廠用途的其他技術

當時針對工廠廢氣，採用了名為氨還原觸媒轉換器的處理方式。基本原理是使酸性的二氧化氮與鹼性的氨發生反應，從而進行中和。很多工廠設置的鍋爐都採用了氨還原觸媒轉換器技術。

儘管當時汽車廢氣已成為亟需解決的問題，但在隧道內並未設置同類型的脫硝裝置。這是因為工廠廢氣與換氣站中的廢氣大不相同。

工廠廢氣中的二氧化氮濃度大概為100ppm。1ppm是指1立方米含有1毫克二氧化氮，溫度為200～400度。與其相比，隧道換氣站內的廢氣中，二氧化氮濃度極低，為10ppm以下，溫度也為常溫。氨還原觸媒轉換器只有在高濃度高溫狀態下才會發生化學反應，因此無法用於隧道脫硝裝置。

1995年前後，在日本道路公團及首都高速公路公團等的呼籲下，多家企業積極做出回應，開始斷斷續續地開展實驗，作為代替氨還原觸媒轉換器的方法，選用了採用活性炭的二氧化氮去除方法。

中標的西松建設和松下均將活性炭用作二氧化氮去除劑。活性炭的表面分佈有奈米級的細孔，與氣體接觸的表面積極大。其特點是這些細孔可吸附體積為自身數倍到數百倍的氣體。


基於這一特性，活性炭多用於去除有害物質和異味物質。西松建設將活性炭製成幾毫米大的顆粒狀，堆積幾十釐米高，然後使廢氣從其下方通過，從而去除二氧化氮。由於是將二氧化氮吸附在細孔內，因此這種方式稱為「吸附式」。

雖然乍看起來很簡單，但西松建設董事兼土木建築營業本部策劃技術部長藤井利侑說：「很難掌握活性炭與二氧化氮的親和性。並不是所有活性炭都能使用。我們經過多次反覆實驗，終於找出了最適合吸附二氧化氮的材質和形狀。」

活性炭可吸附的二氧化氮量有限，因此，西松建設的設備需要每半個月一次將活性炭浸泡在含有亞硫酸鹽（Na2SO3）的再生液內幾十分鐘。再生液通過設置在換氣站內的泵排出。

亞硫酸鹽與二氧化氮發生化學反應，生成硫酸鈉（Na2SO4）和氮氣（N2）。硫酸鈉是一種來源於海洋的中性鹽，因此用過後的再生液可排放到下水道中。在隧道的換氣站內，可進行活性炭再生的「現場再生方式」是西松脫硝裝置的一大特點。

而松下採用名為「吸收式」的方法。充分利用了活性炭表面積大且吸收力強這一特性，松下在活性炭中提前添加了鹼性的氫氧化鉀（KOH），會與廢氣中的酸性二氧化氮接連發生化學反應，生成亞硝酸鉀（KNO2）、硝酸鉀（KNO3）及水（H2O）。


還可用於隧道以外的其他用途

通過化學反應生成的亞硝酸鉀等會被吸收到活性炭內部，因此這種方法稱為「吸收式」。但吸收氫氧化物的量也有限，因此松下的設備也必須每半年到一年進行一次活性炭再生。

松下是將活性炭帶回自家公司工廠進行再生，以能夠重新用於去除二氧化氮。松下政府機關機電系統部的主任工程師小西茂解釋說：「採用帶回方式，是對20年所需的維護費用進行計算後作出的決定。」

與將活性炭製成小顆粒狀的西松建設不同，松下將活性炭製成沿一個方向開了無數細孔的塊狀，也是因為考慮到了方便在自家工廠進行維護。

神戶製鋼所雖然此次沒有中標，但該公司開發出了可高效去除在此次招標中未受重視的一氧化氮的裝置。該公司旗下的機械工程公司能源本部課長高橋圓表示，「該裝置的特點是能夠高水準地去除一氧化氮和二氧化氮，對此我們很有信心」，對今後中標充滿期待。

在大城市圈，為了緩解交通擁堵，建設了很多立交橋，但如果是在有高層建築物的區域，就難以建設立交橋。因此，今後還將繼續建設利用地下隧道連接的主幹道。


首都高速公路都心環形線的鍛冶橋換氣站

在隧道上方設置的換氣站雖然已進行過計算，不會向有公寓等的方向排放廢氣，但因風向問題，仍有可能對附近居民造成危害。在隧道與居住環境相距較近的場所，對脫硝裝置的需求今後會繼續擴大。



除隧道以外，脫硝裝置還可用於其他場所。西松建設還研究了將脫硝裝置用於地下停車場。在地面交通量較多的場所也可充分加以利用。即便不是隧道及地下停車場等密閉空間，如果在交通量較多的道路兩側設置，也有望產生一定效果。

雖然汽車的環保性能已得到顯著提高，但在道路上行駛的並不都是實施了環境對策的新車型。從中央環形新宿線的業績來看，脫硝裝置正成為城市隧道中必不可少的設備。（《日經資訊化戰略》記者：上木貴博）

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大陸可以考慮此技術,以改善空氣質素!