我国工业烟气SCR/SNCR 脱硝技术与还原剂用量平衡

王凡，田刚，王红梅，朱金伟，王相凤，张凡，路光杰，杨建辉，桑健，石应杰*

1.中国环境科学研究院，北京 100012

2.北京国电龙源环保工程有限公司，北京 100039

随着国民经济发展和能源消费量的增加，我国大气NOx排放量已由2007年的2 200 ×104t 增至2012年的2 337.8 ×104t。根据国务院印发的《“十二五”节能减排综合性工作方案》规定，2015年全国NOx排放总量控制在2 046.2 ×104t，我国NOx减排目标的实现面临巨大的压力，环保部门也面临空前挑战。

目前，我国NOx总量控制主要以控制火电、水泥行业为主，通过低NOx燃烧器、分级燃烧等工艺可降低NOx的排放，如火电煤粉锅炉低氮燃烧后，NOx排放浓度可达550 mg/m3;新型干法窑采用低氮燃烧器和分解炉分级燃烧后，NOx排放浓度可达800 mg/m3左右。但要达到最新的大气污染物排放标准，还需采用末端治理的方法，如选择性催化还原(SCR)技术和选择性非催化还原(SNCR)技术。根据环境保护部发布的《2014年上半年主要污染物排放量指标公报》，到2014年上半年，全国新增火电脱硝机组1.2 ×108kW，脱硝装机容量累计达5.5 ×108kW，占火电总装机容量的62.5%，全国累计产能达8.2 ×108t 的新型干法生产线新建了脱硝设施。我国的钢铁烧结机、陶瓷、玻璃等工业也是主要的NOx排放源，目前我国已完成15%以上的烧结机烟气脱硝设施［1］。

SNCR 和SCR 均是较为成熟的NOx控制技术［2-7］，目前火电厂98%以上的烟气脱硝设施采用SCR 技术，几乎所有的水泥回转窑采用SNCR 技术。SCR 和SNCR 技术均需要利用合成氨作还原剂，合成氨主要来源有液氨、尿素或氨水［8-11］。随着我国工业烟气脱硝的快速实施，每年需要消耗大量的脱硝还原剂，引发烟气脱硝与农业争“粮食”的问题，同时废弃脱硝催化剂的处理也将面临巨大的环境压力。因而研究我国工业烟气脱硝效率与还原剂用量平衡对系统评估我国现有烟气脱硝工艺，掌握不同行业NOx控制最佳可行技术，开发可持续的烟气脱硝技术具有重要意义。

1 我国工业烟气NOx 排放及脱硝技术现状

1.1 不同行业NOx 排放现状

根据《中国环境统计年报》的数据，2012年我国废气中NOx排放量为2 337.8 ×104t，其中工业NOx排放量为1 658.1 ×104t。年排放量位于前3 位的行业依次为电力、热力生产和供应业，非金属矿物制品业，黑色金属冶炼及压延加工业。各行业NOx排放量如表1 所示。随着火电工业和以水泥工业为主的非金属矿物制品业烟气脱硝设施的使用，NOx排放量逐年降低，而以铁为主的黑色金属冶炼及压延加工业NOx排放量逐年增加［12］。

表1 不同行业NOx 排放量Table 1 Mass emission of NOx of industrial flue gas 104 t

1.2 国内外脱硝技术现状

日本、美国、欧洲是当今世界上对燃煤电厂NOx排放控制最先进的国家和地区，除了采取燃烧控制之外，均大量采用SCR 或SNCR 技术。

2007年，美国国家环境保护局发布了最新的针对新型水泥窑NOx排放控制技术更新文件，介绍了过程控制、预分解炉阶段燃烧(SCC)技术、SNCR 技术和SCR 技术。欧盟2009年发布的最新的针对水泥工业的最佳可行技术(BAT)文件草案，提出水泥窑采用分级低氮燃烧+SNCR 技术进行NOx减排。

对于钢铁生产工艺的NOx控制，欧盟BAT 文件草案及美国控制技术文件也提出了一些技术措施，针对烧结工艺过程主要有排放优化烧结(EOS)技术、SCR 技术、焦粉脱氮和活性炭吸附技术，针对焦化工艺过程主要有焦炉燃烧的过程减排和焦炉尾气脱硝技术等。

我国火电工业新的大气污染物排放标准实施以来，大量机组安装了烟气脱硝设施，其中98%以上采用SCR 技术。目前水泥工业主要采用SNCR 技术。其他技术如液体吸收法［13-14］、活性炭吸附法［15］和电子束法［16］等新兴的烟气脱硝技术，目前工业应用较少。

2 我国主要NOx 排放源脱硝技术

自2015年1月1日起，火电工业现有机组NOx排放限值要求低于200 mg/m3，自2015年7月1日起，水泥工业现有窑炉NOx排放限值要求低于400 mg/m3［17］。重点地区还有执行特别排放限值的要求。

2.1 火电厂烟气脱硝技术

随着《火电厂大气污染物排放标准》的实施，我国大量燃煤电厂新增烟气脱硝设施(SCR 技术)。到2014年底，所有的燃煤机组需安装烟气脱硝设施。全国火电工业每年脱硝催化剂用量及合成氨用量如表2 所示［12］。

表2 火电工业烟气脱硝催化剂及合成氨用量Table 2 Consumption of catalyst and ammonia of flue gas denitrification of thermal power plant

2012年，全国合成氨总量达5 040 ×104t，尿素产量为3 004 ×104t，有2.3 ×108kW 装机容量的火电机组安装脱硝设施，年消耗合成氨约占全国合成氨总产量的1.45%。2013年，全国合成氨产量为5 745 ×104t，烟气脱硝年消耗合成氨占全国总产量的2.37%。预计2015年全国1 011.5 ×106kW 的燃煤机组均已安装烟气脱硝设施，则仅火电工业烟气脱硝每年可消耗合成氨320 ×104t，接近每年全国合成氨生产总量的6.3%。

至2015年全国火电工业全面实施烟气脱硝后，每年消耗催化剂23.60 ×104m3，同时有相同体积的催化剂失活并回收再生。以失活催化剂回收率为75%计算，则2015年后，每年约有5.9 ×104m3的废物待处理，为环境保护带来巨大压力。

2.2 水泥工业烟气脱硝技术

我国水泥实际产量连续20 多年位居世界第一。2010年、2011年和2012年我国水泥熟料产量分别为18.8 ×108、20.9 ×108和21.8 ×108t，其中新型干法水泥窑产量分别为14.9 ×108、18.6 ×108和20.7 ×108t［18］。据统计，截至2012年底全国共有新型干法水泥窑生产线1 673 条，新型干法水泥窑水泥产量占总产量的80%以上［19］。

水泥工业的快速发展，资源、能源消耗大，环境污染重将严重制约行业发展。根据全国抽样调查统计的平均结果以及污染源普查的排污系数计算，1 t熟料排放NOx约1.6 kg。目前我国水泥工业的NOx排放约占全国总排放量的10% ～12%，是继火电厂、机动车之后的第三大排放源。表3 为全国水泥工业NOx排放量和脱硝所需合成氨用量。如果水泥工业开展SNCR 技术，按NOx消减率50% 计，2012年需要合成氨83 ×104t，占全国合成氨年产量的1.65%。

表3 水泥工业NOx 排放量及脱硝所需合成氨用量Table 3 NOx mass emission and consumption of ammonia of flue gas denitrification for cement industry

2.3 其他主要排放源烟气脱硝技术

除火电工业、水泥工业两大国控源外，其他主要的NOx排放源有工业锅炉、烧结机、玻璃窑炉和陶瓷窑炉等。有色金属冶炼、化工等行业排放的NOx也较多，但目前还缺少相关数据。我国仅有少数工业锅炉、玻璃窑炉等采用了SCR 或SNCR 技术，而对于上述其他主要NOx排放源还没有较为成熟的烟气脱硝措施。

表4 为除国控污染源外的主要NOx排放源的排放浓度和排放量，以及按消减50%NOx计，每年所需合成氨用量的测算值。上述重点NOx排放源实施烟气脱硝需合成氨约96 ×104t，占2012年全国合成氨年产量的1.9%。

表4 其他主要NOx 排放源排放状况Table 4 NOx mass emission and consumption of ammonia of flue gas denitrification for main sources

3 工业烟气脱硝所需合成氨

3.1 工业烟气脱硝所需合成氨消耗量

我国工业烟气脱硝主要采用SNCR 技术和SCR技术，其中对火电工业、玻璃窑炉等重点排放源拟采用SCR 技术，其NH3/NO 摩尔比为1.05(式(1));而对水泥窑等排放源采用SNCR 技术，其NH3/NO摩尔比为1.25(式(2))。表5 为工业烟气脱硝所需合成氨的测算结果。

表5 工业烟气脱硝所需合成氨测算结果Table 5 NOx mass emission and consumption of ammonia for total flue gas denitrification

由表5 可见，在2013年工业NOx排放的基础上消减60%，所需合成氨约为411 ×104t/a，烟气脱硝所需还原剂接近全国合成氨产量的7%。

3.2 工业烟气脱硝所需合成氨综合能耗

我国合成氨主要以煤为原料，2011年统计平均综合能耗约为1 688 kg /t(以标煤计)。如果按2011年的合成氨生产水平，全国工业烟气NOx脱硝需合成氨460 ×104t，则消耗标煤776 ×104t。

3.3 基于资源化的工业烟气脱硝建议

我国的玻璃、陶瓷等工业窑炉排放的烟气污染物中NOx排放浓度较高，平均浓度达1 500 ～3 000 mg/m3，远高于燃煤锅炉。而现有的烟气脱硝技术需消耗大量的合成氨作为脱硝还原剂。因此脱硝技术直接移植到玻璃窑炉、陶瓷窑炉等高浓度NOx的烟气治理势必造成投资、运行成本超高的问题，将严重制约行业的持续发展。因此迫切需要在玻璃、陶瓷行业推广资源回收型烟气脱硝技术。

通过氧化法将烟气中的NO 部分氧化为NO2，使NO2与NO 在烟气中生成易被溶液吸收的N2O3，采用吸收剂溶液脱除烟气中的NOx，脱硝副产物通过回收抽取硝酸，达到副产物综合利用的同时，节省了作为脱硝还原剂的合成氨。

目前我国硝酸产能和产量位居世界第一，2012年全年产量为262.5 ×104t。全国玻璃窑炉、陶瓷窑炉NOx年排放量约为67 ×104t，如果回收制备硝酸，按脱硝效率90%计，则可生成50%的工业硝酸165 ×104t，节省脱硝催化剂1.5 ×104m3，并可缓解硝酸工业带来的环境污染问题。

4 结论及建议

目前的火电、水泥工业分别采用SCR 技术、SNCR 技术进行烟气脱硝，均以合成氨作还原剂。执行新的排放标准后，预测2014年火电工业烟气脱硝可消耗合成氨320 ×104t，接近全国合成氨生产总量的6.3%;水泥工业烟气脱硝可消耗合成氨83 ×104t，占全国合成氨年产量的1.6%左右;工业锅炉、烧结机、玻璃窑炉和陶瓷窑炉等烟气脱硝需合成氨约96 ×104t/a，占全国合成氨年产量的1.9%。随着我国各工业烟气脱硝的快速实施，每年需要消耗大量的合成氨，引发工业烟气脱硝与农业争“粮食”的问题。同时，2015年后仅火电工业烟气脱硝每年产生5.9 ×104m3的废弃催化剂，给环境保护带来巨大压力。

合成氨需要大量的能耗，氮与氢在高温高压催化剂条件下制取氨，通过烟气脱硝生成氮和水，不利于可持续发展。合成氨属高耗能、高污染工艺，环境污染问题非常严重。

建议开发基于氮资源循环或氮资源回收型的烟气脱硝技术，将烟气中的氮转化为硝酸，最大限度地降低脱硝社会成本和能耗。分析表明，利用回收法制硝酸工艺可减排玻璃窑炉、陶瓷窑炉NOx达67 ×104t/a，生成50%的工业硝酸165 ×104t，并可节省脱硝催化剂1.5 ×104m3，可缓解硝酸工业带来的环境污染问题。

［1］ 环境保护部.2014年上半年各省自治区直辖市主要污染物排放量指标公报［EB/OL］. (2014-09-24). http://www. zhb.gov.cn/gkml/hbb/qt/201409/t20140924_289464. htm.

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［20］ 环境保护部.锅炉大气污染物排放标准(二次征求意见稿)编制说明［EB/OL］. (2013-12-27). http://www. zhb. gov. cn/gkml/hbb/bgth/201312/t20131227_265774.htm.

［21］ 环境保护部.陶瓷工业污染物排放标准(征求意见稿)编制说明［EB/OL］.(2014-09-19).http://www.zhb.gov.cn/gkml/hbb/bgth/201409/t20140924_289486. htm.□