江南大学 江苏省 无锡市 214122
摘要：用臭氧氧化-碱吸收法脱硝，将烟气NOx作为硝酸行业新资源加以充分利用，将使烟气脱硝变得有利可图，从而用经济杠杆充分调动起政府和企业的积极性，以节能2000多万吨标煤，减排二氧化碳近亿吨的巨大节能减排收益淘汰落后产能，彻底颠覆氨还原法脱硝、氨氧化法制硝酸和中和法制硝酸盐等一系列现行传统生产模式，实现彻底根除雾霾的目标。
烟气中的NOx暴露在空气中，在阳光的照射下，被氧气氧化为NO2，形成光致烟雾，进而跟空气中的水结合生成硝酸，致使空气中的细小颗粒被粘附变大，是导致霾生成的根本原因。因而烟气的脱硝便成为治理大气污染，彻底根除雾霾的核心和关键。
关于烟气脱硝，目前国内已经运行成功，并在大力推广的成熟技术是SCR或SNCR法脱硝。该技术以氨为还原剂，将NOx还原为氮气排入大气，消除NOx对空气的污染：
下面就对氨还原法和臭氧氧化-碱吸收法做一简单的对比分析。
一、经济评价
据MARAMA 2007评估数据报告，在保证NOx脱除率为80~95%的情况下，臭氧氧化-碱吸收法的运行费用为1700美元/t NOx(折合人民币10200元/t NOx)，比SCR的运行费用2458美元/t NOx (折合人民币14748元/t NOx)低30%。
以发电28 MW，产烟气270 kNm3/h，含SO2 6,000 mg/Nm3、NOx 900 mg/Nm3，需脱硫99%、脱硝90%，实际脱硫脱硝负荷为1.6 t SO2/h、0.22 t NOx/h的山西某余热发电厂的135 t/h矸石发电燃煤锅炉为例：
1.采用SCR技术的运行费用为3244.56元/h，而采用臭氧氧化-碱吸收法的运行费用仅为2244元/h，按8000 h/y计，可节约运营费用2595.6 - 1795.2 = 800.4万元/年。
2.如果用氨水吸收，副产化肥硫铵和硝铵，按液氨2131元/t，硫铵900元/t，硝铵1540元/t的网上查到的当前(2016.2.17)价格计算：
1）每吸收1t SO2消耗0.53 t液氨，副产硫铵2.1t，购销差为760.57元。
2）每吸收1t NOx消耗0.567 t液氨，副产硝铵2.667 t，购销差为2898.90元。
3）该烟气经氨法脱硫、臭氧氧化-碱吸收法脱硝后所产生的购销差为
1.6×760.57 + 0.22×2898.90 = 1854.67 元/h = 1483.74万元/年
4）再加上国家给予的脱硫脱硝补贴420+280=700元/h=560万元/年，总收益可达到2043.74万元以上，抵消1795.2万元/年的运营成本后略有盈余(248.54万元)。
3.如果用氨法脱硫，副产化肥硫铵，然后用氧化镁吸收，副产硝酸，按液氨2131元/t，硫铵900元/t，98%浓硝酸3000元/t的网上查到的当前(2016.2.17)价格计算：
1）每吸收1t SO2消耗0.53 t液氨，副产硫铵2.1t，购销差为760.57元。
2）氧化镁循环使用，损耗不计，每吸收1t NOx副产浓度为98%的浓硝酸2.1 t，产值为6300元。
3）该烟气经氨法脱硫、臭氧氧化-碱吸收法脱硝后所产生的购销差为1.6×760.57 + 0.22×6300=2602.91元/h=2082.33万元/年。
4）则不需要国家给予的脱硫脱硝补贴，总收益亦可达到2082.33万元，抵消1795.2万元/年的运营成本后略有盈余(287.13万元)。
对于规模稍大些的发电278.78 MW，产烟气1,085 kNm3/h，含SO2 5960 mg/Nm3、NOx 300 mg/Nm3，需脱硫99%、脱硝90%，实际脱硫脱硝负荷为SO2 6.402 t/h，NOx 0.293 t/h的内蒙xxx坑口矸石电厂2×440 t/h锅炉：
1.采用SCR技术的运行费用为4321.16元/h，而采用臭氧氧化-碱吸收法的运行费用仅为2988.6元/h，按8000 h/y计，可节约运营费用3456.93 - 2390.88 = 1066.05万元/年。
2.如果用氨水吸收，副产化肥硫铵和硝铵，按液氨2131元/t，硫铵900元/t，硝铵1540元/t的网上查到的当前(2016-2-17)价格计算：
1）每吸收1t SO2消耗0.53 t液氨，副产硫铵2.1t，购销差为760.57元。
2）每吸收1t NOx消耗0.567 t液氨，副产硝铵2.667 t，购销差为2898.90元。
3）该烟气经氨法脱硫、臭氧氧化-碱吸收法脱硝后所产生的购销差为6.402×760.57 + 0.293×2898.90 = 5718.55 元/h = 4574.84万元/年
4）则不需要国家给予任何补贴，总收益亦可达到4574.84万元，抵消2390.88万元/年的运营成本后，可盈利2183.96万元。
4. 如果用氨法脱硫，副产化肥硫铵，然后用氧化镁吸收，副产硝酸，按液氨2131元/t，硫铵900元/t，98%浓硝酸3000元/t的网上查到的当前(2016-2-17)价格计算：
1）每吸收1t SO2消耗0.53 t液氨，副产硫铵2.1t，购销差为760.57元。
2）氧化镁循环使用，损耗不计，每吸收1t NOx副产浓度为98%的浓硝酸2.1 t，产值为6300元。
1）该烟气经氨法脱硫、臭氧氧化-碱吸收法脱硝后所产生的购销差为6.402×760.57 + 0.293×6300=6716.59元/h=5373.27万元/年。
4）则不需要国家给予的脱硫脱硝补贴，总收益亦可达到5373.27万元，抵消2390.88万元/年的运营成本后，可盈利2982.39万元。
二、能耗评价
1. 仅考虑NOx的脱除和空气污染治理
1）氨还原法。采用SCR或SNCR技术，液氨耗量为378 kg/t NOx。若液氨的平均综合能耗以1515 kg标煤/t液氨计，则脱硝能耗为572.67 kg标煤/t NOx。
2）臭氧氧化-碱吸收法。O3耗量为800 kg/t NOx，若臭氧能耗按8 kWh/kg O3，每kWh换算为0.1229 kg标煤计，则脱硝能耗为786.56 kg标煤/t NOx。
臭氧氧化-碱吸收法的能耗(786.56)比SCR或SNCR法的能耗(572.67)高出37%。
2. 若以生产硝酸的能耗为基准进行测算
若臭氧的能耗按8 kWh/kg O3，每kWh换算为0.1229千克标煤计算，液氨和硝铵的能耗分别以1515 kg标煤/t液氨和150 kg标煤/t硝铵计，则从NOx出发，经臭氧氧化-氨水吸收，直接生产硝铵的能耗仅为：300×8×0.1229 + 0.2125×1515 + 150 = 766.90 kg标煤/t硝铵臭氧氧化-氨水吸收法脱硝，直接生产硝铵的能耗(766.90)比氨氧化法生产硝酸，然后再用中和法生产硝铵的能耗(1073.26)低得更多，仅为其71.5%。每生产1 t硝铵可节能306.36 kg标煤，并可将SCR法脱硝的能耗(572.67 kg标煤/t NOx)全部节省下来。
用石粉(碳酸钙)、纸厂的白泥(碳酸钠)或草木灰(碳酸钾)等其他廉价的碱性原料代替氨水，直接生产硝酸钙、硝酸钠或硝酸钾等其他适销对路的产品，节能效果大致相当。
三、资源规模与产品市场容量的匹配度
硝酸属“三酸两碱”之化工行业基础原料，拥有庞大的下游产业链和丰富的下游产品。
据统计，2014年，世界硝酸产能约8018万吨(100% HNO3计，下同)，产量约5982万吨，开工率达到75%。2008~2014年，世界硝酸产能年均增长率为1.79%，产量和表观消费量年均增长率为2.15%，增长速度较之前十年有所增长。
欧洲、中国和北美是硝酸的主要市场，世界硝酸产能的82%、产量的84%和消费量的84%集中在以上三个地区。预计未来5年，世界硝酸生产和消费将继续保持温和增长，产能年均增长率将达到1.9%，产量和市场需求年均增长率将分别达到2.4%和2.3%。
从全球的消费情况来看，化肥及民爆领域消费的硝酸占其消费总量的80%左右，其中96%以上的硝酸用于硝酸铵及硝酸铵钙生产。非化肥领域硝酸消费约占17.2%，其中硝基苯约为3.6%，TDI约为2.8%，己二酸约为2.7%。
目前，我国硝酸生产企业约150家，年产能约2100万吨，是全世界最大的硝酸生产国。硝酸在有机化工领域的下游产品具有一定发展空间，且目前我国已经成为相关产品最大的生产国和消费国。
在我国，硝酸铵仍将是硝酸下游最大的消费产品。2014年，我国硝酸铵产量为625万吨，对硝酸的需求量约为500万吨，占硝酸消费总量的60%左右。“十三五”时期，尿素硝铵溶液、硝基复合肥等产品发展潜力较大，到2020年对硝酸铵的农业需求乐观估算达到1100万吨以上。
全国硝酸硝酸盐工作委员会副主任委员孙立辉说，硝基类的水溶性肥料、液体肥等下游产品现已形成市场，未来将有大的发展。全国化工合成氨设计技术中心站站长李海泉介绍说，随着由中海油山东化学工程有限公司设计的国内首套年产60万吨硝基复合肥装置去年一次投料试车成功，及其他硝基复合肥项目陆续投产，硝基复合肥将成为硝酸消费的主力军之一。
近年来，MDI、TDI、己二酸和硝基氯苯等硝酸下游产品的规模快速增长，在硝酸消费结构中具有重要的地位。
MDI是生产聚氨酯的重要原料。近年来，我国MDI产品已经基本满足国内消费，并开始进军国际市场。2014年，我国MDI总产能261万吨，开工率接近90%，消费量230万吨。预计到2020年，我国MDI产能达到440万吨，消费量396万吨，对硝酸需求量220万吨。
TDI是常用的多异氰酸酯的一种。近年来，我国TDI已经从供不应求到大量出口。2014年，我国TDI产能89万吨，产量72万吨，开工率约80%。预计到2020年，我国TDI产能135万吨，消费量108万吨，对硝酸需求量98万吨。
己二酸又称肥酸，是生成尼龙66的原料。2014年我国己二酸总产能221万吨，产量110万吨，开工率约50%，消费量为96万吨。预计2020年，我国己二酸产能290万吨，消费量170万吨，对硝酸需求量100万吨。
硝基氯苯主要包括对硝基氯苯和邻硝基氯苯。近年来，我国硝基氯苯市场竞争较为激烈，多套规模较小、工艺落后的装置已被迫关闭，一些没有氯碱和氯化苯配套的装置开工率较低。2014年，我国硝基氯苯总产能79万吨，占世界的79%，产量58万吨，消费量56万吨。预计2020年我国硝基氯苯产能90万吨，消费量75万吨，对硝酸需求量33万吨。
目前我国每年NOx的烟气排放量在1500万吨以上(2012年达到了1729.7万吨)。
如采用SCR或SNCR还原法脱硝，则至少需耗用液氨653.4万吨，占我国目前液氨年总产量(不足6000万吨)的10%以上，折合标煤990万吨，需排放二氧化碳3600万吨。
如采用臭氧氧化-氧化镁吸收法脱硝，然后用硝镁法制硝酸，则可联产硝酸3632万吨以上，且可比现行的氨氧化法硝酸工艺节约标煤704万吨，减少二氧化碳排放2580多万吨。再加上免除的采用SCR或SNCR还原法脱硝过程中氨的消耗，两项相加共可节约标煤近1700万吨，减少二氧化碳排放6000多万吨。
如采用臭氧氧化-氨水吸收法脱硝，直接生产硝铵，则可联产硝酸铵4612万吨以上，且可比现行的氨氧化法硝酸，然后再用中和法生产硝铵的工艺节约标煤1400多万吨，减少二氧化碳排放5100多万吨。再加上免除的采用SCR或SNCR还原法脱硝过程中氨的消耗，两项相加共可节煤近2400万吨(可供24台1000 MW级发电机组满负荷运转1年，发电1952.8亿度)，减排8700多万吨。
作者简介：
汤鲁宏，男，1960.1出生，博士，江南大学副教授、研究室主任，联系电话：18168851236，E-mail：1248648827@qq.com
论文作者:汤鲁宏
论文发表刊物:《电力技术》2016年第3期
论文发表时间:2016/7/14
标签：万吨论文; 硝酸论文; 万元论文; 臭氧论文; 烟气论文; 硝基论文; 产能论文; 《电力技术》2016年第3期论文;