江蘇龍源催化劑有限公司肖 雨亭

北京國電龍源環(huán)保工程有限公司 路光杰

2010年之前，我國沒有自主知識產(chǎn)權(quán)的火電廠NOX排放控制技術(shù)，針對這一問題，北京國電龍源環(huán)保工程有限公司進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，突破了煙氣脫硝核心技術(shù)“催化劑配方及生產(chǎn)工藝設(shè)備國產(chǎn)化+脫硝流場模擬及反應(yīng)器設(shè)計”這兩大關(guān)鍵技術(shù)難題，打造了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的“催化劑產(chǎn)品-脫硝工藝”技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈，實現(xiàn)了整個脫硝產(chǎn)業(yè)鏈的100%國產(chǎn)化，打破了國外企業(yè)技術(shù)壟斷，引領(lǐng)了國內(nèi)脫硝產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

國內(nèi)脫硝技術(shù)面臨的主要問題

我國以煤為主的能源結(jié)構(gòu)導(dǎo)致大氣污染物排放總量居高不下，大氣中SO2、NOX排放量在快速增加，2011年排放的NOX達(dá)到2400多萬噸，其中燃煤煙氣中NOX占67%，成為最大來源，排放控制十分緊迫。為此，國家“十二五”發(fā)展規(guī)劃中明確提出未來五年內(nèi)完成NOX總量減排10%的約束性指標(biāo)，新的排放標(biāo)準(zhǔn)

要求火電廠NOX排放限值為100mg/Nm3(全球最嚴(yán)格)。單純依靠低氮燃燒技術(shù)不能滿足這一標(biāo)準(zhǔn)，最有效的技術(shù)途徑是NH3選擇性催化還原(SCR)脫除NOX。而2010年之前國內(nèi)應(yīng)用面臨的主要問題有：我國脫硝催化劑依賴進(jìn)口，成本居高不下，進(jìn)口脫硝催化劑難以適應(yīng)我國復(fù)雜的煙氣特征;缺乏脫硝工藝的核心技術(shù)參數(shù)和軟件包;我國尚未開發(fā)出原材料及催化劑生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備和評價系統(tǒng)。

脫硝技術(shù)關(guān)鍵問題攻關(guān)過程

1.脫硝催化劑配方研究和成型工藝研究

這一部分的主要課題是研發(fā)高效低成本脫硝催化劑核心配方及其成型工藝，揭示高性能脫硝催化劑的反應(yīng)機(jī)制。針對催化劑生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵問題，對催化劑的成型技術(shù)進(jìn)行深入研究，確定催化劑混煉、擠出、干燥和燒成工藝，提高產(chǎn)品成品率、降低能耗。研究了釩、鎢的量以及不同鈦硅比對催化劑活性及脫硝選擇性的影響，獲得了最佳的催化劑配方。通過比較不同煅燒溫度下催化劑的比表面積與釩負(fù)載量的對應(yīng)關(guān)系及釩的晶化程度，確定了最佳的煅燒溫度。解析了催化劑的化學(xué)組成和價態(tài)、晶相結(jié)構(gòu)和表面酸性位與脫硝性能之間的對應(yīng)關(guān)系，揭示了脫硝吸附催化協(xié)同反應(yīng)機(jī)制，發(fā)現(xiàn)了吸附的亞硝酸鹽為反應(yīng)的關(guān)鍵物種。在研發(fā)的復(fù)合氧化物原材料中加入活性成分AMV，并添加粘結(jié)劑、助擠劑、潤滑劑、造孔劑等各種添加劑，通過混煉、過濾、擠壓成型、干燥、煅燒、切割等過程最終確立了最佳的成型配方和工藝參數(shù)。

釩含量直接影響脫硝催化劑活性，釩含量增加促進(jìn)低溫活性，但降低高溫脫硝選擇性，增加SO2氧化率。鎢是傳統(tǒng)脫硝催化劑中的重要助劑，添加后可以提高催化劑的低溫活性，但在釩負(fù)載量較高時，鎢負(fù)載量的增加導(dǎo)致高溫段活性略有下降。

通過原位紅外光譜、原位拉曼光譜結(jié)合程序升溫實驗及表面元素分析，研究脫硝催化劑在反應(yīng)過程中的具體反應(yīng)路徑、反應(yīng)的關(guān)鍵物種和反應(yīng)的活性位，確定不同催化劑在不同溫度下的反應(yīng)機(jī)理。解析了催化劑的化學(xué)組成和價態(tài)、晶相結(jié)構(gòu)和表面酸性位與脫硝性能之間的對應(yīng)關(guān)系，揭示了脫硝吸附催化協(xié)同反應(yīng)機(jī)制，發(fā)現(xiàn)了吸附的亞硝酸鹽為反應(yīng)的關(guān)鍵物種。

研究獲得了催化劑的干燥曲線、焙燒曲線、模塊邊緣硬化液配方，掌握了催化劑生產(chǎn)的關(guān)鍵控制參數(shù)，形成適用于國產(chǎn)原材料的生產(chǎn)工藝，產(chǎn)品合格率達(dá)到98%以上。自主開發(fā)混煉工藝并實現(xiàn)程序化控制，保證每批泥料質(zhì)量的穩(wěn)定性;優(yōu)化多級分步干燥工藝，減少催化劑的干裂現(xiàn)象，提高催化劑的成品率和質(zhì)量;自主改進(jìn)催化劑焙燒時間和溫度區(qū)間，改善催化劑的微觀結(jié)構(gòu)，提高催化劑抗機(jī)械強(qiáng)度和中毒能力;高活性的催化劑模塊邊緣硬化液，提高催化劑有效體積。

2.煙氣流場模擬及脫硝工藝參數(shù)設(shè)計

建立了國內(nèi)第一家煙氣脫硝流場試驗裝置，各項試驗指標(biāo)全面超過了國際先進(jìn)水平，如模型比例大(最大1頤8)，測試精度高(萬分之一)、測試點密集(1000點/平方米)、可靠性高等，利用流場模擬反應(yīng)裝置和還原劑噴射系統(tǒng)，確定煙氣系統(tǒng)的氣動特性，對脫硝煙道、反應(yīng)器結(jié)構(gòu)以及氨氣噴射渦流混合系統(tǒng)進(jìn)行模擬并優(yōu)化，自主研發(fā)了反應(yīng)器導(dǎo)流管，獲得最優(yōu)的煙道和反應(yīng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計，開發(fā)自主知識產(chǎn)權(quán)的軟件包。設(shè)計開發(fā)了煙氣脫硝系統(tǒng)的反應(yīng)器、還原劑添加噴射系統(tǒng)及流場模擬軟件，集成了自主產(chǎn)權(quán)的渦流混合器及流場技術(shù)的脫硝成套工藝和軟件包，使脫硝工程建設(shè)成本顯著下降。

3.脫硝催化劑生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備設(shè)計開發(fā)及應(yīng)用

在國內(nèi)率先實現(xiàn)催化劑生產(chǎn)線的國產(chǎn)化，主要生產(chǎn)設(shè)備均屬國內(nèi)首創(chuàng)，包括國產(chǎn)SCR催化劑用連續(xù)式隧道燒結(jié)窯，國產(chǎn)催化劑擠出成型機(jī)，大孔徑蜂窩催化劑成型模具，國產(chǎn)連續(xù)干燥DCS控制系統(tǒng)以及國產(chǎn)混煉機(jī)等，其中大孔徑成型模具為適應(yīng)高飛灰工況的催化劑生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)，整條脫硝催化劑生產(chǎn)線的國產(chǎn)化率達(dá)到100%，極大地提升了國內(nèi)脫硝催化劑行業(yè)的裝備水平。

其中，混煉機(jī)是催化劑生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，也是國產(chǎn)化難度最高的設(shè)備，通過大量的調(diào)研分析，項目組與國內(nèi)生產(chǎn)設(shè)備制造廠家合作完成了混煉機(jī)的設(shè)計研制工作，重點解決了加工精度低、混合均勻性差等問題，目前實現(xiàn)了連續(xù)穩(wěn)定運行。下圖為自主開發(fā)的混煉機(jī)，主要包括主轉(zhuǎn)子攪拌系統(tǒng)、星耙攪拌系統(tǒng)、鍋體大盤攪拌系統(tǒng)、卸料門系統(tǒng)、主動潤滑和自動控制等。

所屬頻道: 火力發(fā)電 關(guān)鍵詞: 龍源環(huán)保煙氣催化脫硝燃煤電廠

擠出機(jī)：針對擠出機(jī)加工精度低、擠出壓力小、擠出速度慢、真空性能差、成型率低等問題，項目組設(shè)計了由上下兩級結(jié)構(gòu)組成的新型擠出機(jī)。上級為雙軸攪拌裝置，由電機(jī)通過變速箱和聯(lián)軸器驅(qū)動兩根攪拌軸轉(zhuǎn)動，攪拌軸的前端安裝攪刀，后端安裝螺旋葉并與真空室聯(lián)接，在攪拌軸的最末端安裝有阻泥刀;下級電機(jī)通過變速箱和聯(lián)軸器驅(qū)動主軸及壓泥板，下級的螺旋葉采用優(yōu)質(zhì)鋼材精工制作，外表鑲嵌有可以方便更換的高級耐磨合金片，從而極大地延長螺旋葉的使用壽命;在真空室的正前方設(shè)有圓形高強(qiáng)度有機(jī)玻璃門，方便觀察真空室內(nèi)的情況和清機(jī)操作。下圖為自主設(shè)計開發(fā)的擠出機(jī)及結(jié)構(gòu)示意圖。

隧道窯：隧道窯的設(shè)計決定了成品率和生產(chǎn)能耗，設(shè)計開發(fā)的隧道窯采用型鋼(方鋼管)作骨架，全框架單元組裝結(jié)構(gòu)，以2m為單元模數(shù)，全窯設(shè)置22個單元組裝模塊，另加冷卻帶1個單元，各單元間通過螺栓緊固連接，有效消除鋼架結(jié)構(gòu)的自身受熱膨脹應(yīng)力，并方便拆卸。改進(jìn)后的煅燒窯使催化劑的成品率提高到95%以上，每臺窯爐功耗降低了110kW(僅為國外同類產(chǎn)品60%左右)。該關(guān)鍵設(shè)備填補(bǔ)了國內(nèi)空白，達(dá)到國際先進(jìn)水平。

公司自主設(shè)計完成的關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)備極大地推進(jìn)了國內(nèi)脫硝催化劑產(chǎn)業(yè)鏈的形成，目前基于項目組設(shè)計研發(fā)的主要設(shè)備的市場占有率高達(dá)60%。利用該技術(shù)裝備制造的耐高含塵煙氣蜂窩式脫硝催化劑已經(jīng)過中國電力企業(yè)聯(lián)合會的新產(chǎn)品鑒定，鑒定意見認(rèn)為該產(chǎn)品主要性能指標(biāo)達(dá)到國際先進(jìn)水平。

4.建立了催化劑性能檢測方法和標(biāo)準(zhǔn)

科學(xué)可靠的檢測方法和評價系統(tǒng)直接影響著能否生產(chǎn)出高質(zhì)量脫硝催化劑產(chǎn)品。針對催化劑研究過程中的粉末樣品、蜂窩小樣以及整體式蜂窩模塊，自主設(shè)計開發(fā)了不同階段的催化劑評價裝置，系統(tǒng)研究分析了催化劑的脫硝效率，二氧化硫氧化率及氨逃逸率等。目前，項目合作單位清華大學(xué)建立的粉末樣品和蜂窩小樣實驗裝置成為教學(xué)和科研的主要平臺，國內(nèi)外專家學(xué)者先后到此合作交流，同類裝置在國內(nèi)目前建立了50多套。江蘇龍源催化劑公司在國電諫壁電廠一期3伊330MW機(jī)組脫硝裝置的側(cè)壁設(shè)置了脫硝催化劑在線活性評價裝置，為在線評價催化劑性能提供良好的分析平臺。

制定催化劑的檢測標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)是脫硝行業(yè)良性發(fā)展的關(guān)鍵，項目組主持和參加制定《燃煤煙氣脫硝催化劑性能測試方法》(20130424-T-303)、《火電廠煙氣脫硝催化劑檢測技術(shù)規(guī)范》(DL/T1286-2013)等國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以及火電廠煙氣脫硝(SCR)裝置檢修規(guī)程》(DL/T322-2010)等相關(guān)國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

檢測系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)的建立，確定適合我國國情的催化劑物理性能和化學(xué)性能科學(xué)可靠的測試方法和技術(shù)評價指標(biāo)體系，對規(guī)范整個脫硝行業(yè)具有重要的指導(dǎo)意義。

與當(dāng)前國內(nèi)外同類研究、同類技術(shù)的綜合比較

龍源環(huán)保公司等開發(fā)的適用于高含塵煙氣條件下應(yīng)用的高強(qiáng)度催化劑產(chǎn)品，與日本JGCC&C的同類產(chǎn)品對比如下：

國產(chǎn)脫硝催化劑與進(jìn)口產(chǎn)品主要性能指標(biāo)的對比

從以上測試報告可以看出，該公司產(chǎn)品不僅在脫硝效率、SO2氧化率和NH3逃逸率等指標(biāo)上達(dá)到或超過日本進(jìn)口產(chǎn)品，而且更重要的是在耐磨性能和機(jī)械強(qiáng)度上較進(jìn)口產(chǎn)品有了大幅提高，因此，公司產(chǎn)品更適用于國內(nèi)高含塵煙氣條件，較國內(nèi)同類產(chǎn)品或進(jìn)口產(chǎn)品有更強(qiáng)的市場競爭力。

應(yīng)用情況

本項目開發(fā)的燃煤煙氣催化脫硝關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)在燃煤電廠及工業(yè)鍋爐等多種行業(yè)實現(xiàn)了煙氣脫硝實際應(yīng)用。運行結(jié)果表明：該技術(shù)穩(wěn)定可靠，脫硝效率、氨逃逸和SO2氧化率等指標(biāo)能夠達(dá)到設(shè)計要求。該技術(shù)的推廣應(yīng)用為我國燃煤煙氣脫硝提供了重要技術(shù)支持，為實現(xiàn)“十二五”規(guī)劃減排目標(biāo)提供了有力保障。

本項目成果形成了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的燃煤煙氣脫硝關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新體系，所研究開發(fā)的“催化劑制造-脫硝工藝”產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)已經(jīng)在相應(yīng)企業(yè)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，建成并投產(chǎn)了32000m3的脫硝催化劑生產(chǎn)線，自主開發(fā)的蜂窩脫硝催化劑先后應(yīng)用于國電、華能等集團(tuán)100多個火電廠機(jī)組，以流場試驗為核心的輔助設(shè)計手段，北京國電龍源環(huán)保工程有限公司負(fù)責(zé)承建了120多個火電廠脫硝工程，市場份額國內(nèi)最大。